Jump to content
  • Surse regenerabile de energie - componentă importantă a dezvoltării energetice durabile


    donpetru
    • În cele două pagini ale articolului am vrut sa aduc în atenția cititorilor diverse probleme legate de folosirea surselor regenerabile de energie, luand în prim plan câteva argumente în favoarea utilizării energiei solare. La finele articolului am atașat succint o aplicație practică dezvoltată în cadrul unui proiect de diplomă. Așadar, vă invit să savurați acest articol, pe care îl aveam uitat printr-un raft al propriei biblioteci personale.

    Problemele legate de viitorul energetic al umanităţii, sunt strâns legate de schimbările climatice şi de gestionarea raţională a resurselor energetice actuale. În ceea ce urmează, sunt prezentate concluzii în ceea ce priveşte opţiunile energetice pe termen lung, datorate modificărilor climatice.

    1. Generalități

    1.1 Schimbările climatice şi disponibilitatea resurselor

    Omenirea se confruntă în acest secol cu câteva probleme majore cum sunt cele ale energiei, apei şi alimentaţiei, rezolvarea corectă a lor fiind esenţa preocupărilor pentru o dezvoltare durabilă. O dezbatere despre energiile regenerabile trebuie să pornească de la problemele schimbărilor climatice şi disponibilităţii resurselor, în condiţiile unei importante creşteri demografice şi a necesităţii de a permite accesul la energie a miliarde de persoane care în prezent sunt privaţi de acesta. Studiile oamenilor de ştiinţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creştere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2-6oC, până la sfârşitul acestui secol, cu efecte dezastroase. Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creştere permanentă a concentraţiei de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent.

    În cel de al treilea raport al Grupului Interguvernamental de Evoluţie a Climatului GIEC, prezentat în 2001, emisiile din anul 1990 au fost evaluate la 6,29 miliarde de tone echivalent carbon (Tabelul 1.1)
    Estimând că la sfârşitul acestui secol populaţia globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condiţiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populaţie, pentru a nu depăşi concentraţia de CO2 de 450 ppm în atmosferă, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru ţările dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră (Tabelul 1.2). Chiar şi în ipoteza practic a dublării concentraţiei actuale de CO2 în atmosferă, până la 650 ppm, emisiile de CO2 în ţările dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori.

    Imagine postată

    Rezervele convenţionale de petrol şi de gaze naturale (Tabelul 1.3), potrivit aceluiaşi raport, la nivelul actual de consum, vor fi disponibile aproximativ 40 de ani.
    Ţinând seama şi de resursele care vor mai fi descoperite în anii următori, experţii apreciază ca până în anul 2020, producţiile de petrol şi gaze vor mai creşte, preţul petrolului păstrându-se în jur de 25 de USD/baril, după această dată producţia urmând să scadă şi preţul să crească spre 2040-2050 spre 50 USD/baril.

    Imagine postată

    Resursele neconvenţionale de petrol (şisturile bituminoase şi nisipurile asfaltice) estimate la 600 miliarde tep, vor reprezenta resurse suplimentare cu costuri superioare şi emisii de CO2.

    1.2 Perspectivele surselor regenerabile de energie

    Utilizarea surselor de energie regenerabile SER au avantajul perenităţii lor şi a impactului neglijabil asupra mediului ambiant, ele ne emiţând gaze cu efect de seră. Chiar dacă prin ardere biomasa elimină o cantitate de CO2, această cantitate este absorbită pe durata creşterii sale, bilanţul fiind nul. În acelaşi timp aceste tehnologii nu produc deşeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârşitul vieţii, spre deosebire de instalaţiile nucleare, este relativ simplă. Ca orice tehnologie energetică şi utilizarea SER prezintă unele inconveniente. Impactul instalaţiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului şi al scăpărilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate inconveniente sunt însă cele legate de suprafaţa de teren necesară şi de intermitenţa şi disponibilitatea lor.

    Este cunoscut faptul că pentru producerea unei puteri de 8 MW în instalaţii eoliene este necesară o suprafaţa de km2, însă din aceasta numai 1% este efectiv ocupată de instalaţii, restul putând fi utilizată în continuare pentru agricultură. Şi pentru producerea de energie fotovoltaică sunt necesare suprafeţe importante. Astfel pentru o putere de 1 kW şi o energie anuală de 1000 kWh sunt necesari 10 m2, dar suprafaţa acoperişelor locuinţelor ar permite instalarea câtorva mii de MW. Intermitenţa energiei solare şi eoliene poate fi compensată prin instalaţii de acumulare a energiei electrice sau termice sau prin producerea unor vectori energetici intermediari, cum este hidrogenul obţinut prin electroliză . Pentru energia hidraulică stocarea este mai facilă prin crearea unor lacuri de acumulare, iar pentru biomasă aceasta poate fi stocată atât înaintea recoltării cât şi după aceasta în depozite sau sub formă de biocarburanţi.

    Utilizarea SER a cunoscut un prim avânt după crizele petroliere din 1973 si 1980, dar a cunoscut o stagnare de circa 12 ani după contra şocul petrolier din 1986. Abia după încheierea protocolului de la Kyoto din 1998, ţările dezvoltate au început să-şi propună programe extrem de ambiţioase. Astfel la Sumitul de la Johannesburg ţările Uniunii Europene şi-au propus o creştere anuală de 1% pentru ponderea SER în balanţa energetică până în anul 2010 şi o creştere a ponderii biocarburanţilor până la 5,75 % în acelaşi an. Aceste obiective nu pot fi atinse fără dezvoltarea cercetării şi colaborării internaţionale în două direcţii principale :

    • Reducerea costurilor (eolian în largul marilor, fotovoltaic) şi a fezabilităţii industriale (geotermia de mare adâncime , biocarburanţi de sinteză);
    • Stocajul energiei electrice ( centrale de pompare acumulare, producere de hidrogen) şi termice (acumulatoare la temperatură înaltă) precum şi ameliorarea prognozei pentru aceste energii şi multiplicarea numărului de unităţi distribuite în teritoriu pentru echilibrarea sistemului electroenergetic. În paralel cu acestea sunt posibile sisteme de gestiune a cererii, de exemplul la nivelul „imobilelor inteligente”, care produc, stochează şi utilizează energia.

    2. Alternative energetice

    Conceptul de dezvoltare durabilă se referă la acel tip de dezvoltare economică ce asigură satisfacerea necesităţilor generaţiei prezente fără a compromite posibilitatea generaţiilor viitoare de a-şi satisface propriile lor cerinţe. Dezvoltarea durabilă pune în prim-plan, în ceea ce priveşte industria energetică, următoarele obiective: reorientarea tehnologiilor de producere a energiei şi punerea sub control a riscurilor acestora; conservarea şi sporirea bazei de resurse, reducerea emisiei de CO2, dezvoltarea resurselor regenerabile, unificarea proceselor de luare a deciziilor privind energia, economia, în general şi protecţia mediului, în special. Prin „energie regenerabilă“ se înţelege energia derivată dintr-un larg spectru de resurse, toate având capacitatea de a se reînnoi, ca de exemplu: energia hidraulică, solară, eoliană, geotermală şi din biomasă (resturi menajere, municipale, din industrie şi din agricultură).

    Imagine postată

    Aceste resurse de energie pot fi utilizate pentru generarea de energie electrică în toate sectoarele de activitate, pentru generarea de energie termică necesară proceselor industriale şi încălzirii locuinţelor, pentru producerea de combustibili necesari transporturilor. Tehnologiile de producere a energiei din resurse regenerabile se află pe diferite stadii de dezvoltare şi comercializare. Din energiile obţinute din surse regenerabile, în anul 1998, în SUA, 55% proveneau din sursă hidraulică, 38% din biomasă, inclusiv deşeuri solide municipale, 5% din sursa geotermală, 1% din sursa solară, 0,5% din sursa eoliană. Resursele regenerabile de energie sunt disponibile pe tot globul şi se găsesc din abundenţă.

