173

UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE PENTRU NCLZIRE,

CONDIIONAREA AERULUI I PRODUCEREA DE

ELECTRICITATE

Bogdan Diaconu, ef lucrri dr. ing.

Valentin Pali, prof. univ. dr. ing.

Cristinel Racoceanu, conf. univ. dr. ing.

Mihai Cruceru, conf. univ. dr. ing.

Universitatea Constantin Brncui Tg-Jiu

Abstract: Solar energy has an important development perspective considering a series of major advantages over traditional forms of energy. A large array of application of solar energy can be imagined so that it can replace many forms of the conventional energy sources.

1. Introducere Utilizarea energiilor regenerabile ctig n ultimii ani teren ntr-un ritm rapid datorit

problemelor pe care le ridic conversia formelor tradiionale de energie, probleme asociate degajrii de noxe n cazul arderii combustibililor convenionali respectiv riscului nuclear n cazul utilizrii energiei nucleare. Eforturile de cercetare i dezvoltare sunt polarizate n prezent spre energii regenerabile cu potenial valorificabil din punct de vedere tehnico-economic, acestea fiind energia solar i energia eolian, care se distaneaz net ca nivel al potenialului de celelalte tipuri de energii regenerabile. Principalele dezavantaje ale acestor energii sunt legate de capacitatea lor redus de a asigura nivelele de putere cerute n prezent de consumatori, de distribuia lor geografic neuniform i de dependena disponibilitii lor de factori obiectivi aleatori. Potenialul energiilor regenerabile de a asigura cerinele n continu cretere ale planetei este redus dar este departe de a fi nesemnificativ. Se estimeaz c este posibil din punct de vedere tehnico-economic ca la nivelul anului 2040 s se asigure 5% din necesarul de energie electric al planetei numai din energia solar, dei se preconizeaz c cerinele vor crete fa de momentul actual cu peste 100% [1].

2. Direcii de utilizare a energiei solare Se anticipeaz c industria productoare de echipamente de conversie a energiei solare

n energie termic va deveni un sector extrem de dinamic i inovativ n aproximativ 20 de ani, avnd n prezent o cifr anual de afaceri de aproximativ 7,6 miliarde EUR. Beneficiile aduse de implementarea energiei solare sunt extrem de tentante: protecia i conservarea mediului nconjurtor, creterea economic, noi deschideri pe piaa forei de munc. ns avantajul fundamental al energiei solare l constituie faptul c sursa primar de energie este gratuit, abundent i inepuizabil. ntr-adevr, energia total primit de

174

suprafaa terestr timp de un an depete de aproximativ 10.000 de ori consumul anual de energie al planetei.

Pentru a promova interesul i populariza avantajele energiei solare Greenpeace i European Solar Thermal Power Industry Association (ESTIA) au elaborat n 2002 un raport intitulat Solar Thermal Power 2020 n care printre multe concluzii interesante pot fi citate urmtoarele [3]:

Energia solar poate asigura necesarul de electricitate pentru peste 100 milioane de locuitori din zonele tropicale i subtropicale

Utiliznd mai puin de 1% din potenialul solar global este posibil stabilizarea climatului la nivel global prin reducerea masiv a emisiilor de bioxid de carbon

Raportul mai arat c exist interese n cercuri politice i industriale de dezvoltare intens a tehnologiilor de conversie a energiei solare, ns n acelai timp, nivelul actual de dezvoltare al acestor tehnologii este doar o parte relativ mic din cel care va fi atins ntr-un viitor nu foarte ndeprtat. Totodat, se anticipeaz mutaii majore ale tehnologiilor de conversie i creteri spectaculoase ale eficienei procesului de conversie a energiei solare.

n tabelele 1, 2 i 3 sunt redate o serie de date privind tendinele de dezvoltare ale energeticii bazate pe conversia energiei solare.

Tabelul 1. Cifre semnificative

Putere instalat, 2020 21540 MW Producie de energie electric, 2020 54.583.000 MWh Investiie cumulat 41,8 Mld dolari SUA Numr de locuri de munc 200.000 Emisii de CO2 evitate, 2002-2020 154 mil tone Emisii anuale de CO2 evitate, 2020 32,7 mil tone

Tabelul 2. Proiecii pe intervalul 2021-2040

Putere instalat, 2040 630.000 MW Producie de energie electric, 2040 1570 TWh Procent din necesarul global acoperit 5,13%

Tabelul 3. Proiecii globale

Anul Putere instalat total MW

Producie anual de energie electric MWh

Emisii de CO2 evitate

Investiie total Mil dolari SUA

Locuri de munc

2002 354 708000 424800 2005 505 1058000 634800 375 9900 2010 1550 6095500 3675300 1280 11929 2015 5990 15208000 9124800 2056 72294 2020 21540 54583000 32749800 7687 198774

Regiunile geografice cu cel mai ridicat potenial al energiei solare sunt: SV Statelor

Unite, America Central i de Sud, Africa, Orientul Mijlociu, rile europene mediteraneene, Iran, India, Pakistan, partea de sud a fostei Uniuni Sovietice, China i Australia. n multe zone de pe glob un singur kilometru ptrat de suprafa terestr este suficient pentru a produce 100-200 GWh energie electric anual, ceea ce este echivalent cu producia anual a unei uniti convenionale (crbune sau hidrocarburi) avnd puterea instalat de 50 MW.

