Energia solara

Energia solaraeste energia radiantaprodusainSoareca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara. Ea este transmisa pe Pamant prin spatiu in cuante de energie numite fotoni, care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamantului.Energia solara a fost folosita inca din antichitate prin diferite tehnologii.In zilele noastre energia solara este exploatata in mai multe moduri si din ce in ce mai des.

Metode de utilizare a energiei solarePrincipalele metode de utilizare sunt:celula solarasiconcentratoare solare parabolice.In curs de dezvoltare sunt mai multe metode de utilizare a energiei solare:colectoare solare,turn solar,alte tipuri de centrale solare

Celule solareOcelula solara, saucelula fotovoltaica, este un dispozitiv ce converteste lumina in curent electric folosind efectul fotoelectric.

Aceasta celula consta din doua sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai intlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001 si 0,2 mm si sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonctiuni p si n. Aceasta structura e similara cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumina se va produce o agitatie aelectronilordin material si va figeneratun curent electric.Celulele au de obicei o suprafata foarte mica si curentulgeneratde o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenti suficient de mari pentru a putea fi utilizati in practica. Pentru aceasta, celulele sunt incapsulate in panouri.Prima celula solara a fost contruita de Charles Fritts in ani 1880. Desi prototipul convertea mai putin de 1% din limina incidenta in electricitate, acesta descoperire este considerata una foarte importanta.In timpul crizei petrolului dezvolatarea celulelor solare a cunoscut o crestere semnificativa.

Celulele solarepot fi clasificate dupa mai multe criterii, dar sunt trei tipuri principale de celule solare. Celulelemonocristalinefabricate dinpastilede siliciu monocristalin, celulelepolicristalinefabricate din mai multe cristale mici, si al treilea tip fiind celulel dolareamorfe.Clasificarea celulelor solare dupa materialele folositeCelule pe baza de siliciuStrat gros: Celule monocristaline(c-Si): randament mare - in productia in serie se pot atinge pana la peste 20 % randament energetic, tehnica de fabricatie pusa la punct; totusi procesul de fabricatie este energofag, ceea ce are o influenta negativa asupra periodei de recuperare (timp in care echivalentul energiei consumate in procesul de fabricare devine egal cantitatea de energiagenerata). Celule policristaline(mc-Si): la productia in serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie in procesul de fabricatie, si pana acum cu cel mai bun raport pretperformanta.Strat subtire: Celule cu siliciu amorf (a-Si): cel mai mare segment depiatala celule cu strat subtire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exista strangulari in aprovizionare chiar si la o productie de ordinul TeraWatt Celule pe baza de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si): in combinatie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeasi ca la siliciul amorfSemiconductoare pe baza de elemente din grupa III-VCelule cu GaAs: randament mare, foarte stabil la schimbarile de temperatura, la incalzire o pierdere de putere mai mica decat la celulele cristaline pe baza de siliciu, robust vizavi de radiatia ultravioleta, tehnologie scumpa, se utilizeaza de obicei in industria spatiala (GaInP/GaAs, GaAs/Ge).Semiconductoare pe baza de elemente din grupa II-VICelule cu CdTe: utilizeaza o tehnologie foarte avantajoasa CBD (depunere de staturi subtiri pe suprafete mari in mediu cu pH , temperatura si concentratie de reagent controlate); in laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pana acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaste fiabilitatea. Din motive deprotectiamediului este improbabila utilizarea pe scara larga.Celule CIS, CIGSCISeste prescurtarea de laCupru-Indiu-Diselenidprodusla firma Wrth Solar in Marbach am Neckar, respectivCupru-Indiu-Disulfatla firma Sulfurcell in Berlin, iarCIGSpentruCupru-Indiu-Galiu-Diselenatprodusin statie pilot in Uppsala/Suedia.Celule solare pe baza de compusi organici Tehnologia bazata pechimia organicafurnizeaza compusi care pot permite fabricarea de celule solare maiieftine. Prezinta, totusi, un impediment faptul ca aceste celule au un randament redus si oduratade viata redusa.Celule pe baza de pigmenti Numite sicelule Grtzelutilizeaza pigmenti naturali pentru transformarea luminii in energie electrica; o procedura ce se bazeaza pe efectul de fotosinteza.

