Articol privind energia solar ă concentratăConţinut

Partea a III-a

Energia solară concentrată :

Ce este energia solară concentrată ? Definiţie, cumfuncţionează?

Istoric

Tipuri, Aplicaţii

Energia solar-termică concentrată

Energia fotovoltaică concentrată

Energia fotovoltaică şi termică concentrată

Avantaje – dezavantaje ale sistemelor concentratoare

Viitorul energiei electrice obţinute din energia solarăconcentrată

Ce este energia solara concentrată? Definiţie, cum funcţionează?

Energia solară concentrată este dată de sistemele care utilizează lentile sau oglinzi pentru aconcentra lumina soarelui pe o suprafaţă mare , sau energia termică solară pe o suprafaţă mică.Energia electrică se produce atunci când lumina concentrată e ste transformată în căldură carepune în mişcare un motor cu abur (de obicei o turbină cu abur) conectat la un generator de energieelectrică.

Energia solară concentrată nu trebuie confundată cu fotovoltaicele, în cazul cărora numai energiasolară este direct transformată în energie e lectrică, fără utilizarea turbinelor de abur.Concentrarea luminii solare pe suprafeţe f otovoltaice este cunoscută sub denumirea defotovoltaice concentrate.

Istoric

Concentrarea luminii solare s -a utilizat pentru a realiza lucruri utile încă din timpul Chinei antice.O legendă spune că Arhimede a utilizat lumina soarelui concentrată pe o "oglindă cu care a datfoc" flotei romane invadatoare, îndepărtând-o astfel de Siracusa. In 1973 un savant grec, Dr.Ioannis Sakkas, a avut curiozitatea să vadă dacă Arhimede ar fi putut într-adevăr să distrugă flotaromană în 212 ÎC şi a aliniat aproape 60 de marinari greci, fiecare ţinând în mâini o oglindă ovalăînclinată, astfel încât să capteze razele de soare şi să le direcţioneze către o siluetă din placajsituată la 160 picioare depărtare. Corabia a luat foc după câteva minute , totuşi istoricii continuă săse îndoiască de povestea lui Arh imede.

In 1866, Auguste Mouchout a utilizat un jgheab parabolic pentru a produce abur pentru primul motorcu abur produs cu ajutorul energiei solare . Primul patent pentru un Cole ctor Solar a fost obţinut deitalianul Alessandro Battaglia din Genova, Italia, in 1886. În ani următori, inventatori cum ar fi JohnEricsson şi Frank Shuman au realizat dispozitive pentru irigaţii, refrigerare şi transport carefuncţionează cu energie obţinută prin concentrarea energiei solare. In 1913 Shuman a realizat ocentrală termoelectrică de 55 HP prin concentrarea energiei solare cu sisteme parabolice în Meadi,Egipt, utilizată la irigaţii.

Un alt genovez, Profesorul Giovanni Francia (1911–1980), a proiectat şi a construit prima centrală solarăcu concentrare care a intrat în funcţiune î n Sant'Ilario, lângă Genova, Italia în 1968. Această instalaţieare arhitectura centralelor solare cu concentrare actuale, cu un receptor solar în centrul unui câmp decolectoare solare. Instalaţia putea să producă 1 MW cu abur supraîncălzit la 100 bari şi la 500 gradeCelsius. În California de sud s-a realizat o centrală solară de 10 MW cu un turn solar construit în 1981,dar tehnologia cu cuvă parabolică a Sistemelor generatoare de energie pe baza energiei solare (SEGS)din apropiere care a început în 1984, a fost mult mai uşor de dezvoltat . SEGC de 354 MW este încă ceamai mare centrală solară din lume.

Tipuri

Sistemele energetice solare cu c oncentrare se împart în:

Solar - termice cu concentrare

Fotovoltaice cu concentrare

Fotovoltaice şi termice cu concentrare

Sisteme termice-solare cu concentrare

Sistemele solar-termice cu concentrare se utilizează pentru a produce căldură şi frig, sau pentru aproduce energie electrică din energie regenerabilă (denumită termoelectricitate solară, generatăde obicei cu ajutorul aburului). Sistemele solar termice utilizează lentile sau oglinzi şi dispozitive deurmărire pentru a concentra o suprafaţă mare de lumină solară pe o suprafaţă mică . Luminaconcentrată se utilizează apoi sub formă de căldură sau sursă de căldură pentru o centrală electricăconvenţională (termoelectricitate din energie solară).

