1

Cuprins

Cuprins ....................................................................................................................................... 1

1. Radiaţia solară ........................................................................................................................ 2

1.1. Introducere ...................................................................................................................... 2

1.2. Radiaţia solară la nivelul solului ...................................................................................... 3

1.3. Radiaţia solară incidentă pe panourile solare înclinate de pe suprafaţa terestră ................. 4

1.4. Măsurarea radiaţiei solare ................................................................................................ 4

1.5. Estrimarea radiaţiei solare ................................................................................................ 6

2. Celule fotovoltaice .................................................................................................................. 7

2.1. Introducere ...................................................................................................................... 7

2.1.1. Scurt istoric ............................................................................................................... 7

2.1.2. Principiul de funcţionare al celulelor fotovoltaice. ..................................................... 7

2.2. Aspecte tehnologice ......................................................................................................... 9

2.2.1. Materiale şi tehnologii ............................................................................................... 9

2.2.2. Calculul parametrilor celulelor fotovoltaice ............................................................. 11

2.2.2.a. Calculul eficienţei panourilor fotovoltaice ............................................................ 11

4.2.2.b. Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice ...................................... 11

2.3. Aspecte economice şi de piaţă ........................................................................................ 14

4.3.1. Actori ...................................................................................................................... 15

3. Solar termic .......................................................................................................................... 16

3.1. Introducere .................................................................................................................... 16

3.1.1. Scurt istoric. ............................................................................................................ 16

3.1.2. Clasificarea instalaţiilor solare ................................................................................ 17

3.2. Colectorul solar plan ...................................................................................................... 17

3.2.1. Probleme generale ................................................................................................... 17

3.2.2. Bilanţul energetic al captoarelor solare plane ........................................................... 19

3.2.3. Sistemul turbosifonic pentru prepararea de apă ........................................................ 21

3.3. Sisteme de concentrare a radiaţiei solare ........................................................................ 22

3.3.1. Sistemele de concentrare a radiaţiei solare ............................................................... 22

3.3.2. Centrale electrice cu ciclu termodinamic pentru conversia energiei solare ............... 23

Bibliografie .............................................................................................................................. 25

2

1. Radiaţia solară

1.1. Introducere

Fuziunea nucleară solară eliberează o cantitate impresionantă de energie (estimată la 3,47 X 1024 kW). Pământul îşi primeşte, practic, toată energia de la soare sub formă de radiaţie electromagnetică. Radiaţia incidentă la o distanţă egală cu distanţa medie solară la

extremitatea atmosferei pe un plan normal este constanta solară = 1360 W/m2 (1), fiind o

funcţională de poziţia orbitală a pământului. Dacă Ss este radiaţia solară totală pe toate frecvenţele emise, la o distanţă R de centrul soarelui, fluxul de radiaţie fiind acelaşi pe toate direcţiile. Se poate defini un flux de radiaţie la distanţa R faţă de soare Q(R).

24)(

R

SRQ S

⋅⋅=

π (1)

Radiaţia incidentă pe o planetă sferică nu este egală cu constanta solară a planetei. Pământul interceptează de la soare un disc de radiaţie cu aria 2r⋅π , unde r este raza pământului. Cum suprafaţă pământului este egală cu 24 r⋅⋅π , cantitatea medie de energie pe unitate este egală cu:

4

)(

4

)(2

2RQ

r

RQr=

⋅⋅

⋅⋅

π

π (2)

Cantitatea medie de căldură pe unitatea de suprafaţă terestră este 2

3404

1360

m

W= .

Obs. Calculele de mai sus sunt valabile dacă pământul este perfect sferic, fără atmosferă, iar

orbita lui este perfect sferică. La nivelul Pământului, absorbţia radiaţiei solare vizibile pe unde scurte este echilibrată de emisia de radiaţie infraroşie, unde lungi. Calculul de emisie şi absorbţiei de radiaţie de către pământ duce la o temperatură a corpului de 255 K. Diferenţa de aproximativ 30 K până la temperatura medie a suprafeţei terestre este dată de efectul de seră (2). Radiaţia electromagnetică solară călătoreşte cu viteza luminii c, distanţa între soare şi pământ fiind străbătută în aproximativ 8 minute. Legătura între lungimea de undă λ şi frecvenţa ν este legată de viteza luminii:

νλ ⋅=c (3) Energia undelor electromagnetice este dată de realţia 4:

ν⋅= hE (4) În relaţia 4, h este constanta universală a lui Plank h = 6,626 X 10-34 Js. Radiaţia solară are spectrul de la unde lungi (infraroşii) până la unde scurte (ultraviolete) şi este echivalentă unui corp negru la temperatura de 5800 K, ca în Figura 1.

3

Figura 1.1. Spectrul solar.

1.2. Radiaţia solară la nivelul solului

Când radiaţia solară intră în atmosferă, o parte din energia ei este consumată prin împrăştiere şi alta prin absorbţie. Partea din radiaţie împrăştiată în atmosferă se numeşte radiaţie solară

difuză. O parte din radiaţia difuză se reîntoarce în mediul extraterestru, iar cealaltă parte ajunge la nivelul solului. Radiaţia solară care ajunge direct de la discul solar pe suprafaţa terestră se numeşte radiaţie solară directă. Cantitatea totală de energie transmisă, pe toate lungimile de undă, prin radiaţie directă sau difuză, la nivelul solului, se numeşte radiaţie solară globală. Figura 2. prezintă schematic componentele radiaţiei solare (3).

