utilizarea surselor nepoluante de energie. energia solara prin conversie fotovoltaica
DESCRIPTION
PVTRANSCRIPT
TEMA LUCRĂRII
UTILIZAREA SURSELOR NEPOLUANTE DE
ENERGIE � ENERGIA SOLARĂ PRIN
CONVERSIE FOTOVOLTAICĂ
2
Cuprins
Memoriu justificativ.....................................................................................................................5
Capitolul I Criza energetica mondială..............................................................................................7
Capitolul II Stadiul actual privind utilizarea surselor de energie convenţionale............................12
2.1.Energia produsa de combustibilii fosili................................................................................12
2.1.1.Efecte asupra mediului..................................................................................................13
2.2.Utilizarea rezervelor de cărbune...........................................................................................14
2.3.Hidroenergia.........................................................................................................................18
2.3.1. Tehnologia turbinelor...................................................................................................19
2.4.Energia atomică. Centralele atomice....................................................................................20
2.4.1.Procese energetice în reactorul nuclear.........................................................................21
2.4.2.Arderea combustibilului nuclear...................................................................................25
2.4.3.Controlul reacţiei nucleare............................................................................................27
2.4.4.Scheme şi circuite termice în CNE................................................................................32
2.4.5.Randamentul CNE........................................................................................................34
2.4.6. Deșeurilor radioactive rezultate din centralele atomoelectrice....................................34
2.4.7. Accidente la centralele atomoelectrice.........................................................................37
Capitolul III Utilizarea surselor de energie neconvenționale, nepoluante.....................................43
3.1. Energia eoliană....................................................................................................................43
3.2. Energia solară......................................................................................................................45
3.3. Energia valurilor..................................................................................................................48
3.3.1.Energia hidraulică a valurilor........................................................................................48
3.3.2. Energia hidraulică a mareelor.......................................................................................48
3
3.3.3. Energia termică a mărilor şi a oceanelor......................................................................49
3.3.4. Energia din hidrogen....................................................................................................50
3.4.Energia geotermală...............................................................................................................51
3.5. Energia din biomasă............................................................................................................53
3.6. Energia liberă.......................................................................................................................55
Capitolul IV Energia solară............................................................................................................57
4.1.Efectul fotoelectric...................................................................................................................57
4.2.Principiul de realizare...............................................................................................................57
4.3. Structură și dopare...................................................................................................................58
4.4.Echilibrul termodinamic al purtătorilor de sarcini, potenţialul chimic sau nivelul Fermi....65
4.5. Generaţii de celule solare........................................................................................................67
4.6.Coeficientul masic de aer (AIM)..............................................................................................68
4.7.Exemple de centrale fotovoltaice (facultatea de hidrotehnică Iași)..........................................71
4.8. Stocarea energiei electrice în acumulatoare............................................................................74
4.8.1.Acumulatori solari.........................................................................................................74
4.8.2. Acumulatoare electrice.................................................................................................82
4.9. Avantajele și dezavantajele utilizării panourilor solare...........................................................83
4.10.Exemple propuse de utilizare a panourilor fotovoltaice........................................................87
4.10.1.Utilizarea panourilor fotovoltaice la o stație hidrometrică în vederea automatizării. .87
4.10.2. Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru aprovizionarea cu energie electrică, de.....88
rezervă a unei incinte administrative de exploatare a unui baraj........................................88
BIBLIOGRAFIE............................................................................................................................91
4
Memoriu justificativ
Perspectiva epuizării într-un viitor nu prea îndepărtat a combustibililor fosili şi
nesoluţionarea depozitării deşeurilor radioactive a îndreptat atenţia oamenilor de ştiinţă şi asupra
unor resurse energetice neconvenţionale, cunoscute într-o accepţiune mai largă ca „resurse
regenerabile”. Dintre acestea menţionăm: hidroenergia (energia hidraulică, energia termică a
mărilor şi a oceanelor şi energia din hidrogen), energia eoliană, energia solară, energia
geotermală şi energia din biomasă.
În capitolul I '' Criza energetica mondială'' se prezintă consumul actual de energie
electrică la nivel mondial și o evaluare a rezervelor de petrol, gaz și carbune , care în prezent
sunt principalele surse de energie. Este prezentată o evaluare a numarului de ani pentru care se
consideră că mai există posibilități de exploatare ,iar daca nu sunt realizate schimbări în privinţa
producerii, transportului şi consumului energiei, omenirea s-ar putea confrunta cu o criză
energetică majoră în următoarele decenii.
Capitolul II '' Stadiul actual privind utilizarea surselor de energie convenționale'' prezintă
într-un cadru succind principalele surse de energie, convenționale care sunt utilizate , cum ar fi
energia combustibililor fosili, care este considerată o industie poluatoare, arderea combustibililor
fosili sta la baza poluării prin efectul de seră. Energia produsă de centralele atomonucleare, care
este privită ca o alternativă valabilă tehnic, față de perspectiva epuizării surselor clasice de
energie , dar care la rîndul său este una dintre industriile cele mai periculoase. Deșeurile cu
activitate radioactivă ridicată au nevoie de tratamente speciale în ceea ce priveste stocarea, ca
exemplu , depozitarea în formațiuni geologice de mare adîncime la nivelul uscatului , amplasarea
sub stratul acvifer al oceanului ,fiind monitorizate și ținute sub control, datorită faptului că
prezintă un pericol permant. O soluție optima ar fi lansarea în spațiul interplanetar pe traictorii
speciale a containelor ce prezintă riscuri majore de contaminare. Sigur această opțiune este cea
mai sigură dar prezintă dezavantajul unor costuri foarte mari. Un exemplu negativ în acest
domeniu îl constituie acidentul nuclear de la Cernobîl în care au fost înregistrate 56 de decese
directe și mai mult de 9.000 de persoane dintre cele aproximativ 6,6 de milioane foarte expuse
pot muri din cauza unei forme de cancer. Incidența cancerului tiroidian a rămas însă ridicată
chiar și în 2013 în anumite regiuni din Rusia, Ucraina și Belarus, asta la mai bine de două decenii
de la accident.
5
În capitolul III '' Utilizarea surselor de energie neconvenționale , nepoluante '' sunt
prezentate sursele de energie neconvenționale , care sunt surse nepoluante și care ar fi o soluție
optimă în vederea une crize energetice mondiale care în umatoarele secole ar putea deveni chiar
și sursele principale de energie la nivel mondial.
Capitolul IV '' Energia solară'' are drept scop punerea în evidență a unei forme de energie ,
și anume energia solară, care prin intermediul panourilor fotovoltaice este convertită în energie
electrică electric. Avantajul principal al panourilor fotovoltaice poate fi sintetizat în 2 cuvinte
''energie gratuită''. Asta putînd fi spus datorită faptului că costurile instalațiilor ce ne oferă energie
electrică din energie solară se amortizează în maxim 5-7ani , iar durata de viață a panourilor
fotovoltaice este de minim 25 de ani.
Este cunoscut faptul că astazi au loc schimbari climatice majore care dau naștere unor
manifestari climatice violente a parametrilor meteorologici. Datorită acestui fapt au loc destul de
des întreruperi a energiei electrice de la rețeaua electrică de distribuție.Aceste întreruperi de
curent electric perturbă în mod special sistemele de achiziție a datelor atunci cînd este absolută
nevoie. Lucrarea de față prezintă soluții de alimentare cu energie electrică acumulată deja prin
conversie fotovoltaică în acumulatori electrici de diferite capacități, funcție de consumul electric
strict necesar, atît pentru iluminare, utilizarea unor aparaturi casnice strict necesare , cat și pentru
sistemele de achiziție a datelor privind evoluția unor parametri meteorologici și hidrologici.
Lucrul posibil datorită unor invertoare care ridică tensiunea electrică de 12 volți curent continuu
în tensiune eletrică de 220 volți curent alternativ.
6
Capitolul ICriza energetica mondială
Statisticile arată că, la nivel mondial, între 1972 şi 2002, consumul de electricitate s-a
dublat. În 2003, consumul anual mondial de energie era de 12.000 GW (adică un milion de MW
sau, altfel, 1 miliard de kW). Consumul anual actual la nivel global este echivalentul a 12.000 de
reactoare nucleare de 1 GW. Previziunile arată că în viitor, în anul 2050, consumul energetic
mondial se va dubla din nou, atingând valoarea de 24 TW. În aceste condiţii, necesitatea folosirii
unor surse de energie alternativă este vitală.
Energia a devenit un factor strategic în politica globală, o componentă vitală şi un factor
de cost pentru dezvoltarea economică şi progresul societăţii în ansamblu, generând o serie de
preocupări majore la nivel mondial.
În situaţia limitării resurselor primare de energie, pentru a se atinge durabilitatea în acest
domeniu este nevoie ca energia să se producă, să se furnizeze şi să se consume într-un mod mai
eficient decat până acum. Dacă nu sunt realizate schimbări în privinţa producerii, transportului şi
consumului energiei, omenirea s-ar putea confrunta cu o criză energetică majoră în următoarele
decenii. Dacă actualele legi şi politici energetice rămân neschimbate de-a lungul perioadei până
în 2035, cererea mondială de energie va creşte cu aproape 50% comparativ cu anul 2007.
În ce priveşte producţia de energie electrică, deşi recesiunea economică a încetinit rata de
creştere a consumului mondial de energie electrică este estimat să crească de la 18.800 TWh în
2007 la 35.200 TWh în 2035, respectiv cu 87%, se estimează o creştere continuă pentru
producerea de energie electrică din energie nucleară şi din surse de energie regenerabilă.
Creşterea securităţii alimentării cu energie la preţuri accesibile şi abordarea schimbărilor
climatice sunt două dintre preocupările şi provocările majore ale societăţii actuale. Atât
securitatea alimentării cu energie, cât şi schimbările climatice, au implicaţii în politicile externe şi
de securitate.
Preocuparile privind cresterea consumului energetic mondial, poluarea şi epuizarea
rezervelor de hidrocarburi şi uraniu influenteaza evolutia sistemelor energetice şi impulsionează
dezvoltarea unor surse de energie alternative şi viabile.
7
Creșterea consumului energetic mondial va duce în viitorul apropiat la epuizarea
rezervelor de combustibili fosili, în special a celor de petrol. Rezervele mondiale de petrol
appreciate la 160 mld.t ar putea asigura consumul global (la nivelul mediu al consumului actual)
înca 50 de ani. Se consideră ca 77% din rezervele de petrol ale lumii au fost deja descoperite, iar
restul 23% sunt localizate în campuri petrolifere mici sau în regiuni greu accesibile. Petrolul va fi
din ce în ce mai scump şi mai greu de gasit. Construirea unor platforme de foraj submarine cum
sunt cele din Marea Nordului este foarte costisitoare şi ar avea ca rezultat cresterea costului
productiei zilnice de 40 ori fata de Orientul Mijlociu. S-a estimat ca un puț de foraj submarin
construit la 300m adancime în apele Golfului Mexic ar produce petrol la un preț de 65 de ori mai
mare decat în Orientul Mijlociu, iar pentru o platformă de foraj submarin sub ghețurile arctice,
prețurile ar fi şi mai mari.
