Energia Solar

IntroducereO cantitate imens de energie solar ajunge la suprafaa pmntului n fiecare zi. Aceast energie poate fi captat, i folosita sub form de caldur n aplicaii termo-solare, sau poate fi transformat direct n electricitate cu ajutorulcelulelor fotovoltaice(CF).Pentru a nelege cum CF i sistemele termo-solare capteaz energia solar, este important s nelegem cum aceasta i urmeaz cursul de la soare spre Pmnt i cum acest flux se schimb periodic.Cum produce soarele energieSoarele este o sfer cu diametrul de aproximativ 1.4 milioane de km, format din gaze cu temperaturi foarte mari(temperatura interior a soarelui este de aproximativ 15 milioane de grade Kelvin). Aceast temperatur imens, combinat cu o presiune de 70 miliarde de ori mai mare dect aceea a atmosferei Pmntului creeaz condiiile ideale pentrureaciile de fuziune.Reaciile de fuziune din soare au loc ntre atomi de hidrogen, care se combin i formeaz atomi de helium. n urma acestui proces se degaj energie sub forma unor radiaii cu energie mare, mai cu seam raze gamma. n timp ce aceaste radiaii migreaz din centrul spre exteriorul sferei solare, ele reacioneaz cu diferite elemente din interiorul soarelui i se transform n radiaii cu energie mica. Soarele a produs n acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, i va continua s fac la fel pentru nca 4-5 miliarde.Cum este transportat energia pe PmntPmntul se roteste n jurul soarelui la o distan de aproximativ 150 milioane de km. Radiaiile se extind la viteza de 300.000 de km pe sec, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pmnt este de aproximativ 8 min.Cantitatea de energie solar ce atinge la un moment dat un anumit loc de pe suprafaa Pmntului se numeteconstant solar, valoarea ei depinznd de mai muli factori. Dac soarele este la amiaz i cerul este senin, radiaia pe o suprafa orizontal este de aproximativ 1000 de W pe metru patrat. Se observ scderea constantei solare cnd suprafaa nu este orientat perpendicular pe razele soarelui.Variaia sezonierPmtul se nvrte n jurul axei sale o dat pe zi i se rotete, ntr-o orbit eliptic, n jurul soarelui, o dat pe an. Axa n jurul creia se nvrte Pmntul este nclinat cu aproximativ 23 de grade de la vertical. Aceast nclinare a dat nastere anotimpurilor: cndaxa Pmntului este nclinat spre soare, emisfera nordic primete mai multe radiaii solare (vara). ase luni mai trziu, cnd axa nu este nclinat spre soare, n emisfera sudic este var, deci cantitatea de radiiaii solare ce va atinge Pmntul este mai mare.nlimea la care se gsete soarele pe cer afecteaza i ea valoarea constantei solare.Energia termo-solaraIntroducereTehnologiile "termo-solare" folosesc cldura razelor de soare pentru a produce ap cald, energie electric i pentru a nclzii unele locuine. Aplicaiile termo-solare se ntind de la un simplu sistem rezidenial de nclzire a apei pn la staii foarte mari de generare a energie electrice.Isotria energiei termo-solarePe parcursul isotriei, oamenii au folosit cldura soarelui pentru diferite ntrebuinri casinice. Astzi, energia termo-solara este folosit aproape n orice climat pentru a furniza o sursa sigur i ieftin de energie. n ultimii ani energia termo-solar este folosit pentru creearea aburilor ce alimenteaz turbine generatoare de energie electric.Oamenii au folosit razele solare pentru diferite ntrebuinri de secole dar conceptul proriu-zis de energie termo-solar a aparut n anul 1767 cnd omul de stiina elveian Horace de Saussure a inventat primul colector solar, sau "cutia fierbinte". Renumitul astrolog Sir John Hershel a folosit n anul 1830 aceste "cutii fierbini" pentru a gtii n timpul expediie sale n sudul Africii. Energia termo-solar a devenit foarte important n unele pri ale Africii pentru gtit i pentru distilarea apei. nclzirea solar a nceput s ia amploare cnd Clarence Kemp a patentat primul sistem comercial de ncalzire a apei n anul 1891. Ideea a prins repede n regiunile unde trebuia importat combustibil pentru nclzirea apei.n anul 1987, aproape 30% din casele din Pasadena, California (S.U.A.) aveau un sistem termo-solar de nclzire. nclzirea solar a apei a nflorit (n S.U.A.) n timpul aniilor n care preul energie era mare (anii 70). Datorit faptului c nclzirea apei ntr-o reedina poate nsemna pn la 40% din consumaia total de energie, nclzirea solar joac un rol important n multe rii. De exemplu, aproximativ 1.5 mil de cldiri din Tokyo, Japonia i peste 30% dintre cele din Israel au sisteme de nclzire solar a apei. Energia termo-solar mai poate fi folosit i indirect pentru alimentarea cu aburi a unei turbine generatoare de electricitate. Aceasta metoda este foarte eficient i competitiva. Prima aplicaie comercial a acestui sistem a aprut la nceputul anilor 80. n Statele Unite aceasta industrie este coordonat de