Figura 1.2. Componentele radiaţiei solare la nivelul solului.

1.3. Radiaţia solară incidentă pe panourile solare înclinate de pe suprafa

Pentru a mări cantitatea de energie pe care o recepele nu sunt aşezate orizontal, ci pe un plan înclinat. Unghiul optim pentru asolare este de cele mai multe ori egal cu latitudinea la care este aorientarea este spre Sud. Pentru că panourile care nu sunt amai poate apărea o componentă a radia

Figura 1.3. Radiaţia solară direct

1.4. Măsurarea radiaţiei solare

Daryl R. Myers face o prezentare a echipamentelor solară directă, difuză şi globală, precum Lester sa. prezintă o metodă pentru îmbunRadiaţia solară globală poate fi estimat

dzb III += θcos (7)

În relaţia 7 I este iradierea globalradiaţiei pe panou, iar Id este iradierea difuzcea de-a treia se poate calcula. 3.4.1. Măsurarea radiaţiei solare directe.

Un pirheliometru este un aparat pentru minstrumente trebuie să fie orientate astfel încât sprezentat un pirheliometru pentru m Figura 4 prezintă un pyroheliometru, iar soarelui (6).

4

ă pe panourile solare înclinate de pe suprafaţa terestr

ri cantitatea de energie pe care o recepţionează marea majoritate a instalaezate orizontal, ci pe un plan înclinat. Unghiul optim pentru aşezarea panourilor

solare este de cele mai multe ori egal cu latitudinea la care este aşezată instala

nu sunt aşezate orizontal, pe lângă radiaţia solară directă a radiaţiei solare, cea reflectată de sol (precum în figura 3)

ă directă, difuză sau reflectată de pământ pe un panou înclinat.

iei solare

Daryl R. Myers face o prezentare a echipamentelor şi procedurilor de măsură pentru iradierea ă, precum şi a modelelor pentru analiza datelor achizi

pentru îmbunătăţirea calităţii măsurătorilor radiaţiei solare poate fi estimată conform relaţiei 7:

este iradierea globală, Ib este iradierea directă, θz este unghiul de incideneste iradierea difuză. Se observă că prin cunoaşterea a dou

iei solare directe.

n aparat pentru măsurarea radiaţiei solare directe. fie orientate astfel încât să urmărească mişcarea soarelui. În

pentru măsurarea radiaţiei directe pe toate lungimile de und

un pyroheliometru, iar Figura 5 prezintă un instrument de urm

ţa terestră

marea majoritate a instalaţiilor solare, şezarea panourilor

instalaţia solară, iar

directă şi cea difuză (precum în figura 3) .

mânt pe un panou înclinat.

sură pentru iradierea i a modelelor pentru analiza datelor achiziţionate (4).

ţiei solare (5).

este unghiul de incidenţă al terea a două componente

iei solare directe. Acest tip de carea soarelui. În Figura 4 este

toate lungimile de undă.

un instrument de urmărire a locaţiei

5

Figura1.4. Pyrheliometrul CH 1 NIP produs de firma Kipp & Zonen, pentru măsurarea radiaţiei

directe cu frecvenţe între 200 şi 4000 de nm.

Figura 1.5. Instrumentul de urmărire a soarelui 2 AP al firmei Kipp & Zonen .

3.4.2. Măsurarea radiaţiei solare globale şi difuze.

Piranometrul este aparatul care măsoară radiaţia solară directă şi difuză pe o întreaga semisferă. De obicei semisfera este chiar domul ceresc, dar aparatele pot fi folosite şi în poziţie înclinată dacă se doreşte şi măsurarea radiaţiei reflectate de sol. Figura 6 prezintă un pyranometru pentru măsurarea radiaţiei globale, pe toate lungimile de undă, produs de compania Eppley Laboratory (7).

6

Figura 1.6. Piranometrul PSP pentru măsurarea radiaţie globale, produs de compania Eppley

Laboratory.

Pentru măsurarea radiaţiei solare difuze se folosesc piranometre şi instrumente de obturare a vederii directe către soare precum cele din figurile 5 şi 6.

1.5. Estrimarea radiaţiei solare

Estimarea are ca scop obţinerea unei funcţii de distribuţie statistică în scopul dimensionării instalaţiilor solare. Pentru exemplificare, în figura 7 se prezintă rezultatele modelării iradierii globale la staţia Sakarya (Turcia) obţinute prin metode neuronale (8).

Figura 7. Iradierea solară globală medie la staţia de măsură Sakarya.

