Referat asupra tezei de doctorat „Surse, sisteme si circuite pentru energii

neconventionale”

Domeniul energiilor neconventionale s-a impus deja, avand un debut mai lent la

inceputurile sale ferme datand de la finele secolului XIX, cand a aparut genialul om de

stiinta si inventator Nicola Tesla, si avansand din ce in ce mai impetuos la inceput de

secol XXI, secol care va sfarsi – aspect predictibil - prin a fi dominat de aplicarea pe

scara larga a unor noi surse, tehnologii si sisteme energetice, impuse, pe de o parte, de

dezavantajele si restrictiile din ce in ce mai severe ale mijloacelor energetice

conventionale si fiind sustinute, pe de alta parte, de evolutia stiintei si culturii umane in

ansamblul ei - aspecte sintetizate de autor in primul capitol al tezei sale de doctorat.

Totusi, dintr-un anumit punct de vedere, nimic nou sub Soare, dupa cum afirma

Ecleziastul; stiinta avanseaza in ritmurile specifice fiecarei epoci pe spirele unei elice si,

nu o singura data, ceea ce parea gandire naiva, perimata, misticism, s-a demonstrat in

forma moderna a fi de maxima actualitate.

Inca din cele mai vechi timpuri omul a intuit ca depinde vital si spiritual de Soare si

energia sa, identificandu-le cu zeitati si aspecte divine asociate cunoasterii supreme.

Astfel, in jurul cultului solar, s-au cladit imperii, civilizatii si dinastii in America de Sud

preincasa si incasa, America Centrala mayasa, Egiptul antic, India si Extremul Orient ale

caror enigme si descoperiri tehnologice sunt inca departe de a fi pe deplin elucidate in

zilele noastre. Sintetizand, lumina a fost identificata in toate marile societati traditionale

cu viata si constiinta, iar sursa principala de lumina – Soarele – a fost venerata si a facut

obiectul unor cercetari si aplicatii traditionale particulare.

Dincolo de aspectele mitice, intuitia ca lumina solara ascunde un mister profund asociat

existentei umane si unei cunoasteri de ordinul cel mai inalt i-a determinat pe Arhimede sa

cerceteze incendierea flotei inamice prin intermediul unor oglinzi de cupru care reflectau

1

radiatia solara, pe marele Isaac Newton sa arate ca lumina alba este o lumină compusa

din radiatii monocromatice de diferite culori, pe Louis de Broglie sa descopere

comportamentul paradoxal de unda-particula al fotonilor, pe Einstein sa elaboreze teoria

relativitatii generalizate iar, ca sa ne limitam la doar cateva exemple, pe Nicola Tesla sa

declare: I have harnessed the cosmic rays and caused them to operate a motive device.

In prezent, vechile - si, intr-un fel, mereu noile - preocupari de a cerceta lumina si energia

solara au fost reluate in cadrul domeniului energiilor neconventionale care reprezinta un

complex interdisciplinar, la care isi aduce o binevenita contributie stiintifica autorul tezei

doctorale cu titlul „Surse, sisteme si circuite pentru energii neconventionale”.

Am lecturat cu interes o teza de doctorat remarcabila: clara, bine scrisa, solida, vadind un

puternic caracter interdisciplinar si o bogata cultura stiintifica, axata insa, printr-o

atitudine matura ce respinge speculatiile inutile, asupra obtinerii de rezultate concrete, de

mare actualitate; o lucrare care pune in valoare preocuparile academice ale autorului de la

inceputul carierei sale stiintifice si pana in prezent.

Continutul acestei teze deriva din obiectivul fixat de catre candidat: descoperirea unor noi

modalitati de crestere a eficientei sistemelor fotovoltaice, la toate nivelurile, de la

captarea eficienta a luminii pana la maximizarea transferului de putere si optimizarea

curbei de consum.