ctre Departamentul American de Energie i a crescut foarte mult datorit proiectelor iniiate de acesta.TeorieEnergia electric termo-solar se obine cu ajutorul tehnologiilor ce folosesc radiaiile solare pentru a obine aburi. Acesti aburi alimenteaz turbine generatoare de electricitate.Sistemele de nclzire a apei de dimensiuni mici folosesc colectoricu taler plat pentru a capta cldura soarelui, n timp ce uzinele electrice alimentate de energia termo-solar folosesc procedee mai complexe pentru captarea radiaiilor.Colectorii cu taler plat transfer cldura soarelui ctre ap fie direct, fie cu ajutorul altor lichide i a unui sistem de schimbare a cldurii.Colectorul este acoperit cu sticl, sau cu un alt material transparent, pentru a menine cldura solar n el. Partea posterioar a colectorului se acoper cu un matrial izolator pentru a nu lsa cldura s se degaje. ntre materialul transparent i izolator se afl un material de absorbire a cldurii.Exist 3 tipuri de sisteme termo-solare de nclzire a apei ce folosesc colectorul cu taler plat:A: Sistemul este format dintr-o pomp, un colector i un bazin de stocare. Pompa trece apa prin colector, acesta o nclzete, dup care este stocat n bazinB: Sistemul este format dintr-un colector ce reprezint n acelai timp i bazinul de stocare.C: Sistemul este format dintr-un colector i un bazin de stocare a apei.Transformarea energiei termo-solare n energie electricCentralele electrice termo-solare produc electricitate folosind o turbin alimentat cu aburii produi prin clocotirea unui lichid cu ajutorul radiaiilor soarelui.Sisteme de captare a energiei termo-solareCentralele electrice termo-solare folosesc mai multe metode pentru captarea razalor de soare:1. Sisteme cu receptor central (alte poze la pagina )Aceste sisteme concentreaz razele de soare spre un colector central cu ajutorul unor oglizi plasate radiar.2. Sisteme cu albii (alte poze la pagina )Albiile sunt lungii, formate din oglinzi curbate ce concentreaz razele soarelui pe nite evi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturi foarte mari,de exemplu in centralele din Sudul Californiei poate ajunge pn la 400 grade C.3. Sisteme cu parabol (alte poze la pagina )Folosesc o parabol ce concentreaz radiaiile solare spre un colector montat n punctul focal al acesteia.AplicaiiApa cald poate fi produs la o scar mic pentru utilizri casinice sau la o scar mare pentru alimentarea centralelor electrice termo-solare. Aplicaiile la scar mic folosesc n general colectori cu taler plat, n timp ce centralele electrice folosesc sisteme de concentrare a radiaiilor solare.1. Apa cald pentru uz cansnicInstalarea unui sistem ce folosete energia solar pentru nclzire este economic i poate satisface 60-80% din totalul necesar de ap cald.SRCC sau Solar Rating & Certification Corporation este o organizatie non profit ce se ocup cu asigurarea calitii sistemelor termo-solare casnice.2.nclzirea piscinei3.ntrebuinri comerciale i casnice4.Centrale electrice termo-solare.Folosind albii, parabole sau receptori centrali uzinele electrice termo-solare concentreaz razele soarelui spre colectori care ating temperaturi foarte mari(uneori pn la 600 de grade C). Astzi, exist un numr mare de centrale comerciale active, altele mai mari urmnd s fie construite.Cazuri particulare1.Spitalul St. Rose dinSan Antonio,Texasfolosete un sistemtermo-solar de nclzire pentru 90% din totalul de apa cald necesar. Sistemul are un bazin de 30000 de L i un colector cu o suprafa de 5000 de metri ptrai. Acest mod de obinere a apei calde ajut spitalul s economiseasc 17.000$ pe an.2. Locatari acestui bloc din Honolulu, Hawai au optat n anul 1984 pentru folosirea energiei termo-solare la nclzirea apei datorit preurilor mari ale petrolului. Sistemul folosete aproximativ 50 de colectori cu taler plat de 48 metri ptrai i un bazin de 13500 l pentru asigurarea a 70% din totalul necesar de ap cald.3. Aceast central termo-solar folosete un sistem cu receptor central si are o putere de 10 MW.4.n California de Sud (S.U.A.) exist 9 centrale cu sisteme de albii, numite i SEGS(Solar Electric Generating Systems) ce genereaza n total 354 de megawai. Sistemele cu albii sunt cele mai fiabile i economice sisteme termo-solare.Avantajele energiei electrice termico-solare:se obine electricitate i ap cald n acelai timpcentralele pot fi adaptate la aplicaiile pentru care sunt folositepoluarea este foarte mic sau inexistentconstruirea centralor termo-solare se face mult mai repede dect a centralelor conevenionaleViitorul energiei termo-solarePentru a crete eficiena sistemelor trebuie folosite materiale mai uoare n construcia colectorilor termo-solari. Oamenii de stiina ai Departamentului American de Energie au constatat c sarea topit absoarbe i stocheaz foarte eficient