energie solara curs

8/9/2019 Energie Solara curs

http://slidepdf.com/reader/full/energie-solara-curs 1/50

[Type the document title]

1

Dacă în anii ’70 energia verde era considerată o utopie şi tratată ca un vis alcercetătorilor, situaţia s-a schimbat de-a lungul anilor şi viziunea unui “viitor solar” a devenitun subiect de dezbatere. Sursele de energie noi si regenerabile (biomasa, energia solară,energia vântului, hidroenergia, pila fotovoltaică etc) au devenit deja, pentru ţărileindustrializate, obiective naţionale în structura producţiei lor de energie. Aceasta s-a întâmplatmai ales ca urmare a două evenimente. Primul a fost publicarea in 1972 a raportului “The

Limits to Growth” a Clubului de la Roma, iar al doilea l-a reprezentat prima criză a petroluluişi criza energetică din 1973-1974. Raportul prevedea încă de atunci o reducere dramatică aresurselor energetice clasice şi o creştere rapidă a poluării mediului. Concurenţa celor două evenimente a adus în discuţie chestiunea siguranţei în alimentarea cu energie.

În acest context, energia regenerabilă a fost privită pentru prima oară ca o posibilă soluţie alternativă la petrol. Când preţul petrolului a scăzut brusc în anii 80, viziunea “solară”şi-a pierdut din nou atractivitatea. Şi totuşi, evoluţiile ulterioare au confirmat concluziileClubului de la Roma, iar problemele de mediu au început să se discute la scară planetară, maiales după Conferinţele de la Rio (1992) şi Kyoto (1997).

Începând din 1992 când, în cadrul Conferinţei ONU de la Rio de Janeiro a fost

adoptată şi asumată o strategie globală de protecţie a mediului, problema încălzirii globale, adegradării mediului şi a epuizării resurselor energetice convenţionale (combustibili fosili depetrol, gaze şi cărbune) a devenit din ce în ce mai presantă şi a angajat statele lumii într-ocontinuă şi accelerată căutare de forme regenerabile de energie: energie solară, energieeoliană, energie pe bază de biomasă, etc.

Astfel, s-a pornit la nivel global o adevărată cursă pentru valorificarea beneficiilorenergiei regenerabile motivată în principal de degradarea mediului (încălzirea globală) şi deanticipatele creşteri de preţuri pentru resursele de cărbune, petrol şi gaze aflate în continuă scădere. În viitorul apropiat industria energiei regenerabile va fi cea mai importantă şiperformantă ramură economică.

Noţiuni introductive Generalităţi privind energia

Energia , este definită în Dicţionarul Explicativ al Limbii Române, în literatura despecialitate din ţară şi din străinătate, ca şi pe numeroase site-uri web, în diverse limbi decirculaţie internaţională, ca fiind capacitatea unui sistem fizic de a produce lucrumecanic. Uneori se menţionează în definiţia energiei şi capacitatea unui sistem fizic de a

produce căldură. Cu toate acestea, no ţ iunea de energie este mult mai complexă , fiindevident, asociată şi cu alte sisteme în afară de cele fizice şi anume sisteme biologice,chimice, etc. Unele menţiuni din literatura tehnică de specialitate, consideră că energia esteimplicată în toate procesele care presupun orice fel de schimbare sau transformare , fiind

responsabilă de producerea acestor schimbări sau modificări. Se poate considera chiar că material în sine, reprezintă o formă “condensată” de energie , iar această energie este înmagazinată în atomii şi moleculele din care este alcătuită materia.

Legătura dintre cele două forme de manifestare, energia şi materia, estereprezentată de celebra ecuaţie a lui Albert Einstein:

E = m · c2 unde:- E este energia;- M este masa;




3

deficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunţă că prin măsuri dereducere a consumurilor, respectiv a producţiei, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul2004 mai poate fi menţinut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar esteiminentă o criză ireversibilă a petrolului şi a gazelor naturale.

Deficitul de petrol este sugestiv prezentat în figura 1.1, conform datelor publicate deASPO în anul 2004.

Fig. 1.1. Evoluţia producţiei de petrol şi a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004

Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10noiembrie 2005 ASPO a anunţat că în Kuweit, după şase decenii de exploatare intensivă,cel mai important câmp petrolier din această ţară şi al doilea din lume, a început să deasemne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le con ţine. Acest fapt a fostrecunoscut şi de Kuweit, în martie 2006.

Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcământ al lumii, s-aimpus reducerea producţiei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pezi, după ce a trebuit abandonata o tentativa de a stabili nivelul produc ţiei la 1,9milioane de barili pe zi, nivel al producţiei care s-a dovedit a fi prea ridicat.

Datorită existenţei actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată oreducere constantă a producţiei de petrol, începând cu anul 2010, aşa cum este indicat înfigura 1.2. Creşterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prinfaptul că este necesar să treacă o perioadă de timp până când în economie, se vor putealua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.



Gaze naturaleCărbuneUraniu

Analizând aceste esepuizarea resurselor existegăsirea unor soluţii rapide

până atunci cu ajutorul acecât consumurile de energiestimează o reducere a aceprobleme, singura solu ţ i

regenerabile. O altă problemă ma

reprezentată de nivelul ridenergiei. Aceste emisii cmodificărilor climatice coacestor emisii.

Fig. 1

Analizând acest graprezent, nivelul emisiilor de

Pentru a justifica imp1.5, valorile pagubelor produiar în figura 1.6, valorile pa1950 - 1999.

Type the document title]

5

66 206

35 - 100 timări, se observă că timpul extrem de scurt,te, cel puţin în cazul petrolului şi a gazelor n

şi eficiente de înlocuire a energiei care se va

stor combustibili. Aceste soluţii sunt cu atâtale economiei mondiale sunt în continuă cr

stor consumuri în viitorul apropiat. Pentru reze previzibil ă este reprezentată de utiliza

oră a producerii energiei din combustibili concat al emisiilor de CO2, datorate proceselorntribuie la accentuarea efectului de seră şiexe acestui fenomen. În figura 1.4 este pr

.4. Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă

ic, se observă că de la începutul epocii indO2, a crescut cu peste 30%.

ortanţa problemei emisiilor de CO2, sunt prezese din cauze naturale în perioada ianuarie - septubelor produse datorate modificărilor climatic

rămas până laturale, impuneputea produce

ai necesare cuştere şi nu se

olvarea acesteiea energiilor

enţionali, estee producere ala accelerareazentat nivelul

striale, până în

tate în figuraembrie 2002,, în perioada



• Energia geote• Energia apei• Energia vântu• Energia biom

Câteva dintre avantaj- Sunt ecologice;

- Nu generează emisii de CO- Sunt disponibile în cantităţi- Pot fi utilizate local;- Reprezintă soluţii pentru to

Deci se poate spunestimulate sunt: energia eolisolară.

Fig. 1.7. P

Din fericire, Românsurse regenerabile, în funcstudiilor realizate la nivelulverde este de 65% biomicrohidrocentrale şi 2% vol

Conform hărţii elabopotenţialul energetic al Rom

Delta Dunării - ener Dobrogea - energie Moldova - micro-hi Carpaţi - potenţial r Transilvania - poten Câmpia de Vest - p Subcarpaţi - potenţi Câmpia Română -

Energia regenerabienergetic al energiei rezultsolare, a vânturilor, a apel


7

rmală

luiseile utilizării energiilor regenerabile sunt următo

2;teoretic nelimitate;

te nevoile.că sursele regenerabile de energie avute in vena, hidroenergia, energia geotermala, bio

tenţialul României în domeniul producerii de energie

ia poate dezvolta sisteme de producţie pe tie de specificul fiecărei zone geografice din ţării noastre, potenţialul în domeniul produasa, 17% energie eoliană, 12 % energ

taic şi geotermal.

ate de către Administraţia Naţionala de Meteorniei este repartizat zonal, astfel:gie solară;solară şi eoliană;

dro, energie eoliană, biomasa;idicat de biomasă şi micro-hidro;ţial ridicat pentru micro-hidro;sibilităţi de valorificare a energiei geotermale;

al pentru biomasă şi micro-hidro;iomasa, energie geotermică şi energia solară.ă se referă deci la forme de energie produste din procese naturale regenerabile. Astfel,r curgătoare, a proceselor biologice şi a căl

rele:

dere pentru a fiasa si energia

verde

ate tipurile detara. În urma

erii de energieie solară, 4%

logie,

prin transferulenergia luminiiurii geotermale




8

pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne- reînnoibileinclud energia nucleară precum şi energia generată prin arderea combustibililorfosili, aşa cum ar fi ţiţeiul, cărbunele şi gazele naturale. Aceste resurse sunt, în chipevident, limitate la existenţa zăcămintelor respective şi sunt considerate în general (a sevedea teoria academicianului român Ludovic Mrazec de formare anorganică a ţiţeiului şi agazelor naturale) ne-regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliană energia solară energia apei

•

energia hidraulică • energia mareelor

energia geotermică energie derivată din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generareacurentului electric, apei calde, etc.