Există o gamă largă de tehnologii de concentrare, care includ cuva parabolică, farfuria Stirling,reflectorul Fresnel cu concentrare liniară, coş solar şi turn solar . Fiecare metodă de concentrarepoate să producă temperaturi înalte şi corespunzător şi eficienţe termodin amice mari, dar elevariază în ceea ce priveşte modul în care urmăresc soarele şi concentrează lumina . Datorită noilorinovaţii ale tehnologiei, concentrarea solar termică devine din ce în ce mai eficientă din punct devedere al costului.

Jgheab (cuvă) parabolicăUn jgheab (cuvă) parabolic este alcătuit dintr-un reflectorparabolic liniar care concentrează lumina pe un receptorpoziţionat de-a lungul liniei focale a reflectorului.Receptorul este un tub poziţionat direct deasupra mijloculuioglinzii parabolice şi este umplut cu un lichid de lucru .Reflectorul urmăreşte soarele în timpul zilei prin rotirea înjurul unei singure axe. Un fluid de lucru (de ex. sare topită)se încălzeşte la 150–350oC (423–623 K (302– 662 F)),deoarece curge prin receptor şi este apoi utilizat ca sursă decăldură pentru un sistem care produce energie electrică .Sistemele cu jgheab (cuvă) reprezintă tehnologia termicăsolară cu concentrare cea mai bine dezvoltată. Sistemele(centralele)de generare a energiei din energie solară ( SEGS)din California, Acciona's Nevada Solar One de lângă BoulderCity, Nevada şi Plataforma Solar de Almería's SSPS -DCS dinSpania sunt reprezentative pentru această tehnologie.

Reflectoarele Fresnel cu concentrare liniară sunt instalaţiicare utilizează multe fâşii de oglindă subţiri în loc de oglinziparabolice pentru a concentra lumina soarelui pe douătuburi cu fluid de lucru. Acesta are avantajul că se potutiliza oglinzi plane care sunt mult mai ieftine decâtoglinzile parabolice şi că se pot amplasa mai multereflectoare pe acelaşi spaţiu, permiţând să se utilizeze maimult din lumina solară disponibilă . Reflectorul liniarFresnel cu concentrare poate fi utilizat în instalaţii dedimensiuni mari sau în unele m ai compacte.

Jgheab parabolic

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector , 19.11.2010

Sisteme solare pentru generarea energiei (SEGS ), California, US A

Farfuria parabolică Stirling

O farfurie Stirling, sau un sistem cu farfurie, este alcătuit dintr-un reflector parabolicindependent care concentrează lumina pe un receptor poziţionat în punctul focal al reflectorului .Reflectorul urmăreşte Soarele pe două axe . Fluidul de lucru din receptor e ste încălzit la 250–700°C (523–973 K (482–1,292°F)) şi utilizat apoi de un motor Stirling pentru a genera energieelectrică.

Sistemele parabolice cu farfurie au cea mai mare eficienţă solar-electrică dintre tehnologiiletermice-solare cu concentrare, iar faptul că sunt modulare le a sigură scalabilitatea. Sistemeleenergetice Stirling (SES) şi farfuriile de la Science Applications International Corporation (SAIC) dela UNLV, precum şi Marea Farfurie de la Australian National University din Canberra, Australia,sunt reprezentative pentru această tehnologie.

Sistemele de tipul farfurie cu motoare elimină necesitatea de a transfera căldura la un cazan, amplasând unmotor Stirling în punctul focal. Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power , 25.11.2010

Există două fenomene cheie pentru a înţelege proiectarea unei farfurii parabolice. Unul estefaptul că forma de parabola permite ca razele care vin şi care sunt paralele cu axul farfuriei să fiereflectate către focar, indiferent de farfuria la care a jung. Cel de-al doilea fenomen cheie esteacela că razele de lumină de la soare care ajung pe suprafaţa pământului sunt aproape paralele .Astfel, dacă farfuria poate fi aliniată cu axul său îndreptat către soare , aproape toată radiaţia carevine va fi reflectată către punctul focal al farfuriei — majoritatea pierderilor datorându -seimperfecţiunilor formei parabolice şi reflectării imperfecte.

Pierderile determinate de atmosfera dintre farfurie şi punctul focal sunt minime , deoarecefarfuria este proiectată suficient de mică astfel încât acest factor să fie nesemn ificativ într-o ziînsorită, fără nori. Comparaţi acest proiect cu alte proiecte şi veţi vedea că acest lucru ar putea fiun factor important şi, dacă vremea locală este înnorată , sau ceţoasă, se poate reduce eficienţaunei farfurii parabolice în mod semnificativ.