7

2. Celule fotovoltaice

2.1. Introducere

2.1.1. Scurt istoric

În cele ce urmează vor fi prezentate principalele date legate de dezvoltarea domeniului: • În 1839 Alexandre Edmound Becquerel observă efectul fotovoltaic, într-o soluţie

conducătoare electric expusă la soare; • În 1873 Willoughby Smith descoperă efectul fotovoltaic la seleniu; • În 1883 Charles Fritts construieşte o celulă fotovoltaică cu seleniu, pe un strat fin de aur,

cu un randament electric mai mic de 1%; • Între anii 1888-98 Edward Weston, Melvin Severy şi Harry Reagan primesc patente

pentru celule solare; • În 1901 Nikola Tesla primeşte patentul US685957 „Aparat pentru utilizarea energiei

radiante”; • În 1904 Albert Einstein îşi pubică lucrarea despre efectul fotovoltaic extern, iar Wilhelm

Hallwachs fabrică o celula fotovoltaică cu joncţiune; • În 1918 Jan Czochralski dezvoltă o metodă de creştere a cristalelor de siliciu; • În anii 50 laboratoarele Bell produc celule fotovoltaice pentru activităţi aerospaţiale; • În 1955 Western Electric produc celule fotovoltaice comerciale; • În 1960 Hoffman Electronics produc o celulă fotovoltaică cu 14 % randament electric; • În 1976 David Carlson şi Christopher Wronski produc prima celulă fotovoltaică amorfă,

cu un randament de 1,1 %; • În 1985 randamentul celulelor fotovoltaice produse de University of New South Wales

ajunge la 20 %; • În 1994 o celulă fotovoltaică produsă la NREL ajunge la 30% eficienţă de producere a

electricitiţii.

2.1.2. Principiul de funcţionare al celulelor fotovoltaice.

Efectul fotovoltaic este legat de joncţiunea p – n a două materiale semiconductoare de tip p şi de tip n. În figura 1 este prezentată schematic joncţiunea p-n pentru siliciu.

Figura 2.1. Prezentarea schematică a joncţiunii p - n pentru siliciu.

Dacă în cristalul unui material semiconductor se înlocuieşte un atom al siliciului cu un atom pentavalent As sau P (operaţiunea de dopare a siliciului), atunci cei cinci electroni ai stratului de valenţă vor satisface cele patru legături covalente ale atomului de siliciu înlocuit. Al cincilea electron poate trece uşor în peste banda interzisă în banda conductore. Substanţele folosite pentru substituţie se numesc substanţe donoare (dopante), iar semiconductorul astfel obţinut se

numeşte n-negativ.

Dacă Si este dopat cu un atom trivalent B sau Al cei trei electroni de valenţă vor satisface doar trei dintre legăturile covalente ale atomului. În acest mod se creează legături cu electroni lipsă

8

(goluri). Semiconductorul se numeşte p-pozitiv. Purtătorii de sarcină al căror număr este majoritar poartă numele de purtător majoritar. Se poate defini, in mod similar, noţiunea de purtător minoritar. În apropierea unei joncţiuni p-n are loc o difuzie a purtătorilor de sarcină majoritari în regiunea unde ei sunt minoritari. În acest mod se stabileşte o regiune cu sarcina spaţială pozitivă în regiunea n şi o altă regiune cu sarcină negativă în regiunea p. Între cele două sarcini apare un câmp electric orientat de la semiconductorul n către semiconductorul p. Se stabileşte astfel o barieră de potenţial care împiedică difuzia purtătorilor de sarcină prin joncţiune. În consecinţă, după o mişcare iniţială de purtători majoritari într-un sens (curent de difuzie) şi minoritari în sens opus (curent de drift) se realizează un echilibru dinamic în care joncţiunea prezintă două zone neutre separate printr-un câmp electric (cu un potenţial de barieră). Când un foton loveşte joncţiunea, se întâmplă următoarele fenomene:

� Fotonul traversează materialul dacă energia lui este mai mică decât energia necesară unui electron pentru a trece de pe banda de valenţă pe banda de conducţie;

� Fotonul este absorbit (în caz contrar celui de mai sus). Fotonul creează o pereche de electroni – găuri. Dacă energia fotonului este mai mare decât cea necesară pentru „eliberarea” unui electron, cristalul se încălzeşte;

O dată perechile electroni-găuri formate în joncţiunea p-n, atât electronii, cât şi găurile sunt libere să se mişte în cristal. Câmpul electric format va atrage electronii în zona catodică şi găurile în zona anodică a joncţiunii, formând astfel un curent continuu, care poate fi folosit de către un consumator. Modul de circulaţie al sarcinilor într-o celulă fotovoltaică este schematizat în figura 2.

Figura 2.2. Modul de circulaţie al sarcinilor într-o celulă fotovoltaică.

Celulele fotovoltaice sunt conectate în circuite electrice serie sau / şi paralel pentru a produce tensiuni, curenţi şi puteri mai mari. Modulele fotovoltaice sunt formate din celule îmbrăcate în materiale protectoare. Aceste sisteme sunt componentele de bază ale instalaţiilor. Principiul de cuplare al instalaţiilor este prezentat în figura 3.

9

Figura 2.3. Modul de formare al instalaţiilor fotovoltaice.

2.2. Aspecte tehnologice

2.2.1. Materiale şi tehnologii

Din punctul de vedere al fizicii solidelor spectrul solar poate fi tratat ca cel al unui corp negru la 5800 K cu o banda foarte mare de frecvenţe (de la infraroşu la ultraviolet), iar semiconductorii pot converti, cu eficienţă bună, doar fotonii cu energia saltului de bandă. Fotonii cu energie mai mică nu sunt absorbiţi, iar cei cu energie mai mare transferă o parte din energie în energie termică. În figura 4 este prezentată eficienţa celulelor fotovoltaice în funcţie de lăţimea de bandă a materialelor (9).