Energie eoliană Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei turbine eoliene.

Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeţei Pământului de către energiaradiată de Soare care ajunge la suprafaţa planetei noastre. Această încălzire variabilă astraturilor de aer produce zone de aer de densităţi diferite, fapt care creează diferitemişcări ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea elicelorturbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine eoliene sunt capabile dea produce până la 5 MW de energie electrică, deşi acestea necesită o viteză constantă avântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe oră. În puţine zone ale Pământuluiexistă vânturi având viteze constante de această valoare, deşi vânturi mai puternice se potgăsi la altitudine mai mare şi în zonele oceanice. Singurul dezavantaj al energiei eoliene esteca necesita service datorita uzurii.

Pentru amplasarea agregatelor eoliene sunt interesante doar zonele in care vitezamedie a vântului este cel puţin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului

(la care, de altfel, se fac măsurătorile în cadrul staţiilor meteorologice).Cu excepţia zonelor montane, unde condiţiile meteorologice vitrege fac dificilainstalarea şi întreţinerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare pragului de 4m/s seregăsesc în: Podişul Central Moldovenesc şi în Dobrogea

Litoralul prezintă şi el potenţial energetic întrucât, în această zonă, viteza medieanuala a vântului depăşeşte pragul de 4m/s. Pe baza evaluării şi interpretării datelor

înregistrate, în România se pot monta instalaţii eoliene cu o capacitate de pana la 14000MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrica de aproape 23000 GWh/an.

În zona litoralului, pe termen scurt şi mediu, potenţialul energetic eolian amenajabileste de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrică de 4500 GWh/an.

Energie solară Conceptul de "energie solară" se referă la energia care este direct produsă prin

transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să generezeenergie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deşi energia solară este reînnoibilă şi uşor de produs, problema principală este că soarele nu oferă energieconstantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotaţiei Pământului în jurulaxei sale, şi deci a alternanţei zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generareaelectricităţii decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip deenergie o reprezintă existenţa zilelor noroase, când potenţialul de captare al energiei solarescade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicaţiile acestei forme de energiereînnoibilă.




9

Nu există nici un dezavantaj deoarece instalaţiile solare aduc beneficii din toatepunctele de vedere.

Panourile solare produc energie electrică 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziuaare 9 ore). Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică şi în acelaşi timp

înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea.Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi fotovoltaice. Cele fotovoltaice

produc energie electrică gratis. Cele termice ajută la economisirea gazului în proporţie de75% pe an. O casă care are la dispoziţie ambele instalaţii solare (cu panouri fotovoltaice şitermice în vid) este considerată "FARA FACTURI" deoarece energia acumulată ziua în bateriieste trimisă în reţea).

Instalaţiile solare funcţionează chiar şi atunci când cerul este înnorat. Deasemenea sunt rezistente la grindină (în cazul celor mai bune panouri).

Hidroenergia O alta sursa de energie regenerabila in care România are potenţial imens este apa.

Potrivit datelor autorităţilor de mediu, în momentul de faţă, potenţialul hidroenergetic alRomâniei este folosit in proporţie de 48%.

În România, potenţialul hidroenergetic al râurilor principale este de circa 40000GWh/an, care se poate obţine în amenajări hidroenergetice de mare putere (10MW/unitate hidro) sau de mica putere ( 10 MW/unitate hidro).

Biomasa Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din

agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precumşi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane.

Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceastainclude absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelorvii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca forma de păstrare a energieisoarelui în forma chimică, biomasa este unul din cele mai populare şi universale resurse depe Pământ. Ea asigura nu doar hrana, ci şi energie, materiale de construcţie, hârtie,

ţesături, medicamente şi substanţe chimice.Biomasa este utilizată în scopuri energetice din momentul descoperirii de câtre oma focului. Astăzi combustibilul din biomasa poate fi utilizat în diferite scopuri – de la

încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice şi a combustibililor pentruautomobile. Compoziţia chimica a biomasei poate fi diferenţiată în câteva tipuri. De obicei,plantele conţin 25% lignina si 75% glucide (celuloza si hemiceluloza) sau zaharide.

Fracţiunea glucidică este compusă dintr-o mulţime de molecule de zaharide, unite între ele prin lanţuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza.Componenta ligninică este compusă din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloza la formarea ţesuturilor, care asigură integritateaplantelor. Lignina apare în plante sub o forma asemănătoare lipiciului, care leagă moleculelecelulozice între ele.

Bioxidul de carbon din atmosferă şi apa din sol participa în procesul obţineriiglucidelor (zaharidelor), care formează “blocurile de construcţie” a biomasei. Astfel, energiasolară utilizată la fotosinteză î şi păstrează forma chimică în structura biomasei. Daca se ardeefectiv biomasa (extragem energia chimică), atunci oxigenul din atmosferă şi carbonul dinplante reacţionează formând dioxid de carbon şi apă. Acest proces este ciclic, deoarecebioxidul de carbon poate participa din nou la procesul de formare a biomasei.

Utilizarea biomasei creşte foarte rapid, în unele state dezvoltate fiind utilizată destulde intens, cum este cazul Suediei, care î şi asigura astfel 15% din necesitatea de energiedin surse energetice primare. Suedia planifică pe viitor creşterea volumului biomasei utilizate




10

concomitent cu închiderea staţiilor atomo şi termo-electrice, care utilizează combustibil fosil.În SUA, ponderea biomasei din totalul energiei utilizate este de 4%.

Biomasa poate asigura cu uşurinţa peste 20% din necesităţile energetice a ţării. Altfelspus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permite înlocuireacompleta a tuturor staţiilor atomice, f ără a influenţa preţurile la produsele alimentare. Deasemenea, utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora importul petrolului cu

50%. În România, biomasa ar putea acoperi aproape o cincime din consumul total de resurseprimare sau 89% din căldura necesară încălzirii locuinţelor şi preparării hranei în mediulrural, numai prin consumul de reziduuri şi deşeuri vegetale.

Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele dinurmă, reprezintă procesul chimic de ardere.

Rezervele de biomasă sunt în special deşeurile de lemn, deşeurile agricole,gunoiul menajer şi culturile energetice.

Materialul organic de biomasa utilizat pentru producţia biocarburanţilor poate filemnul, culturile agricole, reziduurile forestiere, reziduurile agricole şi deşeurile organice.

În prezent, în întreaga lume, trei biocarburanţi se justifică pentru consum însectorul de transport: bioetanol, biodiesel şi biogaz.

Principalul biocarburant din lume este bioetanolul, urmat de biodiesel.

Energia geotermală Energia geotermică este o formă de energie obţinută din căldura aflată în interiorul

Pământului. Apa fierbinte şi aburii, captaţi în zonele cu activitate vulcanică şi tectonică, suntutilizaţi pentru încălzirea locuinţelor şi pentru producerea electricităţii.

Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această data pe globpentru transformarea puterea apei geotermală în electricitate: 'uscat'; 'flash' și 'binar',depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.

Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.

Centralele 'Flash' sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa latemperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la

suprafaţă.Centralele cu ciclu binar diferă faţă de primele două, prin faptul că apa sau aburul dinizvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa folositaatinge temperaturi de până la 200°C).

Energia geotermală este folosită pentru încălzirea spaţiului şi a apei.




11

Producerea energiei electrice în vederea furnizării în reţelele energetice naţionale

Producerea locală a energiei electrice




12

Încălzire şi răcire

Transport auto şi naval




13

În toate ţările cu realizări notabile în ceea ce priveşte energiile regenerabile, unimpact esenţial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptatea unuinumăr mare de reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenţii. Laora actuală, piaţa este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile.

În figurile 1.8, 1.9. şi 1.10, sunt prezentate câteva grafice care ilustrează atâtdinamica tuturor componentelor acestui domeniu, cât şi impactul reglementărilor

legislative, în Germania, ţara din Europa cu cea mai largă preocupare în domeniulenergiilor regenerabile.

Fig. 1.8. Evoluţia producţiei energiei electrice eoliene, în Germania

Fig. 1.9. Evoluţia diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, î n Germania




14

Fig.1. 10. Evoluţia producţiei de energie electrică solară, în Germania

Pe toate aceste imagini se observă că cel puţin în Germania, domeniul energiilorregenerabile este într-o adevărată expansiune, influenţată pozitiv de reglementări

legislative stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenţionareapreţului tuturor tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sauachiziţionarea de către compania energetică naţională din Germania, a curentului electricprodus cu ajutorul panourilor fotovoltaice, la un preţ mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o durată de până la 25 ani.

