Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

În viitor, nu va exista o unică sursă de energie, ci multe surse regenerabile (şi neregenerabile) care vor fi combinate pentru a răspunde cerinţelor de electrificare ale planetei. Energia fotovoltaică este una dintre aceste surse.

Cu ajutorul turbinelor eoliene, energia solară poate fi convertită indirect în electricitate, trecând prin stadiile intermediare ale încălzirii diferenţiale a aerului şi conversiei acestei energii a vântului în rotaţia unui rotor al unui generator.

Utilizând celulele solare, este posibilă convertirea directă a luminii solare în electricitate prin procesul fotoelectric. Deoarece lumina soarelui este distribuită uniform, orice clădire are potenţialul de a genera local electricitate. Ca şi în cazul încălzirii solare a apei (capitolul 6), acoperişul este locul cel mai convenabil de montare a celulelor solare, dacă este corect orientat pentru a primi radiaţia solară.

În acest modul, două tipuri de energie se fac remarcate. Primul este energia radiantă a soarelui (lumina), sursa cea mai uniform distribuită din câte există. Cea de a doua este energia electrică produsă, energia cea mai utilizată de către copii.

10.1 Energia solară

Soarele este o stea născută acum 5 miliarde de ani. Se află cel mai aproape de pământ, la o distanţă de 150 de milioane de kilometri. Diametrul său este de 100 de ori mai mare decât diametrul pământului.

Energia transmisă de soare provine dintr-un lanţ de reacţii de fusiune nucleară. Aceste reacţii crează o radiaţie cu o putere de 66 milioane de Waţi/m2 la suprafaţa soarelui. Această energie radiantă este dispersată din momentul în care îşi părăseşte sursa. Când pătrunde în atmosfera pământului, puterea sa medie este de 1360 Waţi/ m2. La atingerea suprafeţei pământului are o putere de numai 1000 Waţi/ m2 în cazul în care cerul este senin, deoarece atmosfera reflectă şi absoarbe o parte din radiaţie.

Energia radiantă a soarelui este transformată în mici pachete de particule de energie numite fotoni şi conţine un întreg spectru de lungimi de undă. Lungimile de undă vizibile de către ochiul uman formează ceea ce noi numim lumină. Viteza luminii este de 300 000 km/secundă.

10.2 Mişcarea Soarelui

Cantitatea de energie radiantă transmisă de soare variază în spaţiu şi timp (odată cu schimbarea anotimpurilor). Cantitatea de energie captată la orice locaţie dată depinde de unghiul de elevaţie () şi de unghiul de azimut () din acel loc şi din acel moment, vezi Figura 10.1. Unghiul de elevaţie este cel mai ridicat în timpul solstiţiului de vară şi cel mai scăzut în timpul solstiţiului de iarnă.

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Unghiul de elevaţie al soarelui măsoară înălţimea de pe cer a soarelui faţă de orizont.

Unghiul de azimut indică direcţia soarelui în plan orizontal faţă de o direcţie de referinţă (de obicei faţă de sud).

Figura 10.1 Elevatia şi unghiul de azimuth

Intensitatea radiaţiei solare variază de asemenea odată cu grosimea masei de aer pe care radiaţia trebuie să o traverseze. Dacă soarele este vertical la prânz, atunci această distanţă are valoarea minimă, în timp ce dacă soarele este înclinat (elevaţie) cu doar 30º, distanţa de străbătut este dublă. Cu cât suntem mai la nord, cu atât elevaţia este mai mică mai ales în timpul lunilor de iarnă.

Latitudinea şi condiţiile climatice determină un anumit număr de ore pe an în care soarele este vizibil pe bolta cerească şi iradiaţia anuală (măsurată în kWh/m2). Iradiaţia anuală care soseşte pe o suprafaţă orizontală descreşte cu latitudinea după cum se poate vedea în Figura 10.2.

Figura 10.2 Iradiaţia globală

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Schimbarea poziţiei soarelui pe cer de la oră la oră şi de la zi la zi poate fi determinată pe o diagramă a traiectoriei soarelui (Figura 10.3). Poziţia soarelui în raport cu orizontul este exprimată prin unghiul de azimut (axa orizontală) şi unghiul de elevaţie (axa verticală).

Poziţia zilnică a soarelui pe cer aproximativ în ziua 21 a fiecărei luni este indicată cu ajutorul a şapte curbe orizontale. Cea mai de sus corespunde lunii iunie (solstiţiu de vară), iar cea de jos lunii decembrie (solstiţiu de iarnă). Celelalte cinci corespund fiecare la două luni; de exemplu, linia pentru 20 martie este aceeaşi cu cea pentru 23 septembrie. Liniile verticale împart curbele desenate în ore corespunzătoare întregii zile.

Figura10.3: Diagrama traiectoriei soarelui

Relieful şi obstacolele de pe suprafaţa pământului vor reduce de asemenea intensitatea energiei radiante în anumite momente şi în anumite anotimpuri. Pentru a cunoaşte potenţialul energetic al unui loc trebuie desenată o linie a orizontului pe diagrama traiectoriei soarelui. Dispozitivul de măsură utilizat pentru construiea unei astfel de linii se numeşte clinometru. El măsoară unghiul unei raze solare deasupra sau dedesubtul orizontului (vezi Activităţile 10.1 şi 10.2).

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Activitatea 10.1: Confecţionaţi-vă propriul clinometruActivitatea 10.1: Construiţi-vă un clinometru

Activităţi:1. Treceţi sfoara prin gaura din raportor.2. Agăţaţi agrafa la capătul sforii.3. Lipiţi cu scotch tubul prin axa de simetrie a raportorului.