Rezervele de gaze naturale estimate la 141mld .mc ar putea asigura consumul mondial
pentru încă 60 de ani, iar rezervele sigure de carbine (1000 mld.t) ar asigura consumul mondial
pentru încă 230 de ani.
Insa la toate acestea se adauga şi repartiția inegala a rezervelor de combustibili fosili:
majoritatea rezervelor de petrol sunt localizate în Orientul Mijlociu (66%), a celor de gaze
naturale în Federatia Rusa (34%) şi Orientul Mijlociu (31%), iar rezervele de cărbune în
Federatia Rusa şi S.U.A.
Furnizarea hidrocarburilor poate fi incerta – de exemplu criza petrolului din perioada
1970-1980 generată de politica țărilor membre O.P.E.C. , care a dus la numeroase conflicte, iar
unele țări în curs de dezvoltare nu dispun de suficiente resurse financiare pentru achizitionarea
petrolului la prețuri de peste 30 USD/ baril.
Industria energetică este o ramura împortantă a economiei mondiale ce se ocupa de
explorarea şi utilizarea purtătorilor de energie. Odată cu dezvoltarea economică şi creșterea
populației mondiale, a crescut şi consumul de energie, prezentă astazi în toate procesele vieții
economice şi sociale. Însa superioritatea unei economii nu rezulta din cantitatea de energie
consumată, ci din modul efficient în care aceasta este utilizată.
Producția de energie presupune utilizarea unor materii prime sau surse energetice,
clasificate astfel:
8
• Surse convenționale de energie (surse clasice) : combustibilii fosili (cărbunii,
hidrocarburile, sisturile bituminoase, nisipurile asfaltice), combustibilii vegetalii (lemnul),
combustibilii nucleari, energia apelor curgătoare;
• Surse neconvenționale de energie (surse alternative): energia solară, energia eoliana,
energia geotermică, energia apelor oceanice, deșeurile vegetale şi animale etc.
După criteriul durabilitatii exploatării, resursele energetice se clasifică în:
• Resurse epuizabile (neregenerabile): combustibilii fosili;
• Resurse inepuizabile (regenerabile): energia solară, energia eoliană, energia apelor
curgătoare şi oceanice, energia geotermica, combustibilii vegetali.
La acestea se adaugă şi alte surse de energie bazate pe tehnologii fizice şi chimice, unele
cunoscute doar în mod experimental, altele putin valorificate, însa foarte promițătoare: biomasa
(“plante energetice”) pentru obținerea unor combustibili, energia curenților oceanici, energia
rezultata prin diferența de temperature dintre apele oceanice de suprafață şi cele de adâncime,
hidrogenul obținut prin disocierea apei etc.
Pe de altă parte, utilizarea combustibililor fosili ca principală sursa energetică a avut
impact negative asupra mediului. Cea mai mare parte a energiei primare comerciale este dată de
combustibilii fosili: petrol 35% , cărbuni 23% , gaze naturale 21%.
Motoarele cu ardere internă, termocentralele ce ard cărbune sau gaze naturale emit în
atmosfera cantitați considerabile de dioxid de sulf şi oxizi de azot. Cînd aceste gaze se combină
cu vaporii de apă din atmosferă formeaza acid sulfuric şi acid azotic, iar mai departe ploi acide.
Dupa 1850, ponderea dioxidului de carbon în atmosfera terestra a fost în continuă creștere, ca
rezultat al arderilor combustibililor fosili. Dioxidul de carbon împreuna cu alte gaze industriale
(cum ar fii metanul sau cloroflorocărbunii) pot induce efectul de sera, ce se manifestă prin
creșterea temperaturii la suprafața Pământului, datorita creșterii cantitații de căldura blocată în
atmosfera inferioară. Acest lucru are urmări grave: schimbări şi bulversări climatice sau
repercursiuni asupra ecosistemelor.
In multe state au fost inițiate programe de dezvoltare a tehnologiilor nepoluante şi de
folosire a resurselor regenerabile care ar putea permite reducerea consumului de combustibili
9
fosili şi a tuturor problemelor cauzate de aceștia. Preocupările privind utilizarea surselor de
energie alternativă au luat amploare dupa 1997, când doua din cele mai mari companii petroliere
din lume – Royal Dutch-Shell Group şi British Petroleum – au anunțat ca vor face mari investiții
în acest domeniu, în principal în utilizarea energiei solare şi în realizarea unor proiecte de
impădurire.
Energia alternativă a reprezentat o problemă prioritară şi în cadrul conferinței de la Kyoto
(1997) asupra schimbărilor climatice şi încălzirii globale, deși mulți experți susțineau ca vor trece
ani, poate chiar decenii până cand sursele de energie alternativă (solară, eoliană, biomasă) își vor
face loc pe piața energetică mondială. Un studiu al companiei Shell arăta că energia alternativă ar
putea furniza 5-10% din necesarul mondial în următorii 25 ani şi până la 50% din consumul
mondial de energie până la mijlocul secolului al XXI-lea. Însa în prezent, deși cantitatea de
energie potențială din astfel de surse regenerabile şi nepoluante este mai mare decat necesarul
mondial de energie, doar o mica parte este transformată în energie electrică la un preț rezonabil.
Nivelul rezervelor (estimările EIA (Energy Information Administration) privind resursele
de petrol, cărbune și gaz)
Petrol: 1.050.691 - 1.277.702 milioane de barili (167-203 km³) 2003-2005
Gaze: 171.040 - 192.720 km³ (1.239 miliarde barili echivalent petrol 2003-2005)
Cărbune: 981.000 milioane de tone (4.786 miliarde barili echivalent petrol) (2004)
9%
20%
71%
PetrolGazCărbune
Fig.1 Nivelul rezervelor estimate de EIA privind resursele de petrol , gaz, și cărbune
10
Numărul de ani pentru care se consideră că mai există posibilități de exploatare (în cele
mai optimiste estimări) (Oil & Gas Journal, World Oil)
Petrol: 1.277.702/77/365= 32 de ani
Gaz: 1.239.000/47/365= 72 de ani
Cărbune: 4.786.000/52/365= 252 de ani.
32
72
252
PetrolGazCărbune
Fig.2. Numărul de ani pentru care se consideră că mai există posibilități de exploatare
Perspectiva epuizării într-un viitor nu prea îndepărtat a combustibililor fosili şi
nesoluţionarea depozitării deşeurilor radioactive a îndreptat atenţia oamenilor de ştiinţă şi asupra
unor resurse energetice neconvenţionale, cunoscute într-o accepţiune mai largă ca „resurse
regenerabile”. Dintre acestea menţionăm: hidroenergia (energia hidraulică, energia termică a
mărilor şi a oceanelor şi energia din hidrogen), energia eoliană, energia solară, energia
geotermală şi energia din biomasă.
11
Capitolul IIStadiul actual privind utilizarea surselor de energie
convenţionale
2.1.Energia produsa de combustibilii fosili
Combustibilii fosili sunt hidrocarburi, cărbune, petrol sau gaze naturale, formate din
rămășițele fosilizate ale plantelor și animalelor moarte. Teoria organică a formării hidrocarburilor
din aceste resturi organice a fost emisă de către Mikhail Lomonosov în 1757. Există și o teorie
anorganică a formării țițeiului formulată în 1929 de chimistul român Ludovic Mrazek.
În vorbirea curentă, termenul „combustibil fosil” include și resursele naturale cu conținut
de hidrocarburi, dar care nu provin din surse animale sau vegetale. Acestea sunt denumite mai
corect combustibili minerali.
Combustibilii fosili au făcut posibilă dezvoltarea impresionantă a industriei din ultimele
secole și înlocuirea utilizării pe scară largă a lemnului și turbei pentru încălzire.
„Combustibil fosil” este termenul folosit pentru depozite geologice subterane de materii
organice formate din plante și animale putrezite care s-au transformat în țiței, cărbune, sau gaze
naturale, sub acțiunea căldurii și a presiunii din scoarța terestră, de-a lungul sutelor de milioane
de ani.
Pentru a genera electricitate, energia degajată de arderea combustibililor fosili este adesea
folosită pentru a pune în mișcare o turbină. Generatoarele mai vechi foloseau adesea aburul
obținut prin arderea combustibililor pentru a pune în mișcare turbina, dar în generatoarele
moderne, se folosesc direct gazele de ardere ale combustibililor.
În lumea modernă a secolelor 20 și 21, setea de energie provenită din combustibili fosili,
mai ales pentru benzină, provenită din petrol, este una din cauzele majore ale conflictelor globale
și regionale. S-a născut astfel o mișcare globală spre generarea de energie regenerabilă, pentru a
ajuta la satisfacerea nevoilor crescânde de energie.
12
Arderea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor
de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică
dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația de CO2 din atmosferă este
în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca
rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre.
Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili,
adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la
creșterea cantității globale de dioxid de carbon.
Emisiile anuale de dioxid de carbon, defalcate pe diferiți combustibili, în perioada 1800-
2004. Arată rata crescândă de utilizare a acestora.
Principiul cererii și ofertei sugerează că diminuarea rezervelor de hidrocarburi duce la
creșterea prețurilor acestora. Ca rezultat, exploatarea surselor de energie alternativă, considerate
ineficiente economic să devină eficiente. Benzina artificială și alte surse de energie regenerabilă
necesită tehnologii de producție și procesare mai scumpe decât exploatarea rezervelor
convenționale de petrol, dar pot deveni economic viabile în viitorul apropiat.
În aceste calcule se consideră că producția poate continua la un nivel constant pentru
numărul respectiv de ani și că întregile rezerve pot fi exploatate. În realitate, consumul tuturor
celor trei resurse este în creștere, adică acestea se vor termina mai repede. Totuși, curba
consumului se aseamănă cu un clopot, adică la un moment dat, după atingerea unui maxim pentru
fiecare caz, consumul va începe să scadă, până când se ajunge ca exploatarea zăcămintelor să nu
mai fie economic fezabilă sau chiar imposibilă.
Această discuție subliniază echilibrul global al energiei. Este de asemenea importantă
înțelegerea raportului dintre rezervă și consumul anual (R/C), în cazul fiecărei țări. De exemplu,
politica energetică a Marii Britanii recunoaște că valoarea R/C pentru Europa este 3, foarte joasă
față de standardele mondiale și deci expune regiunea unei vulnerabilități energetice. Marea
Britania, de exemplu, se bazează încă pe combustibilii fosili ca resursă principală de energie.Care
ar putea fi Combustibilul viitorului, este încă foarte controversat.