Metodologia folosita de autor pentru atingerea obiectivului fixat consta in urmatoarele

componente, in cadrul carora vom puncta aspectele inovative:

- abordarea domeniului energetic de la general spre particular, tratand la inceput

problemele generale ale domeniului energetic, apoi cele din domeniul energiilor

regenerabile, iar in final noi modalitati de crestere a eficientei sistemelor

fotovoltaice, la toate nivelurile. Astfel, in Capitolul 1, contributii, se realizeaza o

sinteză originală a cunoştinţelor despre electricitatea atmosferică şi soluţiile propuse

pentru captarea şi utilizarea sa ca energie utilă; de asemenea, se prezinta o abordare

originală a posibilităţilor de captare a unor energii ale lumii subatomice, prezise de

teorii ale fizicii cuantice.

- abordarea pluridisciplinara:

2

1. microelectronica si fizica materialelor: generalizare originală a principiului de

funcţionare a pilelor de combustie şi a reacţiilor ce au loc la electrozii acestora

(cf. Capitol 2 – contributii); contribuţii tehnologice (măşti, procese termo-

chimice, procese fotolitografice) originale având ca scop microtexturarea

suprafeţei siliciului sub diferite forme; materiale şi combinaţii de materiale AR

şi tehnologii asociate lor pentru acoperirea suprafeţelor de siliciu conform

concluziilor teoretice rezultate din modelul propriu; descrierea succesiunii de

procese tehnologice necesare pentru implementarea unei soluţii mixte texturare +

AR (cf. Capitol 5 – contributii). Experimentarea mai multor variante tehnologice

de texturare a suprafeţei plachetelor de siliciu, dintre care texturarea izotropă

hexagonală şi cea anizotropă piramidală s-au dovedit cele mai eficiente (cf.

Capitol 6 – contributii);

2. teoria sistemelor energetice: studiu şi sinteză proprie asupra construcţiei

sistemelor energetice bazate pe energii regenerabile şi a controlului acestor

sisteme; - trei tipuri de arhitecturi originale de sisteme hibride, diferenţiate în

funcţie de modul de gestionare internă a energiei (cf. Capitol 3 – contributii).

3. optica, astronomie, electro-magnetism si fizica atmosferei, modelare si

programare matematica: sunt prezentate trei formule originale pentru calculul

drumului optic, dintre care una s-a dovedit mai precisă decât formula utilizată

curent în literatura de specialitate, model original pentru calculul elevaţiei solare;

model original pentru aflarea coordonatelor Soarelui pentru un punct terestru de

la nivelul mării, în funcţie de latitudinea geografică şi momentul temporal curent;

model original de calcul al reflectivităţii suprafeţelor acoperite cu unul sau mai

multe straturi AR; modalitate de calcul (dedusă din model) a valorilor optime ale

indicilor de refracţie ai straturilor AR simple sau duble; model original pentru

studiul captării fotonilor prin reflexii multiple în suprafeţele microtexturate;

modelare originală a transferului de putere de la panourile solare către

consumatori, în diferite condiţii meteorologice; identificarea ecuaţiilor necesare

calculului numeric al MPP; metodă originală de evaluare a curbei consumului

energetic, pe baza monitorizării statistice a istoricului de consum şi a elaborării

3

de prognoze; metodă originală de optimizare a consumului pe baza decalării

temporale parţiale a unor consumatori, după priorităţi;

4. informatica – proiectarea de software si hardware adaptate necesitatilor

cercetarilor desfasurate; in conformitate cu Capitolul 2, contributii, autorul

realizeaza o abordare originală a modelării celulelor şi panourilor fotovoltaice,

adecvată implementării software cu algoritmi de calcul; realizarea unei aplicaţii

de simulare şi optimizare a unui sistem energetic, pentru dimensionarea

sistemelor de stocare şi conversie, în cazul unui sistem autonom şi al unuia

conectat la reţea (cf. Capitol 6 – contributii);

- investigarea studiilor existente si realizarea unor studii de caz

In consecinta obiectivului si a metodologiei, teza de doctorat se compune din sapte

capitole (si o Introducere), prezentand o structura logica si o abordare de la general catre

particular, pana in miezul problematicii tratate de autor. In final este redata bibliografia

stiintifica de referinta. Astfel:

Capitolul 1 prezintă sintetic situaţia actuală din domeniul energetic, problemele

energetice globale, soluţiile şi perspectivele ce se întrevăd pentru evitarea sau rezolvarea

crizei energetice şi asigurarea consumului în următoarele decenii.