175

2.1. Utilizarea energiei solare pentru producerea de energie electric Procesul de conversie a energiei solare n energie electric este relativ simplu i este

bazat n prezent pe tehnologii nesofisticate. Radiaia solar direct este concentrat i colectat de un sistem de concentratori asigurnd agent termic la temperaturi medii i ridicate, agent utilizat ntr-un ciclu termodinamic motor. Cldura colectat pe timpul zilei poate de asemenea fi stocat n lichide, solide sau materiale cu schimbare de faz (sruri topite, materiale ceramice). Pe timpul nopii cldura nmagazinat poate fi extras din mediul de stocare i introdus n ciclul termodinamic. Energia electric produs prin conversie solar devine din ce n ce mai ieftin. La nivelul anului 2004 facilitile existente n Calfornia produceau energie electric prin conversie solar cu preuri de cost ntre 0,1i 0,13 dolari SUA pe kWh. Se anticipeaz o scdere important a preurilor de cost n viitor pn la 0,05 dolari SUA. Se estimeaz c tehnologiile avansate, producia de mas i condiiile de exploatare vor duce n urmtorii 10-15 ani la diminuarea preului de cost al energiei electrice produse prin conversie solar pn la un nivel la care aceasta va deveni competitiv cu cea produs prin arderea combustibililor convenionali.

Tehnologii, costuri i beneficii. Conversia energiei solare n energie electric presupune existena a patru elemente:

concentratorul, receptorul, un mijloc de transport sau stocare a cldurii i un echipament de conversie a energiei termice n energie electric (turbogeneratorul la fel ca n cazul centralelor termoelectrice pe combustibili convenionali). n ceea ce privete concentratorul, cele mai promitoare tehnologii de conversie sunt jgheabul parabolic, farfuria parabolic i turnul solar.

Jgheabul parabolic utilizeaz un sistem de oglinzi dispuse sub forma unui segment de paraboloid pentru a concentra energia solar asupra unor tuburi dispuse n punctul focal al oglinzilor, tuburi n interiorul cruia agentul termic atinge temperatura de 400 0C i este utilizat apoi pentru a produce abur supranclzit (figura 1). Acesta reprezint cel mai avansat sistem de conversie a energiei solare n energie electric; n California, un astfel de sistem dispune de o putere instalat de 354 MW electrici pentru o suprafa de peste 2 km2 acoperit cu astfel de sisteme de captare. Energia electric produs de aceste sisteme n combinaie cu cea produs de cicluri mixte (cicluri solare combinate) va ajunge la un pre de cost de 0,06 EUR (estimare pe termen scurt) i 0,05 EUR (estimare pe termen lung).

Figura 1. Concentrator solar de tip jgheab parabolic

176

Turnul solar utilizeaz un sistem circular de oglinzi heliostate care concentreaz radiaia solar asupra unui receptor central amplasat n vrful turnului. Prin stocarea energiei solare flexibilitatea acestor sisteme poate crete foarte mult n timp ce puterea instalat poate ajunge la 200 MW. Cel mai important avantaj al energiei solare l reprezint impactul practic nul asupra mediului ambiant., procesele de conversie nefiind nsoite de emisiile poluante asociate tehnologiilor convenionale de conversie a energiei combustibililor fosili. Dezafectarea unui sistem de conversie a energiei solare pune mult mai puine probleme dect dezafectarea unei centrale termoelectrice convenionale de exemplu. Fiecare metru ptrat de suprafa este suficient pentru a evita emisii poluante de bioxid de carbon anuale ntre 250 i 400 kg. Energia solar poate deci s-i aduc o contribuie important la angajamentele internaionale de reducere a emisiilor poluante i n special a celor cu efect de ser.

3. Sisteme de condiionare a aerului Energia solar poate fi utilizat drept surs cald pentru cicluri termodinamice

inversate n vederea condiionrii aerului. n rile industrializate situate n zonele tropicale sau subtropicale o cot important a consumului urban de energie electric revine condiionrii aerului din ncperile de locuit. Utilizarea energiei solare n instalaii de rcire cu absorbie constituie o alternativ extrem de avantajoas i permite reducerea semnificativ a consumului de energie electric pentru consumatorii urbani.

n prezent se utilizeaz dou tipuri de tehnologii de rcire pentru condiionarea aerului: compresia vaporilor utiliznd energie electric i rcirea prin absorbie utiliznd o surs de cldur. Sistemele de rcire prin absorbie se comercializeaz deja i au performane foarte bune. n figura 2 este redat partea de concentratori a unui astfel de sistem

Figura 2. Sistem de concentratori solari

pentru condiionarea aerului

Bibilografie 1. Renewable Energy World, Mar-Apr 2003, Vol.6, No.2 2. Renewable Energy World, January-February 2004, Vol.7, No.1 3. http://www.greenpeace.org/international/press/reports/solar-thermal-power-2020