13
2.1.1.Efecte asupra mediului
În Statele Unite, peste 90% din emisiile de gazele cu efect de seră provin din arderea
combustibililor fosili. Vezi încălzire globală. În plus, prin ardere se produc și alți poluanți, ca
oxizi de azot, dioxid de sulf, componente organice volatile și metale grele.
Arderea combustibililor fosili generează acid sulfuric și azotic, care cade pe Pământ ca
ploaie acidă, având un impact atât asupra mediului natural cât și asupra mediului artificial.
Sculpturi și monumente construite din marmură sunt în mod deosebit vulnerabile, deoarece acizii
reacționează cu carbonatul de calciu.
Combustibilii fosili conțin și materiale radioactive, mai ales uraniu și toriu, care este
emanat în atmosferă. În anul 2000 au fost emise în atmosferă circa 12.000 de tone de toriu și
5000 de tone de uraniu prin arderea cărbunelui. Se estimează că în cursul anului 1982, cărbunele
ars în SUA a eliberat în atmosferă de 155 de ori mai multă radiație decât incidentul Three Mile
Island.Arderea cărbunelor generează și imense cantități de zgură și funingine.
Exploatarea, procesarea și distribuția de combustibili fosili poate crea și alte probleme
mediului. Metodele de exploatarea cărbunelui, îndeosebi exploatarea în cariere de suprafață
creează multe probleme, în timp ce forajele maritime sunt un pericol pentru organismele acvatice.
Rafinăriile de petrol constituie reale amenințări asupra mediului. Transportul cărbunelui necesită
locomotive diesel, iar petrolul este transportat de către petroliere, toate acestea arzând
combustibili fosili.
Reglementările de mediu încearcă o varietate de abordări, cum ar fi controlul cantităților
de poluanți și a tehnologiei folosite, subvenții economice sau programe voluntare pentru a limita
aceste emisii.
2.2.Utilizarea rezervelor de cărbune
Cărbunele este o rocă sedimentară de culoare brun - neagră cu proprietăți combustibile
formată prin (carbonizare) îmbogățirea în carbon (în condițiile lipsei oxigenului) a resturilor unor
plante din epocile geologice. Procesul de incarbonizare a plantelor preistorice s-a produs cu
milioane de ani în urmă, prin două procese mai importante:
14
faza biochimică produsă de bacterii și ciuperci care transformă celuloza și lignina din
plante;
faza geochimică, faza propriu zisă de incarbonizare, care se produce la temperaturi și
presiuni ridicate formându-se într-un timp îndelungat huila și antracitul. Acest proces are ca
rezultat o îmbogățire de peste 50 % din volum în carbon.
Materia inițială de bază din care ia naștere cărbunele sunt resturi de plante fosile, care
constau mai ales din feriga uriașă(Pteridopsida sau Polypodiopsida) care în urmă cu 400 de
milioane de ani alcătuia adevărate păduri, azi feriga are între 9000 și 12000 de varietăți.
După moartea lor aceste plante se scufundau în mlaștină unde fiind izolate de aerul
atmosferic urmează o serie de procese anaerobe, în primele faze se formează turba.
Prin migrația mărilor aceste mlaștini au fost acoperite cu sedimente, creându-se
temperaturi și presiuni ridicate, care intensifică procesele de încarbonizare, presiunea elimină apa
din turbă astfel ia naștere cărbunele brun.
Dacă aceste presiuni mari persistă mai departe se continuă eliminarea apei din cărbunele
brun rezultând cărbunii cu cea mai mare putere calorifică, huila și în final antracitul care este în
același timp și cărbunele cel mai vechi. La antracit procentul de carbon ajunge la 90 - 96 %.
Zăcămintele de huilă s-au format cu cca. 280 - 345 milioane de ani în urmă, constituind
azi una dintre principalele resurse energetice ale globului. Cărbunele brun este un cărbune mai
tânăr formându-se în peroada terțiară în urmă cu 2,5 - 65 milioane de ani.
În tehnică, compoziția cărbunilor se exprimă parțial în elemente chimice, carbon (C),
hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) și sulf (S), parțial în substanțe ca masa minerală și umiditatea .
Compoziția se poate exprima ca:
masă organică, care conține C, H, N, O și S din combinațiile organice;
masă combustibilă , care conține și S din combinațiile minerale (pirite), care arde și el,
adică tot ce arde - ceea ce nu arde (masa minerală plus umiditatea) este balastul;
masă anhidră, care conține și masa minerală, adică tot, mai puțin apa;
15
masa uscată la aer (masa pentru analiză), care conține și umiditatea de constituție și cea
higroscopică, compoziție folosită în determinările de laborator, fiind stabilă;
masa inițială (en:raw), care conține și umiditatea de îmbibație, adică compoziția
cărbunelui introdus în focare.
În timpul încălzirii, din cărbune se degajă gaze combustibile, numite materii volatile. Cu
cât se degajă mai multe materii volatile, cu atât cărbunele se aprinde mai ușor.
Prin aprindere și ardere cărbunele degajă căldură. Cantitatea de căldură eliberată prin
arderea completă a unui kilogram de combustibil (aici cărbune) este puterea calorifică (sau
căldura de ardere) a combustibilului, care în SI se exprimă în MJ/kg. În practică, utilă este
puterea calorifică inferioară (Qi).
Rezervele de cărbuni pe glob estimate în anul 2004 au fost de 783,1 miliarde de tone, din
care 27 % aparține SUA, 16 % Rusiei, 12 % Chinei, 12 % Indiei, 7 % Uniunii Europene și 7 %
Australiei.
Aceste rezerve, dacă se continuă folosirea cărbunilor în același ritm ca în anul 2003 (3,8
miliarde de tone), ar acoperi necesarul globului pe o perioadă de 203 ani. Rezervele de cărbune
ale României, aflate în evidența națională la începutul lui 2007, sunt următoarele: huilă 721
mil.tone; cărbune brun 65 mil.tone; lignit 3.400 mil.tone.
Tab.1 Exploatarea rezervelor de cărbune la nivel mondial
Exploatare exprimată în mii de tone
Ordine Țara 1970 1980 1990 2000 2004
1. Germania 406.034 387.930 356.524 167.724 181.926
2. USA 5.963 42.300 82.608 77.620 75.750
3. Grecia 8.703 23.207 49.909 63.948 71.237
16
Exploatare exprimată în mii de tone
Ordine Țara 1970 1980 1990 2000 2004
4. Rusia 128.100 141.500 138.500 86.200 70.300
5. Australia 25.648 32.895 47.725 67.363 66.343
6. Polonia 36.118 36.866 67.584 59.505 61.198
7. China 16.960 26.288 44.520 42.774 50.000
8. Cehia 84.894 90.145 80.205 51.063 48.290
9. Turcia 4.400 16.967 46.892 61.315 43.754
10. Serbia 18.341 27.921 45.376 34.037 35.620
11. India 3.908 4.548 14.110 22.947 30.341
12. România 15.575 28.128 34.897 26.882 28.648
13. Bulgaria 31.806 29.946 31.532 26.183 26.455
17
Exploatare exprimată în mii de tone
Ordine Țara 1970 1980 1990 2000 2004
14. Thailanda 441 1.427 12.421 17.714 20.060
15. Ungaria 26.102 22.636 15.842 13.532 12.730
16. Canada 3.919 5.971 9.407 11.190 11.600
17. Bosnia 7.340 11.174 18.160 7.441 9.000
18. Macedonia 4.940 7.519 6.640 7.516 8.500
19. Spania 3.121 15.390 20.870 8.524 8.147
20. Coreea de Nord 5.700 10.000 12.500 6.500 6.500
2.3.Hidroenergia
Energia hidroelectrică, sau hidro electricitatea, reprezintă generarea de electricitate cu
ajutorul unor turbine angrenate de apă. Energia hidroelectrică are aplicații în tehnologii mult mai
vechi care au fost folosite timp de câteva secole pentru a transforma energia apelor curgătoare
(energia hidro) în alte forme de energie mult mai accesibile și mai folositoare, de exemplu morile
de apă. Energia hidroelectrică se bazează pe faptul ca curgerea de apă are un debit regulat și
adecvat, și o cădere suficienta de înălțime.
18
Energia hidroelecrică este cu siguranță cea mai raspandită și cea mai matură aplicație a
energiei regenerabile. 22% din productia mondială de energie provine de la hidro centrale, multe
dintre ele sunt hidrocentrale de putere mica (SHP) care produc mai putin de 10 MW; sunt mai
mult de 17400 de astfel de hidrocentrale în Europa.
Energia hidroelectrică se bazeaza pe o tehnologie matură care a evoluat în ultimii 100 de
ani.Tehnologia a fost adaptată pentru toate domenile de aplicații:
Hidrocentrale PICO-electrice: <5kW
Hidrocentrale MICRO și MINI-elecrice : 5kW – 100kW
Hidrocentrale mici: 100kW-10M
Hidrocentrale mari: >10MW
Se pot folosi configurații, depinzând de condițiile topografice și hidrologice, dar toate
adoptă același principiu general. Pentru a determina potențialul energetic al apei curgătoare dintr-
un râu sau pârău este necesar să se determine atât debitul cât și căderea de apă. Debitul este
cantitatea de apă care curge prin dreptul unui punct într-o perioadă de timp dată. Unitățile de
măsura folosite sunt: l/sec și m3 /sec. Căderea este înalțimea verticală, în metri, de la turbina
(punctul în care energia este extrasă din apă) până în punctul unde apa intra în canalul de admisie.
Energia se pierde atunci cand este convertită dintr-o forma în alta. Turbinele relativ mici
au în foarte puține cazuri un randament mai mare de 80%; restul de 20% este alcatuit din energie
cinetică și zgomot. Se va pierde și energie prin țevi sau canale datorită frecarii. Printr-o concepție
atentă aceste pierderi pot fi minimizate.
2.3.1. Tehnologia turbinelor
Din varietatea de componente dintr-o hidrocentrală, turbina este componenta de baza în
producerea de energie. Deoarece reprezintă o parte majoră din costul instalației și definește
recuperarea investiției, turbina trebuie să fie cât mai eficienta în raport cu costul ei. Sunt tipice
doua categorii de turbine, dar există multe modificari și rafinamente în cadrul acestor categorii.
• Turbinele cu cădere mare de apa sunt ideale pentru apele rapide.
• Turbinele cu cădere joasa de apa sunt ideale pentru apele lente.
Tehnologia pentru turbinele hidroelectrice mici este acum destul de matură, ca rezultat al
unor cercetări intensive și sistematice pentru optimizarea echipamentelor specifice
hidrocentralelor.
