Articol Energie solara - fotovoltaice

Continut

Partea I

1. Ce este energia solară? Definiţia generală a energiei solare

2. Cum se poate utiliza energia solară?

3. Fotovoltaice (PV):

• Ce sunt fotovolticele? Definiţie, cum funcţionează? (efect fotoelectric, celulă, modul, suprafaţă)

• Clasificarea celulelor solare• Eficienţa de conversie a energiei• Cum pot utiliza panourile PV? Aplicaţii• Tarife feed-in , legislaţie SRE

1

1. Ce este energia solară?

Definiţia energiei solare

Energia solară reprezintă energia electromagnetică transmisă de soare generată prin fuziune nucleară. Ea stă la baza întregii vieţi de pe pământ şi reprezintă aproximativ 420 trilioane kWh. Aceasta cantitate de energie generată de soare este de câteva mii de ori mai mare decât cantitatea totală de energie utilizată de toţi oamenii

Lumina şi căldura radiate de soare au fost utilizate de oameni încă din antichitate cu ajutorul unei serii de tehnologii îmbunătăţite permanent. Radiaţia solară, împreună cu celelalte surse secundare de energie în afară de energia solară, cum ar fi energia vântului şi energia valurilor, electricitatea hidro şi biomasa, reprezintă cea mai mare parte din energia provenită din sursele regenrabile disponibile pe pământ. Din energia solară se utilizează numai o foarte mică parte.

Producerea de energie electrică din energie solară se bazează pe instalatii termice şi pe panourile fotovoltaice. Modalităţile în care se utilizează energia solară sunt limitate numai de imaginaţia omului. O listă parţială a aplicaţiilor energiei solare cuprinde încălzirea şi răcirea spaţiului cu ajutorul arhitecturii solare, furnizarea de apă potabilă prin distilare şi dezinfecţie, iluminatul, producerea de apă caldă, gătitul cu ajutorul energiei solare şi căldura de proces de înaltă temperatură utilizată în scopuri industriale. Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de obicei panourile solare.

Tehnologiile solare pot fi, în general, pasive sau active în funcţie de modul în care energia solară este captată, convertită şi and distribuită. Tehnicile solar active includ utilizarea panourilor fotovoltaice şi a colectoarelor termice pentru captarea energiei. Tehnicile solare pasive includ orientarea unei clădiri spre soare, selectarea materialelor cu o masă termică favorabilă sau cu proprietăţi de dispersie a luminii, precum şi proiectarea spaţiilor în aşa fel încât aerul să circule în mod natural.

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010

Concentrarea luminii solare pe discuri închise la culoare ar putea furniza energie lumii întregi: dacă se instalează în zonele marcate cu cele şase puncte de pe hartă, celulele solare cu o eficienţă de conversie de numai 8 % ar putea produce, în medie, 18 TW energie electrică. Aceasta este mai mult decât puterea instalata actuala a tuturor centralelor electrice care utilizeaza toate celelalte surse de energie primara: cărbune, petrol , gaz, energie nucleară şi hidro. Culorile indică media pe trei ani a radiaţiei solare, inclusiv în timpul nopţii şi pe vreme noroasă.

2

2. Cum se poate utiliza energia solară?

Modul natural

Cea mai mare parte din energia solară încălzeşte pământul, făcând posibilă existenţa unor forme biologice aproape de suprafaţă si fotosinteza plantelor. Majoritatea organismelor, inclusiv cele umane, depind fie direct (ierbivore), fie indirect (carnivore ) de energia solară. Combustibilii şi unele materiale de construcţie au aceeasi sursa. Energia solară influenţează şi presiunea atmosferică şi determină apariţia vânturilor. De asemenea, circulaţia apei pe pământ este influenţată de energia solară.

În afară de aceste efecte "naturale", energia solară se utilizează din ce în ce mai mult din punct de vedere tehnic, mai ales în domeniul furnizării energiei.