    În tabelul 2.1 sunt prezentate date privind energia disponibilă anual, pe metrul pătrat al suprafeţei globului, pentru 6 surse regenerabile. Tehnologiile energetice bazate pe resurse regenerabile generează relativ puţine deşeuri sau poluanţi care contribuie la ploile acide, smoguri urbane, sau care să determine probleme de sănătate şi nu impun costuri suplimentare pentru depoluarea mediului sau pentru depozitarea deşeurilor. Posesorii de sisteme energetice bazate pe resurse regenerabile nu trebuie să fie îngrijoraţi de schimbările potenţiale globale ale climatului generate de excesul de CO2 şi alte gaze poluante. Sistemele energetice solare, eoliene şi geotermale nu generează CO2 în atmosferă, dar biomasa absoarbe CO2 când se regenerează şi de aceea întregul proces de generare, utilizare şi regenerare a biomasei conduce la emisiuni globale de CO2 aproape nule.

    În prezent există deja mai multe tehnologii energetice regenerative, alternative la arderea combustibililor fosili de producere a energiei, şi anume energia hidraulică, eoliană, geotermică, tehnologia de conversie a energiei solare, biomasa, etc. În continuare se prezintă sintetic aceste realizări tehnologice în domeniul sistemelor energetice bazate pe resurse regenerabile de energie.

    2.1 Energia hidraulică

    Conversia energiei hidraulice în energie electrică nu este poluantă, presupune cheltuieli relativ mici de întreţinere, nu există probleme legate de combustibil şi constituie o soluţie de lungă durată, dar creează unele probleme de ordin ecologic (suprafaţa lacurilor de acumulare). Energia hidraulică este cea care a penetrat cel mai rapid în balanţele energetice. Hidrocentralele asigură producerea a 19% (2650 TWh/an) din energia electrică la nivel mondial. Potenţialul tehnic amenajabil este de circa 14400 TWh/an şi se consideră că peste 8000 TWh/an pot fi produşi în condiţii economice. Puterea electrică instalată în hidrocentrale este de circa 692 GW şi alţi 110 GW sunt în construcţie. O situaţie pe zone geografice privind capacitatea instalată şi producţia de energie electrică în hidrocentrale în anul 2000 este prezentată în tabelul 2.2.
    Centralele hidroelectrice au cele mai reduse costuri de exploatare şi cea mai mare durată de viaţă în comparaţie cu alte tipuri de centrale electrice. Există o experienţă de peste un secol în realizarea şi exploatarea lor, ceea ce face ca ele să atingă niveluri de performanţă tehnică şi economică foarte ridicate. Energia hidraulică nu mai este de mult o promisiune, ci o certitudine pentru toate ţările lumii, dezvoltate sau în curs de dezvoltare.

    În literatura de specialitate, „energia hidraulică“ este legată doar de potenţialul oferit de cursurile de apă (râuri, fluvii, lacuri de acumulare, cascade, pe firul apei) deşi în acelaşi concept ar putea fi integrată şi energia valurilor sau a mareelor. Neglijată multă vreme, energia valurilor a început să intereseze tot mai mult, în special ţările cu suprafeţe întinse de litoral: Marea Britanie, Franţa, SUA etc.

    Imagine postată

    Energia mareelor poate dezvolta curent puteri electrice de ordinul a 80…100 MW, dar partea tehnic amenajabilă este mică şi implică investiţii foarte mari. În prezent cea mai mare centrală mareo-electrică se găseşte în Franţa şi are 240 MW.

    2.2 Energia eoliană

    Manifestată prin deplasarea unor mari mase de aer (curenţi) energia a fost folosită cu succes în urmă cu secole, extinderea acesteia fiind, totuşi, limitată din cauza caracterului intermitent al fluxului şi al vitezei variabile a vântului. Potenţialul total al energiei cinetice a aerului, la o înălţime de 50…100 m deasupra solului, are o valoare importantă, de acelaşi ordin de mărime cu potenţialul hidroenergetic.
    Dezvoltarea instalaţiilor eoliene depinde de maturitatea tehnică atinsă azi în domeniul aerogeneratoarelor. În anul 2000, în întreaga lume s-au instalat noi sisteme eoliene de circa 3900 MW, ceea ce a condus la o majorare a cantităţii de energie electrică produsă eolian cu 35 %. În următorii 8 ani va fi instalată o putere de 110.000 MW în centralele eoliene. Dacă acestea s-au dezvoltat pe zonele de coastă, în prezent tendinţa este de a construi unităţi în interiorul continentelor pentru a furniza energie pentru mii de gospodării, ferme şi mici întreprinderi.
    Centralele eoliene au puteri standardizate, începând de la 100 kW la 5 MW/unitate. O situaţie a capacităţilor instalate în instalaţii eoliene şi a producţiei de electricitate în anul 2000 este prezentată în tabelul 2.3.

    Imagine postată

     

    Puterea instalată în aerogeneratoare nu înlocuieşte puterea necesară a fi instalată în surse convenţionale, inclusiv hidro cu acumulare. Trebuie să existe o rezervă care să acopere nevoile sistemului electroenergetic în caz de acalmie atmosferică. Energia eoliană poate constitui cel mult o sursă auxiliară de energie; ea prezintă perspective pentru soluţionarea problemei globale energetice deoarece pe glob, cu tehnologiile actuale, nu există atâtea zone cu vânturi care să acopere întregul necesar energetic pământesc.

    2.3 Energia solară

    Din fluxul inepuizabil al energiei solare care depăşeşte 1011 MW, pe sol ajunge sub 20%, cu lungimea de undă de 0,4…2,5 µm. Din această categorie: 16% este folosită de evaporarea apelor; 3% la fotosinteza vegetaţiilor terestre, 0,16% de fotosinteza vegetaţiilor subacvatice; 0,02% pentru formarea de combustibili fosili. Energia solară ajunsă pe Pământ într-o zi este de 30.000 de ori mai mare decât energia produsă de omenire într-un an întreg sau de 25 de ori mai mare decât cea care ar fi produsă de volumul total al rezervelor de cărbune.
    Energia solară prezintă şi dezavantajul că este difuză şi nepermanentă (ciclu noapte/zi, timp înnorat etc.) şi că nu poate fi colectată decât în regiuni însorite.

    Energia solară poate fi exploatată prin:

    • conversie directă în electricitate prin intermediul dispozitivelor statice pentru transformarea radiaţiei solare în energie electrică, ca de exemplu: cupluri termoelectrice cu semiconductori (germaniu sau siliciu), dezvoltând randamente de 5…8%, diode termoionice (cu vapori de cesiu), cu randamente de 15…18%; celule solare sau pile fotovoltaice cu semiconductori (seleniură sau sulfură de cadmiu), cu randamente de 12…15%;
    • conversie indirectă în electricitate, problemă mult mai dificilă, care ar putea fi soluţionată pe două căi: fie prin conversia în energie termică a undelor solare prin care se constituie sursa caldă a unei centrale termice clasice, iar temperaturile obţinute asigură fierberea apei, fie prin reflectarea şi focalizarea căldurii cu ajutorul colectoarelor solare care ar capta şi concentra energia solară într-un fluid ce ar putea fi folosit apoi ca generator de abur cu temperaturi înalte, a căror funcţie ar fi de a acţiona turbogeneratoare convenţionale sau de construcţie specială.

    Energia solară utilizată pentru încălzirea locuinţelor a devenit deja o industrie unde exista zeci de companii.

    2.4 Energia geotermală

    Energia geotermală este rezultatul a două fenomene diferite: radioactivitatea naturală a solului sau prezenţa unor roci fierbinţi în apropierea unor pungi de lavă. Resursele energetice geotermale includ vapori supraîncălziţi, apa fierbinte, pietre uscate fierbinţi, magma fierbinte şi zone încălzite ale suprafeţei Pământului. Costul energiei electrice produsă geotermic a fost în anul 2001 de aproximativ 0,05…0,08 USD/kWh. Emisiile de dioxid de carbon sunt reduse considerabil (cu 25% faţă de cele mai bune centrale pe gaz şi cu 50% faţă de cele mai bune centrale pe păcură).
    Energia geotermală poate fi:

    • de înaltă temperatură (caracteristică zonelor vulcanice), pânzele de apă limitrofe ajungând la sute de grade, realizând o vaporizare parţială care se utilizează într-o centrală electrică. Accesul la pânza de apă este dificil. Uneori, adâncimea de foraj poate depăşi 10.000 m;
    • de joasă temperatură, accesibilă în orice parte a globului. Temperatura scoarţei pământeşti creste în adâncime cu 3°C la fiecare 100 m. Diferenţa de temperatură creată ar putea fi aplicată în termoficare prin recircularea fluidului în pompe de căldură, nu în producerea energiei electrice.