19
Proiectarea turbinelor hidroelectrice mici trebuie să îndeplinească trei cerințe:
• simplitate (costuri reduse)
• randament mare
• fiabilitate maxima (întreținere minima și ușoară)
Sistemele hidro-energetice prezintă următoarele beneficii:
-Energia hidro-electrică este o sursa de energie electrică regenerabilă continuă
-Energia hidro-electrică nu poluează (nu exista emisii de căldura și gaze toxice)
-Energia hidro-electrică nu are costuri de carburant și are costuri de operare și intreținere mici
- Tehnologia pentru producerea energiei hidro-electrice, este o tehnologie care oferă o operare
flexibilă și sigură
- Centralele hidro-electrice au o viață lungă și foarte multe dintre ele funcționează de mai bine de
jumătăte de secol și sunt încă foarte eficiente
- Stațiile hidro-electrice au un randament de peste 80%
Alte motive pentru folosirea hidro-energiei pico sunt:
- La scara globală exista o piață foarte mare în țările în curs de dezvoltare, pentru sistemele hidro
pico (pana la 5kW).
- Echipamentele pico hidro sînt mici și compacte. Ele pot fi transportate cu ușurință în zone
izolate și inaccesibile.
- Este posibilă producerea locală a componentelor. Principiile de design și procesele de fabricație
pot fi învățate cu usurință.
- Numărul de case conectate la fiecare schemă este de obicei mic, sub 100 de case. Astfel este
ușor să se strangă capitalul necear și să se facă intreținerea și colectarea de taxe.
- Concepute cu multa atenție schemele pico hidro au un cost mai mic pe kW decat cele solare sau
eoliene. Generatorul diesel, deși inițial mai ieftin, are un cost pe kW mai mare în timpul vieții,
deoarece acesta este asociat costului de combustibil.
2.4.Energia atomică. Centralele atomice
Faţă de perspectiva epuizării resurselor clasice de energie, energetica nucleară este
privită ca o alternativă valabilă tehnic pentru perioada imediat următoare.
Descoperirea fisiunii nucleare, pe lângă oferirea posibilităţii de verificare experimentală a
teoriilor ensteiniene cu privire la relaţia dintre masă şi energie, a oferit o nouă perspectivă de
20
obţinere a necesarului de energie a omenirii.
Descoperirea neutronului în 1932 de către James Chadwick a dat posibilitatea lui Enrico
Fermi şi apoi lui Otto Hahn, Lise Meitner şi Fritz Strassmann să încerce să obţină noi elemente
artificiale radioactive prin iradierea neutronică.
În 1940 Erwin Mattison şi Glen Seaborg obţin primele elemente transuraniene, neptuniul
şi plutoniul.
Hahn şi Strassmann descoperă în 1939 fisiunea nucleară prin bombardarea cu neutroni a
nucleului de uraniu. Imediat L.Meitner şi nepotul ei Otto Frish interpretează teoretic fenomenul
de fisiune nucleară. Joliot Curie, Halban şi Kowarski evidenţiază şi cei 2 – 3 neutroni eliberaţi
după fisiunea nucleară pe lângă cele două fragmente de
fisiune deja depistate.
Fermi, Dunning şi Szilard obţin rezultate î n c ă din 1939 privind reacţia de fisiune
în lanţ autoîntreţinută.
În 2 decembrie 1942 sub tribunele stadionului Stagg Field al Universităţii din Chicago,
Enrico Fermi reuşeşte să aducă în stare funcţională primul reactor nuclear conţinând 400 t de
grafit, 6 t de uraniu şi 50 t de oxid de uraniu pentru o putere efectivă de 2 kW.
La universitatea din Columbia, Dunning realizează succese în obţinerea de uraniu
îmbogăţit prin difuzie gazoasă.
Ca de multe ori în istoria umanităţii, considerente militare capătă prioritate. Din 1942 se
preconizează producerea şi testarea bombei atomice.
Sub conducerea lui Oppenheimer în 1943 şi 1944 la Los Alamos se construieşte prima
bombă nucleară experimentată la 16 iulie la Alamogordo.
După faza construcţiei reactorilor nucleari de cercetare clasici, în 1946 la Los Alamos
intră în exploatare primul reactor cu neutroni rapizi folosind Pu-239. Se demonstrează
astfel posibilitatea reproducerii combustibilului nuclear şi deci şi
oportunitatea producerii de energie electrică.
Prima centrală nuclearo-electrică echipată cu reactori cu uraniu îmbogăţit şi apă sub
presiune ca agent de răcire intră în funcţiune la Shippingport, Pensylvenia, la 2 decembrie
1957, realizând o putere de 60 MW.
La 1 ianuarie 1988 erau în funcţiune 417 reactori energetici în 26 de ţări cu o putere
instalată de 29700 MWe, iar în construcţie alţi 120 de reactori. La nivelul anilor 1995, în trei ţări
ponderea energiei electrice produse de CNE depăşeşte 50%, iar în alte nouă ţări se situează între
21
25 -50%.
Ponderea energiei electrice produse în CNE se apreciază la 20% în 1990 în balanţa
mondială a producerii energiei.
2.4.1.Procese energetice în reactorul nuclear
Înţelegerii fenomenelor dintr-un reactor nuclear îi sunt suficiente conceptele de structură
ale atomilor la nivelul de electroni, protoni şi neutroni ca particule fundamentale. Neutronul şi
protonul se găsesc şi sub denumirea generică de nucleoni.
Dacă N este numărul de neutroni al unui nucleu atomic, Z cel de protoni, deci A=Z+N
este numărul de nucleoni. Z reprezentând şi numărul de electroni egal cu cel al protonilor se va
numi numărul atomic, iar A numărul de masă.
Nucleele stabile conţin aproximativ acelaşi număr de protoni şi neutroni. Dacă există
un exces de neutroni în nucleu, când se depăşeşte o anumită limită, nucleul devine instabil.
Starea de instabilitate depăşită se manifestă prin dezintegrări radioactive şi emiterea de
radiaţii nucleare, fenomen evidenţiat în 1896 de H. Becquerel şi aprofundat apoi de Marie
Curie. Radioactivitatea se manifestă prin emisie de particule,(- sau +) şi captura unui electron
orbital. Aceste manifestări pot sau nu să fie însoţite şi de radiaţii γ. Producerea radioactivităţii
este determinată în esenţă de raportul N/Z care caracterizează gradul de instabilitate al nucleului
şi relaţia masă- energie existentă între nucleul iniţial şi particulele emise.
Radiaţiile α sunt reprezentate de nucleele de heliu emise de izotopul radioactiv atunci
când raportul N/Z are valori mici. O particulă α este încărcată pozitiv şi este formată din doi
protoni şi doi neutroni. Particulele α emise au o energie mare.
Radiaţiile β sunt formate din electroni ejectaţi din nucleele instabile. Aceste ra- diaţii
sunt caracteristice pentru nucleele cu exces de neutroni, aceştia transformându-se în protoni.
Radiaţiile β se caracterizează prin emisii cu energie continuă într-un spectru foarte larg. Există o
diferenţă între nivelul de energie teoretic şi cel existent în particulele β emise, diferenţă preluată
de particulele neutrino (γ). Aceste particule provin din trecerea unui neutron într-un proton şi
electron:
0 n1 →1p1 +1e0 +ν
22
Radiaţiile γ sunt emise de nucleele excitate şi sunt radiaţii electromagnetice. Nucleele
excitate după emiterea de fotoni pot reveni în stări energetice fundamentale.
Captura K caracterizează nucleele care nu se stabilizează prin emisie de protoni, cu un
deficit de neutroni şi în consecinţă aceste nuclee captează un electron de pe statul K, cel mai
apropiat nucleului. Legea fundamentală care guvernează radioactivitatea se referă la constanţa
în timp a probabilităţii de dezintegrare a unui radionuclid.
Reacţiile neutronice sunt cele ce au loc între neutroni şi nuclee, cea mai importantă fiind
reacţia de fisiune nucleară. În acest caz, sub impactul unui neutron accelerat nucleul se sparge
în două fragmente de fisiune. Are loc şi o eliberare de doi, trei neutroni rapizi, cât şi o cantitate
mare de energie
Fisiunea unui kilogram de U235 eliberează o cantitate energie de 2.930.000 ori mai
mare decât energia obţinută prin arderea unui kilogram de combustibil clasic.
Fig. 2.1. Reacţia de fisiune nucleară
Produsele de fisiune sunt radioactive şi au timpul de înjumătăţire cuprins între
microsecunde şi mii de ani. Dintre neutronii de fisiune peste 99% sunt neutroni prompţi, adică
eliberaţi în 10-4s, iar cei în proporţie de 1% sunt neutroni întârziaţi. Aceştia din urmă sunt
de o importanţă deosebită în comportarea dinamică a reactorului.
23
Pentru evidenţierea cantitativă a interacţiunii dintre radiaţiile nucleare şi mediu se
introduc mărimi fundamentale ca:
-Activitatea. Caracterizează intensitatea sursei radioactive şi se xprimă prin numărul de
dezintegrări în unitatea de timp. Are ca unităţi de măsură 1 Bq (becquerel) = 1 dezintegrare/s
sau 1 Ci (curie) = 3,7•1010 dezintegrări/s.
-Doza absorbită. Defineşte cantitatea de energie transferată unei unităţi de material
absorbant de radiaţii. Are ca unităţi de măsură 1 Gy (grey) = 1 J/kg sau 1 rad = 100 erg/g, deci 1
Gy = 100 rad.
-Echivalentul de doză. Pentru că radiaţiile nucleare produc efecte biologice diferite
pentru aceeaşi doză absorbită se va evidenţia factorul de calitate al radiaţiei incidente. Ca
unitate de măsură se foloseşte Sievertul (Sv) reprezentând echivalentul de doză pentru ţesutul
expus radiaţiei, având factor de calitate unitar atunci când doza absorbită este de 1 Gy. Se mai
foloseşte ca unitate de măsură şi rem-ul (roentgen equivalent man) cu relaţia: 1 Sv = 100 rem.
- Secţiunea nucleară. Măsurarea sau calculul probabilităţii de producere a unei reacţii
nucleare se exprimă prin secţiunea nucleară sau secţiunea eficace nucleară.
Numărul mediu de neutroni emişi la fisiunea izotopului U235 este de 2,43. Dacă cel puţin
unul din aceştia va determina o altă reacţie de fisiune vor rezulta alţi neutroni care pot întreţine
în continuare reacţia, care devine reacţie de fisiune în lanţ. Ea constituie fenomenul esenţial
dintr-un reactor nuclear.
Se poate calcula energia produsă prin fisiune nucleară în lanţ din fisiunea tuturor
nucleelor aflate într-un gram de U235 ştiind că fisiunea unui nucleu eliberează cca. 200 MeV.
Numărul lui Avogadro, egal cu 6,022•1023, reprezintă numărul de nuclee existente într-un
atom gram. Deci nucleele existente într-un singur gram al izotopului U235 vor fi:
6,022•1023/235=2,56•1021.
Deci energia eliberată este 2,56•1021•200 MeV, ceea ce corespunde aproximativ la 1
MW produs în 24 de ore.