Aplicaţii tehnice ale energiei solare:

Cu ajutorul tehnologiilor se poate beneficia de energia solară în mai multe moduri:

• Celulele solare care produc direct curent electric (fotovoltaic) Panourile solare care generează căldură (solar termic)• Panourile solare care generează căldură (solar termic)

• Centralele solar-termice care produc electricitate prin utilizarea căldurii şi aburului

• Deşeurile din plante pot fi procesate pentru a produce lichide (de ex. etanol, ulei ) sau gaze (biogaz) care se pot utiliza apoi în scopuri energetice

• Centralele eoliane şi hidro generează electricitate (citiţi şi articolul despre energia eoliană şi hidro)

• Sobele solare sau cuptoarele solare sunt utilizate la încălzirea hranei sau la sterilizarea produselor medicale

3. Fotovoltaice (PV):

Ce este PV? Definiţie, cum funcţionează PV?

Panourile fotovoltaice realizează conversia directă a luminii în energie electrică la nivel atomic. Unele materiale au proprietatea de a absorbi fotoni de lumina si a elibera electroni. Acest efect poarta numele de efect fotoelectric. Atunci când aceşti electroni sunt captaţi rezultă un curent electric care poate fi utilizat ca electricitate.

Efectul fotoelectric a fost observat pentru prima dată in anul 1839 de către fizicianul francez Edmund Bequerel. Bequerel a descoperit că anumite materiale pot produce cantităţi mici de curent electric când sunt expuse la lumină. In 1905, Albert Einstein a descris natura luminii şi efectul fotoelectric pe care se bazează tehnologia fotovoltaică, lucru pentru care a primit mai târziu premiul Nobel pentru fizică. Primul modul fotovoltaic a fost realizat în Laboratoarele Bell în 1954. A fost înregistrat ca baterie solară şi a fost considerat doar o curiozitate, prea scump pentru a fi utilizat pe scară largă. În anii 1960, industria spaţială a fost prima care a început să utilizeze în mod serios tehnologia pentru a furniza energie electrică la bordul navelor spaţiale. Prin intermediul programelor spaţiale, tehnologia a avansat, fiabilitatea ei s-a îmbunătăţit, iar costul a început să scadă. În timpul crizei energetice din anii 1970, tehnologia fotovoltaică a fost recunoscută ca o sursă de energie electrică şi în alte aplicaţii decât cele spaţiale.

3

Sursa: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/, 19.11.2010

Imaginea de mai sus ilustrează modul în care funcţionează o celulă fotovoltaică simplă, denumită şi celulă solară. Celulele solare sunt realizate din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul, utilizate în industria microelectronicii. Pentru celulele solare, un strat subţire semiconductor este tratat special pentru a forma un câmp electric, pozitiv pe o parte şi negativ pe cealaltă. Atunci când energia luminoasă ajunge la celula solară, electronii se eliberează din atomi în materialul semiconductor. Dacă se ataşează conductori electrici pe părţile pozitive şi negative, formând un circuit electric, electronii pot fi captaţi sub formă de curent electric - adică, energie electrică. Această electricitate poate fi utilizată in diferite scopuri (iluminat, alimentare echipamente).

Un număr de celule solare conectate electric unele cu altele şi montate pe un suport sau un cadru formează un modul fotovoltaic. Modulele sunt proiectate să furnizeze energie electrică la o anumită tensiune, ca un sistem obişnuit de 12 volţi. Curentul produs depinde direct de modul în care lumina ajunge la modul.

Se poate conecta un număr mare de module pentru a forma o reţea. In general, cu cât este mai mare suprafaţa unui modul sau a unei reţele, cu atât va produce mai multă electricitate. Modulele fotovoltaice şi reţelele produc energie electrică în curent continuu (cc). Ele pot fi conectate atât în serie, cât şi paralel, pentru a produce tensiunea/curentul care sunt necesare.

Sursa: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/, 19.10.2010

4

• Clasificarea celulelor solare

• Celulele solare pot fi clasificate după numeroase criterii. Cel mai cunoscut criteriu este grosimea materialului. Se face distincţie între celule cu strat gros şi celule cu strat subţire ca o peliculă.

• Un alt criteriu este materialul: materialele semiconductoare care se pot utiliza pot fi CdTe, GaAs, sau compuşi ai cuprului-indiului-seleniului, dar cel mai bine cunoscut în lumea întreagă este siliciul

• Structura cristalelor, cristalină (mono-/policristalină), sau amorfă.

• În plus faţă de materialele semiconductoare, există şi abordări de noi materiale, cum ar fi substanţe organice şi pigmenţi organici.