Figura 2.4. Dependenţa eficienţei conversiei a energiei fotonilor în electricitate în funcţie de

lăţimea benzii interzise a semiconductorilor.

În figura 4 se observă că cel mai folosit material în ziua de azi, siliciul, nu are cea mai bună eficienţă de conversie, dar este aproape de maxim. Evoluţia randamentelor de conversie a diferitelor tehnologii la diferite laboratoare este evidenţiată în figura 5 (10).

10

Figura 2.5. Evoluţia eficienţei tehnologiilor celulelor fotovoltaice pentru diferite tehnologii şi la

diferite laboratoare.

Absorbţia luminii este mai bună la semiconductorii direcţi decât la cei indirecţi, spre exemplu, la semiconductorul GaAs, 90 % din absorbţia are loc într-un spaţiu de 1 µm, în timp ce la siliciu spaţiul este de 100 de ori mai mare. Aceasta duce la un spaţiu de difuze al luminii de 200 µm sau cel puţin de două ori mai mare decât grosimea stratului de siliciu. Din punctul de vedere al fizicii materialelor siliciul nu este cel mai potrivit material pentru construirea celulelor fotovoltaice, dar poziţia lui dominantă se datorează dezvoltării tehnologiei în domenii conexe. Materialele potrivite pentru dezvoltarea de celule fotovoltaice trebuie să aibă următoarele caracteristici:

• Bandă interzisă între 1,1 şi 1,7 eV; • Structură directă a benzii; • Disponibilitate; • Lipsă de toxocitate; • Uşor reproductibile în echipamente de producere în masă; • Stabilitate pe termen lung.

Siliciul monocristalin şi policristalin

A fost dezvoltat de Laboratoarele Bell în anul 1954, având ca principal destinatar domeniul aerospaţial. Tehnologia a beneficiat de cercetările din zona electronicii tranzistoarelor şi a circuitelor integrate. Siliciu în strat subţire Principalul aspect comun pentru această tehnologie este substratul necesar ca suport mecanic pentru stratul subţire de siliciu activ (tipic între 5 şi 50 µm). Acesta este format fie din siliciu de proastă calitate, fie din alte materiale precum sticlă, ceramică sau grafit. Substratul determină temperatura maximă la care poate fi expusă celula. Există două mari categorii constructive:

• Celule de mare temperatură; • Celule de joasă temperatură.

Siliciu amorf

Prima celulă de acest tip a fost realizată de Carlson. Avantajul acestui tip de celulă este abundenţa materialului, cu dezavantajul unei eficienţe reduse de conversie. Randamentele celulelor ajung în momentul de faţă la 13 %, în timp ce randamentele modulelor depăşesc 6 %.

11

O noua abordare este aceea de a combina cele două stări ale siliciului (amorf şi cristal) pentru a beneficia de avantajele celor două stări: eficienţele mari ale cristalelor şi preţul scăzut al stării amorfe. Compania Japoneză Sanyo a ajuns la un randament de conversie de 20,7 % (11). Copper indium diselenide (CIS)

Semiconductorii terţieni CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2 şi compuşii lor Cu(In,Ga)(S,Se)2 reprezintă materiale promiţătoare pentru tehnologia cu strat subţire. Simens Solar a produs celule cu eficienţe între 9 şi 10 %. Primul material care nu conţine siliciu aflat pe piaţă este CdTe. Celulele solare organice

Aceste tipuri de celule permit coeficienţi foarte mari de absorbţie, ceea ce permite construirea de celule cu straturi extrem de subţiri (mult mai mici de 1 µm), deci cantităţi foarte mici de materiale necesare. Efectul fotoelectric a fost obţinut, deja, la plastic de către universitatea Berkeley, cu un material foarte ieftin.

2.2.2. Calculul parametrilor celulelor fotovoltaice

2.2.2.a. Calculul eficienţei panourilor fotovoltaice

Cel mai cunoscut model de calcul pentru eficienţa sistemelor fotovoltaice este dat de formula 1. Modelul a fost creat de Evans (12) şi calculează puterea maximă ce poate fi debitată de o fotocelulă / panou fotovoltaic:

[ ]φγβηη LogTT rcr ⋅+−⋅−⋅= )(1 (1)

În formula de mai sus η este randamentul sistemului fotovoltaic, ηr este randamentul de referinţă al sistemului fotovoltaic la temperatura de referinţă Tr = 25 °C şi radiaţie solară φ = 1000 W m-2, β şi γ sunt coeficienţii de corecţie a randamentului cu temperatura, respectiv cu iradierea solară, iar Tc este temperatura joncţiunii (13). În general parametrii ηr, Tr, β şi γ sunt parametrii daţi de constructor, Evans dă parametrii pentru cristalele de siliciu β = 0,0048 °C-1 şi γ = 0,12. Pentru simplificare, γ = 0.

4.2.2.b. Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice

Panourile fotovoltaice sunt, de obicei, reprezentate în schemele electrice ca surse de energie în paralel cu diode. Cel mai larg folosit model este cel al simplei diode (14). În figura 7 este reprezentată o celulă fotovoltaică.

Figura 2.7. Reprezentarea electrică conform modelului simplă diodă ideal a celulelor

fotovoltaice.