Aceeaşi energie s-ar obţine într-o termocentrală prin arderea a 2570 kg cărbune. Cantitatea
minimă de material fisionabil care poate asigura o fisiune nucleară în lanţ autoîntreţinută se
numeşte masă critică. Pentru U235 masa critică variază între 1 kg şi 200 kg funcţie de
caracteristicile reactorului, dimensiunile lui şi de dinamica neutronilor. Aceasta din urmă se
24
poate caracteriza prin factorul de multiplicare dat de raportul neutronilor produşi într-o
generaţie şi cel din generaţia precedentă. Pentru o fisiune nucleară staţionară densitatea
neutronilor este constantă, factorul de multiplicare este deci unitar şi se spune că reactorul a
atins starea critică. Generaţia de neutroni defineşte mulţimea neutronilor existenţi în reactor
între două fisiuni succesive. Viaţa neutronilor în reactor este de ordinul microsecundelor. Pentru
a evita posibilităţile de scăpare a neutronilor din reactor, acesta va fi prevăzut spre exteriorul lui
cu un reflector realizat dintr-un material slab absorbant de neutroni. La reactorul CANDU
reflectorul este realizat dintr-o zonă circulară de apă grea.
Moderarea reprezintă procesul de încetinire a neutronilor ultrarapizi rezultaţi în urma
fisiunii nucleare. Această încetinire are loc până la o viteză a neutronilor corespunzătoare
emiterii de către aceştia a energiei termice. Un neutron moderat se mai numeşte şi neutron
termic.
Moderarea neutronului este urmarea ciocnirilor elastice şi neelastice ale acestuia cu
nucleele mediului moderator aflat în zona activă a reactorului.
Prin moderare, energia neutronului scade de la 2 MeV la aproximativ 0,025 eV. Pentru
creşterea pierderii de energie a neutronului moderatorul va trebui să fie format din nuclee
uşoare. Materialele folosite ca moderatori îşi probează calităţile prin puterea de moderare,
proporţională cu decrementul logaritmic mediu al energiei neutronului, şi coeficientul de
moderare, rezultat prin raportarea puterii de moderare la secţiunea efectiv nucleară macroscopică
a neutronilor.
Dintre substanţele moderatoare se remarcă apa grea, D2O, având cel mai bun coeficient
de moderare şi necesitând circa 36 de ciocniri ale neutronului rapid până la termizarea lui.
Reactorii CANDU folosind combustibil nuclear uraniul natural au ca moderator apa grea,
aceasta având şi secţiunea nucleară de absorbţie a neutronilor foarte mică.
Grafitul, cu un coeficient de moderare bun, este folosit la reactorii de tipul GCR (Gas
Cooled Reactor – reactor răcit cu gaz) şi AGR (Advanced Gas Cooled Reactor – reactor
avansat, răcit cu gaz). Grafitul determină termizarea neutronului după 115 ciocniri succesive.
Apa uşoară are proprietăţi bune pentru moderarea neutronilor, dar produce absorbţii
parazite de neutroni. În consecinţă va fi folosită numai în reactorii funcţionând cu
uraniu îmbogăţit de tipul PWR (Pressurized Water Reactor – reactor cu apă sub presiune), BWR
(Boilling Water Reactor – reactor cu apă în fierbere) sau VVER (Vodo Vodianoi
Energheticeskii Reactor – reactor energetic apă-apă). Apa uşoară reuşeşte termizarea
neutronului după 20 de ciocniri succesive. Se folosesc ca moderatori şi beriliul (Be) sau oxidul
25
de beriliu (BeO).
Neutronii eliberaţi în urma fisiunii nucleare şi aflaţi în reactor constituie un gaz de
netroni. Cunoaşterea comportării acestui gaz de netroni, distribuţia lui în zona activă a
reactorului este foarte importantă în evoluţia reacţiei de fisiune şi de producere a puterii în
reactor.
2.4.2.Arderea combustibilului nuclear
Arderea combustibilului nuclear este un proces bazat pe reacţiile de fisiune nucleară şi
pe reacţii de transmutanţă. Acest lucru este condiţionat de:
- consumarea nucleelor de U235 prin fisiunea cu neutronii termici;
- consumarea nucleelor de U238 prin fisiunea cu neutronii rapizi şi
transformarea lor în nuclee de Pl239 (plutoniu);
- consumarea nucleelor de U239 prin fisiunea cu neutronii termici
Arderea combustibilului modifică condiţiile de criticitate datorită schimbării
compoziţiei şi concentraţiei de nuclee fertile şi fisionabile. Fluxul de neutroni este maxim la
început în zona centrală a reactorului. Aici atinge un maxim transformarea materialului fertil
în unul fisil şi deci şi un maxim de producere a samariului şi xenonului. Aceste două
aspecte duc la micşorarea fluxului iniţial de neutroni şi deci la transferarea locului de maxim al
reacţiei de fisiune. Fenomenul de ardere al combustibilului nuclear determină menţinerea
condiţiilor de criticitate a reactorului.
Sunt necesare o încărcare şi distribuire a combustibilului proaspăt în zona activă a
reactorului.
Dar până la obţinerea formei şi compoziţiei necesare pentru a fi introdus în reactor,
combustibilul nuclear trece prin mai multe faze pregătitoare.
Produsul cu concentraţie de uraniu necesară, numit şi yellow-cake, parcurge anterior
etapele [3], [4]:
- Etapa I: Îmbogăţirea pe cale fizică a minereului de uraniu.
- Etapa II: Dizolvarea minereului de uraniu prin solubilizări acide sau alcaline.
Solubilizarea acidă se realizează printr-un consum mare de acid sulfuric, acid azotic, acid
clorhidric, care dau naştere la reacţii de oxidare desfăşurate la presiuni de 4 -12 bar.
Solubilizarea alcalină se realizează prin amestecarea minereului de uraniu cu soluţii de
26
carbonat de sodiu. Soluţia astfel obţinută se barbotează cu aer sub presiune în zona temperaturii
de fierbere. Soluţiile obţinute prin cele două metode se filtrează în vid şi se separă elementele
compoziţiei obţinute.
- Etapa III: Purificarea şi extragerea compuşilor de uraniu. Indiferent de metoda
adoptată se repetă ciclic purificări şi reextracţii ale uraniului cu randamente până la 80%.
Acest amestec trebuie să conţină să- ruri sau oxizi de uraniu cu o concen- traţie de 70 -
75%. Standardele impun o concentraţie minimă de uraniu de 60%, umiditate sub 10% şi
impurităţile se limi- tează la 10%, vanadiu, 6% fosfor, 0,2% bor, 10% sulfat, 2% carbonat.
Acest amestec se livrează sub formă de pulbere sau granule.
Fig.2.2. Fascicul de combustibil CANDU.
Yellow-cake se va modela sub forme cilindrice, sferice sau tubulare, care apoi sunt
acoperite cu o teacă protectoare. Această teacă este confecţionată din zirconiu, care rezistă
bine la acţiunea corozivă a agentului de răcire cu care vine în contact în procesul transferului
călduri din reactor. Se mai folosesc în locul zirconiului beriliu sau aliaje de aluminiu cu
magneziu. La reactoarele CANDU-PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor – reactor cu apă
grea sub presiune) combustibilul de află sub formă de bare în număr de 37, dispuse pe trei
cercuri concentrice. Acest lucru este redat în fig.2. pentru centrala CANDU-PHWR.
2.4.3.Controlul reacţiei nucleare
Controlul reactorului nuclear va asigura pornirea reactorului, aducerea lui la puterea
cerută, funcţionarea la putere constantă şi oprirea în condiţii normale sau de avarie.
27
Pentru pornirea reactorului este necesară asigurarea condiţiilor de criticitate şi de
realizare a coeficientului de multiplicare k=1. În acest caz fluxul de neutroni este constant în
timp şi reacţia de fisiune nucleară devine staţionară. Realizând k > 1, deci creşterea numărului
de neutroni ai unei generaţii faţă de cea anterioară, creşte densitatea fluxului de neutroni şi va
creşte şi puterea reactorului.
Alimentarea cu combustibil al reactorului este discontinuă în timp, lucru ce impune
existenţa la pornire a unui exces de combustibil faţă de cel critic. Acest fapt determină un
exces de reactivitate. Este necesară însă existenţa unei rezerve de reactivitate şi în exploatarea
reactorului. Rezultă că în exploatarea normală a reactorului controlul reacţiei se realizează prin
controlul excesului de reactivitate existent.
Metoda clasică de control a reactorului nuclear constă în folosirea barelor de control.
Acestea sunt compuse din materiale care absorb puternic neutronii. Exemple de astfel de
materiale sunt aliajele de cadmiu, indiu şi hafniu sau aliaj al oţelului cu borul. Aceste bare se
introduc în zona activă a reactorului şi determină absorbţii parazite de neutroni reducând
fluxul neutronilor.
Barele de reglaj sunt în număr foarte mare şi forme diferite pentru a realiza o absorbţie
uniformă de neutroni. La introducerea completă a barelor de reglaj reactorul trece în starea
subcritică şi reacţia de fisiune în lanţ se opreşte.
O altă metodă de reglaj şi control a reactorului constă în dizolvarea de otrăvuri în
moderator. Acidul boric (H3BO3) este o astfel de otravă pentru BWR, el absorbind neutroni.
La reactorul CANDU controlul reactorului se realizează prin urmărirea nivelului de moderator,
adică a apei grele.
Xenonul (Xe135) şi samariul (Sm149) sunt produse de fisiune nucleară care absorb
neutroni în mod parazit şi se vor numi otrăvuri pentru reactor. Primul este instabil cu o
perioadă de înjumătăţire de 9,2 h, iar al doilea este stabil.
La oprirea reactorului încetează producerea Xe135 prin fisiune nucleară, dar continuă
apariţia lui prin dezintegrarea iodului I135 existent în reactor. Creşte în acest fel concentraţia
de Xe135, concentraţie care scade apoi prin dezintegrarea proprie. Această dinamică a
concentraţiei depinde de intensitatea fluxului de neutroni existent înaintea opririi reactorului.
Timpul de otrăvire cu Xe a reactorului CANDU este de 32 h după oprire, timp mort, când
reactorul nu poate fi pornit.
De asemeni, la salturile de putere ale reactorului, îndeosebi la scăderea puterii acestuia,
28
apar concentraţii mărite de Xe şi deci posibilitatea apariţiei otrăvirii reactorului. Se impune
existenţa în reactor a unui exces de reactivitate pentru compensarea otrăvirii cu Xe135.
Samariul, Sm149, fiind stabil, eliminarea acestuia se poate realiza numai prin
captură neutronică. Cum Sm149 are o secţiune de captură mai mică decât Xe135, la oprirea
reactorului acumularea de Sm149 se face mai lent şi maximul concentraţiei acestuia apare
după ce a trecut maximul concentraţiei de Xe135.
În CNE scopul funcţionării reactorului energetic este de a produce căldură, fenomen
prezentat anterior. În proiectarea unui reactor nuclear nivelul de putere al acestuia este limitat
de aspectul termic şi nu neutronic.