În funcţie de tipul cristalului, putem distinge trei tipuri de celule pe baza de siliciu:

• Celulă din siliciu monocristalină. Pentru a produce acest tip este necesar un material semiconductor absolut pur.Fibrele monocristaline sunt extrase din topitura de siliciu şi apoi ţesute astfel încât să formeze plăci fine. Acest proces de producţie garantează un nivel de eficienţă relativ mare.

Celulă solară realizată dintr-un strat subţire de siliciu monocristalinSursa:http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, 22.11.2010

• Celule policristallne sunt mai eficiente din punctul de vedere al costului. La producerea lor , siliciul lichid se toarnă în blocuri care apoi formează plăci. În timpul solidificării materialului, se formează structuri de mărimi diferite la maginile cărora apar defecte. Ca urmare a acestui defect al cristalelor, celula solară este mai puţin eficientă.

Celulă solară realizată dintr-o foiţă subţire de siliciu policristalin Sursa: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle, 22.11.2010

• Celulele amorfe sau cu strat subţire se obţin prin depunerea unei pelicule de siliciu pe sticlă sau pe alt material folosit ca substrat. Grosimea stratului este mai mică de 1µm (grosimea firului de păr uman este de 50-100 µm). Costurile de producţie sunt mai mici din cauză că materialul costă mai puţin. Totuşi, eficienţa celulelor amorfe este mai mică decât cea a celorlalte două tipuri de celule. Din acest motiv s-au utilizat în primul rând la echipamentele de joasă putere (ceasuri, calculatoare de buzunar), sau ca elemente de faţadă. În prezent ele sunt utilizate şi în fermele solare de mare putere (MW).

Parc solar, Wörrstadt, GermanySursa: juwi Holding AG, Germany

5

• Celule solare organice

Celulele solare organice sunt o altă alternativă la materialele convenţionale utilizate pentru a produce panourile fotovoltaice. Deşi este o tehnologie extrem de nouă, este considerată promiţătoare din moment ce oferă o soluţie foarte ieftină.

• Eficienţa de conversie a energiei

Eficienţa de conversie a energiei în cazul unui modul solar (sau numai eficienţa) este raportul dintre puterea electrică maxim produsă şi puterea luminii utilizate în condiţii de testare "standard". Radiaţia solară "standard" (cunoscută şi ca "spectrul masei de aer AM 1.5") are o densitate de putere de 1000 W/ m2. Eficienţa tipică a unui modul pentru celulele solare multicristaline cu ecran imprimat disponibile pe piaţă este de aproximativ 12%. Astfel, un panou solar obişnuit de 1 m2 aflat in bătaia directă a razelor soarelui va produce aproximativ 120 W putere la vârf.

Sursa: http://www.solarnavigator.net/solar_cells.htm, 19.11.2010

6

• Cum se pot utiliza panourile PV?

Aplicaţii: pe acoperişuri, PV integrate în clădiri ,reţele montate pe sol

In clădiri

Reţelele de panouri PV sunt adesea asociate cu clădirile: fie sunt integrate în clădiri, fie sunt montate pe ele sau lângă ele, pe pământ.

In cazul cladirilor existente reţele sunt cel mai adesea instalate pe structura existentă a acoperişului sau pe pereţi. In mod alternativ, se poate monta o reţea separat de clădire, dar conectată prin cablu pentru a furniza energie electrică clădirii respective. In 2010, mai mult de patru cincimi din cei 9000 MW de energie fotovoltaică din Germania s-au obţinut din instalaţiile montate pe acoperişuri.

Panouri solare fotovoltaice pe acoperişul unei case. Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics

Panouri fotovoltaice integrate în clădiri

Panourile PV integrate în clădiri sunt din ce în ce mai des încorporate în clădirile noi, rezidenţiale si industriale, ca sursă de energie electrică principală sau suplimentară. De obicei, se încorporează o reţea în acoperişul sau pereţii unei clădiri. Ţiglele de pe acoperiş cu celule PV integrate sunt şi ele destul de des utilizate.

Turnul CIS din Manchester, Marea Britanie, a fost îmbrăcat în panouri PV care au costat 5,5 milioane de lire sterline. A început să furnizeze energie reţelei naţionale de distribuţie în noiembrie 2005.