Note pentru profesori: Clinometrul va fi utilizat în Activitatea 1.2.Cunoştinţe necesare: Un clinometru este un aparat de măsură folosit pentru a măsura unghiul unei raze solare deasupra sau dedesubtul orizontului.Scop: A înţelege ce este unghiul de elevaţie prin construirea (şi apoi utilizarea) unui dispozitiv de măsurareMaterial: un raportor, o sfoară, o agrafă de birou, un tub prin care se poate trece un creion, bandă de lipitCuvinte cheie: măsurare, unghi, înălţimeAbilităţi: îndemanare, măsurare, interpretareMaterii din curriculum naţional: Ştiinţe şiTehnologieGrupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 1 oră

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Activitatea 10.2: Desenaţi o diagramă a liniei orizontului din dreptul propriei caseActivitatea 10.2: Desenaţi o diagramă a liniei orizontului din dreptul propriei case

Activităţi:1. Instalaţi-vă în locul în care doriţi să urmăriţi soarele. 2. Luaţi-vă compasul şi începeţi cu estul. 3. Luaţi-vă clinometrul şi îndreptaţi-l spre vârful obstacolului (dacă există astfel de

obstacol) situat spre est. 4. Citiţi unghiul de elevaţie indicat de clinometru.5. Însemnaţi acest unghi de elevaţie pe grafic. 6. Continuaţi măsurătorile faţă de obiecte aflate din ce în ce mai spre vest.

Întoarceţi-vă progresiv cu compasul cu câte 10°. 7. Uniţi puntele. Relieful suprafeţei pământului şi orice alte obstacole prezente vor

apărea pe grafic (vezi exemplul de mai jos). Note pentru profesori: Diagrama traiectoriei soarelui din această activitate va fi utilizată în Activitatea 4.4.Cunoştinţe necesare: Schimbarea poziţiei soarelui pe cer de la o oră la alta şi de la o zi la alta poate fi determinată pe o diagramă a traiectoriei soarelui. Caracteristicile peisajului şi obstacolele vor reduce energia radiantă primită într-o anumită zonă la o anumită oră şi într-un anumit anotimp. Pentru a vizualiza acest lucru, traiectoria soarelui într-o anumită zonă trebuie să fie desenată pe diagrama traiectoriei soarelui.Scop: Înţelegerea şi demistificarea diagramelor pentru traiectoria soarelui şi linia orizontuluiMaterial: compas, clinometru, foi pentru diagramele de traiectorie a soareluiCuvinte cheie: unghiul de azimut, unghiul de elevaţie, traiectoria soareluiAbilităţi: măsurare, precizie, trasareMaterii din curriculum naţional: Ştiinţe şi Tehnologie, Matematică, GeografieGrupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 3 ore

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

10.3 Procesul fotovoltaic

Electronii sunt particole atomice care se rotesc în jurul nucleului, care mai cuprinde alte două tipuri de particole, protoni şi neutroni strâns legaţi între ei. Electronii sunt particule încărcate negativ, protonii sunt încărcaţi pozitiv, iar neutronii sunt neutrii din punct de vedere electric. Fiecare electron se roteşte în jurul nucleului pe orbite. Deoarece particolele de sens opus se atrag între ele, electronii sunt legaţi de orbite. În materialele conductoare, pot părăsi cu uşurinţă orbitele prin aplicarea unui câmp electric formând astfel un curent electric.

Efectul fotovoltaic este un fenomen fizic care are loc numai în materiale numite semiconductori. Când particule de lumină numite fotoni lovesc suprafeţele semiconductorilor, îşi transferă energia către electronii acestor materiale, deplasându-I de pe orbită. Dacă semiconductorul este dopat cu impurităţi potrivite care fac ca electronii să fie atraşi spre o suprafaţă, se stabileşte o sarcină electrică, care stă la baza unui curent electric.

fotoni

electroni

Figura 10.4 Principiul celulei fotovoltaice

Energia radiantă a soarelui este astfel transformată în energie electrică. Efectul fotovoltaic generează curent direct fără a se utiliza piese metalice mobile sau a face zgomot. Efectul fotovoltaic a fost descoperit de Edmond Bacquerel în 1839.

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Activitatea 10.3: Hai să ne jucăm cu pietricele!Activitatea 10.3: Hai să ne jucăm cu

pietricele!Acest mini joc de billiard reprezintă efectul fotovoltaic:

Terenul de joacă = folie de siliconTubul = conductorul electricPietricelele albastre = electroni din siliconPietricelele galbene = fotoni

Activităţi: Înfăşuraţi folia de plastic astfel încât să faceţi din ea un tub. Folosiţi scotch pentru a evita schimbarea formei tubului. Tăiaţi un pătrat din cutia de carton, lăsându-i o ramă de 2 cm înălţime. La un capăt al terenului de joacă pe care astfel l-aţi creat faceţi o gaură în care să puteţi introduce tubul (care să fie plasat la acelaşi nivel cu terenul).Aranjaţi pietricelele pe teren.Împingeţi pietricelele albastre în tub împreună cu cele galbene pentru a crea un curent de pietricele (curent electric).Note pentru profesori: Un careu de joc mult mai robust se poate construi din lemn. Cunoştinţe necesare: Fotonii sunt particule de lumină. Electronii sunt particule electrice. Când fotonii lovesc a folie subţire de silicon, ei îşi transferă energia electronilor de silicon. Electronii se îndreaptă apoi într-o anumită direcţie, creând astfel un curent electric. Scop: A demistifica şi a facilita înţelegerea intuitivă a efectului fotovoltaic.Material: Pietricele galbene şi albastre, o cutie mare de carton, o folie transparentă de plastic, foarfece, un cutter, scotch şi vopsea Cuvinte cheie: fotoni, electroni, silicon, efect fotovoltaic, electricitateAbilităţi: imaginaţie, îndemânareMaterii în curriculum naţional: Ştiinte şi TehnologieGrupa de vârstă: 7+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 2 ore