Într-o singură reacţie de fisiune nucleară se eliberează aproximativ 200 MeV care se
repartizează astfel: 84% energie cinetică a fragmentelor de fisiune, 4% ca energie de
dezintegrare prin radiaţii β, 3,5% energie în radiaţii γ, 2,5% ca energie a neutronilor de
fisiune, restul de 6% se găseşte în energia radiaţiilor γ de captură. Energia termică se
eliberează diferit şi în locuri diferite în zona activă a reactorului. Astfel s-a stabilit
experimental următoarea balanţă: 90% în zona activă, 4% în moderator, 1% în protecţia
biologică şi 5% este energia pierdută în particule neutrino.
Transferul de căldură se realizează prin conducţie în interiorul combustibilului nuclear
spre teaca de protecţie, iar de la suprafaţa tecii spre agentul de răcire prin convecţie.
Combustibilul nuclear folosit frecvent în prezent este sub formă de ceramică de bioxid de
uraniu (UO2) care s-a impus datorită comportării bune în condiţii de iradiere. În schimb
conductivitatea este scăzută.
Agentul de răcire evacuează căldura din zona activă a reactorului spre generatorul de
abur. Odată parametrii aburului obţinuţi, evoluţia lui cât şi instalaţiile componente sunt
asemănătoare cu cele din CTE.
Se poate întâmpla ca o parte a agentului de răcire să se transforme în abur în interiorul
canalelor de răcire. Dacă transformarea în abur este parţială se realizează doar un transfer de
căldură convectiv mai bun. Dacă transformarea de stare este totală, atunci reactorul nuclear are
şi funcţia de generator de abur.
Prin canalele de răcire practicate în masa combustibilului nuclear circulă ca agent de
răcire unul din următoarele fluide de răcire: apa obişnuită care pentru a fi menţinută în stare
lichidă este supusă unor presiuni mari, apa grea, gaze ca CO2, He, amestec de He-Ne sau
29
sodiu lichid. Fluidele de răcire fiind în contact direct cu masa combustibilului nuclear devin
radioactive.
Se poate întâmpla ca o parte a agentului de răcire să se transforme în abur în interiorul
canalelor de răcire. Dacă transformarea în abur este parţială se realizează doar un transfer de
căldură convectiv mai bun. Dacă transformarea de stare este totală, atunci reactorul nuclear are
şi funcţia de generator de abur.
Prin canalele de răcire practicate în masa combustibilului nuclear circulă ca agent de
răcire unul din următoarele fluide de răcire: apa obişnuită care pentru a fi menţinută în stare
lichidă este supusă unor presiuni mari, apa grea, gaze ca CO2, He, amestec de He-Ne sau
sodiu lichid. Fluidele de răcire fiind în contact direct cu masa combustibilului nuclear devin
radioactive.
Diversitatea tipurilor de reactori nucleari este dată de tipul combustibilului nuclear, al
moderatorului şi al agentului de răcire.
Reactorii nucleari care folosesc acelaşi moderator şi agent de răcire formează o filieră
nucleară energetică.
O filieră nucleară se identifică după iniţialele cuvintelor cheie care definesc
moderatorul şi modul de răcire, cuvinte din limba engleză. Reactorii nucleari construiţi în
fosta URSS au altă identificare.Tabelul 2. prezintă principalele filiere nucleare energetice:
Tabelul 2.1. Strategii şi filiere energetice
Strategii Filtre Tipuri de
reactoriModerato
r
Agent
de Uraniu natural UO2
GCR GCR Grafit CHWR HWR, BHWR D2O D
Uraniu îmbogăţit 1,5
-3% U235 în UO2
GCR AGR, HTGR Grafit CO2, He
LWR PWR, BWR, H2O H
2ORBMK RBMK Grafit H2OSGHWR SGHWR D2O H
MSR MSBR Grafit Săruri topite
Plutoniu FBR LMFBR - Na lichid
Toriu GCR THTGR Grafit HeHWR PHWR D2O D
GCR→Gas Cooled Reactor (Reactor răcit cu gaz)
AGR→Advanced Gas Cooled Reactor (Reactor avansat răcit cu gaz)
HTGR →High Temperature Gas Cooled Reactor (Reactor cu înaltă temperatură răcit cu
30
gaz)
THTGR→Thoriu High Temperature Gas Cooled (Reactor cu toriu de înaltă
temperatură răcit cu gaz )
HWR →Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea)
PHWR →Pressurized Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea sub presiune)
BHWR →Boiling Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea în fierbere)
LWR →Light Water Reactor (Reactor cu apă uşoară)
PWR →Pressurized Water Reactor (Reactor cu apă sub presiune)
BWR →Boiling Wather Reactor (Reactor cu apă în fierbere)
LWBR →Light Water Breeder Reactor (Reactor reproducător cu apă uşoară)
SGHWR→Steam Generatin Heavy Water Reactor (Reactor moderat cu apă grea şi răcit cu
apă uşoară în fierbere)
MSR →Molten Salt Reactor (Reactor cu săruri topite)
MSBR →Molten Salt Breeder Reactor (Reactor reproducător cu săruri topite)
FBR →Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni pozitivi)
LMFBR →Liquid Metal Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni
rapizi, răcit cu metale lichide)
GCFBR →Gas Cooled Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni
rapizi, răcit cu gaz)
VVER →Vodo Vodianoi Energheticeskii Reactor (Reactor energetic apă-apă)
Se specifică faptul că un reactor este reproducător dacă numărul de nuclee fisonabile
rezultate dintr-un nucleu fisonat este supraunitar.
Reactoarele răcite cu apă sau materiale organice ajung la temperaturi de 290 -340
ºC. Temperatura maximă a agentului de răcire este obţinută la folosirea de metale lichide,
ajungându-se la 500ºC.
Este important transferul căldurii spre exteriorul reactorului pentru a realiza obdiferenţă
de temperatură între ieşirea şi intrarea în reactor a fluidului de răcire Δt, cât mai mare. Această
diferenţă are valori de la 20 - 35ºC şi în cazul reactoarelor răcite cu apă, până la 235 - 240ºC la
31
cele răcite cu metale topite.
Dacă răcirea este făcută cu apă lichidă pentru a asigura această stare a apei se impune
folosirea de presiuni de 100 – 130 bar, presiune care scade la 10 – 25 bar pentru ceilalţi
agenţi de răcire.
Agentul de lucru din turbină, aburul, trebuie să aibă temperatura şi presiunea cât mai mare
pentru a dezvolta lucrul mecanic necesar în turbină. Aceşti parametri depind de tipul agenţilor de
răcire şi de numărul treptelor circuitului termic. Dacă agentul de răcire este în acelaşi timp şi
agent de lucru, în centrală există o singură treaptă a circuitului termic. Se construiesc CNE
cu două sau trei trepte ale circuitelor termice.
2.4.4.Scheme şi circuite termice în CNE
Scheme cu un singur circuit
Acest caz este cel mai simplu constructiv. Cazanul din CTE este înlocuit cu reactorul
nuclear care va reprezenta sursa de căldură cât şi generatorul de abur. Acest ultim aspect se
realizează prin transformarea de stare a agentului de răcire care devine agent de lucru în turbină.
Acest agent este apa uşoară în BHWR. Schema termică de principiu a unei astfel de CNE este
reprezentată în fig.3. Apa antrenată de pompa de alimentare a reactorului PAR ajunge în zona lui
activă la starea de abur saturat.
Fig.2.3. Schema termică cu o treaptă.
Urmează destinderea în prima treaptă a turbinei până la un titlu acceptabil, după care
aburul ajunge în separatorul de umiditate SU, micşorându-şi conţinutul de umiditate. O parte a
32
aburului corespunzător acestei stări cedează căldură preîncălzitorului PA, iar cantitatea cea mai
mare se destinde în treapta a doua a turbinei. Evoluţia ciclică a agentului termic este asigurată
de condensatorul Cd şi pompa de condens Pcd.
Dezavantajul schemei este că aburul obţinut este saturat şi el este şi radioactiv
contaminând circuitul termic al centralei. Este deci necesară o protecţie biologică.
Variante ale schemei cu o singură treaptă folosesc un tambur pentru separarea
aburului umed TS, cât şi o reîncălzire sau o supraîncălzire a aburului în reactor.
Scheme cu două circuite
Pentru a reduce contaminarea radioactivă a instalaţiilor circuitului termic se separă
circuitul agentului de răcire de cel al agentului termic. Apar deci două circuite distincte. În
primul circuit se află reactorul nuclear, generatorul de abur, presurizatorul, pompa de
alimentare a reactorului sau suflanta de gaze dacă răcirea de face cu gaz. Fluidul de răcire
poate fi CO2 (GCR, AGR), apa grea (PHWR), heliu (HTGR) sau apa uşoară (PWR, VVER).
A doua funcţie a reactorului la CNE cu un singur circuit, aceea de a genera abur,
este preluată acum de o instalaţie specifică acestei funcţii numită chiar generator de abur.
Primul circuit primar fiind radioactiv este containerizat în anvelopă. Al doilea circuit
are acum caracterul clasic din CTE.
Generatorul de abur are două părţi funcţionale: economizorul şi vaporizorul. Aburul
obţinut poate fi saturat sau supraîncălzit.
Pentru supraîncălzire se poate folosi o nouă trecere prin reactorul nuclear sau o instalaţie
clasică funcţionând cu combustibili fosili.
Fig.2.4. Variante de circuite termice cu două trepte în CNE. a) Cu abur saturat; b) cu abur
supraîncălzit clasic în circuitul termic.
33
Scheme cu trei circuite
Reactorii reproducători au o temperatură mult mai ridicată în zona activă. Se impune
deci o evacuare mai eficientă a căldurii, lucru care duce la adoptarea sodiului lichid ca agent de
răcire. Sodiul are însă reacţii chimice explozibile în contact cu apa. Acest lucru duce la
adoptarea unui circuit intermediar între cel primar şi cel termic. În acest circuit intermediar
circulă tot sodiul lichid. Pentru evitarea contactului cu apa din circuitul termic, generatorul de
abur GA va fi construit cu pereţi dublii. Costul lui ar fi fost mult mărit dacă se construia pentru
parametrii circuitului primar. În fig.5. se dă schema cu trei trepte pentru un LMFBR cu o
supraîncălzire intermediară și a aburului.
Fig.2.5. Circuit termic cu trei trepte în CNE.
În această variantă agentul de răcire intră în reactor cu 300ºC şi iese cu 500ºC, iar aburul
ajunge la 430ºC şi 50 bar. Este cazul reactorului BN 350 de 1000 MW din fosta URSS.
2.4.5.Randamentul CNE
Randamentul unei CNE, ţinând cont de specificul fenomenelor care apar în
funcţionare, este definit ca raportul energiei electrice produse şi energia totală consumată de
centrală. Deci apare ca un indicator global al CNE.