Capitolul 2 tratează din punct de vedere teoretic principalele categorii de generatoare

electrice bazate pe energii neconvenţionale: panourile fotovoltaice, turbinele eoliene şi

hidroelectrice şi pilele de combustie. Accentul se pune pe generatoarele fotovoltaice, care

sunt modelate pornind de la nivelul fizicii semiconductorilor, până la celula fotovoltaică

şi panouri, urmărindu-se obţinerea unor modele ce pot fi implementate software.

Capitolul 3 conţine o abordare sintetică originală a arhitecturilor de sisteme

electroenergetice bazate pe energii regenerabile. Se propune o clasificare a sistemelor

electroenergetice după numărul de surse primare exploatate, prezentându-se pe scurt

4

caracteristicile şi avantajele variantelor monovalente, bivalente şi multivalente, autonome

sau cuplate la reţea. Se propune şi se explicitează, la nivel de scheme bloc, o clasificare a

arhitecturilor de sisteme electroenergetice hibride după modul de interconectare a

generatoarelor: în CC, CA sau mixt.

Capitolul 4 este orientat către modelarea sursei primare fotovoltaice şi a proceselor de

captare, conversie şi transfer al energiei. Se tratează într-o manieră originală: absorbţia

atmosferică a radiaţiei solare, evoluţia temporală a densităţii radiaţiei solare, orientarea

panourilor fotovoltaice, tehnicile de captare a fotonilor în suprafaţa celulelor fotovoltaice,

optimizarea transferului de putere de la panouri către consumatori, evaluarea şi

optimizarea consumului prin netezirea curbei de sarcină.

Capitolul 5 prezintă soluţiile tehnologice şi aplicaţiile originale ce au fost propuse,

proiectate şi/sau realizate pe baza modelelor proprii. Sunt abordate direcţiile:

- creşterea eficienţei celulelor solare prin prelucrarea suprafeţei siliciului;

- orientarea automată a panourilor fotovoltaice;

- maximizarea transferului de putere de la panourile solare către consumatori;

- evaluarea software a intensităţii radiaţiei solare pentru diferite momente temporale;

- optimizarea consumului şi dimensionarea sistemelor de stocare şi conversie a energiei.

Capitolul 6 prezintă rezultate tehnologice şi determinări experimentale obţinute în faza

de testare a soluţiilor şi aplicaţiilor prezentate în capitolul 5. De asemenea, sunt

prezentate rezultate ale măsurătorilor comparative şi simulărilor obţinute cu ajutorul

aplicaţiilor software proprii ce pot confirma sau infirma modelele. Sunt verificate

modalităţile de creştere a eficienţei sistemelor energetice, pe toate cele cinci direcţii de

cercetare ce au fost abordate ca modele în capitolul 4 şi ca aplicaţii în capitolul 5.

Capitolul 7 prezintă sintetic, pe capitole, elementele originale ale lucrării, concluziile ce

decurg din realizarea tezei şi direcţiile de continuare a cercetărilor experimentale.

5

In calitate de inginer specializat in matematici aplicate doresc sa apreciez abilitatile si

originalitatea creatoare a candidatului in a folosi modelarea matematica, care da o

consistenta stiintifica deosebita prezentei lucrari. Astfel, formulele originale pentru

calculul drumului optic, modelul original pentru calculul elevaţiei solare si modelul

original pentru aflarea coordonatelor Soarelui pentru un punct terestru de la nivelul mării,

în funcţie de latitudinea geografică şi momentul temporal curent se numara printre

contributiile notabile pe care candidatul le aduce in domeniu. De asemenea, proiectarea

de algoritmi de optimizare, a se vedea algoritmii originali si performanti pentru

identificarea si urmarirea MPP proiectati de doctorand, reprezinta o componenta sine-

qua-non in cadrul oricarui proces de inovatie tehnologica moderna, domeniu in care, din

nou, autorul da masura inaltei sale competente profesionale.