Energia solară

Energia solară poate fi valorificată la diferite nivele din întreaga lume. În funcţie deo locaţie geografică mai aproape de ecuator, cu atât există mai mare potenţialul de energiesolară disponibilă.

În arhitectură şi planificarea urbană Lumina soarelui a influenţat proiectarea clădirilor de la începutul istoriei

arhitecturale. Arhitectura solară avansată şi metodele de planificare urbană au fost adoptateprima oară de către greci şi chinezi, care au orientat faţadele verticale cu ferestre largi aleclădirilor spre sud pentru a primi lumină şi căldură.

Caracteristicile comune ale arhitecturii solare pasive sunt orientarea relativă cătreSoare, în proporţii compacte (o suprafaţă mică a raportului volum), umbrire selectivă (console) şi masă termică. Dacă aceste funcţii sunt adaptate climatului local şi mediul încare se pot produce spaţii bine laminate, care se menţin într-un interval de temperatură

confortabile. Casa Megaron a lui Socrate este un exemplu clasic de design pasiv solar.Abordările cele mai recente la calculul energiei solare folosesc modelareacalculatorului legând împreună lumina solară, căldura şi sistemele de ventilaţie într-unpachet integrat de proiecte solare. Echipamente solare active, cum ar fi pompe, ventilatoareşi ferestre de comutare pot completa proiectarea pasivă şi îmbunătăţi performanţelesistemului.

În agricultură şi horticultură Agricultura şi horticultura caută să optimizeze captarea energiei solare în

scopul de a optimiza productivitatea de plante. Tehnici precum ciclurile temporizate de




15

plantare orientate pe rânduri, eşalonate la înălţimi între rânduri şi mixarea varietăţiiplantelor pot îmbunătăţi randamentul culturilor. În timp ce lumina soarelui este considerată o resursă din abundenţă, excepţiile subliniază importanţa energiei solare pentru agricultură.Aplicaţiile energiei solare în agricultură, în afară de creşterea culturilor, includ pompareaapei. Serele convertesc lumina solară în căldură, permiţând producţia pe tot parcursulanului şi creşterea (în medii închise) diferitelor culturi şi a plantelor care în mod natural

nu sunt adaptate climatului local.Energia solară termică

Energia solară termică poate fi folosită pentru încălzirea apei, încălzirea spaţiului,răcirea spaţiului şi procesul de generare de căldură. Energia solară termică este o tehnologiede exploatare a energiei solare pentru energia termică (căldură). Colectoare solare termicesunt definite de către Administraţia Informaţiei Energiei din SUA ca: scăzut, mediu saucolectoare de temperatură înaltă. Colectoarele de temperatură scăzută sunt plăci plate îngeneral folosite pentru încălzirea piscinelor. Colectoarele de temperatură medie sunt deobicei tot plăci plate, dar sunt folosite pentru încălzirea apei sau a aerului pentru uzrezidenţial şi comercial. Colectoarele de temperatură înaltă concentrează luminasoarelui folosind oglinzi sau lentile şi sunt în general utilizate pentru producereaenergiei electrice.

În procese de concentrareTehnologiile solare de concentrare, cum ar fi antena parabolică şi prin reflectoare

Scheffler pot furniza căldură pentru aplicaţii comerciale şi industriale. Iazurile de evaporaresunt bazine de adâncime mică care concentrează dizolvarea solidă prin evaporare. Utilizareade iazuri de evaporare este pentru a obţine sare din apă de mare, fiind şi una dintre cele maivechi aplicaţii ale energiei solare. Utilizarea modernă include soluţii de concentrare a apei demare în extragerea prin dizolvare şi eliminarea părţilor solide dizolvate din fluxurile dedeşeuri. Acest proces se foloseşte în principiu pentru uscare, uscarea hainelor etc.

Folosirea energiei solare pentru transformare în energie electrică Energia solară este, de departe, sursa de energie a Pământului cea mai disponibilă,

uşor capabilă să furnizeze de multe ori cererea actuală totală de energie. Cele mai maritermocentrale solare, precum 354 MW SEGS, sunt termocentrale solare concentrate, darrecent au fost construite centralele fotovoltaice multi-megawatt. Finalizată în 2008, cei 46MW putere a staţiei fotovoltaice Moura din Portugalia şi cei 40 MW Waldpolenz dinParcul Solar din Germania sunt caracteristici ale trendului către centrale electricefotovoltaice mai mari. Acoperind 4% din deşertul lumii cu panouri fotovoltaice ea arputea aproviziona toată cererea electrică din lume. Numai deşertul Gobi ar putea furnizaaproape toată cererea de energie a lumii.

Lumina Soarelui poate fi convertită direct în energie electrică prin utilizarea depanouri fotovoltaice, sau indirect prin concentrarea energiei solare şi alte tehnologiiprecum motorul Sterling care foloseşte un motor ciclic de bună calitate pentru a furnizacurent electric către aplicaţiile mici şi medii, de la un calculator alimentat de la o singură

celulă solară la casele cu panouri alimentate de la o gamă de fotovoltaice. Dintre panourilesolare fotovoltaice şi cele termice, randamentul cel mai mare în transformarea energieielectrice îl au cele termice, deoarece transformă 75% din puterea captată de la soare.

Spania a deschis cea mai mare staţie de prodcere de energie solară, devansândastfel SUA, din punct de vedere al generării de energie solară pe plan internațional.Producţia totală de energie solară a naţiunii este acum echivalentă cu producţia uneicentrale nucleare. Spania este lider mondial în energii regenerabile şi a fost mult timp unproducător de hidro-energie electrică (numai China şi SUA au construit mai multe baraje).Spania are, de asemenea, un sector foarte dezvoltat al energiei eoliene care, precum energia




16

solară, a primit subvenţii generoase de la Guvern.Energia solară are aplicaţii şi utilizări multiple, din care amintim:

♦ Alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali şi casnici;♦

Cuptoare solare;♦ Uscătorii solare;♦ Jucării solare;♦

Distilerii solare;♦ Instalaţii solare pentru desalinizarea apei;♦

Sateliţi alimentaţi cu energie solară;♦

Roboţi spaţiali alimentaţi cu energie solară;♦ Nave spaţiale interplanetare alimentate cu energie solară;♦ Instalaţii de climatizare pe timp de vară;♦ Instalaţii de încălzire pe timp de iarnă;♦ Încălzirea apei menajere;♦ Pile solare;♦ Sobe de gătit solare;

♦ Frigidere solare;♦

Case alimentate cu energie şi căldură de la soare;♦

Piscine alimentate cu apă încălzită de razele solare;♦

Lămpi solare, care se încarcă cu energie ziua şi noaptea emit lumină.♦ Automobile solare.

Automobilul solar Modul de funcționare al unui automobil cu propulsie fotoelectrică este următorul:

energia solară captată de panourile solare ale automobilului este furnizată unei baterii deacumulatoare. Energia electrică furnizată de acumulatoare este transmisă unui motorelectric de curent continuu ce propulsează maşina.

În cazul în care deplasarea se face într-o zonă însorită, energia furnizată de panouripoate servi direct propulsiei, acumulatorii fiind solicitaţi numai atunci când este umbră sau

vehiculul urcă pe o pantă abruptă.La un automobil, energia electrică este necesară pe lângă alimentarea motorului, lablocul de lumini şi la o multitudine de elemente comandate şi acţionate electric.

În figurile 2.1., 2.2. şi 2.3. sunt prezentate prototipuri de automobile propulsate cuenergie solară.




17

Figura 2.1.

Figura 2.2.

Figura 2.3.

Energia solară este practic inepuizabilă. Este cea mai curată formă de energie de pepământ şi este formată din radiaţii calorice, luminoase, radio sau de altă natură, emise desoare. Cantităţile uriaşe ale acestei energii stau la baza majorităţii proceselor naturale de pePământ. Cu toate acestea, este destul de dificilă captarea şi stocarea ei într-o anumită formă (în principal căldură sau electricitate) care să pemită utilizarea ei ulterioară.




18

Energia solară poate încălzi locuinţele în mod pasiv, datorită construcţiei acestora(casele pasive) sau poate fi stocată în acumulatoare termice sub formă de energietermică. Căldura generată solar se poate folosi în principal la prepararea apei caldemenajere, încălzirea agentului termic responsabil de temperatura ambiantă a casei şi

încălzirea piscinelor.Există chiar şi instalaţii de aer condiţionat bazate pe căldura solară, unde aceasta

reprezintă energia principală necesară răcirii aerului.Utilizarea energiei solare reprezintă la nivel global cea mai eficientă metodă de aaduce căldura în locuinţe. În general, cantitatea de căldură solară ce cade asupraacoperişului unei case este mai mare decât energia totală consumată în casă.