    2.5 Energia termofotovoltaică

    O metodă relativ nouă de producere a energiei electrice ce se bazează pe celule de combustie care convertesc energia termică sau radiaţiile infraroşii, produse prin arderea gazelor naturale sau prin concentrarea energiei solare, în energie electrică. Elementul de bază al noii metode este o celulă solidă de combustie cu oxizi (Solid Oxides Fuel Cell SOFC), iar producţia de energie se realizează prin conversia chimică a substanţelor, şi nu prin ardere. Gazul natural desulfurizat, la o temperatură de 1000°C, este adus în proximitatea unor celule termofotovoltaice formând astfel pile de combustie, în care moleculele se „rup“ şi se separă în hidrogen şi oxid de carbon. Hidrogenul se uneşte cu oxigenul din aer pentru a forma apa şi electroni ce generează curentul electric.

    Procesul de producere a energiei electrice este similar cu inversul procesului de electroliză. Întrucât celulele termofotovoltaice convertesc combustibilul direct în energie electrică de două, trei ori mai eficient decât o poate face conversia termodinamică, pilele de combustie constituie, prin definiţie, o tehnologie specifică nepoluantă şi sunt o sursă potenţială energetică de mare perspectivă care este foarte eficientă, nezgomotoasă şi nepoluantă, compatibilă cu politica de resurse energetice regenerabile, fiabilă şi durabilă (nu au piese în mişcare).

    O pilă de combustie converteşte aproximativ 50…60% din energia hidrogenului în energie electrică şi produce apă la circa 300°C, temperatura ideală pentru încălzirea mediului din clădiri. Producerea energiei electrice prin celule de combustie şi folosirea apei pentru încălzirea clădirilor ar putea deveni atât de ieftine încât să devină competitive faţă de energia produsă în termocentrale sau în centrale nucleare. Unele firme din Europa şi din SUA au obţinut în anul 2001 certificarea CE pentru centrale de încălzire cu pile de combustie.
    Tehnologia hidrogenului a ajuns aproape de faza de comercializare şi în aplicaţiile mobile (transport auto). Tendinţa este clară deoarece pilele de combustie au randament dublu faţă de motoarele actuale, iar emisiile sunt practic vapori de apă.

    2.6 Energia pe bază de biomasă

    Centralele energetice bazate pe biomasă produc prin valorificarea (coarderea) reziduurilor agricole, industriale sau menajere, în arzătoare, alături de cărbune, ţiţei sau gaze, sau prin convertirea biomasei în gaze combustibile care pot substitui arderea gazelor naturale. Puterea instalată în asemenea centrale este de circa 20 MW, randamentul global al procesului de convertire în energie este de circa 20%, iar costul energiei electrice produse a fost de 0,08…0,12 USD/ kWh în anul 2001. Capacitatea instalată în lume de energie bazată pe biomasă era în anul 2001 de circa 25.000 MW. Cercetările în domeniu se concentrează pe dublarea sau chiar triplarea randamentului de conversie, pe reducerea preţului de cost şi pe soluţionarea depozitării cenuşilor rezultate.

    De exemplu, o fermă de 900 porci furnizează deşeurile organice şi resturile de hrană pentru o centrală furnizoare de electricitate şi căldură. Resturile fermentează şi se produce gaz de bună calitate, care este folosit drept combustibil. Această centrală pe biogaz înlocuieşte anual 300.000 litri de motorină prin procesarea a 4000 m3 bălegar lichid, 2000 t deşeuri porumb şi 5000 t alte reziduuri. Încă un efect pozitiv îl constituie diminuarea poluării mediului

    În concluzie: în ciuda succeselor obţinute în dezvoltarea tehnologiei de producere a energiei din surse energetice regenerabile, costul energiei electrice obţinute din aceste resurse este încă mai mare decât costul energiei electrice generate prin arderea combustibililor fosili. Costul energiei electrice generate din resurse regenerabile ar fi mai mic decât cel al energiei din reţea dacă cheltuielile indirecte (depoluarea mediului, costuri medicale, costuri de securizare a energiei) generate în procesul producerii energiei electrice prin arderea combustibililor fosili ar fi incluse în costul unităţii de energie electrică. Gradul de utilizare a energiilor regenerabile s-a îmbunătăţit mult în ultimii ani, beneficiind în mai multe ţări de sprijin direct din partea guvernelor. Deşi este riscant să se facă previziuni ştiinţifice, instituţiile de renume consideră că energia regenerabilă va veni în prim-plan şi va juca un rol important în lumea de mâine, începând cu acest deceniu al mileniului al treilea. Într-un scenariu elaborat de o firmă europeană de specialitate, aportul energiilor convenţionale se va aplatiza începând cu anii 2020–2030, în schimb contribuţia energiilor regenerabile va continua să crească astfel încât să acopere în anii 2040–2050 peste 30…50% din necesarul mondial de energie.

    În secolul XXI-lea, în cazul în care populaţia globului nu ar creşte mai mult şi ar rămâne la cifra actuală de 6 miliarde de locuitori, economia mondială ar necesita un consum energetic de circa 9 ori mai mare decât actualul consum energetic. În conformitate cu alte previziuni, în acest secol populaţia globului va fi de minimum 10 miliarde de oameni, iar consumul energetic necesar va fi de 45…70 de ori mai mare decât cel actual. Se speră că resursele regenerabile de energie vor da răspuns acestor cerinţe de creştere a producţiei energetice
    România are un potenţial bun al surselor regenerabile de energie. De asemenea, s-a acumulat o experienţă deosebită în cadrul activităţilor de cercetare – dezvoltare în domeniu. Prin proiecte demonstrative de succes se poate recâştiga încrederea în tehnologia surselor regenerabile şi se verifică economicitatea acestora.

    Pentru acestea, obiectivele concrete ale activităţilor de cercetare – dezvoltare trebuie să răspundă următoarelor cerinţe de baza:

    • depăşirea principalelor bariere în calea dezvoltării surselor regenerabile de energie: costuri, eficienta sistemelor şi instituţională;
    • alinierea la reglementările şi procedurile specifice UE în domeniu;
    • integrarea sistemelor regenerabile în sistemele energetice naţionale.

    3. Energia solară. Argumente în favoarea utilizării energiei solare

    Sursa principală de căldură a Pământului este Soarele, în masa căruia au loc transformări de fisiune şi fuziune nucleară producătoare de căldură şi alte radiaţii, pe care le emite permanent în spaţiul cosmic sub forma de unde electromagnetice. Modul de manifestare al acestor unde asupra mediului material receptor este diferit numai datorită frecvenţei lor diferite. O foarte mică parte (cca. 2/109) din căldură radiată de Soare este interceptată de Pământ sub forma de radiaţii cu lungimea de undă corespunzătoare. Energia solară este transportată spre Pământ în proporţie de 50% de radiaţiile infraroşii, de 41% de radiaţiile luminoase şi 9% de radiaţiile ultraviolete. În medie numai 46 % din energia radiată de Soare spre planeta noastră atinge de fapt scoarţa terestră, deoarece 35% este reflectată de nori înapoi în spaţiul intersideral, iar restul de 19% este absorbită de aer. Dar chiar şi în aceste condiţii, energia radiantă solară primită anual de Pământ este de 15.000 ori mai mare decât consumul actual de energie primară al lumii noastre.