Randamentul CNE este limitat de randamentul ciclului termic care este mai mic decât la o
CTE, datorită parametrilor mai mici ai aburului la intrarea în turbină.
Randamentul reactorului nuclear este aproape unitar, circuitul primar al agentului de
răcire fiind unul închis. La CNE cu mai multe trepte în circuitul termic, randamentul fiecărui
circuit intervine ca un factor în produsul randamentelor reactorului şi al circuitului termic
34
Combustibil compuși de uraniu
Prepararea combustibilului
Exploatarea reactorului
Reprocesarea combustibilului
Deșeuri radioactive
clasic.
CNE cu GCR realizează randamente între 19% şi 41% în Anglia şi 22% până la 31% în
Franţa . Reactorii nucleari CANDU din CNE funcţionează la randamente până la 30%.
2.4.6. Deșeurilor radioactive rezultate din centralele atomoelectrice
Deșeurile radioactive rezultă din procesarea compușilor de uraniu utilizați drept
combustibil nuclear în reactoarele termice. În figura este reprezentată o schemă a procesului
tehnologic simplificată a circuitului combustibilului nuclear din care rezultă deșeurile
radioactive . Aceste deșeuri pot constitui surse de contaminare radioactivă.
Aceste deșeuri rezultate în urma procesării combustibilului nuclear se împart în
următoarele categorii :
a) deșeuri cu activitate scăzută (hârtie, îmbracaminte, echipament, pămînt contam.)
b) deșeuri cu activitate medie (materiale schibătoare de ioni, suspensii solide depuse în
bazine unde se stochează combustibil nuclear)
c) deșeuri cu activitate ridicată (combustibilul uzat )
35
Fig. 2.6. Schema simplificată a circuitului combustibilului nuclear
Deșeurile cu activitate radioactivă scazută nu au nevoie de tratare și de aceea ele sunt
încapsulate și stocate perpetuu în mod direct , prin îngropare la adîncimi mici în sol în diferite
locuri sau prin imersare controlată în mare.
Deșeurile cu activitate radioactivă intermediară sunt încorporate în beton, diverse rășini
sau bitum, considerate ca materiale inerte. O parte din aceste deșeuri pot fi stocate perpetuu prin
scufundare în mare.
Deșeurile cu activitate radioactivă ridicată au nevoie de tratamente speciale în ceea ce
priveste stocarea. De exemplu, în Anglia, ele sunt ținute în tancuri special răcite în
amplasamente construite și supravegheate continuu de către Compania Britanică de Combustibili
Nucleari de la Sellafield du Cumbria.
36
Depozitarea în formațiuni geologice
de mare adîncime la nivelul uscatului
Amplasarea sub stratul acvifer al
oceanului
Lansarea în spațiul interplanetar
Opțiuni privind
stocarea permanentă
Odata solidificate, deșeurile trebuie ținute depozitate timp de secole, cu răcire
corespunzatoare, supraveghere și renovare periodică a clădirilor de depozitare, aceasta fiind o
povară pentru generațiile viitoare. Ecologiștii din Germania au transmis guvernului să analizeze
posibilitatea lansării în spațiul interplanetar pe traictorii speciale a containelor ce prezintă riscuri
majore de contaminare. Sigur această opțiune este cea mai sigură dar prezintă dezavantajul unor
costuri foarte mari.
Opțiunea pentru stocarea perpetuă sub stratul freatic al oceanului nu este cea mai bună. În
anul 2000 radioactivitatea Mării Baltice a crescut la cote alarmante datorită containerelor cu
deșeuri radioactive depozitate de Rusia.
In ciuda îngrijorărilor larg manifestate de catre populație în legătură cu stocarea deșeurilor
radioactive, rezută acum din unele studii efectuate de țări cu mare tradiție în utilizarea energiei
nucleare, că există soluții tehnice pentru stocarea perpetuă (lichidarea) tuturor deșeurilor care
există sau care vor fi produse. Important este găsirea locurilor pentru depozitare, cunoașterea
exactă a structurii geologice pentru a exclude apariția unor riscuri chiar în cazul unui seism
major. Pentru societate se pune problema ponderii pe care s-o dăm acum unei anumite
probabilități privitoare la un efect dăunător în viitorul îndepărtat.
2.4.7. Accidente la centralele atomoelectrice
Accidentul nuclear de la Cernobîl
Accidentul nuclear de la Cernobîl a fost un accident major în Centrala Atomoelectrică
Cernobîl, pe data de 26 aprilie 1986 la 01:23 noaptea, care s-a compus dintr-o explozie a
centralei, urmată de contaminarea radioactivă a zonei înconjurătoare. Centrala electrică se afla la
51°23′23″N 30°5′58″E , în apropiere de orașul părăsit Pripiat, Ucraina. Acest dezastru este
considerat ca fiind cel mai grav accident din istoria energiei nucleare. Un nor de precipitații
radioactive s-a îndreptat spre părțile vestice ale Uniunii Sovietice, Europei și părțile estice ale
Americii de Nord. Suprafețe mari din Ucraina, Belarus și Rusia au fost puternic contaminate,
fiind evacuate aproximativ 336.000 de persoane. Circa 60% din precipitațiile radioactive cad în
Belarus, conform datelor post-sovietice oficiale.
Accidentul a pus în discuție grija pentru siguranța industriei sovietice de energie nucleară,
încetinind extinderea ei pentru mulți ani și impunând guvernului sovietic să devină mai puțin
secretos. Acum statele independente – Rusia, Ucraina și Belarus - au fost supuse decontaminării
continue și substanțiale. E dificil de estimat un număr precis al victimelor produse de
37
evenimentele de la Cernobîl, deoarece secretizarea din timpul sovietic a îngreunat numărarea
victimelor. Listele erau incomplete și ulterior autoritățile sovietice au interzis doctorilor citarea
„radiație” din certificatele de deces. O eventuală tentativă de decelare a contribuției radiației
emise din cauza accidentului la mortalitatea prin cancer în populația fostei Uniuni Sovietice e
complicată de faptul că nu se cunoaște cu precizie nici măcar incidența naturală a multor tipuri de
cancer, arhivistica medicală în U.R.S.S. fiind, în mod vădit, extrem de primitivă, atât înainte cât
și după accident. Pernicioasei și proverbialei secretomanii a regimului sovietic i se adaugă deci,
pentru a complica și mai mult o eventuală tentativă de estimare cu o precizie satisfăcătoare a
numărului de victime afectate, în timp, de cancer, ca urmare a radioactivității emise cu ocazia
accidentului, o serie de alți factori precum imposibilitatea determinării precise a dozei încasată de
diversele segmente demografice afectate (deplasarea norului radioactiv n-a fost monitorizată și
anunțată populației deasupra căreia acesta se afla la fiecare moment, drept pentru care oamenii nu
s-au putut proteja, ramânând în case, pentru a diminua contaminarea și doza încasată), realitatea
geopolitică fluidă (migrație internă și emigrație a populației potențial afectată) produsă de
dezintegrarea statului sovietic, complicația adusă de o creștere a incidenței cancerului în
populația fostei Uniuni Sovietice din alte motive decât radioactivitatea produsă de accident, ca
urmare a degradării condițiilor sociale și de viață ale populației după dezintegrarea federației:
după dezintegrarea statului sovietic, pe fondul sărăcirii populației și ca urmare a liberalizării
comerțului și publicității la articole gen alcool și tutun, incidența maladiilor sociale gen
alocoolismul și a comportamentelor de risc precum fumatul a crescut, fapt care a condus în mod
natural și la creșterea incidenței bolilor provocate de acestea, printre care se află și cancerele
(oral, gastric și hepatic, când e vorba de alcoolism, pulmonar și altele, când e vorba despre
fumat). La populația care a intervenit inițial pentru limitarea consecințelor dezastrului (așa-
numiții "lichidatori"), stresul provocat de teama de îmbolnăvire de cancer a indus uneori
comportamente de risc care au condus la deces înainte ca un cancer, provocat sau nu de iraderea
în timpul intervenției, să apară (cazul tânărului de 26 de ani Andrei Tarmosian, mort de ciroză,
după 24 de ani de la accidentul de la Cernobîl, la vârsta de 50 de ani, ca urmare a consumului
excesiv de alcool, este citat de anumiți autori).
Raportul Forului Cernobîl din anul 2005, condus de Agenția Internațională pentru Energie
Atomică (AIEA) și Organizația Mondială a Sănătății (OMS), a atribuit 56 de decese directe (47
de lucrători și 9 copii cu cancer tiroidian) și a estimat că mai mult de 9.000 de persoane dintre
38
cele aproximativ 6,6 de milioane foarte expuse pot muri din cauza unei forme de cancer. Raportul
a citat 4.000 de cazuri de cancer tiroidian între copiii diagnosticați în 2002.
Deși în Zona de Excludere a Cernobîlului anumite zone restrânse vor rămâne închise,
majoritata teritoriilor afectate sunt acum deschise pentru stabilizare și activitate economică.
Centrala Atomolectrică
CAE Cernobîl (51°23′14″N 30°06′41″E ) se află în apropiere de orașul Pripiat, Ucraina, la
18 km nord-vest de orașul Cernobîl, la 16 km - sud de frontiera ucraino-belarusă și aproximativ
110 km nord de Kiev. Centrala a fost compusă din patru reactoare de tip RBMK-1000, fiecare
capabil de producere a 1 GW de putere electrică. Construirea centralei a început în anii '70 ai
secolului XX, cu reactoarele #1 (care a fost închis în anul 1977), #2 în 1978, #3 în 1981 și #4 în
1983. Două alte reactoare - #5 și #6 - erau în timpul construcției când a avut loc accidentul.
Acidentul
Sâmbătă, 26 aprilie 1986, la 01:23:58 am, reactorul #4 a suferit o explozie catastrofală a
cazanelor sub presiune de abur din componența acestuia, care a declanșat un incendiu, o serie de
explozii adiționale și fluidizare nucleară. Accidentul poate fi gândit ca o versiune extremă a
accidentului SL-1 în Statele Unite din 1961, unde centrul reactorului a fost distrus (omorând trei
oameni), radioactivitatea răspândindu-se direct în interiorul clădirii unde se afla SL-1. În timpul
accidentului de la Cernobîl însă, aceasta a fost dusă prin vânt spre frontierele internaționale.
Accidentul de la Cernobîl a degajat între cinci și zece ori mai mult material radioactiv
decât cel de la Fukushima (Japonia), de mai multe ori cantitatea de radiații emise de bombele de
la Hiroșima și Nagasaki, dar mai puțin de 1 % decât au aruncat în atmosferă testele nucleare de
suprafață ale armelor nucleare, până la interzicerea efectuării acestora în atmosferă.