Cu mijloace simple, eficiente constructiv, se poate utiliza energia solară pentru areduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dintr-olocuinţă modernă.

Particularităţi ale energiei solare Soarele reprezintă sursa de energie a Pamântului, contribuind la menținerea

temperaturii planetei mult peste valoarea de ʺaproape bineʺ, întâlnită în spaţiul interplanetar şieste singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ.

Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a

existenţei radiaţiei solare de încă aproximativ 4…5 miliarde a ani.Pentru studiul radiaţiei solare, este important să fie definite câteva mărimi importante.Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la Soare,

măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcţia razelor

solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m2,reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliţilor de cercetare ştiinţifică.

Atmosfera terestră şi suprafaţa Pământului interacţionează cu radiaţia solară, producândo serie de transformări ale acesteia, aşa cum se observă în figura 2.4.

Fig. 2.4. Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectiv suprafaţa terestră

Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafaţa Pământului este mai mic




19

decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime depeste 50 km, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversareaatmosferei, sunt absorbţia şi difuzia.

În atmosferă este absorbită (reţinută, filtrată) aproape total radiaţia X şi o parte dinradiaţia ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon şi alte gaze existente în atmosferă,

contribuie la absorbţia radiaţiei solare de către atmosferă.Radiaţia absorbită este în general transformată în căldură, iar radiaţia difuză astfel

obţinută este retrimisă în toate direcţiile în atmosferă.Prin aceste procese, atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei, o radiaţie cu

lungime de undă mare, denumită radiaţie atmosferică.În plus, faţa de cele două mecanisme de modificare a intensităţii radiaţiei solare, o

parte din radiaţia solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente alesale (moleculele de aer şi anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiaţiasolară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acestfenomen reprezintă radiaţia bolţii cereşti.

Radiaţia globală ajunsă de la Soare, pe o suprafaţă orizontală la nivelul solului într-o o zi senină, reprezintă suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză.

Radiaţia solară directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare.Radiaţia solară difuză poate fi considerată aceeaşi, indiferent de orientarea

suprafeţei receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferenţe.Figura 2.5 prezintă proporţia dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă, în radiaţia

globală. Este interesant de remarcat că radiaţia difuză prezintă o pondere mai mare decâtradiaţia directă.

Fig. 2.5. Raportul dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeţei Pământului,perpendicular pe direcţia razelor solare, pentru condiţiile în care cerul este perfect senin şilipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale şi Europei de Est, în jurul

prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintă suma dintre radiaţiadirectă şi difuză.




20

Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a câtorva parametriiimportanţi, cum sunt:

• Înălţimea soarelui pe cer (unghiul format de direcţia razelor soarelui cu planulorizontal); Unghiul de înclinare a axei Pământului;• Modificarea distanţei Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe otraiectorie eliptică, uşor excentrică.);•

Latitudinea geografică.În figura 2.6. este reprezentată variaţia densităţii radiaţiei solare în funcţie de

înălţimea Soarelui, adică unghiul format de direcţia razelor solare cu planul orizontal,pentru diferite situaţii atmosferice.

Fig. 2.6. Variaţia radiaţiei solare în funcţie de direcţia razelor solare, pentru diferite situaţii atmosferice

Potenţialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, aşa cumse observă în figurile 2.7 şi 2.8, care reprezintă hărţi ale radiaţiei solare globale. Există zone

în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600kWh/m2 /an, în zonaLitoralului Mării Negre şi Dobrogea ca şi în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea

regiunilor ţării, fluxul energetic solar anual, depăşeşte 1250…1350kWh/m2 /an.

Fig. 2.7. Harta intensităţii radiaţiei solare în Europa şi România




21

Fig. 2.8. Harta schematică a radiaţiei solare în RomâniaGradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta şi chiar de la o zi la alta, în aceeaşi

localitate şi cu atât mai mult de la o localitate la alta. În figura 2.9., este prezentat nivelulmediu al insolaţiei, reprezentând cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă şicade pe suprafaţa pământului, în localitatea Bucureşti.

Fig. 2.9. Nivelul mediu al insolaţiei în Bucureşti

Evident, radiaţia solară este distribuită neuniform pe suprafaţa Pământului, poziţiageografică şi condiţiile climatice locale, având o influenţă deosebită pentru impactul radiaţieisolare asupra suprafeţei terestre. Câteva dintre datele statistice referitoare la radiaţia solară,disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1,2 şi 3.



Tab. 1. Densitatea puterii raBu

Tab. 2. Durata medi

Tab. 3. Sum

CoPrincipalele compo

participaţia fiecărei compon- radiaţie ultraviol- radiaţie vizibilă - radiaţie infraroşi

Fiecărei componentelungimilor de undă:

- radiaţie ultravioletă - radiaţie vizibilă - radiaţia infraroşie

Contribuţia energetic între 0,3 si 2,5 microni,reprezentată calitativ în figur


22

iante solare globale medii [W/m2], pe o suprafacureşti: A – cer acoperit, S – cer senin

e orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 –

le medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui

poziţia spectrală a radiaţiei solare nente ale radiaţiei solare care ajungente în radiaţia globală, din punct de vedere enertă 3%

42%55%

radiaţiei, îi corespunde câte un domeniu bine

0,28 - 0,38 microni;0,38 - 0,78 microni;0,78 - 2,50 microni.

a radiaţiei solare globale, în funcţie de lu pentru o suprafaţă perpendiculară pe ace

2.10.

ă orizontală, în

12:30)

e Pamânt şigetic, sunt:

definit al

gimea de undă,a radiaţie, este




23

Fig. 2.10. Distribuţia energiei radiaţiei solare, în funcţie de lungimea de undă (microni) Se observă că cea mai mare cantitate de energie termică se regăse şte în domeniul

radia ţ iei infraro şii şi nu în domeniul radiaţiei vizibile, ceea ce sugerează ideea că această radiaţie poate fi captată eficient şi în condiţiile în care cerul nu este perfect senin.Pentru realizarea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iarpentru captarea eficientă a radiaţiei solare, chiar şi la temperaturi sub 0°C, s-au realizatpanouri solare cu tuburi termice.

Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv şi deci maiieftine, sunt mai puţin performante, din punct de vedere al capacităţii de a capta radiaţiadifuză, decât panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice.

Captarea radiţiei solare Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în

captatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive.Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei

solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spreSoare, să fie cât mai corectă.

Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de

înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 2.11 şi notat cu α, respectiv unghiul

azimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 2.12.

Fig. 2.11. Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă deorizontală




24

Fig. 2.12. Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)

Figura 2.13 prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametriicare definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solaredisponibile. Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot ob ţine cuajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentruRomânia.

Fig. 2.13. Influenţa combinată a unghiului de înclinare şi a unghiului azimutului, asupra gradului decaptare a energiei solare disponibile

Analizând figura 2.12, se observă că unghiul de înclinare optim, care permitecaptarea optimă a radiaţiei solare, este de cca. 15…55°, iar abaterea de la direc ţia Sud,

poate să se situeze între ±40° f ără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare.Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiaţia solară poate fi recuperată în proporţie de90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarecefavorizează murdărirea suprafeţei captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutăţireaperformanţelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcţia Sud, de ±60°, la anumitevalori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% din radia ţiasolară. Chiar şi colectorii montaţi vertical, cu o abatere de până la ±20° faţă de direcţia Sud,pot recupera 80% din radiaţia solară, ceea ce sugerează posibilitatea montăriiacestora pe faţadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unuiunghi de înclinare de 30° şi a unei abateri de la direcţia Sud de 45°, care corespunde




25

direcţiei SV, gradul de captare a radiaţiei solare este de 95%.Ca o consecinţă a celor menţionate, se poate spune că orientarea captatorilor solari

faţă de orizontală şi faţă de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară laprima vedere.

Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităţii de captare a energiei solare,este tehnologia utilizată pentru o construcţia colectorilor solari, deoarece în mod inevitabil,

conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea fiindevidenţiate în figura 2.13.

Pentru captarea razelor de soare şi conversia fototermică se folosesc mai multesisteme:

♦ Sisteme cu receptor central - aceste sisteme concentrează razele de soare spre un

colector central cu ajutorul unor oglinzi plasate radial;♦ Sisteme cu albii - albiile sunt lungi, formate din oglinzi curbate ce concentrează

razele soarelui pe ţevi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturifoarte mari ( până la 400 grade C );

♦ Sisteme cu parabolă - folosesc o parabolă ce concentrează radiaţiile solare spre

un colector montat în punctul focal al acesteia.