    Soarele nu încetează nici o clipa să radieze, dar intensitatea radiaţiei solare recepţionată intr-un loc pe Pământ, variază de la valoarea zero, din momentul crepusculului, până la un maxim care poate fi de 1000 W/m² într-o zi cu cerul senin, în momentul când Soarele este la meridianul locului. Aceste valori prezintă variaţii zilnice şi lunare şi depind de latitudine şi starea meteorologică. Totuşi, pentru Pământ Soarele reprezintă o sursa de energie imensă, pretutindeni gratuită şi inepuizabilă, care a dus la concepţia şi punerea în practică a numeroase instalaţii energetice de valorificare a ei. Acestea au trebuit să rezolve următoarele probleme de bază: captarea, transportul şi stocarea energiei solare.

    Imagine postată

    Figura 3.1 Distribuţia energiei solare

    Captarea se bazează pe două principii din fizică:

    • absorbţia integrală a radiaţiilor de către corpurile negre;
    • comportarea selectivă a unor corpuri, cum este sticla faţă de radiaţiile cu o anumită lungime de undă şi anume proprietatea de a lăsa să treacă aproape complet (transparenţa) toate radiaţiile luminoase şi cele termice cu lungime de unda mică, iar pe cele de lungime de undă mare să le absoarbă sau sa le reflecteze (figura 3.2).

    Imagine postată

    Figura 3.2 Spectrul de selecţie al sticlei transparente obişnuite

    Se poate vedea, că toate radiaţiile din domeniul ultraviolet până la 0.3um sunt complet absorbite şi deci nu străbat sticla. Radiaţiile de la 0.3 până la 0.72um – care formează domeniul radiaţiilor luminoase – străbat sticla (transparentă) fiind extrem de puţin absorbite. Domeniul radiaţiilor termice se întinde de la 0.72 până la 400u. Odată cu creşterea lungimii de undă, sticla lasă să treacă din ce în ce mai puţine radiaţii, ajungând ca la 4.5um să nu mai lase să treacă decât 5% din totalul radiaţiilor, iar restul de 95% sa fie absorbit sau reflectat. Prin aceasta se explică şi modul de încălzire al serelor direct de către soare: radiaţiile Soarelui străbat sticla fără nici o rezistenţă şi ajunse în interior, pe medii materiale opace, se transformă în căldură şi încălzesc suprafeţele respective. Căldura nu mai poate ieşi uşor din seră, deoarece suprafeţele încălzite – deşi radiază şi ele – având însă o temperatură de numai 50°C =323 K emit cu intensitatea maximă pe lungimea de unda de 8.9um, ceea ce înseamnă că cea mai mare parte a radiaţiilor au lungimi de undă de peste 4.5um şi deci 95% din ele vor fi reţinute de sticla (absorbite sau reflectate) şi numai 5% vor străbate sticla.

    Căldura absorbită de sticla, ridică temperatura suprafeţei interioare a acesteia şi datorită coeficientului bun de conducţie pe care îl are, precum şi grosimii obişnuite mici, se efectuează un transfer de căldură de la suprafaţa interioară a sticlei la cea exterioară şi apoi către aerul atmosferic. Astfel fiind, majoritatea captatorilor de energie solară constau dintr-o placă acoperită cu vopsea neagră, mată (care poate absorbi până la 95% din energia incidentă) în faţa căreia se plasează un filtru de selecţie spectrală (cum este sticla sau foliile poliesterice), care lăsa să treacă radiaţiile venite de la Soare, dar rămâne impermeabil la radiaţiile infraroşii ale corpului negru spre exterior.

    Imagine postată

    Figura 3.3 Secţiune prin panoul captator de energie solară

    Căldura captată de placa neagră absorbantă este preluată de un agent termic (apa, aerul sau un fluid oarecare) şi transportată la utilizare sau la un acumulator (figura 3.3).
    Pentru diminuarea pierderilor de căldură spre exterior a panoului, s-a prevăzut şi o folie de polietilenă, care se comportă asemănător sticlei din punct de vedere al selecţiei spectrale şi are în plus calităţi termoizolante bune. În interiorul ţevilor (introduse în placa absorbantă) circulă un agent termic. Acesta poate să fie chiar apa de consum – în cazul preparării directe a apei calde curente – sau apa unui circuit închis (circuit primar) care cedează căldura sa ulterior, printr-un schimbător de suprafaţă, unui agent secundar. Captatorii destinaţi să funcţioneze tot timpul anului, fiind expuşi la îngheţ în anotimpul de iarnă, utilizează etilenglicolul ca agent primar (diminuarea transferului de căldura cu 10%).

    Există o mare diversitate de soluţii pentru realizarea captatorilor solari: unele prevăd utilizare de folii de cupru şi ţevi de cupru, altele table de aluminiu ondulată şi ţevi de oţel sau cupru aşezate în cutii metalice sau poliesterice armate cu fibră de sticlă şi izolate, dar toate având în faţă unul sau două filtre de selecţie.

    Diferitele tipuri constructive cu aer ajung la temperatura de 80°C, iar cele cu vacuum au ajuns (experimental) la 350°C.
    Pe aceleaşi principii s-au construit captatorii solari, care, prin forma curbă a plăcilor receptoare a radiaţiilor, produc reflexia şi focalizarea razelor solare, încât s-au obţinut temperaturi de 500°C; iar utilizându-se oglinzi parabolice s-a ajuns până la 4000°C.

    • Sisteme cu receptor central: Aceste sisteme concentrează razele de soare spre un colector central cu ajutorul unor oglinzi plasate radiar.
    • Sisteme cu albii: Albiile sunt lungii, formate din oglinzi curbate ce concentrează razele soarelui pe nişte ţevi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturi foarte mari, de exemplu in centralele din Sudul Californiei poate ajunge până la 4000 ºC.
    • Sisteme cu parabolă folosesc o parabolă ce concentrează radiaţiile solare spre un colector montat în punctul focal al acesteia.

    Imagine postată

    Figura 3.4 Captatori solari

    Apa caldă poate fi produsă la o scară mică pentru utilizări casinice sau la o scară mare pentru alimentarea centralelor electrice termo-solare. Aplicaţiile la scară mică folosesc în general colectori cu taler plat, în timp ce centralele electrice folosesc sisteme de concentrare a radiaţiilor solare. Instalarea unui sistem ce foloseşte energia solară pentru încălzire este economic şi poate satisface 60-80% din totalul necesar de apă caldă. O schemă de utilizare a panourilor solare la prepararea apei calde de consum se arată în figura 3.5

    Imagine postată

    Figura 3.5 Prepararea apei calde de consum cu energie solara si sursa auxiliara

    Datorită pompei de circulaţie P, apa transferă căldura de la panourile solare PS în rezervoarele de acumulare RA, până când apa ajunge la temperatura necesară utilizării, când dispozitivul de comandă automată opreşte funcţionarea pompei. Dacă apa nu a ajuns în rezervoarele acumulatoare la temperatura necesară şi este cerere de consum, sursa auxiliara SA intră în funcţiune şi încălzeşte apa până la nivelul de temperatură dorit.

    Întrebuinţarea energiei solare la încălzirea clădirilor întâmpină dificultăţi din cauza totalei dependente de condiţiile meteorologice a efectului de însorire, motiv pentru care sunt necesare întotdeauna surse auxiliare capabile să preia întreaga sarcină termică.

    Cea mai simplă soluţie în această direcţie este redată în figura 3.6. Aici faţada sudică a clădirii este acoperită cu sticlă, care are în spatele ei un perete de beton de 60 cm grosime, vopsit în negru. Peretele îndeplineşte în acest caz şi funcţia de captator şi pe cea de acumulator. Sistemul acesta asigura până la 2/3 din necesarul de energie pentru încălzire și are marele dezavantaj al unui aspect arhitectonic, care constituie un adevărat „atentat” la peisajul urbanistic.

    Imagine postată

    Figura 3.6 Casa cu incalzire solara.png

    Pentru captarea energiei solare în cantităţi mari, trebuie un număr foarte mare de panouri solare, constituite în instalaţii de câmpuri captatoare, costisitoare, dificil de întreţinut.
    Din aceasta cauză, soluţia preferată este a încălzirii mixte încălzire solară şi pompă de căldură, care prezintă următoarele avantaje:

    • realizează economii de combustibil de 50-70% faţă de încălzirea tradiţională combustibil lichid.
    • se poate încadra armonios în ansamblul arhitectonic
    • ocupă un spaţiu mai mic
    • eficienta pompei termice este de 4 ori (aport 100% pentru consum de 25%).