In unele proiecte de centrală electrică , un motor Stirling cuplat la un dinam, este amplasat înfocarul farfuriei, unde absoarbe căldura radiaţiei solare incidente şi o transformă în e nergieelectrică.

Turnul solar prin tiraj forţat

Un turn solar cu tiraj constă dintr -o camerătransparentă mare (de obicei complet din sticlă)care este înclinată uşor către o porţiune centralăgoală din interiorul turnului sau coşul turnului.Soarele încălzeşte aerul din această structură detip seră. Apoi, aerul se ridică în sus, pe coş,punând astfel în mişcare o turbină pe măsură cese ridică. Această turbină cu aer produce astfelenergie electrică. Coşurile solare au un proiectsimplu şi pot constitui, prin urmare, o opţiuneviabilă pentru proiecte în lumea în curs dedezvoltare.

Puteţi vizita paginile web ale proiectului 'Centrala electrică Jüelich' –centrul de conducere a competenţelor pentru e xplorarea unei tehnologiinovatoare în domeniul energiei şi care stabileşte direcţia. Sursa:http://www.solarturm-juelich.de/en

Turnul solar care produce energie electrica este format dintr -oreţea de reflectoare de urmărire cu ax dublu (heliostate ) careconcentrează lumina pe un receptor central amplasat pe turn;receptorul conţine un depozit de fluid care poate fi apă demare. Fluidul de lucru din receptor este încălzit la 500 –1000 C(773–1,273 K (932–1,832 F)) şi apoi utilizat ca sursă de căldurăpentru a genera energie electrică, sau ca un sistem de stocare aenergiei. Realizarea turnului care produce energie electrică estemai puţin avansată decât sistemele cu jgheab, dar este maieficient şi are o capacitate de stocare a energiei mai bună. Sola rTwo din Daggett, California şi Planta Solar 10 (PS10) dinSanlucar la Mayor, Spania sunt reprezentative pentru aceastătehnologie. Turnul solar termic cu concentrare este principalatehnologie propusă Trans-Meditarranean Renewable EnergyCooperation DESERTEC pentru a obţine atât energie electricăcât şi apă desalinizată în regiunile aride din Africa de Nord şi dinsudul Europei.

Turnul solar de 5 MW Sierra SunTower dinLancaster, California, utilizează un câmp deheliostate care concentrează lumina soarelui peun turn central.

Fotovoltaice cu concentrare

Sistemele fotovoltaice cu concentra re utilizează lumina solară concentrată pe suprafeţele fotovoltaicepentru a produce energie electrică. Se pot utiliza concentratoare solare de toate felurile care sunt adeseamontate pe un dispozitiv de urmărire solar pentru a menţine punctul focal pe cel ulă pe măsură ce soareleavansează pe bolta cerului.

Încă din anii 1970 s-au efectuat lucrări de cercetare foarte bine fundamentate pentru realizarea sistemelorfotovoltaice cu concentrare. De exemplu, un sistem de concentrare cu jgheab liniar a fost tes tat şi instalatla Sandia National Laboratories şi tot la Sandia s -a realizat şi primul sistem fotovoltaic modern cuconcentrare cu punct de focalizare, ambele la sfârşitul acelei decade. Sistemul realizat ulterior a utilizatlentile Fresnel din acril pentru concentrarea pe celulele de siliciu răcite cu apă şi a fost prevăzut cu două axede urmărire. Un concept similar s -a utilizat şi la alte prototipuri. Sistemul lui Ramón Areces, realizat lasfârsitul anilor 1970, a utilizat lentile Fresnel hibride din si liciu şi sticlă, în timp ce răcirea celulelor din silicius-a realizat cu o chiuvetă de căldură pasivă.

Concentratoarele solare luminiscente (atunci când sunt combinate cu o celulă fotovoltaică solară) pot ficonsiderate şi ca un sistem cu concentrare fo tovoltaic . Concentratoarele solare luminiscente sunt utiledeoarece pot îmbunătăţi performanţa panourilor solare fotovoltaice în mod semnificativ

Eficienţa

Proprietăţile semiconductoarelor permit celulelor solare să funcţioneze mai eficient cu lumină c oncentrată,atâta timp cât temperatura de joncţiune a celulelor este menţinută scăzută de chiuvetele de căldurăpotrivite. Sistemele funcţionează cel mai eficient când vremea este însorită întrucât norii şi cerul înnoratcreează o lumină difuză care nu se poate concentra.Eficienţa record de 41,6% s -a realizat în 2009 şi se aşteaptă in viitor eficienţe de aproape 50%.