Colectoare solare Principalele tipuri de colectoare solare folosite în aplicaţiile obişnuite sunt:

♦ colectoarele plane;

♦ colectoare cu tuburi vidate.Colectoarele plane (figura 2.14) sunt formate dintr-o reţea de ţevi din material

termoconductor (cupru), cu aripioare din tablă pentru creşterea suprafeţei de captare.Ansamblul este aşezat într-o cutie izolată termic foarte bine. Această cutie are pereteletransparent expus la soare (din sticlă cu transparenţă ridicată), iar suprafaţa ţevii şi aaripioarelor metalice este acoperită cu un strat dintr-un material care facilitează absorbţiaradiaţiilor solare şi limitează în acelaşi timp reflexia acestora.

Eficienţa acestui tip de colectoare este mai redusă decât a colectoarelor cu tuburi

vidate, la suprafeţe de captare similare. Au un preţ de cost relativ scăzut.

Figura 2.14. – Colector planColectoarele cu tuburi vidate (figura 2.15) au fiecare tub format din două tuburi

concentrice din sticlă borosilicat (foarte rezistentă şi cu un grad de transparenţă ridicat),sudate între ele.

Spaţiul dintre cele două tuburi se videază, iar suprafaţa interioară a tubului interior seacoperă cu un strat selectiv cu excelente proprietăţi de absorbţie a radiaţiei solare (>92%) şicu o reflexivitate foarte redusă (<8%).




26

Figura 2.15 – Colector cu tuburi vidateCăldura este transferată agentului termic în mod direct sau cu ajutorul unui tub

termic. Vacuum-ul dintre cele două tuburi formează un fel de "termos" astfel încât - deşitemperatura în interior ajunge la 150°C - la exterior tubul este rece. Această proprietate faceinstalaţia utilizabilă şi în zone cu clima foarte rece, colectoarele cu tuburi fiind mai eficientedecât colectoarele solare clasice, plane, însă au preţul de cost mai ridicat.

Construcţia captatorilor solari Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile.

Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani,colectorii cu tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice.

Colectori plani Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a

colectorilor solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 2.16.

Fig. 2.16. Construcţia colectorilor plani

Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, subo folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un materialabsorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer aradiaţiei termice. Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru aface faţă solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplucăderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru




27

reducerea pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant.Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic

suficient de ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativreduse ale investiţiei.

Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, ladiferenţe mari de temperatură între agentul termic şi mediul ambiant.

Colectori cu tuburi vidate Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura 2.17.

Fig. 2.17. Principiul de funcţionare a colectorilor cu tuburi vidateApa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat

termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, dinsticlă. între pereţii din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru areduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă dininterior, sunt acoperite cu un strat din material absorbant, pentru a capta cât mai eficientradiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcţie de densitate.

Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci,vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va

încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită diferenţei de densitate,se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

Avantajul unor asemenea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţieisolare, f ără intermediul unui schimbător de căldură.

Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, careeste un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţimecanice bune. Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplereacu apă a sistemului, trebuie realizată încet şi treptat, pentru a nu se produce solicităritermice bruşte în tuburi.

În figura 2.18, este prezentată o construcţie performantă de colector solar cutuburi vidate, în care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător decăldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă.



Fig. 2.18. ColectorAceastă construcţie,

minime de căldură în mediul

apa din tuburi), cu avantajeleÎn figura 2.19., estetipul prezentat anterior, la co

Fig. 2.19. Sistem flexibil

În figurile 2.20 şi 2.cu tuburi vidate, care înspargerii accidentale a acest


28

cu tuburi vidate şi schimbător decombină avantajele tuburilor vidate, careambiant (chiar la diferenţe mari de temperatu

circulaţiei agentului termic prin elemente metaprezentat un sistem flexibil de racordare a tubnductele de apă rece şi caldă.

e racordare a tuburilor vidate la conductele de apă c

21 sunt prezentate schema, respectiv construcţlus, permite înlocuirea individuală a unor tra.

ăldură coaxialsigură pierderiă între acesta şi

ice.

urilor vidate de

ldă şi rece

ia unui colectoruburi, în cazul




29

Fig. 2.20. Schema unui colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Fig. 2.21. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazulspargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instala ţie nu se pierde, fenomen carear genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar puteaproduce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobiluluipe care îl deserveşte.

Colectori cu tuburi termice Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura

2.22.




30

Fig. 22. Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi termice

În interiorul unui tub de sticlă cu pereţi dubli, între care se realizează vid, pentrudiminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanş,

încărcat cu o substanţă care vaporizează sub acţiunea radiaţiei solare. Vaporii astfelformaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care segăseşte în contact termic cu agentul termic din instalaţia solară.

Acest agent, răceşte capătul superior al tubului termic şi determină astfelcondensarea vaporilor din tubul termic, astfel încât capătul superior al tubului termic,poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubultermic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalaţia solară, care curge princonducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice.

Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.În figurile 2.23 şi 2.24, sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector

cu tuburi termice. În ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice.

Fig. 2.23. Schema unui colector cu tuburi termice




31

Fig. 2.24. Colector cu tuburi termice vidate

Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor

vidate. Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, în condiţii caracterizate prin radiaţie solară nu foarte intensă, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiaţiei solare.

Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat şi de necesitateaasigurării unui contact termic foarte bun între condensator şi agentul termic din conductacolectoare a instalaţiei solare.

Stocarea energiei solare Energia solară la nivelul scoarţei terestre este o sursă energetică dependentă de

mişcarea de rotaţie a Pamântului şi de condiţiile atmosferice.De asemenea necesarul de energie este variabil în timp şi depinde de numărul de

consumatori conectaţi la un moment oarecare de timp. În consecinţă, dacă se doreşte ca

anumiţi consumatori să fie alimentaţi cu energie provenită de la razele Soarelui, este necesarsă fie prevăzuţi cu elemente corespunzătoare de stocare (acumulare) a energiei.Caracteristicile pe care trebuie sã le îndeplineascã o unitate de stocare a energiei solare

(în funcţie de domeniul de aplicaţie) sunt următoarele:♦ unitatea de stocare trebuie sã fie capabilă să primească energia cu maximum de

viteză f ără forţe termodinamice excesive (de exemplu diferenţe de temperatură, depresiune, de potenţial, etc.);

♦ unitatea de stocare trebuie să livreze energia cu maximum de vitezã (dependentã

de scopul instalaţiei) fară a utiliza forţe termodinamice excesive;♦ unitatea de stocare trebuie să aibă pierderi mici (o caracteristicã de autodescãrcare

scăzută);♦ unitatea de stocare a energiei trebuie să fie capabilă să suporte un număr ridicat de

cicluri încărcare-descărcare, farã diminuarea substanţialã a capacităţii sale;♦ nu în ultimul rând, unitatea de stocare trebuie sã fie ieftină.




32

Figura 2.25. – Baterie de acumulatoare

În sistemele electrice autonome stocarea energiei este asigurată de baterii deacumulatoare, iar cele mai folosite sunt bateriile de tip plumb-acid.Ele sunt de două tipuri:

♦ baterii cu electrolit lichid;♦ baterii cu electrolit stabilizat.

În figura 2.25. este prezentată o baterie de acumulatoare.Echipamente auxiliare

Echipamentele auxiliare sunt necesare pentru utilizarea corespunzătoare a energieisolare. Cele mai utilizate sunt regulatoarele de sarcină şi convertoarele statice. Se maiutilizează protecţii contra descărcărilor atmosferice, disjunctoare şi siguranţe fuzibile.

Regulatoare de sarcină Regulatoarele de sarcină controlează fluxul de energie şi protejează bateria de

supraîncărcare şi consumatorul de descărcare accidentală. De asemenea, regulatoarele desarcină asigură supravegherea şi siguranţa instalaţiei.În sistemele fotoelectrice se pot utiliza mai multe tipuri de regulatoare şi anume:

♦ regulatoare serie;♦ regulatoare paralel;♦ regulatoare cu căutarea punctului de putere maximă.

Regulatoarele serie conţin un întreruptor între panoul solar şi bateria deacumulatoare.

Când bateria este încărcată, întreruptorul static se deschide şi astfel se protejează bateria de acumulatoare de o supraîncărcare. Schema unui regulator serie esteprezentată în figura 2.26.. De asemenea, schema mai con ţine un întreruptor care

deconectează sarcina (consumatorul) de la baterie.



Regulatoarele paralacumulatoare este încărcată.de acumulatoare. După ce

închide şi panoul solar vascurtcircuit bateria de acumdeconectează sarcina (cons

prezentată în figura 2.27.