10.4 Celule şi module fotovoltaice

Materialul folosit pentru celulele fotovoltaice este siliconul. Siliconul este făcut din siliciu, primul element constitutiv al nisipului. După ce urmează un proces de purificare la temperaturi ridicate, siliconul este păstrat pentru aplicaţii electronice. Deşeurile de silicon din industria electronică pot fi retopite şi folosite pentru fabricarea celulelor fotovoltaice.

Cristalele foarte pure de silicon (sau silicon amorf) sunt tăiate în felii subţiri cu o grosime de aproximativ 300 microni. O suprafaţă este apoi dopată cu un element care are un electron mai mult decât siliconul pentru a crea o sarcină pozitivă şi cealaltă suprafaţă cu un element care are un electron mai puţin pentru a crea o sarcină negativă. Aceste suprafeţe vor atrage sau vor respinge electronii fotonilor sosiţi, creând astfel un curent electric.

Procesul de producere a celulelor include următoarele etape:1. Recuperarea deşeurilor de silicon din industria electronică.2. Retopirea siliconului.3. Modularea lui în blocuri de silicon. 4. Fărâmiţarea blocurilor de silicon astfel încât să se obţină celule de o grosime de 300 de

microni.5. Tratarea suprafeţei celulelor pentru a obţine un pol + şi unul -. 6. Întretăierea celulelor cu foiţe de conductor pentru a se forma o reţea.

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

Fiecare celulă generează o foarte mică cantitate de electricitate. Pentru a obţine un curent electric mai mare şi pentru a creşte puterea debitată, celulele sunt conectate în serie pentru a forma panouri fotovoltaice de dimensiuni mari sau “module”. Deoarece celulele sunt extrem de fine şi fragile, ele sunt protejate de un înveliş impermeabil şi un strat de sticlă transparent şi solid. Modulele sunt în general dretunghiulare şi au o grosime de de câţiva centimetri. Ele pot fi integrate în materiale de construcţie (cadre transparente).

Procesul de producere a modulelor include următoarele etape:1. Celulele gata pentru asamblare2. Asamblarea celulelor în serii pentru a colecta curentul electric3. Inserţia celulelor asamblate în spaţiul dintre un strat de geam transparent

(plasat cu faţa la soare) şi un alt suport din material rigid 4. Încadrarea într-o ramă de aluminiu5. Terminarea modulului sau panoului fotovoltaic. Puterea generată de un modul în condiţii

optime ale radiaţiei solare (1kW /m2 de energie radiantă) este denumită capacitatea de vârf a modulului (unitatea sa de măsură este Wp).

Activitatea 10.4: Construirea celulelor şi modulelor fotovoltaice Activitatea 10.4: Construirea celulelor şi modulelor fotovoltaice

Activităţi: Reasamblarea figurilor într-o ordine corectă pentru a ilustra modul în care se construiesc celulele şi modulele fotovoltaice.Note pentru profesori: Decupaţi şi amestecaţi paşii de urmat. Cunoştinţe necesare: Paşii procesului de producere a celulelor şi modulelor sunt date anterior. Scop: Înţelegerea modului de contruire a celulelor şi modulelor fotovoltaiceMaterial: Copii xerox ale următoarelor două pagini.Cuvinte cheie: celulă fotovoltaică, modul-e, silicon, conductorAbilităţi: logică, analiză, memorieMaterii în curriculum naţional: Ştiinţe şi Tehnologie, Limbi străine.Grupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 1 oră

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

PRODUCEREA CELULELOR FOTOVOLTAICE

KITH - Manual pentru şcoli

Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

PRODUCEREA MODULELOR FOTOVOLTAICE

KITH - Manual pentru şcoli

10.5 Sisteme independente

Dacă reţeaua electrică nu ajunge până la o locuinţă, este posibil ca locuinţa să-şi producă propria electricitate. În orice caz, această electricitate va trebui înmagazinată, deoarece fluxul solar variază pe durata zilei şi odată cu modificarea vremii. În acest fel, se va putea obţine un curent electric regulat. Bateriile sunt modul cel mai obişnuit de înmagazinare a electricităţii, deoarece pot înmagazina electricitate pe durate lungi de timp. (Figura 10.5).

Panourile fotovoltaice produc electricitate. Bateriile înmagazinează electricitatea.Regulatorul reglează injecţia de curent în baterii astfel încât acestea să nu se consume prea repede. Alternatorul transformă curentul continuu din baterii în curent alternativ dacă receptorii din locuinţă utilizează curent alternativ (alternatorul nu va fi necesar dacă receptorii folosesc curent continuu).