    Criza energetică mondială a declanşat o vastă acţiune de captare şi valorificare a energiei solare şi se prevede ca până în anul 2000, 5% din consumul de energie al lumii să fie acoperit prin acest procedeu. În prezent, sunt în lume în funcţiune peste 2 milioane de instalaţii de preparare a apei calde cu energie solară. Valorificarea energiei solare sub forma centralelor electrice este mai puţin dezvoltată, realizându-se puteri numai de 1-2 MW, pentru care este necesar să se dispună de 2 hectare de panouri solare şi de încă 5 hectare de teren adiacent. Pentru obţinerea de temperaturi înalte, se utilizează principiul concentrării razelor luminoase.

    Centralele electrice termo-solare produc electricitate folosind o turbină alimentată cu aburii produşi prin clocotirea unui lichid cu ajutorul radiaţiilor soarelui. Avantajele energie termo-solare:

    • se obţine electricitate şi apă caldă în acelaşi timp;
    • centralele pot fi adaptate la aplicaţiile pentru care sunt folosite;
    • poluarea este foarte mică sau inexistentă;
    • construirea centralelor termo-solare se face mult mai repede decât a centralelor convenţionale.

    În prezent producerea electricităţii din energia solară costa de 20 de ori mai mult ca electricitatea produsă cu energia nucleară. În prezent se efectuează cercetări pentru captarea energiei solare prin sateliţi şi transmiterea ei pe Pământ prin raze laser sau unde ultrascurte

    4. Potenţialul energetic solar din România

    Teritoriul României, cu o suprafaţă de 238.391 Km2 , este situat în partea de sud-est a Europei Centrale, între 43O 37' 07" şi 48O 15 '06" latitudine nordică. În raport cu poziţia sa pe glob, România beneficiază de o anumită cantitate de energie solară, ceea ce o situează în plină zona temperată, iar poziţia pe continent adaugă la aceasta caracterul continental al climei. Sub influenţa principalilor centri barici de acţiune care determină deplasarea maselor de aer cu proprietăţi diferite, ca şi sub influenţa reliefului major şi a rolului sau de baraj pe care îl au Carpaţii, clima României capătă un specific aparte de cea a ţărilor din jur. Această caracteristică se remarcă prin faptul că pe teritoriul ţării noastre se interferează influenţe climatice caracteristice provinciilor climatice est-continentale, vest-oceanice, sub-mediteraneene, nord–baltice, ca şi sud-est pontică; iar prezenta Munţilor Carpaţi pe teritoriul României transformă zonalitatea climatică latitudinală în zonalitate climatică altitudinală, impunându-i particularităţi proprii.

    În condiţiile unei dezvoltări economice accelerate, numai printr-o strategie de dezvoltare energetică a României se poate asigura creşterea siguranţei în alimentarea cu energie şi limitarea importului de resurse energetice. Această cerinţă se poate realiza, pe de o parte, prin implementarea unei politici susţinute de conservare a energiei, creşterea eficienţei energetice care să conducă la decuplarea ritmului de dezvoltare economică de evoluţia consumului de energie, concomitent cu creşterea gradului de valorificare a surselor regenerabile de energie.

    Oportunitatea punerii în practică a unei strategii energetice pentru valorificarea potenţialului surselor regenerabile de energie se înscrie în coordonatele dezvoltării energetice a României pe termen lung şi oferă cadrul adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice
    Valorificarea potenţialului surselor regenerabile de energie conferă premise reale de realizare a unor obiective strategice privind creşterea siguranţei în alimentarea cu energie prin diversificarea surselor şi diminuarea ponderii importului de resurse energetice, respectiv, de dezvoltare durabilă a sectorului energetic şi protejarea mediului înconjurător.

    Sursele regenerabile de energie pot contribui la satisfacerea nevoilor curente de încălzire în anumite zone defavorizate. Pentru valorificarea potenţialului economic al surselor regenerabile de energie, în condiţii concurenţiale ale pieţei de energie, este necesară adoptarea şi punerea în practică a unor politici, instrumente şi resurse specifice.

    Potenţialul solar din România este reprezentat de densitatea medie de energie aferentă radiaţiei solare incidente, în plan orizontal, care depăşeşte 1.000 kWh/m2-an. În România s-au identificat patru zone geografice, diferenţiate în funcţie de nivelul fluxului energetic înregistrat, iar regimul distribuţiei geografice a potenţialului energetic solar arată ca mai mult de jumătate din suprafaţa României beneficiază de un flux mediu anual de 1.000 kWh/m2-an. România dispune de un potenţial important de energie solară datorită amplasamentului geografic şi condiţiilor climatice favorabile. Zonele cu flux energetic solar important (1450 – 1600 kWh/m2/an), sunt: Dobrogea, Delta Dunării şi Litoralul Marii Negre. Zonele ce dispun de fluxuri energetice solare medii anuale cuprinse între 1350 - 1450 kWh/m2/an sunt: Câmpia Română, Câmpia de Vest, Banat şi o parte din podişurile Transilvanei şi Moldovei.

    Harta radiaţiei solare în România este redată in figura 4.1.

    Imagine postată

    Figura 4.1 Harta radiatiei solare in Romania

    Aportul energetic al sistemelor solar-termale la necesarul de căldură şi de apă caldă menajeră din România este evaluat la circa 1.500 mii tep, ceea ce reprezintă aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau aproape 15% din necesarul de încălzire curentă. Sistemele solar-termale active se folosesc, de obicei, pentru prepararea apei calde menajere în locuinţe individuale. În condiţiile meteo-solare din România, un captator solar termic funcţionează, în condiţii normale de siguranţă şi eficienţă, pe perioada martie – octombrie, cu randamente ce pot sa ajungă pana la 90%.Captatoarele solare pot funcţiona cu o eficienţă superioară în regim hibrid cu alte sisteme termice convenţionale sau neconvenţionale.

    În ceea ce priveşte utilizarea sistemelor solare pasive, nu este necesar un nivel foarte ridicat al radiaţiei solare, întrucât acestea pot funcţiona şi în zone geografice mai puţin atractive din punct de vedere al intensităţii radiaţiei solare (ex.: anumite zone de nord din Transilvania sau din Moldova).
    Pentru utilizarea energiei solare ca sursă de energie electrică, potenţialul exploatabil este ridicat, iar conversia energiei solare în energie electrică se realizează cu instalaţii fotovoltaice care cuprind module solare, în configuraţii şi de dimensiuni diferite.

    Pentru problemele legate de utilizarea energiei solare, sunt necesare două date meteorologice importante: intensitatea de radiaţie şi durata de insolaţie. Pe baza acestor valori şi a datelor referitoare la radiaţia solară totală şi directă pe cer senin, precum şi a radiaţiei pe o suprafaţa normală la bază, (vezi tabelul 4.1) se pot calcula intensităţile radiaţiei solare efective.
    În tabelele 4.2 si 4.3 sunt centralizate durata medie orară, respectiv sumele medii orare de strălucire a Soarelui pentru câteva localitati.


    Imagine postată

    Imagine postată
    Imagine postată

    Costul investiţiei pentru realizarea sistemelor fotovoltaice a avut o evoluţie favorabilă; în ultimele decenii, costul unui modul solar s-a diminuat treptat, ajungându-se în prezent la un nivel de aproape 6 USD/W instalat.
    Deşi preţul energiei electrice din surse solare fotovoltaice variază în funcţie de condiţiile obiective de instalare şi exploatare, pentru alimentarea cu energie a unor consumatori izolaţi şi de putere mică, aceste sisteme oferă o alternativă economică atractivă, dacă se au în vedere, în principal, costurile ridicate necesare pentru racordarea la reţea a acestor consumatori.