Celule cu electrolit semiconductor De exemplu solutia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte usor de fabrict dar puterea si siguranta in utilizare sunt limitate.Celule pe baza de polimeri Deocamdata se afla doar in faza de cercetare.Eficenta celulelor solareEficenta celulelor solare variaza de la 6% pentru celulele cu siliciu amorf pana la 40.7%, la celulele cu jonctiu multiple (inca in dezvoltare), si la 42.8% pentru cele asamblate int-un pachet hibrid.Pentru celulele pe baza de siliciu policristaline ce se afla in comert, eficenta este intre 14%-19%.Celulele cu cea nai nare eficenta nu sunt tot timpul si cele mai economice. De ex., o celula multijonctiune pe baza de materialeexotice(galiu sau indiu-diselenid) care are o eficenta de 30%, poate costa de 100 de ori mai mult ca o celula de siliciu amorf de eficenta 8%, pe cand eficenta fiind doar de aprox. 4 ori mai mare.Crestereaeficentei poate fi realizata crescand intensitatea luminii. Cu ajutorul opticii se poate concentra o cantitate mai mare de lumina si astfel eficenta creste cu pana la 15%.O metoda comuna prin care se exprima costurile econimice a sistemelorgeneratoarede energie electrica, este de a calcula pretul pe kilowatt-ora livrat (kWh).Colectoare solare

Cu ajutorulcolectoarelor solarese realizeaza o economie semnificativa a consumului de energie utilizata pentru prepararea apei calde menajere, incalzirea apei dinpiscine, incalzirea spatiilor din cladiri dar se contribuie si lareducereaemisiilor toxice in atmosfera.Colectorul solarsub presiune este realizat din tuburi vidate desticlaborosilicata, rezistenta la socuri mecanice (grindina de pana la 25mm diametru) si sunt concepute sa functioneze toataperioadaanului, chiar daca temperaturaexterioaraeste sub 0C. Sistemul de constructie din tuburiindividualeconfera colectorului o stabilitate ridicata (permite functionarea si in cazul in care unul din tuburi se deterioreaza). Vidul din tuburile desticlaasigura o termoizolare eficienta, pierderile fiind eliminate aproape in totalitate. Colectorul solar asigura producerea de apa calda chiar si in conditiile unei radiatii solare difuze (innorat).In interiorul tubului desticlaexista un tub termic din cupru ce contine un agent termic cu punct de fierbere scazut utilizat la tranferul energiei calorice. Tubul termic este legat de un condensator introdus prin contact direct intr-un schimbator de caldura. Utilizarea panourilor de calitate este o conditie necesara, nu insa si suficienta pentru exploatarea optima a instalatiei solare. Un rol deosebit il are configurarea sistemulul astfel incat sa se poata retine cu eficienta marita energia solara.Turnul solar cu curenti de aer