Regulatoarele cu căpanoul cu celule solare a ma

Convertoarele staticesolare la cerinţele sarcinii. S

♦ convertoare sobţinută de la p

♦

convertoare sttensiune alterna

Există două tipuri de ccoborâtoare de tensiune. Îridicător de tensiune. Aurandamentul poate creşte la


33

Figura 2.26. – Schemă regulator serie

el scurtcircuitează panoul solar după În timpul încărcării panoul solar este conectatateria de acumulatoare este încărcată, întrer

i în scurtcircuit. Dioda de separare are rolullatoare. De asemenea schema mai conţine unumatorul) de la baterie. Schema unui regul

igura 2.27. – Schemă regulator paralel

tarea punctului de putere maximă permitximului de putere.

Convertoare statice adaptează puterea de curent continuu furnizant două tipuri de convertoare statice şi anume:atice c.c.-c.c. – adaptează tensiunea de cuanourile solare la tensiunea utilizată de sarcină;

tice c.c.-c.a. – transformă tensiunea de curenttivă. Se mai numesc şi invertoare.

onvertoare statice c.c.-c.c. şi anume: ridicătoarn figura 2.28. este schema unui convertorrandament uzual de 70 %, iar la varian5-90 %.

e bateria dedirect la bateriaptorul static sede a proteja dentreruptor careator paralel este

extragerea din

tă de panourile

ent continuu

ontinuu într-o

e de tensiune şistatic c.c.-c.c.

e performante,



Figura 2.2

În figura 2.29. este sRandamentul acestui tip de

Figura 2.28

Fizicianul francez Bectransformarea directă a enamerican Schottky a argume

Efectul fotovoltaic seele:

♦

Absorbţia luminii de♦ Transferul de energie♦ Colectarea sarcinilor.

Celulele solare sunt csolare din alte materiale prec

În domeniul puterii redcelulele solare cu siliciu amo

Atomii de siliciu nu suSiliciul amorf este folositrandamentul scăzut, de 5-7monocristaline sau policrista

A. Celule de siliciu m♦ Au randament♦ Sunt fabricate♦

Au culoare de


34

. – Schemă convertor static ridicător de tensiune

hema unui convertor static c.c.-c.c. coborâtonvertoar este cuprins între 80-90 %.

. – Schemă convertor static coborâtor de tensiune

Celula solară querel a descoperit în 1839 efectul fotovoltairgiei luminoase în energie electrică, iar în

ntat teoretic efectul fotovoltaic.azează pe trei fenomene fizice simultane, str

către materiale;de la fotoni la sarcinile electrice;

ompuse din siliciu necristalin (amorf) sau crum GaAs sau CuInSe2 sunt încă în faza de dezuse (mW, µW), de exemplu ceasuri şi calculatorf domină piaţa.nt ordonaţi, ceea ce permite obţinerea de folii s la module cu putere de 30 W. Dezavan

. De aceea, este necesară dublarea suprafeţei dline.

Tipuri de celule solare nocristalin ( figura 3.1 )ul de 15 % - 17 %;din blocuri de siliciu monocristalin;la albastru închis până la negru.

or de tensiune.

care constă în1930, fizicianul

ns legate între

istalin. Celuleleoltare.are de buzunar,

ubţiri de siliciu.tajul constă îne module solare




35

Figura 3.1 – Celule de siliciu monocristalin

B. Celule de siliciu policristalin ( figura 3.2 )♦ Au randamentul de 13 % - 15 %;♦ Sunt fabricate din blocuri de siliciu compuse din cristale mari;♦

Au suprafaţa perlată;♦ Au costuri de producţie mai reduse decât cele ale celulelor monocristaline.

Figura 3.2 – Celule de siliciu policristalinC. Celule amorfe

♦ Sunt realizate dintr-un suport de sticlă sau material sintetic, pe care sedepune un strat subţire de siliciu;

♦ Au randamentul de 5 % -10 %, mai mic decât al celulelor cristaline;♦ Sunt utilizate în mici produse comerciale (ceasuri, calculatoare), dar pot

fi utilizate şi în instalaţiile solare;♦ Au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuză şi la

cea fluorescentă, fiind deci mai performante la temperaturi ridicate;♦ Au costuri de producţie mai reduse decât cele ale celulelor cristaline.

D. Celule CdTe, CIS, CIGS ♦

Celulele cu CdTe se bazează pe telura de cadmiu, material interesantdatorită proprietăţii de absorbţie foarte mare. Totuşi, dezvoltarea lor riscă să fie frânată datorită toxicităţii cadmiului;

♦ Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu şi seleniu. Acestmaterial se caracterizează printr-o bună stabilitate sub acţiunea iluminării. Au proprietăţide absorbţie excelente;

♦ Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleaşi materiale ca şi cele cu CIS,




36

având ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obţinerea unorcaracteristici mai bune.

Construcţia celulei solare

Siliciul (Si) se obţine la temperaturi de 1800o C din bioxid de siliciu (SiO2), găsit înnatură sub formă de cuarţ, componentul principal al nisipului.

În urma acestui proces se obţine siliciu lichid cu o puritate de 98 %. Pentru a puteafi folosit la producerea celulelor solare, acest produs trebuie purificat până la

99,999999999999 %, ceea ce înseamnă că la 1.000.000.000.000 (1012 ) atomi de siliciupoate fi preluat numai un atom de Si impur.

În concluzie, siliciul trebuie transformat în siliciu monocristalin. Prin adaosul demateriale dotante la topire (cel mai des fosfor P-5 valent pentru dotarea negativă n sau borB- 3 valent pentru dotarea pozitivă p) se obţine un siliciu dotat. Dotarea de bază estetotdeauna un siliciu pozitiv.

Figura 3.3. – Structura celulei solareÎn figura 3.3 este reprezentată schematic structura unei celule solare.Energia luminii dislocă în joncţiunea p-n electroni şi îi face liberi. Astfel sunt

disponibili un electron negativ şi o gol pozitiv. Dacă circuitul este închis, electronii negativise scurg în stratul p şi protonii pozitivi în stratul n. Aşadar, curentul electric poate trece.

Datorită potenţialului energetic ridicat al semiconductorului n şi a spaţiului în regiunea de încărcare, electronii pot circula doar pe traseul următor:

♦ de la stratul n;♦

prin contactul părţii superioare (polul negativ al celulei solare);♦ prin consumatorul extern;♦ prin contactul părţii inferioare (polul pozitiv al celulei solare);♦ la semiconductorul p;♦ se recombină cu un atom rezidual, etc.

Legarea celulelor solare

Pentru a obţine o putere mai mare, celulele solare de trebuie conectate pentru aforma un modul.

Legarea celulelor solare se pot lega în serie sau în paralel sau se pot realiza combina ţiide celule legate în serie şi paralel.

În figura 3.4 este reprezentat un modul de 18 celule conectate mixt, în serie şiparalel.




37

Figura 3.4Orientarea celulelor solare

Puterea maximă se poate obţine de la un modul solar dacă razele de lumină cadperpendicular pe suprafaţa sa.

Acest lucru nu este totdeauna posibil, ţinând cont de deplasarea zilnică şi anuală asoarelui. De aceea, la calculul eficienţei unei instalaţii fotovoltaice trebuie luate înconsiderare aceste pierderi.

Unghiul ideal de instalare al unei celule solare este determinat de latitudinealocalităţii. Totuşi, un unghi de instalare sub 15 º trebuie evitat, pentru ca la ploaie efectul de

autocurăţire să aibă loc. Un unghi de instalare de 60º permite iarna ca zăpada să alunece.În localităţile la nord de Ecuator, modulele solare sunt poziţionate spre sud, în cazul

eventualelor umbriri şi spre sud-vest sau sud-est.În localităţile la sud de Ecuator, modulele solare sunt poziţionate spre nord, în cazul

eventualelor umbriri şi spre nord-vest sau nord-est.Un modul solar dezvoltă o putere mai mare dacă se află în apropierea Ecuatorului.

Totodată, această putere mărită este diminuată de temperatura ridicată a celulelor.La creşterea temperaturii cu 1 grad Kelvin, puterea scade cu 0,5 %. Aceasta înseamnă

că la o temperatură a celulelor de 75°C, puterea modulului scade cu 25 %.Curentul şi tensiunea unei celule solare sunt mărimi dependente de temperatura

celulelor.Caracteristicile celulei solare

♦ La iluminarea unei celule solare, apare o tensiune egală cu 0,6 V,independentă de intensitatea luminoasă;

♦ Curentul în scurtcircuit ( IK ) creşte liniar în raport cu intensitatea luminoasă.

În condiţii standard, la o suprafaţă a celulelor de 100 cm2şi o iluminare cu STC de

100 W / m2, acest curent este de 3 A.

Module solare Realizarea modulelor solare

După ce feliile de silicon au fost tăiate, se fixează contacte pe partea superioară şiinferioară împreună cu o bandă cositorită. Contactul părţii inferioare acoperă întreagasuprafaţă a celulei, în timp ce contactul părţii superioare este în formă de pieptene,permiţând luminii să cadă pe suprafaţa de silicon. În final, un înveliş anti-reflexie esteaplicat părţii superioare. Acesta asigură pătrunderea a cât mai multă lumină pe suprafaţa desilicon. Ultimul pas este controlul calităţii.