Un merit incontestabil al tezei este necesitatea si actualitatea temei de cercetare

doctorala abordate de autor. Dupa cum se cunoaste, Soarele este o vasta sursa de

energie. Intr-un singur an, el trimite spre pamant de 20.000 de ori energia necesara

intregii populatii a globului. In numai trei zile, pamantul primeste de la soare

echivalentul energiei existente in rezervele de combustibili fosili. Energia totală

captată de scoarţa terestră este de 720*106 TWh pe an. S-a stabilit ca atunci când

Soarele se afla la 60 de grade deasupra orizontului, pe suprafata Pamântului ajunge

doar 70% din radiatia solara, iar la o înclinare de 5 grade, doar 20%! De aceea

dimineata în zori si seara târziu, când Soarele se afla la orizont, razele sale sunt mult

mai putin calde decât atunci când el se afla deasupra capului nostru datorita faptului

ca in primul caz, razele, care strabat atmosfera oblic, trebuie sa treaca printr-o patura

mult mai groasa decât în al doilea caz.

Electricitatea isi are un loc privilegiat intre optiunile energetice actuale, energia

electrica fiind nu numai una dintre cele mai „curate” forme de energie, cu impact

negativ redus asupra mediului (reducerea consecintelor efectului de sera si a gazelor

poluante din atmosfera), ci si o forma convenabila de energie convertita direct din

surse primare, datorita faptului ca conversiile intermediare produc pierderi foarte mari

sau sunt limitate prin legi foarte restrictive – cum ar fi ciclul Carnot. Printre

tehnologiile de conversie directa a energiei electrice considerate de viitor, pe prim

6

plan se afla celulele/panourile fotovoltaice. Autorul se axeaza in abordarea sa pe

studiul inovativ al sistemelor fotoelectrice care prezinta urmatoarele avantaje prezente

si/sau de perspectiva:

1. Costul energiei produse de generatoarele fotoelectrice este in continua

scadere. Economiile provenite din costurile de munca si cheltuielile de

transport pot fi importante. Energia electrica livrata ziua costa mai mult in

multe tari, iar sistemele fotovoltaice produc energie electrica gratis in timpul

zilei, cele dotate cu acumulatori putand stoca energie si pentru perioada noptii.

2. Autonomie si durabilitate. Un sistem fotovoltaic bine realizat poate opera

neurmarit si necesita o intretinere periodica minima. Nu necesita un consum

suplimentar si cheltuieli de intretinere. Nivelul tehnologic actual permite o

degradare minima dupa 20 de ani de functionare a sistemelor fotovoltaice,

unele dintre acestea fiind garantate 30 de ani.

3. Sistemele fotoelectrice pot fi deja mai avantajoase decat cele conventionale

intr-o serie de aplicatii destinate alimentarii consumatorilor izolati, de mica

putere, din domenii precum: telecomunicatii, balizaj, protectie catodica,

refrigerare, irigatii etc.

4. Tendinta actuala este orientata spre optimizarea din punct de vedere energetic,

pentru asigurarea functionalitatii in conditii de maxima eficienta. Astfel,

autorul a dezvoltat aplicatii in care sistemele fotovoltaice sunt dotate cu

sisteme inteligente pentru controlul functionarii care asigura utilizarea

generatoarelor fotoelectrice in mod diferentiat, pentru diverse aplicatii.

5. Integrabilitatea si caracterul environmentally friendly al sistemelor

fotovoltaice pentru cladiri; acestea putand inlocui subansamble, materiale de

constructie sau chiar intregi parti componente ale cladirii cum ar fi de

exemplu acoperisul.

In concluzie, cunoscandu-l pe autor, in calitate de prieten si colaborator, de mai bine

de 10 ani, pot afirma ca are vechi si adanci preocupari academice si

7

extraacademice in domeniul energiilor necoventionale, sustinute de

un spirit viu, apolinic, conectat - prin capacitati de sinteza intuitiva,

dar si prin rigoare analitica si putere de concretizare, caracteristice

unui veritabil cercetator in domeniul stiintelor aplicate - la varful

unui flux de cunoastere ascensional ce anunta zorii unei ere noi a

omenirii.

Am profunda convingere ca sinergia preocuparilor candidatului in

domeniul stiintifico-tehnologic abordat reprezinta o vocatie si, tinand

cont de aspectele mentionate mai sus, recomand cu caldura teza elaborata de domnul

asistent doctorand inginer pentru sustinerea in sedinta publica si acordarea titlului

stiintific de doctor inginer autorului.

12 03 2010

8