Tehnologia turnului solarcombina principiile de a concentraputerea solarasiputerea vantului.Aerul de sub un acoperis circular translucid (numit colector) deschis la periferie este incalzit de radiatia solara si dirijat prin tiraj fortat spre baza unui turn foarte inalt, localizat in centru colectorului.La baza turnului se amplaseaza una sau mai multe turbine de mare randament care vor functiona datorita curentului de aer fierbinte, care trece cu mare viteza pentru a iesi prin cosul turnului.O prima realizare practica de prototip s-a pus in functiune in 1981/1982 la Manzanares (150 km de Madrid), Spania si a dus la rezultate uluitoare.Sistemul necesita o investitie destul de mare, dar care ulterior se amortizeaza prin costurile mici de exploatare si a randamentului ridicat, turnul functionind atit ziua cit si noaptea.Pentru marirea randamentului cu aproximativ 25%, sub acoperisul circular s-au montat serpentine din conducte care sunt umplute cu apa, inmagazinind ziua caldura , pe care o cedeaza aerului noaptea, turnul functionand 24 din 24 ore.Centrale solareOcentrala solaraeste o centrala electrica functionand pe baza energiei termice rezultata din absorbtia energiei radiatiei solare. Centralele solare termice, in functie de modul de constructie pot atinge randamente mai mari la costuri de investitii mai reduse decat instalatiile pe baza de panouri solare fotovoltaice, necesita in schimb cheltuieli de intretinere mai mari. Totodatata sunt exploatabile economic doar in zone cu foarte multe zile insorite pe an.Exista mai multe metode pentru utilizarea energiei continute in radiatia solara in scopul producerii de energie electrica.Auguste Mouchout a folosit o parabolica pentru a produce abur pentru primul motor solar cu aburi in 1866.Aceste centrale utilizeaza oglinzi concave pentru a concentra razele solare pe suprafata absorbanta. Oglinda sau suprafata absorbanta isi vor modifica orientarea in functie de pozitia soarelui. Centralele solare cu jgheaburi parabolice colecteaza energia cu oglinzi distribuite pe suprafete mari ce concentreaza radiatia pe suprafete absorbante situate in centrul focal al fiecarei oglinzi, pe cand cele cu turn, toate oglinzile au acelasi punct focal situat in turn.Centrale solare cu campuri de colectoareCampul de colectoare ale centralei este compus din mai multe jgheburi parabolice sau colectoare Fresnel legate in paralel si numite concentratoare liniare. Construirea de campuri de colectoare paraboloide este de asemenea posibila, dar vizavi de concentratoarele liniare sunt foarte costisitoare.In campul de colectoare se produce incalzirea unui agent termic care poate fi ulei mineral sau abur supraincalzit.La instalatiile cu ulei se poate atinge o temperatura de pana la 390C care intr-un schimbator de caldura va genera aburi. Daca agentul termic este abur atunci nu este nevoie de schimbator de caldura, aburul fiindgeneratdirect in conductele de absorbtie.Avantajul acestui tip de centrale consta in faptul ca utilizeaza in parte tehnologie conventionala disponibila.Centrale solare cu jgheaburi paraboliceColectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabola concentrand fluxul radiatiei solare pe un tub absorbant situat in linia focala. Tubul absorbant este constituit dintr-o teava de metal acoperita in exterior cu un strat absorbant si prin care curge agentul termic si care este in interiorul unui alt tub, de asta data desticlade borosilicat rezistent la actiuni mecanice si chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Intre cele doua tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convectie. Energia radiatiei solare este transformata in energie calorica si cedata agentului termic. Oglinzile parabolice sunt asezate de regula in randuri una dupa alta pe directia N-S. Avand un singur grad de libertate, rotatia in jurul axei focale.Instalatii solare de tip Fresnelin locul unei oglinzi parabolice se utilizeaza mai multe fasii de oglinzi plane situate toate la nivelul solului si care se pot roti in jurul azei longitudinale pentru a putea fi orientate cate una astfel ca sa relecte radiatia solara in directia tubului absorbant, in spatele caruia se afla o alta oglida liniara cu rol de concentrare a fascicolelor primite de la oglinzi intr-o linie cat mai subtire. Acest concept este in faza de testare.Acest mod de constructie imbina principiul de functionare al colectoarelor cu jgheaburi parabolice cu cu cel al centralelor cu turn, dar renuntand atat la oglinzile curbate cat si la dispozitivele de orientare cu mai multe grade de libertate ramanand doar constructia modulara. Utilizand oglinzi plate usor de construit se sconteaza pe un pret scazut. Utilizarea conductei absorbante este necesara in continuare. Rezulta posibilitatea utilizarii de conducte mai lungi , fara coturi, ceea ce reduce pierderile datorita rezistentei hidraulice, in schimb apar pierderi de radiatie solara datorita umbririi reciproce a oglinzilor.Centrale cu turn solarIn cazulcentralelor cu turn solareste vorba de obicei de centrale pe baza de aburi generati cu ajutorul energiei solare. Focarul (camera de combustie) incalzit pana acum cu pacura, gaz natural sau carbune, este inlocuit de un focar solar asezat in varful unui turn. Radiatia solara, a sute, chiar mii de oglinzi cu orientare automata dupa pozitia soarelui este reflectata catre o suprafata absorbanta centrala numita receiver. Datorita puternicei concentrari de radiatie, in turn apar temperaturi de ordinul a mii de grade.Agentul termic utilizat este nitrati fluizi, aburi sau aer cald. In acest mod se pot genera temperaturi cu valori adapate necesitatilor proceselor tehnologice, sau ceerintelor accelerarii proceselor chimice. De regula insa, caldura generata este utilizata totusi prim intermediul unei turbine de gaz sau de aburi la generarea de curent electric.In receiver agentul termic este incalzit, si in final utilizat la generarea de aburi.Centrale cu oglinzi parabolice