Asamblarea unui modul În primul rând se leagă conductoare de contactele celulei solare. Depinzând de

putere şi tensiune, ele vor fi legate în serie sau paralel. Siliciul este casant şi se rupe uşor, de




38

aceea celulele solare vor fi puse într-un suport de plastic. Acest plastic nu are voie să îmbătrânească şi trebuie să fie rezistent la deteriorarea prin raze ultraviolete.

De asemenea, sticla acoperitoare trebuie să satisfacă anumite condiţii. Sticla, parteadin spate a modulului şi plasticul vor forma în final o singură unitate. Astfel, celulele nu maipot fi separate f ără a fi distruse. Ca ultim pas, tot modulul este montat într-o ramă dealuminiu şi se fixează doza de legătură a modulului.

Acoperirea unui modul Apar probleme dacă, la legarea în serie a celulelor într-un modul, una dintre ele esteacoperită de exemplu, cu o frunză.

Să analizăm cazul cel mai critic: modulul furnizează curent acumulatorului. Celulaacoperită devine consumatoare de energie. Celulele rămase libere canalizează curentul princelula acoperită. Drept rezultat, energia pusă la dispoziţie de modul este transformată încăldură de celula acoperită. Această energie poate distruge celula.

Acest inconvenient poate fi evitat prin legarea antiparalel a unei diode (diodă bypass). Aceasta nu permite trecerea curentului prin celula acoperită. Ideal ar fi legarea lafiecare celulă a unei diode bypass.

În practică, este suficientă legarea unei diode bypass la fiecare 15-20 celule solare.Această diodă se încorporează în doza de legătură a fiecărui modul. De obicei, legarea a2 diode bypass protejează împotriva pericolului acoperirii celulelor.

Conectarea modulelor Cablurile de interconectare trebuie să fie rezistente la raze ultraviolete şi umezeală

(apă). Scăderea tensiunii la invertor nu trebuie să depăşească 1 % -3 %. Problema care sepune este, dacă convertorul poate funcţiona corect şi în cazul căderii tensiunii.Cablurile spre invertor trebuie protejate împotriva scurtcircuitului. De obicei se folosesccabluri solare speciale simple sau duble.

Problema generală a generatoarelor solare este că, la scurtcircuit curentul este doar cu10 % mai mare decât valoarea nominală. O siguranţă normală, în acest caz, nu va fi activată şi de aceea arcul electric va putea continua să ardă.

Generatoare solare Pentru construcţia unor sisteme fotovoltaice mai mari, se leagă în serie sau paralel maimulte module solare, obţinându-se un generator solar.

Pentru obţinerea tensiunii alese a sistemului se leagă mai multe module în serie.Prin legarea în paralel a mai multor sisteme modulare legate în serie, se poate obţine

puterea dorită a sistemului.În figura 5.1 este prezentat un generator solar.




39

Figura 5.1 – Generator solar

Ramele metalice ale modulelor trebuie conectate la sistemul de protecţie împotrivafulgerelor, adică la paratrăznetul deja existent.Pentru protecţia împotriva focului, se folosesc varistoare, raportate la cea mai ridicată

tensiune posibilă la funcţionarea în gol, şi montate în locaţii rezistente la foc.

Conversia energiei solare Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia în alte forme de

energie, cum ar fi:♦ Conversia fototermică fototermică (termoconversia) presupune transferul

energetic de la razele soarelui la apă, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide).Căldura astfel obţinută poate fi folosită direct sau convertită în energie electrică, prin centraletermoelectrice sau prin efect termoionic. De asemenea, poate fi folosită prin transformãri

termochimice sau poate fi stocată în diverse medii solide sau lichide. Conversia fototermică prezintã o mare importanţă în aplicaţiile industriale, încălzirea clădirilor, prepararea apeicalde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.




40

Fig. 2.11. Pierderi care apar la conversia energiei solare în energie termică A – radiaţia difuză; B – radiaţia directă; C – convecţie datorată vântului, ploilor şi zăpezii; D – pierderi prin

convecţie; E – pierderi prin conducţie; F – radiaţia suprafeţei absorbante; G – radiaţia panoului din sticlă; H – fluxul termic util; K – radiaţie reflectată

Evoluţiile tehnologice ale colectorilor solari, de la captatorul plan reprezentat înfigură, până la cele mai moderne construcţii existente la ora actuală, au avut ca scop

creşterea capacităţii de absorbţie a radiaţiei solare şi reducerea într-o proporţie cât mai marea diverselor tipuri de pierderi.♦

Conversia fotomecanică este importantă în energetica spaţială, unde, conversiabazată pe presiunea luminii dă naştere la motorul tip "velă solară", utilizat la zborurile navelorcosmice. Conversia fotomecanică se referă la echiparea navelor cosmice destinate călătoriilorlungi, interplanetare, cu aşa-zisele "pânze solare", la care, datorită interacţiunii dintrefotoni şi mari suprafeţe reflectante, desf ăşurate după ce nava a ajuns în vidul cosmic, seproduce propulsarea navei prin impulsul cedat de fotoni la interacţiune.

♦ Conversia fotochimică se împarte în două categorii: una presupune utilizarea

directă a Soarelui prin excitarea luminoasă a moleculelor unui corp, iar cealaltă utilizarea indirectă prin intermediul plantelor (fotosinteză) sau a transformãrii produselor dedejecţie a animalelor. Conversia fotochimică se utilizează la obţinerea pilelor de combustie

prin procesele amintite mai sus.♦ Conversia fotoelectrică directă se realizează folosind proprietăţile materialelor

semiconductoare din care se confecţionează celulele fotovoltaice.

Conversia energiei solare în energie electrică Efectul fotovoltaic

Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare, sub acţiunea energiei solare,denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond

Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care




41

înseamnă lumină şi din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei bateriielectrice din lume. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative(electroni) şi pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafaţa acestuiainteracţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care seproduce sub acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate generacurent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcţionează pe baza acestui

fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permitefurnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcţionează individual cilegate în serie într-un mumăr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri

electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice,denumite şi colectori solari sau panouri solare termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, darpeste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea elementchimic cel mai răspândit în scoarţa terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci estedisponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare aacestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

În figura 6.1 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare,deci şi a siliciului.

Fig. 6.1. Structura energetică a materialeor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegeriicondiţiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. Însituaţii normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv,diferite nivelele energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste niveleenergetice accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise,reprezentând adevărate “bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mairidicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit şi band ă energetică de valen ţă , saumai simplu band ă de valen ţă. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat

de aceştia, este denumit band ă energetică de condu ţ ie, sau mai simplu band ă de conduc ţ ie.Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă şi alebenzii de conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ∆E, dintre banda deconducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice” dintre celedouă straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducţie şi Ev albenzii de valenţă ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariereenergetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la ∆E≈1,7eV. Acestevalori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmiseelectronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi, adică pentru a




42

putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipulsiliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiţi aceştia,sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valenţă, energia necesară pentru adepăşi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen se produce încelulele fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite

elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) saupozitive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip

p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemeneastraturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a sarcinilorelectrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită jonc ţ iune de tip p-n de tipul celeireprezentate schematic în figura 6.2.

Fig. 6.2. Joncţiune p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact,electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migra ţ ie în stratul p, deficitar înelectroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în stratuln, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electriceeste reprezentată în figura 6.3.

Fig. 6.3. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii p-n

Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-neste limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel,cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcinielectrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcinielectrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice înzona joncţiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 6.4.




43

Fig. 6.4.. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona joncţiunii p-n

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apari ţ ia unei

diferen ţ e de poten ţ ial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă internă de potenţialreprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electricenegative din stratul n spre stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinileelectrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţeleacestor straturi, opuse joncţiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât caracteristici de

undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şi caracteristici corpusculare , conformteoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaiceste mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii având un nivel energeticsuficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară prezintă o intensitate maimare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflaţi pe straturile de valenţă ale atomilor, pentru a treace pe straturile de conducţie şi să devină electroni liberi. Subacţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n,electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa stratului n al

joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atraşi spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţaacestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conduc ţie, lasă înurmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electricenegative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, carese manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile care se formează în stratul p suntrespinse spre periferia stratului p al joncţiunii, iar golurile care se formează în stratul n,sunt atrase spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul p, suntrespinşi spre suprafaţa acestui strat.