Figura 10.5 Sisteme independente

Pentru « a dimensiona sistemul solar » trebuie luate în consideraţie următoarele:

a) Cum locuinţa trebuie să fie independentă de electriciate, consumul zilnic trebuie să fie calculat. Pentru a face acest lucru, consumul de energie al tutuor receptorilor, în funcţie de nevoile familiei, trebuie să fie însumat odată la o perioadă de 24 de ore. Numărul de baterii va fi apoi ales astfel încât să se satisfacă necesarul de energie, cu o mică marjă de siguranţă.

b) Numai odată ce această etapă este încheiată se poate cunoaşte suprafaţa necesară de panouri fotovoltaice. Trebuie să fie suficientă pentru a încărca bateriile în fiecare săptămână. Va depinde în mare măsură de cantitatea de energie solară disponibilă în locuinţă. După cum am constatat mai devreme, energia radiantă a soarelui variază cu latitudinea, relieful, climatul şi obstacolele. Luarea unei hotărâri în ceea ce priveşte toate aceste deziderate se numeşte «dimensionarea unui sistem solar».

Este important ca apoi să se aleagă echipament cu consum redus, deoarece de obicei acest echipament, utilizat pentru înmagazinarea energiei în baterii, ocupă mult spaţiu şi este scump. În orice caz, autonomia acestor sisteme face posibilă evitarea unei munci dificile pentru extinderea reţelei de electrificare. Cabanele montane, toaletele izolate, clădirile fermelor, stâlpii de telecomunicaţii, pompele de apă, refugiile etc. au fost echipate cu sisteme fotovoltaice (generatoare solare).

Activitatea 10.5: Confecţionaţi-vă propriul carusel alimentat cu energie solară Activitatea 10.5: Confecţionaţi-vă propriul carusel alimentat cu energie solară

Activităţi: Construirea unei case şi a unui carusel

Perforaţi două găuri pe baza pe care se vor afla căsuţa şi caruselul.

Cu un burghiu, faceţi o gaură în centrul unei cutii. Gaura trebuie să aibă diametrul pinionului.

Desenaţi şi decupati pe un carton pereţii căsuţei: 2 dreptunghiuri x (7 cm x 6 cm) şi 2 dreptunghiuri x ( 7 cm x 9 cm). În continuare tăiaţi frontonul la 6 cm de sol.

Desenaţi pentru acoperiş două dreptunghiuri de (6 cm x 9 cm). Lipiţi între ei pereţii căsuţei şi numai o parte a acoperişului. Taiaţi un dreptunghi de 2 cm x 3,5 cm de pe o parte a acoperişului. Taiaţi două pătrate 3 cm x 3 cm care se lipesc împreună, apoi lipiţi-le dedesubt pentru a forma

un piedestal pe care se va lipi motorul.Faceţi conexiunile electrice Conectaţi/branşaţi cablul electric dublu la polii celulei fotovoltaice, apoi strângeti cuplajul cu o

unealtă/foarfece. În continuare, lipiti celula de acoperiş şi acoperişul de căsuţă. Treceţi firul prin gaură şi lipiţi căsuţa de bază. Celula trebuie să fie pe acea parte a acoperişului pe care nu cade umbra caruselului.

Treceţi cablurile de la motor prin cea de-a doua gaură din bază. Conectati cablurile care provin de la celule la cablurile motorului şi fixaţi-le dedesubtul bazei

cu bandă adezivă. Lipiţi cu bandă adezivă (nu cu lipici) motorul de suport şi puneţi cutia pe axa motorului. Lipiţi

rola de carton de la hîrtia igienică de cutie.Verificaţi dacă dispozitivul (caruselul) funcţionează (cu un bec de 100 W sau cu lumina soarelui).

Note pentru profesori: Această activitate poate fi finalizată într-o şedinţă de 3 ore sau în două de câte o oră şi jumătate. Vezi secţiunea 6c pentru furnizarea de materiale electrice. Cunoştinţe necesare: Casa este echipată cu un suistem fotovoltaic independent. Nu se utilizează baterii. Caruselul se învârte doar când este soare.Scop: Demonstrarea faptului că sistemele fotovoltaice independente produc electricitate, iar pentru a avea electricitate când nu este soare sunt necesare baterii, care se încarcă când soarele străluceşte. Material: Casa şi carusel: Carton gros de formă dreptunghiulară de dimensiune 25 cm x 15 cm pentru bază, carton pentru casă, role de carton de hârtie igienică, cutii cilidrice de carton sau de lemn.Material electric: Celule fotovoltaice, motoare electrice de mică dimensiune, pinioane pentru axele motorului, cablu electric bifilar tăiat în bucăţi de 20 cm lungime şi dezizolat (câte 1 cm la fiecare capăt), bandă izolatoare, bec de 100W.Instrumente: cleşte dezizolator, lipici, foarfece, cutter. Cuvinte cheie: electricitate, circuit, celulă fotovoltaică, motor, soareAbilităţi: îndemânare, precizieMaterii în curriculum naţional: Ştiinţe şi tehnologieGrupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 3 ore

10.6 Sisteme conectate la reţeaUn acoperiş fotovoltaic conectat la reţea este pur şi simplu o mică centrală electrică instalată cât de aproape de locul unde este necesară energia. Nu este necesar să înmagazinezi electricitate, deoarece energia este injectată în reţea pentru a fi folosită de alte locuinţe. Energia poate fi în acest fel cumpărată şi vândută. Aceasta este o producţie de energie electrică locală şi nepoluantă, care poate fi utilizată în scopuri personale sau în cele ale comunităţii.

Panourile fotovoltaice produc energie electrică. Un alternator special transformă curentul electric astfel încât acesta să respecte cu rigurozitate caracteristicile impuse de reţea. Se va semna un contract cu firma responsabilă pentru transportul de energie electrică. Un contor electric înregistrează cantitatea de energie electrica injectată în reţea, cantitate care va fi platită de către compania de electricitate.