Oglinzile parabolicesunt construite cu doua grade de libertate putand urmari pozitia soarelui pe cer. Ele sunt montate pe un stativ si concentreaza razele solare intr-un punct focal propriu fiecarei oglinzi unde este montat un receptor de energie termica. Acest mod de constructie este foarte compact.La instalatiile de acest tip receptorul este conectat la un motor Stirling care transforma energia termica direct in emergie mecanica putand actiona un generator electric. Aceste instalatii ating un randament inalt in transformarea energiei solare in energie electrica.Modularitatea acestor instalatii permite atat utilizarea lor in locuri izolate sau independente cat si conectarea mai multora in formtnd o centrala virtuala in cadrul generarii distribuite a energiei electrice. O solutie mai rara o constituie parcurile(fermele) de oglinzi parabolice. In punctual focal comun tuturor oglinzilor se afla o suprafata absorbanta cu ajutorul careia este incalzit un agent termic utilizat in continuare pentru generare de aburi. Conectarea in grup a mai multor oglinzi parabolice constituie o abordare mai putin economica decat centralele cu jgheaburi parabolice sau cele cu turn solar.Energia solaranu e accesibila noaptea, astfel inmagazinarea energiei este o chestiune importanta. Puterea vantului si cea a soarelui sunt surse de energie intermitente, ceea ce inseamna ca trebuie folosite atunci cand sunt accesibile si eventual stocate pentru o folosire ulterioara sau transportate in locuri unde pot fi folosite. Puterea vantului si a soarelui sunt oarecum complementare, cu tendinta de mai mult vant iarna si mai mult soare vara, dar in ziele fara vant si fara soare necesarul de energie trebuie obtinut intr-un fel sau altul.Energia solara poate fi stocata la temperaturi inalte folosindsaruri lichide. Sarurile sunt un mediu eficace de inmagazinare deoarece sunt ieftine, au o capacitate specifica de caldura si pot transmite caldura la temperaturi compatibile cu sistemele energetice conventionale. Solar Two a folosit aceasta metoda de inmagazinare de energie, care i-a permis sa stocheze destula caldura in cei 68 m3 ai rezervorului pentru a furniza o productie de 10 Mw pt aproximativ 40 minute, cu o eficienta de 99%.Sistemele FotoVoltaice "off-grid" (ne conectate la reteaua electrica) au baterii reincarcabile traditionale pentru stocarea electricitatii in exces. Cu sisteme "grid-tied" (conectate la reteaua electrica), energia in exces poate fi trimisa lareteaua electrica. Pentru energia furnizata retelei se acorda credite de catre compania ce detine reteaua. Aceste credite compenseaza energia necesara cand sistemul nu poate indeplini cererea, folosind efectiv reteaua ca mecanism de stocare.O alta metoda de stacare este folosirea apei. Cand exista un surplus de energie, apa se pompeaza dintr'un rezervor aflat la un nivel mai mic intr'un rezervor aflat la un nivel (altitudine) mai mare. Cand cererea de energie este mai mare, apa din rezervorul de la nivelul ridicat este eliberata, pompa devenind turbina si motor pentru un generator hidroelectric.