Producţia de energie electrică a sistemelor fotovoltaice care seinstalează în clădiri este de obicei dată în kilowaţi de vârf (kWp).

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Building-integrated_photovoltaics, 18.11.2010

Centrale electrice

Din octombrie 2010, cele mai mari centrale fotovoltaice (PV) din lume sunt: centrala electrică Sarnia Photovoltaic Power Plant (Canada, 80 MW), parcul fotovoltaic Olmedilla (Spania, 60 MW), parcul solar Strasskirchen Solar Park (Germania, 54 MW), parcul PV Lieberose Photovoltaic Park (Germania, 53 MW), parcul PV Puertollano Photovoltaic Park (Spania, 50 MW), şi centrala electrică PV Moura (Portugalia, 46 MW) şi parcul solar Waldpolenz Solar Park (Germania, 40 MW).

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic, 18.11.2010

In transport

Celulele fotovoltaice s-au utilizat în mod tradiţional pentru producerea de energie electrică în spaţiu. Ele s-au utilizat mai rar pentru a furniza energie electrică mijloacelor de transport, dar se utilizează din ce în ce mai des pentru a asigura energia electrică auxiliară pentru bărci şi maşini. Un vehicul alimentat direct cu energie solară are o putere limitată şi o utilizareredusă, dar daca vehiculul utilizează o formă de energie produsă din energie solară (de exemplu energie electrică acumulată in baterii) atunci maşinile pot fi alimentate cu energie obţinută din energia solară.

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010

Dispozitive independente

Până acum zece ani, panourile PV s-au utilizat adesea pentru a alimenta calculatoarele şi dispozitivele considerate noutăţi. Îmbunătăţirea circuitelor integrate şi display-urile LCD care consumă puţină energie electrică au făcut posibilă alimentarea unor dispozitive de acest tip timp de mai mulţi ani fără să se schimbe bateria, ceea ce a făcut ca utilizarea PV să devină mai cunoscută. În schimb, dispozitivele fixe alimentate la distanţă cu energie electrică din energie solară au devenit din ce în ce mai utilizate în locuri în care costul de conectare la reţea este foarte mare şi conectarea este aproape prohibitivă. Astfel de aplicaţii includ pompele de apă, contoarele din parcări, telefoanele pentru urgenţe, compactoarele de gunoi, semnalizatoarele de circulaţie temporare şi posturile şi semnalizările de pază la distanţă.

Contor solar parcareSursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics, 18.11.2010

Electrificarea rurală

Ţările în curs de dezvoltare, în care multe sate sunt adeseori la mai mult de cinci km depărtare de reţeaua de distribuţie a energiei electrice, au început să utilizeze sisteme fotovoltaice. În localităţile îndepărtate din India există un program prin care iluminatul cu LED-uri alimentate cu energie solară va înlocui lămpile cu cherosen. Lămpile alimentate cu energie solară s-au vândut aproximativ cu cât ar costa cherosenul necesar pentru câteva luni de funcţionare. În prezent şi Cuba încearcă să furnizeze energie electrică din energie solară în zonele care nu sunt conectate la reţeaua naţională. Acestea sunt zone în care costurile şi beneficiile sociale reprezintă un caz excelent pentru trecerea la energia solară, deşi lipsa de profitabilitate ar putea face ca astfel de eforturi sa aiba si un scop umanitar.

Sateliţi alimentaţi cu energie solară

Sursa http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_satellite, 19.11.2010

De decenii se fac studii pentru proiectarea unor sateliţi pentru colectarea energiei solare. Ideea a fost mai întâi propusă de Peter Glaser, apoi de Arthur D. Little Inc; NASA a realizat o serie lungă de studii de fezabilitate, atât inginereşti, cât şi economice, în anii 1970, iar interesul pentru acest obiectiv a renăscut în primii ani ai secolului 21.

Dintr-un punct de vedere economic şi practic, problema cheie în cazul unor astfel de sateliţi pare a fi costul de lansare. Studii suplimentare considera ca vor putea fi dezvoltate tehnici noi de asamblare in spatiu.Costurile respective par a fi mai puţin împovărătoare decât costurile de capital si se vor reduce pe măsuă ce costurile celulelor fotovoltaice vor scădea şi ele, sau, alternativ, odată cu creşterea eficienţei lor.