În figura de mai sus Isc este curentul de scurtcircuit al sursei, Id este curentul ce trece prin diodă,

Iph Id

I V

12

V este tensiunea sarcinii, iar I este curentul care trece prin sarcină. Curentul ce trece prin diodă Id este dat de relaţia 2.

−⋅= 10

tV

V

d eII (2)

În relaţia 2 I0 este curentul de saturaţie al diodei, iar Vt este tensiunea termodinamică dată de formula 3.

q

TknV

j

t

⋅⋅= (3)

În relaţia 3 n este constanta caracteristică a diodei, k este constanta lui Boltzmann, q este sarcina electrică elementară, iar Tj este temperatura joncţiunii. Curentul ce trece prin sarcină este dat de relaţia 4.

−⋅−=−= 10

tV

V

scdsc eIIIII (4)

Caracteristicile tensiune putere ale celulelor fotovoltaice au forma din figura 8.

Figura 2.8. Caracteristica curent tensiune a unei celule fotovoltaice.

În figura 8 Imp este curentul la puterea maximă a celulei, Vmp este voltajul la putere maximă al celulei, Pmp este puterea maximă a celulei, iar V0c este tensiunea de mers în gol a celulei. Produsul între tensiunea şi curentul celulei dau puterea celulei, iar figura 9 arată caracteristica putere tensiune a unei celule fotovoltaice.

13

Figura 2.9. Caracteristica putere tensiune a unei celule fotovoltaice.

În Figura 9. se observă că puterea debitată de celulă are un maxim funcţie de tensiunea produsă. Comportamentul celulelor fotovoltaice diferă faţă de cazul ideal. În figura 10 este prezentată schema folosită în cazurile reale pentru modelarea celulelor fotovoltaice.

Figura 2.10. Reprezentarea electrică conform modelului simplă diodă reală a celulelor

fotovoltaice.

În figura 10 se observă că imperfecţiunile modelului sunt compensate, ca în cazul tuturor surselor de electricitate cu două rezistenţe, una în paralel Rs şi una în serie cu sursa Ru. Curentul generat de sistem este dat de relaţia 5.

s

uV

IRV

scR

IRVeIII t

s

⋅+−

−⋅−=

⋅+

10 (5)

Figura 11 arată modul de variaţie al caracteristicilor celulelor curent tensiune funcţie de temperatura joncţiuni.

Iph Id

I V

Rs

Ru

P

V Vmp

Pmp

14

Figura 2.11. Variaţia caracteristicilor curent tensiune ale celulelor fotovoltaice funcţie de

temperatura joncţiunii, la iradiere solară constantă.

Figura 12 arată variaţia caracteristicilor funcţie de iradierea solară.

Figura 2.12. Variaţia caracteristicilor curent tensiune ale celulelor fotovoltaice funcţie de

iradierea solară, la temperatură a joncţiunii constantă.

Din figura 12 se observă că o dată cu creşterea radiaţiei solare cresc atât curentul cât şi tensiunea debitate de celule.

2.3. Aspecte economice şi de piaţă

Producţia mondială de panouri fotovoltaice a fost în anul 2004 de 1195 MW, aceasta reprezentând o creştere de circa 57 % faţă de anul 2003. Cea mai mare producţie a fost înregistrată de Japonia (602 MW), urmată de Europa (314 MW) şi de Statele Unite ale Americii (139 MW). Tabelul 2.1 prezintă topul ţărilor producătoare de module fotovoltaice (15).

Tabelul 2.1. Producţia de module fotovoltaice din anul 1995 în anul 2005 în lume [MW].

4.3.1. Actori

Producţia mondială în anul 2004 a fost dominatMW, ceea ce reprezintă un procent de 87 % din Tabelul 2 prezintă principalii produc

Tabelul 2.2. Principalii produc

Aproape 85 % din producţia mondialcu siliciu monocristalin sau pluricristalin. Tabelul celulelor fotovoltaice.

15

ia de module fotovoltaice din anul 1995 în anul 2005 în lume [MW].

în anul 2004 a fost dominată de 14 producători, ei instalând o putere de 1055 un procent de 87 % din producţia globală de panouri fotovoltaice.

principalii producători de module fotovoltaice în anul 2004.

Principalii producători de module fotovoltaice în anul 2004 [MW].

ia mondială de celule fotovoltaice se bazează în continuare pe soluin sau pluricristalin. Tabelul 3 repartiţia tehnologiilor de producere a

ia de module fotovoltaice din anul 1995 în anul 2005 în lume [MW].

tori, ei instalând o putere de 1055 panouri fotovoltaice.

tori de module fotovoltaice în anul 2004 [MW].

în continuare pe soluţia ia tehnologiilor de producere a

Tabelul 3.3. Repartiţia tehnologiilor de producere a celulelor fotovoltaice [MW].

3. Solar termic

3.1. Introducere

3.1.1. Scurt istoric.

Energia solară a fost folosită încalimentelor. Arhiologii au găsit lentile folosite pentru aprinderea focului.Primele cercetări în domeniu apar1767 o cutie a cărei suprafaţă inferioarRenumitul astronom Sir John Herschel a folosit cutii solare fierbinAfrica de Sud din anul 1830. Energătit şi distilarea apei.

Figura 3.1. Cutie solară

16

ia tehnologiilor de producere a celulelor fotovoltaice [MW].