cldura soalar. Deasemenea s-au fcut experimente la Universiatea din Chicago pentru dezvoltarea unui sistem de concentrare ce crete intensitatea soarelui de 60.000 de ori. Guvernul american a planificat n anii urmtori construirea unor centrale de 100 MW ce folosesc sisteme de colectare cu receptor central.Celulele fotovoltaiceIntroducereCelulele fotovoltaice transform razele solare n electricitate. n ultimii ani au aprut noi tehnologii de conversie fotovoltaic cu o eficien mare i pre redus. Panourile fotovoltaice sunt n ziua de azi din ce n ce mai folosite, mai ales n zonele izolate, n care nu se poate produce energie electric prin metode convenionale. Sistemele fotovoltaice sunt uor de mnuit, au nevoie rar de ntreinere i nu polueaz mediul nconjurator.TeorieCeluele fotovoltaice(CF) folosescmateriale semiconductoarepentru a capta energia solar. Pentru a crete cantitatea de radiiaii ce alimenteaz panourile fotovoltaice se folosesc sisteme de concentrare i cutare a razelor solare.Conversia fotovoltaicAcest capitol prezint felul n care celulele fotovoltaice capteaz radiaiile solare i le transform n energie electric. Se va explica numai cazul n care celulele sunt fabricate din cristale de siliciu, dei exist i cazuri n care acestea sunt formate din alte materiale semiconductoare. Totui principiile de baz sunt aceleai.Alctuirea dispozitivelor fotovoltaiceO celula solar conventional const ntr-o napolitan de siliciu de o grosime de aproximativ 0.5 mm. Celulele tipice au un diametru de 10 cm, produc 1 W de energie i sunt grupate n module de 12. Modulele sunt la rndul lor grupate n panouri, care formeaz dispozitive de captare a energiei solare.Modul de functionare al celulelor fotovoltaiceCnd un cristal pur de siliciu(A-B) este luminat de o raz de soare, unul sau mai muli electroni sunt ndeprtai de nucleu(C), n locul acestora formndu-se "guri". Aceste guri sunt umplute ulterior cu ali electroni, proces n urma cruia se degaj energie(D).CF conventionale transform ntre 5 si 15% din energia solar n energie electric. Unele celule experimentale, fabricate din materiale foarte scumpe, au o eficien aproape dubl dar numai n anumite condiii de laborator.Tipuri de celule fotovoltaice1.CF conventionale2.CF subiri3.CF sferice4.CF multijuncionale5.CF policristaline6.CF fr siliciu1.Cele mai multe CF din ziua de azi sunt celule cu un singur cristal de siliciu. Celulele de siliciu sunt relativ ieftine, eficiente i fiabile.2. Sunt alctuite tot din siliciu dar sunt fabricate printr-o metod avansat. CF subiri folosesc mult mai puin siliciu dect celulele convenionale dar sunt mai puin eficiente i mai scumpe.3.Sunt fabricate cu ajutorul unei tehnologii noi dezvoltat de Texas Instruments Corporation. Celulele sferice funcioneaz n acelai fel ca i cele convenionale dar difer prin forma lor. Ele sunt formate din mai multe sfere de siliciu acoperite cu aluminiu pentru a asigura ntre ele un contact electric. Celulele sferice sunt uor de fabricat, sunt relativ ieftine i nu necesit o puritate mare a siliciului.6.Multe metale pot fi transformate n semiconductoare i folosite n CF. Unele dintre ele sunt deja folosite n timp ce altele sunt n faz experimental.Piaa CF s-a dezvoltat rapid, astfel c, n ziua de azi, exist foarte multe aplicaii ale acestora. Cu ct preurile vor scdea mai mult cu att sistemele fotovoltaice se vor nmulii.Unele locuine folosesc sistemele fotovoltaice pentru a nlocui sau suplimenta sursele de energie electric convenionale. Un sistem casnic independent este format din panouri solare(A), o baterie(B) care stocheaz energie pe timpul nopii, i un mecanism(C) ce permite aparatelor casnice convenionale s fie alimentate cu electricitate solar. Unele locuine folosesc aparate casnice speciale pentru energia electric solar. 2.Alimentarea sistemelor izolateSistemele fotovoltaice alimenteaz la ora actual, n toata lumea, mii de sisteme de comunicaii izolate. Ele pot fi reprezentate de sisteme radio, telefoane, sisteme de control i multe altele.n fiecare an coroziunea metalelor aduce pagube de milioane de dolari n toat lumea. Pentru a prevenii aceste coroziunii se folosete protecia catodic, adeseori alimentat de panouri fotovoltaice. Cele mai multe sisteme de protecie catodica au nevoie de mai puin de 10 kW de energie electric.Capacitatea bateriilor scade dac acestea nu sunt folosite o perioad mai lung de timp. Pentru a prevenii aceast problem sistemele fotovoltaice pot furniza bateriilor un curent mic i constant.Sistemele de avertizare izolate pot fi deasemenea alimentate de electricitatea solar.n Statele Unite exist peste 6000 de sisteme de iluminat alimentate cu panouri fotovoltaice.Pentru a menine unele sisteme de irigaii se folosete energia electric solar obinut cu ajutorul celulelor fotovoltaice.