• Tarife feed-in

Un tarif feed-in reprezintă un mecanism de politică care are ca scop încurajarea utilizarii surselor regenerabile pentru a ajuta la accelerarea scaderii pretului energiei produse catre pretul la reţea.

Tariful include, de obicei, trei prevederi cheie:

• accesul garantat la reţeaua de distribuţie

• contracte pe termen lung pentru electricitatea produsă

• preţuri de achiziţie care se bazează metodologic pe costul de generare a energiei din RES şi tinde către paritatea de reţea.

În cadrul unui tarif feed-in se impune companiilor de utilităţi regionale sau naţionale obligaţia de a achiziţiona electricitate din surse regenerabile (electricitate generată din RES, cum ar fi energia solară, energia eoliană, energia valurilor şi mareelor, biomasei, hidro şi geotermală), de către toţi participanţii eligibili.

Preţurile bazate pe costuri permit, prin urmare, realizarea unei diversităţi de proiecte (eoliene, solare, etc.) şi asigură investitorilor un profit rezonabil la investiţiile în energia regenerabilă. Acest principiu a fost explicat mai întâi în Legea germană cu privire la RES din anul 2000:

“Ratele de compensare au fost determinate prin studii ştiinţifice, în aşa fel încât ratele identificate să facă posibil ca o instalaţie – atunci când este administrată eficient – să fie exploatată eficient din punctul de vedere al costurilor pe baza utilizării unei tehnologii de ultimă oră şi în funcţie de sursele de energie regenerabilă care sunt disponibile în mod natural într-un mediu geografic dat.” (RES Act 2000, Explanatory Memorandum A)

Prin urmare, rata poate diferi în funcţie de sursa de energie regenerabilă din care se produce energie electrică, de locul de instalare (de ex. montate pe acoperiş sau pe sol), dimensiunea proiectelor şi, uneori, de tehnologia utilizată (solară, eoliană, geotermală, etc.). Ratele sunt astfel proiectate încât

să coboare în cursul timpului pentru a identifica schimbările tehnologice şi reducerile globale de costuri. Aceasta concordă cu menţinerea nivelurilor de plăţi cu costurile reale de de producţie în timp.

În plus, FIT garantează, de obicei, cumpărarea de energie electrică produsă din surse de energie regenerabilă pe baza unor contracte pe termen lung (15–25 ani). Aceste contracte sunt de obicei oferite tuturor producătorilor de electricitate din RES interesaţi, fără discriminare.

Începând din 2009, politicile privind tarifele feed-in s-au aplicat în 63 jurisdicţii din lumea întreagă, inclusiv în Australia, Austria, Belgia, Braziial, Canada, China, Cipru, Republica Cehă, Danemarca, Estonia, Franţa, Germania, Grecia, Ungaria, Iran, Republica Irlanda, Israel, Italia, Republica Coreea, Lituania, Luxemburg, Olanda, Portugalia, Africa de Sud, Spania, Suedia, Elveţia, Turcia, şi în unele state (12 în prezent ) din SUA, şi devine din ce în ce mai importantă şi în altele cum ar fi China, India şi Mongolia.

In 2008, o analiză detaliată a Comisiei Europene a ajuns la concluzia că "regimurile bine adaptate ale tarifelor feed-in reprezintă, în general, cele mai eficiente şi efective scheme de promovare a electricităţii din RES ", îndreptându-se spre paritatea de reţea. Această concluzie a fost sprijinită de un număr de analize recente, inclusiv de International Energy Agency, European Federation for Renewable Energy, precum şi de Deutsche Bank.

Mai multe informaţii. http://www.res-legal.eu/

Surse:

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010

http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/

http://en.wikipedia.org/wiki/Building-integrated_photovoltaics, 18.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic, 18.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel, 19.11.2010 http://de.wikipedia.org/wiki/D

%C3%BCnnschichtsolarzelle#D.C3.BCnnschichtzellen, 19.11.2010

http://www.solarserver.com/knowledge/basic-knowledge/photovoltaics.html, 19.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics, 19.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Feed-in_tariff, 18.11.2010

http://www.res-legal.eu/, 19.11.2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_satellite, 19.11.2010