Figura 10.6 Sistem conectat la reţea

Activitatea 10.6: Casa fotovoltaicăActivitatea 10.6: Casa fotovoltaică

Activităţi: Localizaţi următoarele echipamente: Panourile fotovoltaice (PV), alternatorul, contorul de măsurare a energiei fotovoltaice produse, contorul de măsurare a energiei consumate de la reţea, reţeaua, receptorii electrocasnici şi numele lor.Note pentru profesori: Tipurile de sisteme conectate la reţea variază de la o ţară la alta. Cunoştinţe anterioare: “Casa fotovoltaică” este echipată cu un sistem fotovoltaic conectat la reţea. Nu sunt necesare baterii pentru păstrarea electricităţii, deoarece electricitatea este întotdeauna disponibilă de la reţea, chiar şi atunci când soarele nu străluceste şi panourile fotovoltaice nu produc nimic. Un contor măsoară electricitatea produsă de către panouri şi injectată în retea. Alt contor măsoară electricitatea consumată de la reţea. Scop: Arătarea diferenţei între sistemele independente şi cele conectate la reţea. Material: Fotocopii ale următoarei foi de lucru.Cuvinte cheie: reţea, conectat, contor, injectare de electricitate.Abilităţi: logică, analiză, memorieMaterii în curriculum naţional: Ştiinte şi tehnologieGrupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 1 oră

Foaie de lucru: ACTIVITATEA 10.6

În majoritatea caselor individuale sau a blocurilor există spaţiu suficient pentru instalarea panourilor fotovoltaice capabile să producă majoritatea electricităţii consumate anual.

Figura 10.7 prezintă energia electrică medie produsă – sau energia PV de ieşire – pe metru pătrat de panou fotovoltaic. Unitatea de măsură este kWh/m2, ca şi în Harta de Iradiaţie Globală, dar acum m2

se referă la suprafaţa modulului şi nu la suprafaţa de teren. Producţia anuală de energie electrică al unei centrale fotovoltaice depinde de:

Expunerea la soare a locului (iradiaţia anuală primită). Un factor de corecţie bazat pe diferenţa în orientare faţă de sud, înclinarea panourilor faţă de

planul orizontal şi existenţa oricărui fel de zonă umbrită datorată obstacolelor din locul respectiv. Caracteristicile tehnice ale modulelor (puterea teoretică maximă pe care o pot produce în condiţii

standarde de expunere la razele soarelui) şi alternatorului.

În realizarea hărţii următoare, am presupus că se utilizează cele mai obişnuite module fotovoltaice disponibile pe piaţă şi că panourile solare sunt îndreptate spre sud şi înclinate cu 30° faţă de pământ (condiţii optime de instalare).

Figura 10.7 Harta energiei fotovoltaice generate

Activitatea 10.7: Cât la sută din electricitate ar putea fi produsă de 10 m2 de panouri fotovoltaice în casa mea?

Activitatea 10.7: Cât la sută din electricitate ar putea fi produsă de 10m2

de panouri fotovoltaice (PV) în casa mea?

Activităţi: Mai întâi, să ne facem o idee cât de mult soare primeşte casa voastră: 1. Determinaţi direcţia (direcţiile) feţelor acoperişului.2. Trasaţi linia orizontului pentru casa voastra (Activitatea 1.3).

Apoi, priviţi mai de aproape consumul de electricitate din casa voastră şi ce suprafaţă de panouri fotovoltaice ar fi necesare pentru producerea acestei electricităţi:3. Consultaţi factura de energie electrică a locuinţei voastre pentru a determina

consumul anual de electricitate al familiei voastre. Cantitatea (A) va fi dată în kWh.4. Localizaţi oraşul, satul sau zona pe Harta de Energie Fotovoltaică Generată (pagina

următoare) pentru a determina energia totală generată anual disponibilă pe m2 de sistemul fotoltaic clasic. Cantitatea (B) va fi dată în kWh/m2/an, unde m2 se referă la suprafaţa modulului fotovoltaic (nu la suprafaţa de teren).

5. Calculaţi numărul de metri pătraţi de panouri PV (C) necesar pentru producerea cantităţii de electricitate utilizată în casa voastră (C=A/B).

6. Calculaţi acum cantitatea de electricitate (D) produsă într-un an de 10 m2 de panouri PV instalate pe acoperişul vostru (D=B*10) şi calculaţi cât reprezintă în % din consumul vostru de electricitate (100*D/A).

Note pentru profesori: Paşii 3, 4, 5 şi 6 pot fi completaţi independent de 1 şi 2. Cunoştinţe anterioare: 1. Modulele fotovoltaice se plasează în mod obişnuit pe acoperiş sau pe pământ. Cel mai

bine este ca ele să fie orientate spre sud, deoarece vor primi astfel un maxim de energie solară, dar este acceptabil să fie orientate şi către est sau vest.

2. Modulele fotovoltaice trebuie să aibă o “vedere” clară. Aceasta înseamnă că ele trebuie să fie puţin umbrite, altfel cantitatea de electricitate produsă va fi semnificativ redusă.

3. Este posibil de evidenţiat energia electrică produsă anual pe m2 de sistem fotovoltaic (unitate kWh/m2/an). Acest lucru a fost făcut în Harta de Energie Fotovoltaică Generată presupunând că se utilizează cele mai obişnuite module fotovoltaice, că ele sunt orientate spre sud şi că sunt înclinate la 30° faţă de pământ (condiţii optime de instalare).

4. Dimensiunea fizică a sistemului fotovoltaic este dată de puterea electrică cerută. 5. Când o familie decide să utilizeze panouri PV, trebuie mai întâi să reducă consumul de

energie electrică astfel încât să fie satisfăcut de o suprafaţă între 10 m2 şi 20 m2 de panouri.