În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona joncţiunii p-n,conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul

suprafe ţ elor exterioare ale joncţiunii p-n, aşa cum se observă în figura 6.5.



Fig. 6.5. Polar

Dacă suprafeţele extreprezentând fiecare câte un

care într-un circuit închispotenţial şi curentul electricradiaţia solară. Este evidentdiferenţei de potenţial, darulterior.

Joncţiunea p-n, împro celulă elctrică solar ă avân


44

zarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n

rioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câteelectrod, între aceştia se va manifesta o difere

a produce manifestarea unui curent electri se pot menţine la un nivel constant atâta tipcă varia ţ ia intensit ăţ ii radia ţ iei solare va produ

ai ales ale intensităţii curentului electric aşa

eună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă

d construcţia de tipul celei reprezentate în figur

n strat metalic, ţă de poten ţ ial,

. Diferenţa deât se manifestă ce şi variaţii alecumse va arăta

otovoltaică sau6.6.




45

Fig. 6.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratuluin, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, seamplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiaţiei solare incidentepe suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fietransferată electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Celulele

fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm şi mai recent de 15x15cm.Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I,

prezentat în figura 5.7. Eficienţa de conversie a energiei radiaţiei solare în electricitateera de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în2005, puterea totală instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice, depăşea1.000.000.000W=1GW.

Fig. 6.7. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I

•

Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori: Intensitatea radiaţiei solareincidente pe suprafaţa celulei;

•

Eficienţa procesului de conversie a energiei radiaţiei solare în energie electrică.

În prezent, construcţiile de celule fotovoltaice au eficienţe în jurul valorii de 15%,ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaice suntamplasate preponderent în zone caracterizate prin radiaţie solară intensă. Cu toate acestea,ţări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acesteitehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensităţii radiaţieisolare.

Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efect fotovoltaic Posibilităţile de utilizare a energiei electrice obţinute prin conversia energiei

solare, folosind efectul fotovoltaic sunt multiple, iar în continuare sunt prezentate câtevaasemenea sisteme tehnice care înglobează panouri fotovoltaice.

Sistem pentru producerea şi utilizarea curentului continuu În figura 6.8. este prezentat un sistem de producere şi utilizare a curentului

continuu cu ajutorul panourilor fotovoltaice.




46

Fig. 6.8. - Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu

Acest tip de aplicaţie poate să permită de exemplu asigurarea iluminatuluielectric, cu becuri de curent continuu, în imobile situate în zone izolate şi neelectrificate.

Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului.Deoarece momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în care

este prezentă radiaţia solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-unasau mai multe baterii pentru a fi utilizată la nevoie. Între panoul fotovoltaic şi baterie esteintercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii curentului electric la ieşirea dinpanou sunt variabili, în funcţie cel puţin de intensitatea radiaţiei solare, iar parametriicurentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanţi.

Consumatorii alimentaţi cu curent continuu, sunt conectaţi tot la bornele de ieşire aleregulatorului, pentru a fi alimentaţi cu curent electric având parametrii constanţi.

Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu şi alternativ În figura 6.9 este prezentat un sistem de producere şi utilizare simultană a

curentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.




47

Fig. 6.9. Sistem cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentului continuu şi alternativ

Având în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare,specifică de regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unuinumăr mai mare de panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea maimare, pentru ca sistemul să poată asigura puterea electrică maximă, pentru un timp cât mailung, înainte ca bateria să se descarce.

Trebuie menţionată prezenţa obligatorie într-un asemenea sistem a unui echipamentdenumit invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ.

Sistem fotovoltaic hibrid În figura 6.10 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea

simultană a curentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.




48

Fig. 6.10. - Sistem hibrid cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentului continuu şialternativ

Faţă de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componen ţă şi ungenerator electric acţionat de un motor cu ardere internă de tip Diesel. Acest generator,

care poate să producă atât curent continuu cât şi curent alternativ, are rolul de a asiguraputerea electrică necesară în perioadele de vârf de sarcină, sau în perioadele în careradiaţia solară nu este suficient de intensă.

Sistem fotovoltaic racordat la reţea În figura 6.11 este prezentat un sistem pentru producerea şi utilizarea curentului

alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la reţeaua locală de alimentare cuenergie electrică.




49

Fig. 6.11. Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric alternativ, racordat la reţea

Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorulpanourilor fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemulfotovoltaic, dar şi furnizarea acestuia în reţeaua locală de alimentare cu energie electrică,acest sistem fiind furnizor de energie electrică. Este evident că imobilele prevăzute cu unasemenea sistem de alimentare cu energie electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte un

dispozitiv de măsură care să contorizeze energia electrică furnizată în reţea, dar şi cu uncontor pentru măsurarea consumului de energie electrică absorbită din reţea.

De regulă, în ţările în care se încurajează utilizarea energiilor regenerabile, cumeste Germania de exemplu, preţul cu care este cumpărată energia electrică furnizată deacest sistem este mult mai mare decât preţul de vânzare a energiei electrice.

Concluzii Datorită mişcării Pământului şi datorită unor factori meteorologici, energia solară la

nivelul scoarţei terestre este o sursă energetică depedentă de timp. Folosirea energieisolare este foarte vastă: în agricultură, horticultură, în arhitectură şi planificare urbană, înprocese de încălzire a diferitelor spaţii rezidenţiale şi comerciale, precum şi în producerea deenergie electrică. Aceasta din urmă poate fi produsă direct sau indirect, direct prin

panouri solare fotovoltaice şi indirect prin panouri solare termice care dau unrandament mult mai mare în producerea energiei electrice, de 75%, faţă de cele fotovoltaicecu un randament de 10-15%.

În consecinţă şi statele lumii folosesc ferme de centrale solare pentru a diversifica pecât mai mult posibil generarea energiei electrice din energii regenerabile, în cazul de faţă dinenergia solară.

În prezent liderul lumii în contextul producerii curentului electric din energiesolară este Spania, cu un total de 432 MW, care se compară cu USA care dispune înprezent 422 MW transformaţi din energie solară.




Totalul de energie solară absorbită de atmosfera Pământului, oceane şi masele deteren este de aproximativ 3,85 milioane de exajoules (EJ) pe an.

Fotosinteza capturează aproximativ 3.000 EJ pe an în biomasă. Cantitatea de energiesolară care ajunge pe suprafaţa planetei este atât de vastă încât într- un an este de două orimai multă decât va fi vreodată obţinută din toate resursele neregenerabile ale Pământului decărbune, petrol, gaze naturale şi combinate pe bază de uraniu.

Nu în ultimul rând rămân două probleme în legătură cu energia solară: stocareaenergiei şi costurile destul de ridicate, însă dacă ne gândim la cât ajutăm mediul şi ne ajutămşi pe noi ca oameni, ar trebui să se facă tot posibilul pentru implementarea cât mai multorproiecte de generare de energii regenerabile, care în viitor vor fi amortizate şi vor ajuta şipopulatia, oferindu-i locuri de muncă, şi mediul prin mai puţină poluare şi efectele încălziriiclimatice globale.

În prezent interesul global pentru producerea energiei solare este într-o continuă creştere datorită accentuării problemelor de mediu cum ar fi: efectele grave ale poluăriigenerate de utilizarea combustibililor fosili (petrol, cărbuni, gaze) şi bineînţeles epuizarearesurselor.

În contextul în care peste 50% din energia Europei provine din ţări din afara Uniunii,

energia solară reprezintă un factor imens în ceea ce priveşte creşterea autonomiei energetice şiscăderea dependenţei de ţările exportatoare de petrol şi gaze naturale.

Creşterea numărului de parcuri solare generează totodată şi locuri de muncă prindezvoltarea unei industrii energetice regenerabile locale. De asemenea datorită epuizăriiresurselor naturale, preţul acestora este într-o continuă creştere, fapt ce impune înlocuirea lorcu energiile alternative. În acelaşi timp, dezvoltarea tehnologiilor de captare şi valorificare aradiaţiei solare permite adoptarea de soluţii cu un randament înalt.

Cel mai mare avantaj al energiei solare este acela că poate fi utilizată aproape oriunde,oricând şi în varii domenii de activitate

Bibliografie

1.

Dobrescu E. M. - Energii regenerabile, Academia Română, Institutul Naţional deCercetări Economice, Ed. Sigma, Bucureşti, 2009

2.

Concentrarea folosirii energiei regenerabile, Academic Press, Elsevier Inc, Oxford,2009

3. www.viessmann.com

4. www.stgobain.ro5.

Rev. Tehnica Instala ţ iilor nr. 5/20036. Rev. Tehnica Instala ţ iilor nr. 5/20047.

www.dena.de/en8. www.renewables-made-in-germany.com9.

www.peakoil.net10. www.bpsolar.fr11 www solarserver de

energie solara curs

Documents