ă încă de la începuturile umanităţii pentru uscarea pieilor ăsit lentile folosite pentru aprinderea focului.

aparţin elveţianului Horace de Saussure. Acesta a construit în anul ţă inferioară ajungea la 109 °C.

Renumitul astronom Sir John Herschel a folosit cutii solare fierbinţi pentru expediAfrica de Sud din anul 1830. Energia solară a devenit importantă în unele părţi ale Africii pentru

Cutie solară pentru gătit de tipul celei folosite de John Herschel.

ia tehnologiilor de producere a celulelor fotovoltaice [MW].

ii pentru uscarea pieilor şi a

ianului Horace de Saussure. Acesta a construit în anul

i pentru expediţia lui în ă ţi ale Africii pentru

tit de tipul celei folosite de John Herschel.

17

În 1909 William J. Bailey un sistem revoluţionar de încălzire a apei care avea inclus un sistem de stocare într-o incintă izolată a apei încălzite solar. Criza petrolieră din anii ’70 a dus la dezvoltarea companiilor de profil, însă puţine au rezistat până în anii ’80.

3.1.2. Clasificarea instalaţiilor solare

Instalaţiile solare pot fi clasificate în două mari categorii: după complexitatea instalaţiei şi după modul de concentrare a luminii. După complexitatea instalaţiei:

• Instalaţiile solare pasive sunt instalaţii care nu folosesc o altă sursă de energie în afară energiei solare. De cele mai multe ori aceste instalaţii folosesc un termosifon pentru circulaţia apei şi nu sunt dotate cu pompe;

• Instalaţiile solare active folosesc sisteme pentru circulaţia apei, circulaţia aerului şi poziţionarea faţă de soare. De obicei toate aceste instalaţi auxiliare sunt electrice.

După modul de concentrare al radiaţiei solare, instalaţiile pot fi: • Instalaţii fără concentrare a energiei. Aceste tipuri de instalaţii au avantajul de a putea

folosii radiaţia difuză, cu dezavantajul de a nu putea genera temperaturi foarte mari; • Instalaţii cu concentrarea radiaţia solare:

o Concentrare într-un punct. Antenele parabolice sau lentilele de concentrare sunt în general combinate cu sisteme de urmărire a soarelui;

o Concentrare pe o linie. Sunt folosite în general pentru centralele cu ciclu termic de conversie a energiei solare.

3.2. Colectorul solar plan

3.2.1. Probleme generale

Principul de funcţionare al colectoarelor solare plate este simplu, el se bazează pe efectul de seră. Un panou este aşezat perpendicular pe radiaţia solară pentru a beneficia de o iradiere cât mai mare. Radiaţia solară trece printr-un geam sau un plastic şi loveşte un material absorbant. Acesta se încălzeşte şi creşte temperatura în interiorul sistemului, căldura putând fi extrasă de acolo cu ajutorul apei sau aerului. Figura 32 arată principalele componente ale unui colector plan (16).

Figura 3.2. Părţile componente ale unui sistem solar cu colector plat.

Componentele colectorului solar plan din figura 2 sunt următoarele:

18

1) Carcasă exterioară – este fabricată din metal sau plastic şi are rolul de a proteja instalaţia de factorii externi;

2) Izolaţie termică – are rolul de a micşora pierderile de căldură prin convecţie şi conducţie către exterior;

3) Canal de curgere a fluidului încălzit – este spaţiul în care fluidul de lucru preia căldura (forma şi dimensiunile acestui spaţiu diferă funcţie de tipul constructiv al colectorului termic);

4) Absorbant termic – are rolul de a absorbi radiaţia solară termică; 5) Închidere formată dintr-o suprafaţă de transparentă – are rolul de a menţine radiaţia

termică emisă de către absorbant în interiorul colectorului solar termic; 6) Strat de aer – este transparent la radiaţia termică şi în acelaşi timp este rezistenţă

termică care împiedică transferul de căldură între absorbant şi suprafaţa transparentă.

Există mai multe soluţii pentru construcţia colectoarelor solare plane. Figura 3 arată trei tipuri de colectoare solare plane şi diferenţele de temperatură realizabile:

• Colectorul solar bloc neacoperit pentru încălzirea apei; • Colectorul solar acoperit pentru încălzirea apei; • Colectorul solar acoperit pentru încălzirea aerului.

Figura 3.3. Tipuri constructive de colectoare solare plane.

Cele mai performante colectoare solare plate sunt cele cu tuburi vidate. Principala caracteristică constructivă a acestor sisteme este vidul creat între absorbant şi suprafaţa transparentă ce o acoperă. Acest tip de sisteme funcţionează foarte bine în intervalul de temperaturi 120 – 150 °C. Figura 4 arată principalele componente ale unui sistem solar cu tuburi vidate.

Figura 3.4. Componentele caracteristice ale unui sistem cu tuburi vidate.

19

În figura 4 se observă principalele componente ale tuburilor vidate, în următoarea ordine de la exterior către interior:

• Tub exterior de sticlă; • Spaţiu vidat; • Absorbant; • Tub interior de sticlă; • Strat de cupru; • Ţevi pentru evacuarea căldurii (înlocuite de tuburi termice la panourile performante).