    5. Energia fotovoltaică

    Energia electrică obţinută prin conversie fotovoltaică, a fost întotdeauna considerată ca fiind cea mai bună opţiune în ceea ce priveşte alimentarea cu energie electrică în viitor, la scară largă. Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei radiaţiei solare în energie electrică, fără o poluare sonoră şi fără emisia unor gaze poluante în mediul ambiant.
    Sistemele fotovoltaice au fost folosite la început pentru a echipa sateliţii, după aceea pe scară mai largă la echiparea ceasurilor electronice precum şi a unor calculatoare.

    În ultimii 20 de ani, sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate în toată lumea. Ele sunt folosite în oraşe mici, precum şi în sate în care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabilă decât conectarea la reţeaua electrică sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent. Astfel de sisteme au funcţionat perioade lungi de timp în domenii ca pomparea apei, electrificarea unor localităţi sau case izolate, gestionarea unor rezerve de apă, aparate de taxat pentru parcări, telecomunicaţii sau protecţie catodică.

    Totuşi, în ciuda succesului acestor sisteme în toata lumea piaţa lor reprezintă numai un procent mic din ceea ce ar putea reprezenta piaţa de sisteme independente. Motivul principal nu este atât unul care ţine de tehnologie cât de lipsa de informaţie. Existenţa sistemelor fotovoltaice şi rentabilitatea implementării lor, atât la nivel urban cât şi rural nu este cunoscută de potenţialii utilizatori.

    De asemenea, exista concepţii greşite privind tehnologia fotovoltaică, ca de exemplu ideea că sistemele fotovoltaice funcţionează numai în lumină solară intensă, tehnologia este prea sofisticată sau ideea că ar fi prea scumpă comparativ cu extinderea reţelei electrice.

    Anul 1999, a însemnat punctul de cotitură în dezvoltarea acestei forme de energie, ea fiind implementată în mediul urban unde înlocuieşte cu succes energia electrică convenţională. Spre exemplu, în anul 2000, la Jocurile Olimpice de la Sydney, cu ajutorul panourilor fotovoltaice, s-a livrat energie electrică satului olimpic.

    5.1 Conversia fotovoltaică

    Conversia fotovoltaică implică transformarea directă a luminii soarelui în electricitate când aceasta vine în contact cu folie de material semiconductor, în special siliciu. Celulele fotovoltaice au fost folosite încă din anul 1950, în cadrul programelor spaţiale. Interesul în folosirea lor în aplicaţii terestre a fost accelerat de criza petrolului din anii ’70. De atunci s-a dezvoltat o industrie care a furnizat celule fotovoltaice în special pentru aplicaţiile unde electricitatea convenţională era prea scumpă. Oricum, în acest moment folosirea urbană a celulelor fotovoltaice a depăşit acele folosiri izolate. După un deceniu, în care creşterea anuală era de 15-20%, în anul 1997 rata de creştere a atins 40%, ceea ce reflectă o schimbare clară de atitudine cu privire la această tehnologie.
    Radiaţiile luminoase şi termice în momentul de faţă cu posibilităţile şi cunoştinţele începutului de mileniu III, pot fi absorbite separat şi transformate în curent electric prin două conversii de energie cunoscute:

    • fotovoltaică care transformă lumina în curent electric.
    • termoelectrică care transformă căldura în curent electric.

    Se cunoaşte faptul că, randamentul conversiei de energiei atât în conversia fotovoltaică cât şi în cea termoelectrică este foarte redus.
    Întru-cât avem la dispoziţie o radiaţie luminoasă şi termică normal ar fi să găsim soluţia care să poată transforma aceasta radiaţie luminoasă şi termică printr-o singură conversie fototermoelectrică.

    5.2 Celula fotovoltaică

    O celula fotovoltaică din siliciu se compune dintr-o plăcuţă de siliciu de tip n, pe care se obţine o secţiune de tip p prin difuzia unei impurităţi acceptoare, realizându-se o joncţiune p-n, electrodul superior care în unele cazuri este acoperit cu un strat de protecţie transparent şi un electrod inferior.

    Imagine postată

    Figura 5.1 Celula fotovoltaica cu siliciu

    În prezent se utilizează baterii fotovoltaice confecţionate din astfel de celule fotovoltaice pentru conversia energiei solare în energie electrică.
    O secţiune printr-o celulă fotovoltaică este prezentată în fig. 5.1. Lumina atinge suprafaţa celulei şi este convertită în curent electric când un consumator este cuplat la bornele celulei.

    În trecut, marea majoritate a celulelor fotovoltaice fabricate au avut la bază pastile de siliciu, ca cele folosite în microelectronică. Se folosea o tehnologie serigrafică pentru depunerea contactelor metalice, dând celulei forma finală (ca în fig 5.2). Principalul avantaj al acestei tehnologii este simplitatea. Preţul acestei tehnologii simpliste îl constituie performanţele slabe ale celulei. S-a făcut acest compromis pentru ca preţul celulelor să fie acceptabil.
     

    Imagine postată

    Figura 5.2 Celula fotovoltaica standard

    La începutul anilor ’80, colectivul de cercetători de la Universitatea New South Wales, a reuşit să aducă îmbunătăţiri substanţiale celulelor fotovoltaice, în condiţii de laborator .

    Rezultatul a constat în săparea de mici şanţuri în celulă pentru a îngropa contactele metalice, aşa cum se vede în fig. 5.3. Caracteristica acestei tehnologii este aceea că foloseşte laserul pentru a săpa în suprafaţa celulei. Un studiu recent al Comisiei Europene a arătat că metoda dezvoltată de Universitatea New South Wales, de îngropare a contactelor în celula fotovoltaică, reprezintă cea mai bună abordare din punct de vedere economic. Cu toate că tehnologia contactelor îngropate reprezintă cea mai bună metodă de realizare a celulelor fotovoltaice, aceasta pare neutilizabilă pentru încă 5-10ani. Pe termen lung, cea mai probabilă metodă de realizare a acestor celule, este numită tehnologia foiţelor subţiri. În această abordare, un strat subţire de material fotovoltaic este depus pe un suport. Acest lucru nu numai că reduce cantitatea de material semiconductor folosită (de circa 100 de ori ), dar dă posibilitatea de producere directă a panourilor în locul celulelor standard. Cum grosimea materialului semiconductor depus e de ordinul a 1 micron, nu mai apar probleme în ceea ce priveşte costul materialului semiconductor, orice material fiind un bun candidat din acest punct de vedere. În comparaţie cu celelalte metode, unde, numai siliciul era cel mai ieftin material semiconductor ce putea fi folosit. Un model de celulă-film, compus dintr-un aliaj amorf de silicon, a fost comercializat cu succes de companiile japoneze, încorporate în calculatoare de buzunar şi ceasuri digitale.

    Imagine postată

    Figura 5.3 Celula fotovoltaica tip contact ingropat

    Un al doilea model, are la bază, folosirea unui amestec semiconductor, cupru-indiu. Această variantă a dat cele mai bune rezultate în laborator, pentru categoria celulelor-film, cu un randament puţin peste 17%. Apar totuşi probleme în procesul de fabricaţie.
    Al treilea model, bazat pe telură de cadmiu, s-a dovedit a fi cel mai robust din punct de vedere al procesului de fabricaţie, dar toxicitatea sa creează dubii că va fi acceptat pe piaţă.
    Al patrulea model este unic din punct de vedere tehnologic, constând din nanocristale de dioxid de titaniu, în combinaţie cu vopsele organice. Această metodă a fost brevetată în Elveţia şi continuată în Australia.
    Al cincilea şi cel mai promiţător model, este bazat pe policristale de siliciu, model similar cu cel ce domină piaţa la momentul actual.

    Grupul de cercetători de la Universitatea New South Wales, a combinat cu succes tehnologia contactelor îngropate cu celulele-film, realizate din siliciu. Această nouă abordare, implică realizarea de joncţiuni paralele în straturile celulei, rezultând straturi subţiri multijoncţiune ca în figura 5.4.
     

    Imagine postată

    Figura 5.4 Celula fotovoltaica thin-film

    Având în vedere tehnologiile prezentate mai sus, este foarte probabil ca celulele fotovoltaice să fie disponibile în număr din ce în ce mai mare şi la un preţ din ce în ce mai redus.