Scop: Demistificarea sistemelor fotovoltaice. Utilizaţi exerciţiile pentru a obţine informaţii cu valoare practică pentru familii.Materiale: factura de energie electrică a familiei, foaia de lucru cu Harta de Energie Fotovoltaică Generată.Abilităţi: logică, analiză, calculMaterii în curriculum naţional: Ştiinţă şi Tehnologie, Matematică, Geografie, Educaţie CivicăGrupa de vârstă: 11+Timpul minim necesar pentru completarea activităţii: 2 ore

Foaie de activitate: ACTIVITATEA 10.7

Activitatea 10.8: Cum poţi să obţii informaţiiActivitatea 10.8: Cum poţi să obţii informaţiiEste dificil să obţii informaţii despre modul de aplicare a tehnologiei fotovoltaice în gospodărie sau despre probleme referitoare la energie. Există totuşi numeroase surse de informaţie disponibile, mai multe dacât aţi putea crede.Activităţi:1. Gândiţi-vă unde veţi putea obţine informaţii despre tehnologia fotovoltaică aplicabilă în casa

voastră.2. Completaţi Foaia de activitate 10.8 arătând sursele de informaţie utilizate (Da/Nu) şi ce preferaţi

să utilizaţi (Pr.).Note pentru profesori:Cunoştinţe anterioare: Informatiile relative la aplicarea tehnologiei fotovoltaice în locuinta pot avea efecte economice benefice dacă sunt aplicate. Această activitate oferă oportunitatea de a identifica preferinţele elevilor când caută informaţii şi sfaturi.Scop: Această activitate simplă are două scopuri: 1) ilustrarea multiplelor surse de informare disponibile pentru elevi 2) informarea profesorilor despre sursele de informaţii pe care le preferă elevii.Materiale: internet, carte de telefonCuvinte cheie: consultare energetică, furnizare de informaţieAbilităţi: căutarea de informaţii, punerea de întrebări potriviteMaterii în curriculum naţional: Grupa de vârstă:

Foaia de lucru 10.8Pr Da Nu Pr Da Nu

Asociaţie de consumatori ONG-uriCentre de consultare energetică

Părinţi

Ziua /săptămâna energiei Centre de informare telefonică

Expoziţii / târguri energetice locale

Biblioteci publice

Seminare / cursuri de energetică

Rude

Prieteni Bibliotecă scolarăInstalatori Profesori din şcoalăInternet Muzeul de ştiinţă / tehnicăReviste MagazineProducători Programme TVVecini Companii utilitare

Alte surse de informaţii pe care aţi dori să le utilizaţi:

10.7 Impactul asupra mediului

Impactul major este asociat cu producerea celulelor solare şi poate fi minimizat prin reciclarea materialelor.

Alt impact este cel vizual deoarece modulele fotovoltaice, ca şi modulele solare utilizate pentru încalzirea apei, vor fi vizibile de acoperisurile cladirilor.

10.8 Avantaje şi dezavantaje

Electricitatea fotovoltaică are multe avantaje: Tehnologia poate fi utilizată aproape oriunde deoarece soarele străluceşte peste tot. Echipamentul de producţie poate fi aproape întotdeauna instalat în apropierea locului de

consum, evitându-se astfel pierderile de electricitate datorate distribuţiei şi transportului. Dimensiunea instalaţiei poate fi ajustată cu uşurinţă în conformitate cu nevoile şi resursele

disponibile. Nu există poluare în timpul funcţionării. Nu sunt emisii de gaze, deşeuri, risc de accidente

fizice. Actitivăţile de întreţinere şi reparaţii sunt minime deaoarece nu există părţi în mişcare.

De asemenea, electricitatea poate fi produsă local, încurajându-se astfel autonomia şi descentralizarea.

Dazavantajele includ: Acoperişul clădirii poate să nu fie corect orientat, adică spre sud Tehnologia este scumpă, dar costurile sunt în scădere Preţul obţinut prin vinderea excesului de energie produsă este mult mai mic decât cel al

cumpărării echipamentului, astfel încât generarea în exces este remunerată inadecvat.

Activitatea 10.9 Producţia centralizată versus producţia decentralizată de electricitateActivitatea 10.9: Producţia centralizată versus producţia decentralizată de electricitate

ctivităţi: Sunt ilustrate două scenarii posibile de producere centralizată şi descentralizată de electricitate. Pe fiecare diagramă, identificaţi diferitele grupuri: producătorii de energie electrică, consumatorii de energie electrică şi producătorii şi consumatorii de energie electrică.Note pentru profesori: Scenariul centralizat: un producător şi mau mulţi consumatori, locul de producţie este foarte depărtat de consumatori, locul de producţie şi reţeaua de distribuţie sunt vulnerabile.Scenariul descentralizat: Mai mulţi producători şi consumatori, locurile de producere şi consum sunt apropiate şi locale, reţelele interconectate garantează solidaritatea distribuţiei. Cunoştinţe anterioare: Electricitatea poate fi produsă local, încurajându-se sistele de mici dimensiuni, autonomia şi descentralizarea. Scop: Înţelegerea modului de producere a electricitătii şi a soluţiilor posibile. Materiale: Foi de lucru pentru producerea centralizată de energie şi producerea descentralizată de energie.Cuvinte cheie: centralizat, descentralizat, mică dimensiune, dimensiuni mari.Abilităţi: logica, analizaMaterii în curriculum naţional: Ştiinţe şi Tehnologie, Educaţie civică, IstorieGrupa de vârstă: 11+Timp minim necesar pentru terminarea activităţii: 1 oră

Foaie de lucru: ACTIVITATEA 10.9 SOLUŢII

Legendă

Producători Consumatori Producători şi consumatori

Producere centralizată

Producere descentralizată

PRODUCEREA CENTRALIZATĂ DE ENERGIE ELECTRICĂUnde sunt producătorii? Unde sunt consumatorii? Există grupări care conţin şi producători şi consumatori?