3.2.2. Bilanţul energetic al captoarelor solare plane

Dacă pentru un colector plan se stabileşte un contur de bilanţ în jurul instalaţiei, se observă că principalul flux energetic ce intră în conturul de bilanţ este radiaţia solară, în timp ce fluxurile de ieşire sunt :

• Fluxul de pierderi optice; • Fluxul de pierderi prin convecţie; • Fluxul de pierderii prin radiaţie; • Fluxul de pierderi prin conducţie; • Fluxul de căldură utilă.

Figura 5 arată principalele fluxuri energetice, precum şi diagrama fluxurilor energetice pentru colectorul solar plan (17).

20

Figura 3.5. Fluxurile energetice legate de colectoarele solare plane.

3.2.2. Eficienţă colectoarelor solare plane

Diferitele tipuri constructive de colectoare solare au randamente variabile în funcţie de condiţiile atmosferice, ca în figură:

Figura 6. Caracteristicile de randament ale diferitelor tipuri de panouri solare

În figură temperatura echivalentă este raportul între diferenţa de temperatură între mediul ambiant şi temperatura colectorului şi radiaţia solară incidentă. Se observă că pentru diferite tipuri de activităţi sunt recomandate diferite tipuri constructive de panouri solare:

♦ La diferenţe mici de temperatură cele mai eficiente panouri sunt cele bloc; ♦ La diferenţe medii de temperatură eficienţa cele mai eficiente instalaţii sunt cele cu

acoperire de sticlă;

21

♦ La diferenţe mari de temperatură se recomandă folosirea colectoarelor cu suprafeţe selective şi cu tuburi vidate.

Pentru calcule simple şi în condiţii staţionare, se poate folosi modelul parabolic de calcul al eficienţei de colectare al radiaţiei soare, ca în ecuaţia 1 (18):

221 )()()(' amamenout ttcttcGFP −−−−= τα (1)

,unde Pout este puterea utilă pe m2 de colector solar; F’(τα)en este coeficientul de pierderi optice; c1 şi c2 sunt parametrii care descriu dependenţa de temperatură a pierderilor de căldură; G este fluxul de radiaţie termică solară; tm este temperatura medie aritmetică între intrarea şi ieşirea din colector; ta este temperatura mediului ambiant în apropierea colectorului.

3.2.3. Sistemul turbosifonic pentru prepararea de apă

Cea mai simplă instalaţie de colectare a energiei solare este sistemul turbosifonic pentru prepararea de apă caldă. Prezentarea schematică a acestui sistem se face în figura 7.

Figura 3.7. Părţile componente ale unui sistem solar cu colector plat.

În figura 7 se observă principalele componente ale sistemului:

• Colectorul solar plan; • Rezervorul de apă caldă (care în acest caz este termosifon – sistem de circulaţie al apei); • Sistemul de reglare al instalaţiei.

22

3.3. Sisteme de concentrare a radiaţiei solare

3.3.1. Sistemele de concentrare a radiaţiei solare

Aceste tipuri de aparate concentrează radiaţia solară directă înainte ca aceasta să fie absorbită. Lumina de pe o suprafaţă mare este refractată sau reflectată către o suprafaţă mult mai mică, unde energia este colectată de un sistem tradiţional de conversie a energiei. Concentrarea obţinută cu ajutorul oglinzilor parabolice este în jur de 40 000, în timp ce pentru sistemele cu concentrare liniară, această concentrare ajunge la 200. Sistemele de concentrare pot fi continue sau alte tipuri de sisteme, precum în figura 8.

Figura 3.8. Sisteme de concentrare a luminii clasice şi de tip Fresnel.

Marele dezavantaj al sistemelor este acela că pentru a se obţine o bună eficienţă a sistemelor ele ar trebui orientate în direcţia soarelui tot timpul. În figura 9 sunt prezentate două sisteme de urmărire a poziţiei soarelui.

Figura 3.9. Sisteme de concentrare a energiei cu oglinzi, împreună cu sistemele de urmărire a

poziţiei solare.

În figura 9 se observă că sistemele de concentrare liniare au nevoie de sisteme de urmărire pe o singură axă, în timp ce sistemele de concentrare a luminii într-un punct au nevoie de sisteme de urmărire a soarelui pe două axe.

23

3.3.2. Centrale electrice cu ciclu termodinamic pentru conversia energiei solare

La centralele cu câmp de captatori parabolici, ei sunt dispuşi pe şiruri paralele, prin focarul lor trecând conducte cu agent termic (figura 10). Captatorii se pot mişca în jurul axei astfel încât să păstreze o orientare corespunzătoare în raport cu soarele.

Figura 3.10. Schema unei centrale cu captatori parabolici.

Centralele de acest tip funcţionează pe baza ciclului Rankine şi sunt de obicei hibride, funcţionarea în perioadele de noapte sau insolaţie scăzută se face cu combustibili fosili. La centralele cu turn solar principiul de funcţionare constă în concentrarea cu ajutorul unui sistem de oglinzi a radiaţiei solare pe un colector amplasat în partea superioară a unui turn. Căldura este evacuată din colector cu ajutorul unui agent termic care ulterior va servi la producerea de abur. Acest abur evoluează într-un ciclu termodinamic de tip Hirn producând lucru mecanic şi energie electrică. Iniţial, agentul termic utilizat pentru a prelua căldura din colector era apa. Apa vaporiza, iar aburul format evolua direct în ciclul termodinamic. Ulterior s-a trecut la o schemă cu două bucle (figura 11). În bucla primară evoluează săruri topite, iar în cea secundară (ciclul termodinamic) apă. Datorită proprietăţilor termodinamice avantajoase ale sărurilor topite (capacitate mare de transport a căldurii) a fost posibilă o scădere a gabaritului turnului solar. De asemeni, prezenţa sărurilor topite permite o anumită stocare a căldurii. Sistemul de oglinzi este astfel gândit încât să poată schimba orientarea în funcţie de poziţia soarelui.