    Factorii de care depinde eficienţa celulei solare: o celulă fotovoltaică transformă doar o parte din energia radiantă în energie electrică, restul se pierde ca urmare a unei serii de procese ce se petrec în timpul conversiei:

    • procese care intervin când energia este sub forma de radiaţie (pierderi de radiaţie)
    • procese care intervin după ce energia radiantă a fost transferată semiconductorului
    • pentru fiecare proces se poate defini cate o “eficienţă parţială”
    • eficienţa celulei rezultă ca un produs al tuturor “eficienţelor parţiale”
    • pătrunderea luminii prin suprafaţă
    • absorbţia incompletă
    • generarea purtătorilor
    • pierderi de curent datorate recombinării
    • pierderi de tensiune
    • jumătate din energia absorbită de la Soare se pierde sub formă de căldură
    • aceasta pierdere face ca maximum de eficienţă sa fie în jur de 25%.

    6. Sisteme de orientare

    Sistemul de orientare este de două feluri : activ şi pasiv.

    6.1 Sistem de urmărire activ : se mai numeşte sistem de urmărire electrooptic, deoarece este alcătuit în principal din cel puţin o pereche de fotorezistenţe sau fotocelule, conectate antiparalel, care sunt în echilibru la aceeaşi intensitate luminoasă. Acestea două comandă motorul de acţionare. Circuitul de comandă foloseşte un comparator cu fereastră, care menţine motorul de comandă nefolosit, atât timp cât cele două fotorezistenţe sunt supuse aceleiaşi iluminări (figura 6.1).

    Imagine postată

    Figura 6.1 Sistem de urmarire activ

    Acest sistem de orientare este complex şi dacă nu este realizat cu precizie, ineficient. Poate fi combinat pentru o mai mare eficienţă cu temporizatoare electronice.

    6.2 Sistem de urmărire pasiv : funcţionarea lor are la bază dilatarea termică a unui gaz (freon) sau a unui lichid cu proprietăţi asemănătoare (figura 6.2). Acest sistem conţine două canistre pline cu lichid, montate la cele două capete ale panoului, conectate printr-o ţeavă îngustă. Pe măsură ce Soarele încălzeşte canistrele, presiunea în ele creşte ducând la expansiunea lichidului. În funcţie de unghiul de incidenţă, presiunea în canistre, variază, ducând la curgerea lichidului dintr-una în alta, modificând poziţia panoului fotovoltaic.

    Imagine postată

    Figura 6.2 Sistem de urmarire pasiv

    La primele ore ale dimineţii, panoul este cu faţa la vest, aşa cum a rămas din ziua anterioară. Pe măsură ce Soarele încălzeşte canistra inferioară, presiunea creşte transferând lichidul în cea superioară, rotind astfel panoul spre est. Când panoul este perpendicular pe direcţia razelor, presiunea este aceeaşi, iar acesta e menţinut în echilibru. Pe baza acestui principiu, panoul, urmăreşte Soarele pe durata întregii zile. La apus, rămâne cu faţa la vest, iar ciclul se reia în dimineaţa următoare. Sistemul de urmărire pasiv, în comparaţie cu cel activ, este mai puţin complex dar are o eficienţă mai scăzută, iar la temperaturi mici, nu funcţionează deloc. În ambele variante pot fi construite sisteme de urmărire pentru una sau două axe (E-V; N-S). În varianta pentru două axe, se dublează perechea de fotorezistenţe, respectiv numărul canistrelor.

    7. Aplicație practică - Sistem activ de urmărire

    OBS! Daca doriti sa descarcati versiunea mea personala a cablajului sau a proiectului descris mai jos, va invit sa accesati si sa descarcati KIT104:
    http://www.tehnium-a...lui/#entry42011

    Având în vedere concluziile prezentate anterior privind eficienţa ridicată a panourilor fotovoltaice mobile, am trecut la realizarea unui astfel de sistem. La bază sistemul constă dintr-un motor de curent continuu excitat cu magneţi permanenţi comandat cu ajutorul a două circuite integrate NE555.

    Imagine postată

    Figura 7.1 Schema electrica a sistemului activ de urmarire

    Schema aleasă pentru realizarea sistemului de urmărire, foloseşte circuitul integrat 555 ca detector de luminozitate, deoarece urmărirea se face cu o mai mare precizie.

    După cum se observă din figura de mai sus, principalul avantaj al acestei scheme electrice îl constituie simplitatea fără să neglijăm costul realizării ei, care este destul de mic. Pentru orientarea est-vest, sunt folosite două fotorezistenţe realizate pe bază de sulfat de cadmiu, care, împreună cu rezistoarele semireglabile P1, P2, formează câte un divizor de tensiune pentru fiecare din cele două circuite integrate 555. Din aceste semireglabile se reglează şi sensibilitatea fotorezistenţelor, în funcţie de fluxul luminos disponibil fiecărei aplicaţii.

    Comparatorul cu fereastră, realizat cu cele două 555, menţine motorul de acţionare nefolosit atât timp cât cele două fotorezistenţe sunt supuse aceleiaşi iluminări. Când se schimbă poziţia Soarelui, iluminarea ce influenţează fotorezistenţele este diferită. În acest caz, tensiunea pe comparatoare este diferită, astfel încât comparatoarele generează semnal de comandă pentru motor, în sens direct sau invers, în sensul egalizării fluxului luminos pe cele două fotorezistenţe.
    Urmărind Soarele, panoul va atinge la finalul ciclului LS1, care este limitatorul de cursă-vest. În acest moment circuitul U1 este în stare de reset (pinul 4 fiind legat la masă) şi nu mai livrează la ieşire tensiune indiferent dacă este sau nu comandat. Panoul rămâne în stare de repaos până dimineaţă, când schimbă sensul. Când atinge limitatorul LS2, se opreşte, urmând să reia ciclul din ziua anterioară.

    Ciclul se reia datorită unei a treia fotorezistenţă numită “back-tracking cell”, legată în paralel cu PhR2.
    Trebuie menţionat că diodele D1…D4, au rol de protecţie. Diodele D1 şi D2, izolează ieşirea circuitelor integrate de tensiunea generată (inductiv) la alimentarea releelor, iar D3 şi D4 au rol de protecţie a releelor.

    Valorile componentelor externe (rezistoare, condensatoare), au fost alese prin comparaţie cu schemele tipice de utilizare şi cu ajutorul unui software specializat, numit ”555 Oscillator Designer”

    Cablajul imprimat şi dispunerea componentelor este prezentată mai jos:

    Imagine postată

    Figura 7.2 Cablajul imprimat al sistemului activ de urmarire

    Comanda motorului de curent continuu este realizată prin intermediul a două relee electromagnetice alimentate cu tensiunea de 12V de la ieşirea celor două circuite 555 conform celor prezentate anterior. Sunt montate pe un cablaj imprimat cu dimensiunile 30 x 80 mm, împreună cu diodele D3, D4, care au rol de protecţie.

    7.2 Modulul de alimentare
    7.2.1 
    Alimentator stabilizat de tensiune
    Acest stabilizator de tensiune este utilizat pentru alimentarea modului realizat cu cele două circuite integrate 555.

    Imagine postată

    Figura 7.4 Alimentator stabilizat de tensiune

    Este un stabilizator conceput pentru a fi montat între o sursă de curent continuu fixă, nestabilizată şi o sarcină ce consumă maxim 0,1 - 0,3A. Montajul prezentat în figura de mai sus reprezintă un stabilizator parametric. Dioda Zener DZ3V6 formează împreună cu T1, R1, R3, şi P1 o diodă Zener sintetizată. Pentru un factor de stabilizare mai bun, a fost adăugat un regulator serie cu tranzistorul T2, de tipul BD140. Rezistorul R1 nu disipă multă căldură, el având 1kohm/0,25W. Tensiunea de ieşire se poate regla cu ajutorul lui P1.
    Curentul maxim de lucru se situează în jur de 0,3A, peste această valoare nu se mai poate garanta o funcţionare sigură în parametrii calculaţi.

    7.2.2 Alimentator nestabilizat de tensiune

    Este un simplu modul de redresare cu filtrare folosit la alimentarea motorului de curent continuu, realizat cu o punte redresoare 6PM8 şi un condensator de 470uF.
     