Fotovoltaicele cu concentrare joasă sunt sisteme cu o concentrare solară de 2 -100 sori. Din motiveeconomice, se utilizează, de obicei, c elule solare convenţionale, sau modificate, din siliciu, şi, la acesteconcentraţii, fluxul de căldură este suficient de jos ca celulele să nu necesite răcire activă. Conform legiloropticii, un colector solar cu un raport de concentrare redus pot avea o u nghi de acceptanţă mare şi, astfel,în unele situaţii să nu necesite o urmărire solară activă.

Fotovoltaice cu concentrare medie

De la concentrări de 100 la 300 sori, sistemele PVC au nevoie de urmărire solară pe două axe şi răcire (fiepasivă sau activă), ceea ce le face mai complexe

Sisteme fotovoltaice cu înaltă concentrare

Sistemele fotovoltaice cu concentrare înaltă utilizează optica de concentrare care constă din reflectoarefarfurie sau lentile Fresnel care concentrează lumina soarelui pentru intensităţi de 300 sori sau mai mult.Celulele solare au nevoie de chiuvete de căldură de mare capacitate pentru a împiedica distrugerea termicăşi pentru a face faţă pierderilor de performanţă legate de temperatură. În mod curent sunt preferatecelulele solare multi-junction faţă de cele cu siliciu, deoarece sunt mai eficiente. Eficienţa ambelor tipuri decelule creşte odată cu creşterea concentrării; eficienţa tipului multi -junction creşte, de asemenea, mairepede. Celulele solare multi -junction, fără concentrare, proiectate la început pentru sateliţii din spaţiu, aufost re-proiectate datorită densităţii curenţilor înalţi întâlnite la fotovoltaicele cu concentrare (de obicei 8

A/cm2 l

la 500 de sori). Deşi costul unor celule solare multi -junction este, în general, de 100 de ori mai maredecât al celulelor din siliciu comparabile, costul celulei reprezintă doar o mică fracţiune din costul global alsistemului fotovoltaic cu concentrare, astfel încât economia sistemului este favorabilă celulelor multi -junction.

Concentratoare fotovoltaice si termice

Tehnologia sistemelor fotovoltaice termice cu concentrare permite producerea atât a energiei electrice câtşi a căldurii în acelaşi modul. Energia termică se poate utiliza pentru încălzirea apei de la robinet, încălzireaspaţiilor şi aerul condiţionat care funcţionează cu energie produsă din căldură (răcire cu ajutorul energieisolare), desalinizare sau căldură de proces.

Cercetătorii australieni, americani şi chinezi explorează potenţialul unui ciclu combina t căldură şi energieelectrică pe baza energiei solare (CHAPS), iar europenii au sisteme CHAPS în producţie.

Compania ZenithSolar (http://www.zenithsolar.com/) din Israel a realizat un sistem combinat fotovolt aic /termic (cogenerare) a cărui eficienţă ar fi de 72%.

Avantaje – Dezavantaje ale sistemelor cu concentrare

Avantaje

• Se ating temperaturi foarte înalte. Temperaturile mari sunt necesare pentru generarea energieielectrice prin metode tradiţionale, cum ar fi turbina cu abur, sau a unor reacţii chimice directe detemperatură înaltă.• O eficienţă bună. Sistemele curente cu concentrarea luminii solare au o eficienţă mai mare decâtcelulele solare obişnuite.• Se poate acoperi o suprafaţă mai mare utili zându-se oglinzi relativ ieftine in locul celulelor solarescumpe.• Lumina concentrară poate fi redirecţionată către o locaţie convenabilă prin intermediul cablului cufibră optică, de exemplu pentru iluminatul clădirilor.• Căldura se poate stoca pentru a se produce energie electrică atunci când este înnorat, sau petimpul nopţii, adeseori într-un rezervor cu fluide încălzite amplasat sub pământ. În acest scop s -au utilizatcu succes săruri topite.

Dezavantaje

• Sistemele cu concentrare trebuie să urmăreas că lumina soarelui pentru a menţine concentrarealuminii solare pe colector.• Imposibilitatea de a furniza energie în condiţii de lumină difuză. Celulele solare pot produce într -ooarecare măsură, chiar dacă afară cerul este un pic înnorat, dar sistemul cu concentrare nu.