PRODUCEREA DESCENTRALIZATĂ DE ENERGIE ELECTRICĂ Unde sunt producătorii? Unde sunt consumatorii? Există grupări care conţin şi producători şi consumatori?

10.9 Perspective În toate ţările europene, sistemele fotovoltaice primesc suficientă radiaţie solară pentru a produce majoritatea, dacă nu toată, electricitatea necesară în locuinte. De fapt, în ţările din nordul Europei, electricitatea fotovoltaică este mai dezvoltată decât în cele sud europene.

În Olanda, Germania şi alte ţări nord europene, utilizarea energiei fotovoltaice este larg răspândită şi se obţin progrese rapide datorită sprijinului politic. În aceste ţări, mişcarea antinucleară, problemele cauzate de industrializarea intensivă şi de marea densitate a populaţiei au condus la creşterea conştientizării problemelor legate de mediu. De mult timp, oamenii din aceste ţări doresc să utilizeze energii regenerabile. Această presiune din partea populaţiei a avut un puternic impact politic şi, în unele comunităţi, cerinţele politice formulate în acest sens sunt mai mari decât cele ale populaţiei.

În Franţa, radiaţia solară este bună, fiind suficientă pentru producerea de energie solară utilizabilă atât la scară redusă (în locuinţe), cât şi la scară extinsă (centrale electrice). Până acum, costul instalării sistemelor fotovoltaice a fost foarte ridicat şi, de aceea, energia fotovoltaică nu a fost foarte dezvoltată. Dar, în 2006, s-au stabilit noi tarife pentru a fi primite de persoanele care produc electricitate fotovoltaică şi o exportă în reţea şi anume 0,30 eurocenţi/kW pentru sistemele fotovoltaice clasice şi 0,55 eurocenţi/kW când panourile solare sunt integrate în clădiri. Timpul de recuperare al investiţiei se reduce, ceea ce va da avânt utilizării instalaţiilor fotovoltaice în Franta.

În România, potenţialul energetic solar rezultă din cantitatea de energie provenită din radiaţia solară, care în România are o valoare medie evaluată la 1100 KWh/m2/an. Distribuţia geografică a potenţialului energetic solar prezintă cinci zone, din care zona 0 cu potenţial de peste 1250 KWh/m2/an, iar zona IV cu potenţial sub 950 KWh/m2/an. Radiaţia solară cu valori mai mari de 1200kWh/m2/an se înregistrează pe o suprafaţă mai mare de 50% din suprafaţa totală a ţării. Utilizarea potenţialului energetic solar prin sisteme fotovoltaice se face în principal pentru alimentarea cu energie electrică a unor consumatori izolaţi cu consumuri mici de energie. Potenţialul exploatabil prin sisteme fotovoltaice în România este apreciat la 1200 GWh/an.

Capacităţile energetice noi pe sisteme fotovoltaice pentru perioadele 2003-2010 şi 2011-2015 este:

Surse regenerabile de energie

Perioada 2003-2010 Perioada 2011-2015

Capacităţi noiEfort investiţional mil euro

Capacităţi noiEfort investiţional mil euro

Fotovoltaic 1.50MW 7.5 9.5MW 48.0

Productia prognozata de energie electrica din surse regenerabile de energie pe termen mediu si lung pentru energia solara este:

Surse regenerabile de energie2010[MW]

2015[MW]

Energie solară 1860 11600

În România, la nivelul anului 2006, puterea instalată în dispozitive fotovoltaice era de aproximativ 150 kWe din care 50 kWe au fost instalaţi în acest an. Ţinta de 1500 kWe din 2010 pare greu de îndeplinit în condinţiile legislaţiei actuale. Ar însemna să fie instalaţi 450 kw/an începând din 2008, ceea ce ar însemna o investiţie medie de 2,7 milioane de Euro/an.

10.10 Concluzii

Potenţialul de generare a electricităţii utilizând lumina soarelui este foarte mare şi preţul aferent devine convenabil pe măsura îmbunătăţirii tehnologiei şi creşterii preţului electricităţii generate utilizând surse convenţionale, cum ar fi combustibilii fosili.

Alături de energia eoliană, aceste două surse de energie regenerabilă vor deveni în viitor modul dominant de generare a electricităţii pe măsura epuizării resurselor de combustibili fosili.

Anexă - Educaţia în domeniul energiei făcută în şcoli

Energia în curricula şcolară

Energia fotovoltaică produce energie şi nu căldură. Este foarte important să se facă această distincţie, astfel încât resursele de energie solară şi aplicaţiile lor să poată fi înţelese.

Energia fotovoltaică poate fi introdusă în curricula şcolară din multe unghiuri, chiar dacă acest lucru nu este citat în mod explicit.

Acolo unde curricula are în vedere circuitele electrice: explicaţi că celula fotovoltaică este un generator electric care poate înlocui o baterie chimică. Elevii pot apoi descoperi că există diferite surse de energie electrică, care pot fi regenerabile sau neregenerabile.