    Imagine postată

    Figura 7.5 Alimentator nestabilizat de tensiune

    Motorul având nevoie doar de 3,5 - 3,7A, puntea redresoare nu este prevăzută cu radiator.

    Modulele de alimentare împreună cu releele şi schema de comandă a sistemului de urmărire activ, sunt asamblate într-o cutie 160x120x45 mm, după cum se poate vedea în figura de mai jos:
     

    Imagine postată

    Figura 7.7 Circuite de comanda si alimentare

    La încercările de laborator cu diferite tensiuni, motorul a arătat un consum de curent conform tabelului de mai jos:

    Imagine postată

    Întregul ansamblu, este montat pe un placă 50x35 mm. În locul panoului fotovoltaic am utilizat un panou din plexiglas cu dimensiunile 35x45 mm. Cadrul de susţinere a fost realizat din profil metalic ambutisat 20x30 mm, în formă de U, cu dimensiunile 37x42x37 mm. Panoul de plexiglas este acţionat de un motor de curent continuu, cu care este cuplat mecanic prin intermediul a două roţi dinţate. Motorul este alimentat la tensiunea de 5 VCC.

    Imagine postată

    Figura 7.8 Ansamblul sistemului de urmarire activ

    Concluzii:

    • Schimbările climatice generate de efectul de seră şi subţierea resurselor de combustibili fosili obligă omenirea să găsească o soluţie care să permită o dezvoltare durabilă a generaţiilor viitoare
    • Utilizarea de resurse regenerabile are avantajul unui impact neglijabil asupra mediului înconjurător, fie că sunt de natură eoliană, solară, geotermală sau hidraulică
    • Energia solară, poate fi transformată în energie electrică prin efect fotovoltaic şi/sau termofotovoltaic şi prezintă câteva avantaje: se obţine electricitate şi apă caldă în acelaşi timp, poluarea este foarte mică sau inexistentă, sistemele de panouri fotovoltaice sunt uşor de montat iar costurile de operare sunt nule.
    • Construite în principal în trei variante : ”mono-crystalline”, ”multi-crystalline” şi ”thin-film”, panourile fotovoltaice constituie o alternativă viabilă de producere a energiei electrice şi termice.
    • Panourile thin-film, sunt performante în condiţiile unui flux luminos mai slab şi sunt puţin influenţate de variaţia temperaturii
    • Panourile cristaline prezintă cel mai mare randament, cu cele monocristal mult de-asupra celor multicristal
    • Deşi randamentul acestor panouri este relativ scăzut, el poate fi îmbunătăţit dacă panoul este ţinut pe direcţie perpendiculară cu fluxul luminos. Acest lucru se realizează prin aşa numitele ”solar trackers” , dispozitive de urmărire (active sau pasive), care rotesc panoul după Soare pe durata întregii zile.
    • Sistemele de urmărire pot fi pentru una sau două axe, în funcţie de zonele geografice în care sunt montate. În comparaţie cu panourile fixe, cele mobile oferă un surplus de energie de 30-40%.
    • Un panou fotovoltaic produce în 3-4 ani aceeaşi cantitate de energie folosită la realizarea lui, iar în toată perioada de lucru mai produce încă de 10 ori aceeaşi cantitate de energie, fapt ce face ca sistemele fotovoltaice să fie atractive din punct de vedere economic.
    • Printre aplicaţiile tipice se pot enumera: telecomunicaţiile, sisteme de control a traficului, livrarea de energie pentru sate izolate, instalaţii de irigaţii, instalaţii de desalinizare a apei, etc.

    Notă: Aplicația practică de mai sus a fost dezvoltată de un fost coleg de facultate și a fost o parte componentă a proiectului său de diplomă.

    BIBLIOGRAFIE

    • Bauquis, P.R, ”Un point de vue sur les besoins et les approvisionnements en énergie a l`horizons 2050”, Revue de l`Energie, nr.509, 1999.
    • J.A. Eikelboom, ”Determination of the irradiation dependent efficiency of multicrystalline Si PV modules on basis of IV curve fitting and its influence on the annual performance, 14-th European PV Solar Energy Conference”, Barcelona, July 1997.
    • Carl Weinberg, Robert Williams, ”Energy From the Sun, Scientific American”, September 1990.
    • Landsberg, P.T., ”An introduction to the theory of photovoltaic cells”, Solid-State Electronics 18, pp. 1043 (1975).
    • Tom Markvart, ”Photovoltaic Solar Energy Conversion”, School of Engineering Sciences University of Southampton, UK, 2001.
    • Peter Thomas Landsberg, ”Theoretical limits of photovoltaic solar energy conversion”, Faculty of Mathematical Studies, University of Southampton, UK, 2002.
    • M.D. Archer, R. Hill, ”Clean electricity from photovoltaics”, Imperial College Press 2000.
    • F. Lasnier, T.G. Ang, ”Photovoltaic Engineering Handbook”, Bristol, UK, 2000.
    • Poulek V., ”Apparatus for Orientation of Solar Radiation Collectors”, US Patent No. 6,089,224, 2000.
    • Poulek V., Libra M., ”A New Low Cost Tracking Ridge Concentrator, Solar Energy Materials and Solar Cells”, 61, 2, 2000.
    • B. Voss, T. Knobloch, A. Goetzberger, ”Crystalline silicon solar cells”, Imperial College Press 2001
    • Shell Solar- General Installation Guide, U.S. Version, 2002
    • Şerban N., “Montaje practice cu circuitul integrat 555”, Editura Teora, Bucureşti 2000

    Edited by donpetru



    User Feedback

    Recommended Comments



    Multe felicitari! Articolul cuprinde date tehnice interesante, pentru care de obicei trebuie sa frunzaresti multe rafturi de biblioteca, sau pagini web. Aplicatia practica, este de asemenea foarte utila.

     

    P.S. - Este prezentata schema unui montaj electronic general, fara detalii tehnice pentru sistemul mecanic propriu-zis de "punere sub soare" al panourilor foto-voltaice pentru miscarea diurna. Cred ca un sistem absolut asemanator, poate face si urmarirea soarelui in functie de anotimp, prin comanda unui alt motor, care face miscarea intr-un plan perpendicular pe cel al traiectoriei diurne.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    La Multi Ani Tehnium azi. Felicitari donpetru pentru articolul realizat care asa cum s-a scris mai sus este destul de bogat in prezentare. Este de ajuns sa observati bibliografia. Cu stima.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    O prezentare deosebita si subiectul articolului la fel.

    Nu aveam cunostinta de sistemele de orientare dar cu acest prilej am invatat. Multumesc.

     

    Week-end placut tuturor.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    Un articol simplu si la obiect. Felicitari.

    Am citit aici cateva notiuni care habar nu aveam unde le-as putea gasi.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    Multumesc tuturor.

     

    Anul acesta mai pregatesc un articol. Dar pana atunci urmariti topicurile despre AV400 v2 si TA200. Va urma acolo prezentarea unor informatii mult asteptate.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    Excelent articolul. Felicitari d-lui donpetru.

     

    Eu am inceput(mai demult) sa lucrez la realizarea unui captator de energie solara.Am realizat serpentina si cadrul unde voi monta serpentina,pompa de recirculare o am, iar baiatul meu a realizat partea de comanda a pompei de recirculare(cu microcontroler).Din motive obiective am renuntat momentan sa mai lucrez la instalatie,dar sper sa continuu intr-un viitor apropiat.O sa va tin la curent in momentul in care voi reincepe sa lucrez la respectivul captator.

     

    La multi ani tuturor si un an nou mai bun.

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites



    Create an account or sign in to comment

    You need to be a member in order to leave a comment

    Create an account

    Sign up for a new account in our community. It's easy!

    Register a new account

    Sign in

    Already have an account? Sign in here.

    Sign In Now



×
×
  • Create New...

Important Information

We use cookies and related technologies to improve your experience on this website to give you personalized content and ads, and to analyze the traffic and audience of your website. Before continuing to browse www.tehnium-azi.ro, please agree to: Terms of Use.