Viitorul energiei solare concentrate

Un studiu realizat de Greenpeace International, European Solar Thermal Electricity Association şi de GrupulSolarPACES al Agenţiei Internaţionale pentru energie a investigat potenţialul şi viitorul energiei solareconcentrate. Studiul a ajuns la concluzia că energia solară concentrată ar putea să furnizeze până la 25% dinenergia întregii lumi în 2050. Investiţiile ar putea să crească de la 2 miliarde Euro la nivel internaţional, la92,5 miliarde euro în această perioadă. În ceea ce priveşte tehnologia energiei solare concentrate, Spaniaconduce cu mai mult de 50 de proiecte aprobate de guvern ca lucrări. De asemenea, exportă tehnologia,mărindu-şi în continuare partea din energie produsă la nivel mon dial pe baza acestei tehnologii. Din cauzăcă această tehnologie are nevoie de zone cu condiţii de climă asemănătoare deşerturilor, experţii auprognozat că cea mai mare creştere se va produce în locuri ca: Africa, Mexico, sud -vestul Statelor Unite.Studiul a examinat trei posibile rezultate ale acestei tehnologii: nici o creştere a tehnologiei, investiţiicontinuate ca şi până acum în Spania şi SUA şi, în cele din urmă, atingerea potenţialului adevărat altehnologiei fără nici un fel de bariere în calea de zvoltării ei. Concluyiile în cel de-al treilea caz suntprezentate în tabelul de mai jos:

Perioadă Investiţie Capacitate

2015 21 miliarde euro pe an 420 megawatts

2050 174 miliarde euro pe an 1500 gigawatts

În final, studiul recunoaşte că tehnol ogia s-a îmbunătăţit şi că aceasta ar putea avea ca rezultat o scăderedrastică a preţului până în 2050. Studiul prognozează o scădere de la gama curentă de 0,23 până la 0,15Euros pe kW/h, până la 0,14 la 0,10 euro pe kW/h. De curând, UE a început să st udieze posibilitatea de arealiza o centrală electrică solară de 400 miliarde euro (774 miliarde dolari) amplasată în Sahara cunoscutăsub denumirea de Desertec. Aceasta ar urma să facă parte dintr -un plan mai mare de a realiza "o reţea carenu produce carbon şi care să unească Europa, Orientul Mijlociu şi Africa de Nord". Planul este susţinut deindustriaşii din Germania, în primul rând pentru că ar urma să producă 15% din energia Europei în 2050.Marocul este un partener important în Desertec deoarece co nsumă doar 1% energia electrică a UE şi arproduce mai mult decât energia necesară pentru întreaga ţară, precum şi un surplus considerabil deenergie pentru Europa.

Alte organizaţii preconizează 0,06 dolari/kWh în 2015 prin îmbunătăţirea eficienţei şi pr oducerea în masă aechipamentelor. Aceasta ar face ca energia obţinută să fie la fel de ieftină ca energia tradiţională. Investitoricum ar fi Vinod Khosla sunt de părere că se va continua reducerea costurilor şi energia obţinută prinaceastă tehnologie va fi mai ieftină decât energia produsă din cărbune în 2015.

Pe 9 septembrie 2009, Bill Weihl, conducătorul organizaţ iei Google pentru energia verde a spus că firmarealizează o cercetare cu privire la oglinzile heliostatului şi tehnologia turbinei cu gaz , care, după cumestimează, va reduce costul energiei electrice solar termice la mai puţin de $0,05/kWh în 2 sau 3 ani .

In 2009, oamenii de ştiinţă de la National Renewable Energy Laboratory (NREL) şi SkyFuel auformat o echipă pentru a realiza foi de met al curbe de mari dimensiuni care au potenţialul de a ficu 30% mai ieftine decât cele mai bune colectoare de energie solară concentrată existente înprezent, înlocuind modelele pe bază de sticlă cu foaie de polimer de argint care să aibă aceeaşiperformanţă ca şi oglinzile grele de sticlă, dar să coste şi să cântărească mult mai puţin. Sunt, deasemenea, mult mai uşor de transportat şi de instalat. Pelicula strălucitoare are mai multe straturide polimeri şi un strat interior de argint pur.

Surse:http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrating_Solar_Power , 23.11.2010http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector , 25.11.2010http://www.solarturm-juelich.de/en