Figura 3.11. Schema unei centrale cu turn solar.

În figura 11, 1 este colector, 2 rezervor “cald” de sare topită, 3 generator de abur, 4 turbină cu abur, 5 rezervor “rece” de sare topită

24

Centralele cu oglinzi concave se bazează pe utilizarea unor oglinzi concave, denumite “farfurii”. Acestea concentrează radiaţia solară pe un colector amplasat în punctul focal (figura 12).

Figura 3.12. Vedere a unei centrale cu “farfurii”.

Colectorul cuprinde o buclă prin care circulă un agent termic cu proprietăţi termodinamice deosebite (ex. heliu). Agentul termic preia căldură şi o transmite către o instalaţie motoare de tip Stirling, care generează energie electrică. Oglinzile asigură un grad mare de concentrare a radiaţiei solare, temperatura agentului termic putând ajunge la 1500 °C. Rezultă eficienţe relative ridicate pentru astfel de instalaţii solare (aproximativ 30 %). Puterile unitare nu au depăşit totuşi nivelul zecilor de kW (9 – 25 kW). Soluţia este foarte bună pentru alimentarea unor consumatori izolaţi.

Turnul solar are ca principiu de realizare: un turn foarte înalt plasat in centrul unei suprafeţe vitrate de dimensiuni mari (figura 13) situată la o anumită înălţime faţă de sol. Suprafaţa vitrată generează un efect de seră. Aerul existent între suprafaţa vitrată şi sol se încălzeşte până la temperaturi de ordinul 60 – 70 °C. Datorită tirajului, aerul încălzit are o mişcare ascensională prin interiorul turnului. În interiorul turnului sunt plasate generatoare eoliene care sunt antrenate de aerul în mişcare, producând energie electrică. Date privind prima instalaţie comercială de acest tip:

- înălţime turn: 1000 m - diametru turn la bază: 130 m - diametru suprafaţă vitrată: 7000 m - temperatură aer cald: 65 °C - viteză aer prin turn: aprox. 55 km/h - echipare cu generatoare eoliene: 32 x 6,5 MW (aprox. 200 MW)

Figura 13. Vedere a unui turn solar.

25

Bibliografie

1. Attenuation of solar radiation: a climatological study. Monteith, JL. 1962, Q J Meteorol Soc, pg. 508–21. 2. Solar energy in progress and future research trends. Şen, Z. 2004, Progress in Energy and Combustion Science, pg. 367–416. 3. Iqubal, M. An intoduction to solar radiation. Ontario : Academic Press, 1983. 4. Solar radiation modeling and measurements for renewable energy applications: data and

model quality. Myers, D. 2005, Energy, pg. 1517–1531. 5. A method for improving global pyranometer measurements by modeling responsivity

functions. Lester, A. șșșși Myers, D.R. 2006, Solar Energy, pg. 322–331. 6. Kipp & Zonen. http://www.kippzonen.com. http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

[Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1. 7. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY

LABORATORY, INC. [Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.eppleylab.com/. 8. Forecasting based on neural network approach of solar potential in Turkey. Sozen, A., șșșși

alțțțții. 2005, Renewable Energy, pg. 1075–90. 9. Photovoltaic materials, history, status and outlook. Goetzberger, A., Hebling, C. șșșși Schock,

H.W. 2003, Materials Science and Engineering, pg. 1-46. 10. Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges. Surek, T. 2005, Journal of Crystal Growth, pg. 292–304. 11. High efficiency photovoltaic cell. Sakata, H., șșșși alțțțții. Anchorage, Alaska, : s.n., 2000. Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 7. 12. Simplified method for predicting photovoltaic array output. Evans, DL. 1981, Solar Energy, pg. 555–60. 13. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy

balance. Mattei, M., șșșși alțțțții. 2006, Renewable Energy, pg. 553–567. 14. Cabaret-Massei, S. Etude Experimentale d’un Champ Photovoltaique Connecte au Reseau

Electrique: Modelisation Phsique, Dimensionnement et Analyse des Performances. Ajaccio : Universite Pasquale Paoli, 2001. 15. PV review: World Solar PV market continues explosive growth. Maycock, P. 2005, Refocus, Volume 6, Issue 5,, pg. 18-22. 16. Howell, D. Your solar energy home. New York : Pergamon Press, 1986. 17. Dunn, PD. Renewable energies: sources, conversion and application. s.l. : Peter Peregrinus Ltd, 1986. 18. European Committe for Standardisation. European Standard Draft prEN 12975-2. 1997. 19. Ellehauge, Klaus. A solar combisystem Based on a Heat Exchanger Between the Collector

Loop and Space - Heating Loop. s.l. : International Energy Agency, 2002.