Acolo unde curricula are în vedere Pământul în sistemul solar: obiectul studiului îl constituie lumina, umbrele, punctele cardinale, busola, mişcarea aparentă a soarelui. Toţi aceşti parametri trebuie luaţi în considerare când vorbim despre energia solară. Elevii pot, în acest fel, să se familiarizeze cu noţiunile de bază pe care le vor putea folosi apoi în aplicaţiile practice cu generatoare fotovoltaice.

Activităţile legate de energia fotovoltaică pot servi obiective educaţionale, cum ar fi fabricarea de obiecte de către elevi şi organizarea de expoxiziţii în şcoală şi în biblioteci publice… Datele care prezintă descoperirile elevilor prezentate în expoziţii pot vectori de comunicare şi informare în domeniul energiilor regenerabile. Prezentarea şi explicarea de către elevi a proiectelor realizate, independent de dimensiunea lor, contituie paşi importanţi în educaţia în domeniul mediului şi le dovedesc că munca lor este importantă.

Un acoperiş fotovoltaic la şcoală

Pe baza activităţilor din acest modul, elevii se pot gândi la posibilitatea de a instala un sistem fotovoltaic (la şcoală, în comunitate, acasă…). Astfel, ceea ce învaţă la şcoală poate fi ancorat în experienţele zilnice ale elevului şi în mediul lui de viaţă.

Instalarea unui acoperiş fotovoltaic poate fi realizată în contextul unui proiect şcolar legat de energie sau de domeniul mai vast al mediului înconjurător. Un astfel de proiect este util ca instrument care deschide porţile spre multe descoperiri ştiinţifice şi tehnologice şi poate duce la apariţia unei atitudini de “eco-cetăţeni” în elevi.

Este un mare câştig educaţional să pui în funcţiune un proiect atât de aproape de şcoală, cu participarea studenţilor şi având un acces uşor la datele de la generatorul fotovoltaic. Succesul unui astfel de proiect are nevoie de existenţa unui parteneriat între profesori, municipalitate, elevi şi studenţi.

O astfel de instalaţie permite demonstrarea şi efectuarea de lecţii practice în domeniul energiilor regenerabile. Sunt încurajate cercetările în domeniul consumului şi economiei de energie, iniţiativele locale în domeniul energiilor regenerabile şi este promovată descentralizarea producerii de energie.

Finanţarea poate proveni din diferite surse şi iniţiative şi variază de la o regiune la alta.

Trebuie desfăşurate proceduri administrative pentru a declara sistemul fotovoltaic şi pentru a-l conecta la reţea pentru ca energia produsă să poată fi cumpărată de către o firmă de distribuţie a energiei. Curentul electric economisit şi veniturile de pe urma curentului produs de către sistem vor permite ca cel puţin o parte din costul acestuia să fie rambursat.

Situri internet utile

homepower.org Energie regenerabilă pentru locuinţe şi soluţii durabilemillionsolarroofs.org Initiaţiva public-privată de facilitare a vânzării şi instalării a

unui million de « acoperişuri solare » până în 2010

www.pvportal.com Portal al energiei fotovoltaice

Situri Internet utile în România

Organisme guvernamentale:

Autoritatea Naţională de Reglementări în domeniul Energiei - www.anre.roAgenţia Română pentru Conservarea Energiei - ARCE - www.arceonline.roMinisterul mediului şi dezvoltării durabile - www.mmediu.ro

Asociaţii care nu au statut de organizaţie naţională:

Comitetul Naţional Român al Consiliului Mondial al Energiei - www.cnr-cme.roAsociaţia pentru Politici Energetice în România - www.aper.ro

Piaţa certificatelor verzi:

Operatorul pieţei de energie electrică din România - www.opcom.ro

Promovarea utilizării resurselor de energie eoliană:

CESA AUTOMATIC - Râmnicu Sărat www.cesaautomatic.go.ro KLYOS MEDIA - Bucureşti www.klyos.go.roPRIETENII PĂMÂNTULUI - Galaţi earthfriends@clicknet.roALTENERG SRL - Brăila www.altenerg.ro

Furnizori de sisteme şi echipamente de energie solară:

ASON TRADING - Bucureşti www.ason.ro MONSSON ALMA SRL - Constanţa www.monsson.ro MANGUS SOL SRL - Bucureşti www.mangus.roNaturaLight SRL - Braşov www.naturalight.ro Ascora Ecoterm S.R.L. - Scorţeni, Prahova http://energia-verde.centrale-cazane.ro/eolian.htmACIP MOBILE www.acipmobile.ro

Instalare, service în garanţie şi post garanţie:

BROTHADOR SRL - Odorheiu Secuiesc www.solaria.roLP ELECTRIC SRL - Alba Iulia www.lpelectric.ro CESA AUTOMATIC - Râmnicu Sărat www.cesaautomatic.ro MONSSON ALMA SRL - Constanţa www.solaria.ro

Consultanţă:

LP ELECTRIC SRL - Alba Iulia www.lpelectric.ro MANGUS SOL SRL - Bucureşti www.mangus.ro ENERGO EOLIAN ROMPROIECT - Caracal www.romproiect.ro

Cercetare:

Centrul pentru promovarea energiei curate şi eficiente ENERO www.enero.ro Institutul de Cercetare-Dezvoltare pentru Energie ICEMENERG - www.icemenerg.ro Institutul de Studii şi Proiectări Energetice ISPE - www.ispe.ro Institutul de Cercetări Electrotehnice ICPE - www.icpe.ro Institutul de Studii şi Consultanţă în Energetică - www.isce.roUniversitatea Politehnica din Bucureşti UPB - www.pub.ro Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Informatică ICI - www.ici.ro