Planuri de testare
La data de 26 aprilie 1986, pe lumină, reactorul #4 a fost programat pentru a fi închis
pentru întreținere. S-a decis folosirea acelei ocazii ca o oportunitate pentru controlarea capacității
generatorului turbinei de a produce putere electrică suficientă pentru alimentarea sistemelor de
siguranță ale reactorului (mai ales pompele de apă) după pierderea puterii externe. Tipul RMBK
al reactorului are nevoie de apă care să circule continuu prin centru, atâta vreme cât combustibilul
nuclear este prezent. Reactoarele Cernobîlului au avut o pereche de generatori diesel, disponibilă,
dar aceasta nu se activează imediat – reactorul a fost, deci, pregătit pentru a invarti jos turbina,
39
punct la care ea ar fi fost deconectată și ar fi permis răsucireea sub elanul său rotativ, iar scopul
testului a fost acela de a se hotărî dacă turbinele în faza extenuată pot genera putere pentru
pompe. Testul a fost făcut cu succes la altă unitate (cu toate sistemele de siguranță active), având,
însă, rezultate negative – turbinele nu au generat puterea suficientă, dar au fost făcute
îmbunătățiri adiționale, ceea ce a determinat efectuarea altui test.
Condițiile pentru începerea acestui test au fost pregătite pe lumină la data de 25 aprilie și
producția de energie a reactorului a fost redusă spre 50%. O stațiune locală de putere a fost
închisă neașteptat. Coordonatorul retelei electrice a Kievului a cerut amânare scaderii aportului
energetic al centralei în rețea, pentru acoperirea vârfului de consum al serii. Directorul centralei a
consimțit și a amânat testul pentru mai târziu. Testul de siguranță a fost amânat până la schimbul
de noapte, o echipă neexperimentată care ar fi trebuit să lucreze la reactorul #4 noaptea aceea și
următoarea.
La 11:00 noaptea, 25 aprilie, se permite închiderea reactorului pentru continuarea testului.
S-a prevăzut ca din nominalul său de 3,2 GW energie, aducerea reactorului spre 0,7-1,0 GW, cu
scopul de a efectua testul la cel mai jos nivel de putere recomandat. Oricum, noua echipă a fost
surprinsă de amânarea anterioară a încetinirii reactorului și a urmat protocolul original al testului.
Urmarea a fost reducerea prea rapidă a nivelului de putere. În acea situație, reactorul a produs
mult xenon-135, care a scăzut și mai mult puterea (spre 30 MW - aproximativ 5% de valoare
presupusă). Operatorii au crezut că scăderea rapidă a fost din cauza unui defect la unul dintre
regulatorii de putere, scăpând din vedere contaminarea reactorului. Cu scopul de a spori
reactivitatea (neștiind că scăderea drastică a puterii este cauzată de absorbția în exces a
neutronilor de xenon-135), au fost scoase celulele de control din reactor în ciuda faptului că acest
lucru este permis cu respectarea unor reguli stricte de siguranță. Cu toate acestea, puterea
reactorului nu a crescut decât în jur de 200 MW putere ce reprezenta mai puțin de o treime din
minimul necesar pentru efectuarea experimentului. Mai mult, șeful echipei alege continuarea
experimentului. Ca și parte din experiment, la 1:05 a.m., pe 26 aprilie au fost pornite pompele de
apă care erau acționate de turbina generatorului crescând fluxul de apă peste specificațiile
regulilor de siguranță. Fluxul de apă crește spre ora 1:19 a.m. (în tot acest timp apa absorbind
neutroni) și nivelul tot mai mare necesitând scoaterea manuală a celulelor de control. Acest
aspect produce o funcționare foarte instabilă unde lichidul de răcire și xenon-135 au substituit
rolul celulelor de control din reactor.
40
Victime imediate și pe termen lung
În afară de cele câteva zeci de victime imediate ale exploziei și expunerii masive a
personalului centralei și anumitor "lichidatori", din cele câteva mii de copii care s-au îmbolnăvit
de cancer tiroidian (un cancer tratabil), până în anul 2013, cel puțin 16 au murit. Incidența
cancerului tiroidian a rămas însă mai ridicată chiar și în 2013 în anumite regiuni din Rusia,
Ucraina și Belarus, asta la mai bine de două decenii de la accident. Numărul suplimentar (față de
numărul normal la populațuia generală ne-expusă) de leucemii și limfoame apărute la cei care au
intervenit pentru limitarea dezastrului ("lichidatorii") a fost mic, fapt care încurajează specialiștii
să spere că în deceniile care vor urma, numărul suplimentar de tumori solide (cancerele mai
cunoscute) va fi și el mic la aceștia (lichidatori), și asta cu atât mai mult la populația fostei Uniuni
Sovietice care se presupune că a fost expusă ca urmare a contaminării solului și aerului pe
traiectoria de deplasare a norului radioactiv. Până acum, studiile Organizației Mondiale a
Sănătății nu au putut decela o creștere a incidenței tumorilor solide în populație, probabil pentru
că expunerea fiind relativ mică, creșterea, câtă este, se "îneacă" sub micile variații naturale ale
incidenței de fond. În cel mai rău caz se consideră că va avea loc o creștere de 1 % a
prevalenței cancerelor în populație, un risc suplimentar aparent minor deci, în comparație cu
prevalența naturală a cancerului în populație (care ea este de aproximativ 45% (aproape unul din
doi bărbați primește un diagnostic de cancer în decursul vieții) pentru bărbați și aproximativ 38%
pentru femei). Cifra procentuală aparent mică a creșterii prevalenței cancerelor, de numai 1 %,
ascunde totuși o fațetă mult mai puțin încurajantă a realității consecințelor accidentului, în măsura
în care aceasta se traduce, în cifre absolute, în mai multe zeci de mii de indivizi care vor face
probabil cancer și de asemenea vor muri, ca urmare a accidentului de la Cernobîl.
Accidentul nuclear de la Fukushima-Daiichi
Accidentul nuclear de la Fukushima-Daiichi a avut loc la data de 11 martie 2011 la
centrala electrică atomică Fukushima din Japonia, care constă din 4 reactoare nucleare, ca urmare
a cutremurului din nord-estul țării de la ora 14:46, urmat de un tsunami de mari proporții.
Centrala nucleară Fukushima I a fost nevoită să recurgă la acumulatoarele electrice de rezervă,
dar acestea au o capacitate limitată. La 14 martie compania TEPCO (Tokyo Electric Power
Company), care administrează centrala, a făcut cunoscut că nici sistemul de răcire al reactorului 2
nu mai funcționează. Fără o răcire normală la un reactor se poate ajunge la supraîncălzirea
miezului cu material fisionabil radioactiv al reactorului până la o temperatură de 2.000 °C,
41
crescând riscul topirii lui și al unor explozii. La 15 martie autoritățile din Tokio au anunțat că la
reactorul (blocul) 2 Fukushima a avut loc o explozie care a avariat învelișul acestuia,
provocându-se astfel o creștere a radioactivității în zona înconjurătoare. Administrația centralei
vorbește despre "valori dramatice ale radioactivității". Drept urmare populația locală din
perimetrul de 30 de km în jurul centralei (care nu era încă evacuată) a fost avizată să rămână în
locuințe, pentru a nu se expune direct (este vorba de aparatul respirator) radioactivității crescute.
După explozia de la reactorul 2 s-a anunțat un incendiu la reactorul 4 (care la cutremur era în
revizie). De la acesta provine acum creștere puternică a radioactivității direct în atmosferă. Se
speculează că reactorul respectiv ar avea două găuri de dimensiuni metrice în înveliș (carcasă).
Contaminare
Doza de radiație naturală, la care este expus în general tot Pământul, este între 0,0001 -
0,0002 milisievert/oră. Doza de radiație maximă admisă (considerată nevătămătoare omului) este
cuprinsă între 200 și 300 milisievert/oră. În cazuri izolate s-a constatat că doza de 500
milisievert/oră poate cauza la unii oameni forma acută a bolii de radiație. Doza de 1.000
milisievert s-a constat că a cauzat o mortalitate de 10 % în decurs de 30 de zile , iar doza totală de
6.000 milisievert este letală (mortală).
Tab. 2.2. Datele de mai jos indică valorile măsurate în zona reactorului.
Valorile măsurate de TEPCO
Timp
Doza
Locul Situație(în mSv/h)
11 martie 0,00004 Stația 1 - 8 la puțin timp după cutremur
12 martie 0,005-1,0 Stația 1 și 6 după explozia din reactorul 2
13 martie 1,2 Reactor 1
14 martie 0,020-0,004 Stația 6 după explozia din reactorul 3
15 martie 8,217-400 după explozia din reactorul 2
15 martie 0,6-11,9 Poarta principală
16 martie 1,5 -10 Poarta principală după incendiul din reactorul 4
17 martie 3,6 După încercarea de răcire cu apă
18 martie 0,279 1 km vest de reactorul 2
23 martie 500 parterul reactorului 2
25 martie 0,54 Poarta principală scade d.m, la 0,205
42
La data de 26 martie Tepco a făcut cunoscut că valorile măsurate la parterul reactoarelor 1
- 4 este de 200 mSv/h, iar apa radioactivă scursă printr-o spărtură de la reactorul 2 are o valoare
măsurată de peste 1.000 mSv/h.
La 12 aprilie 2011 autoritățile japoneze au mărit clasificarea accidentului nuclear de la
Fukushima de la nivelul 5 la nivelul 7, nivelul maxim pe scara accidentelor nucleare. Nivelul 7 a
fost și nivelul declarat la accidentul nuclear da la Cernobîl în 1986.
Capitolul IIIUtilizarea surselor de energie neconvenționale, nepoluante
3.1. Energia eoliană
Sunt patru motive pentru care energia vântului merită o atenţie deosebită: se găseşte din
abundenţă, este ieftină, este inepuizabilă şi este curată.
Energia eoliană este utilizată prin intermediul morilor de vânt, care au fost construite încă
din evul mediu în Peninsula Iberică şi în zona litorală a Mării Nordului.
În secolul trecut, au fost construite primele „mori de vânt” uriaşe, pentru producerea
energiei electrice; eficienţa lor maximă fiind de aproximativ 60%, dar media este de 35%.
Generatoarele eoliene trebuie amplasate în zonele cu vânturi puternice (minim 5m/s).
43
Fig. 3.1 Capacitatea de generare a energiei eoliene la nivel mondial 1980-2004
Capacitatea mondială instalată a crescut rapid de la 10 MW în 1980 la 6000 MW în 1997
şi la peste 40.000 MW în 2004:
Specialiştii apreciază că în anul 2010, între 5-10% din nevoile energetice ale lumii vor fi
satisfăcute de energia eoliană. Problema importantă este variabilitatea vântului – impunându-se
stocarea energiei în perioadele de linişte; pentru aceasta se întrebuinţează acumulatori care au
costuri încă ridicate. Viteza vântului creşte cu altitudinea, motiv pentru care elicele trebuie
montate cât mai sus, avantajoasă fiind montarea lor pe litoral (datorită brizelor). Impactul
ecologic al instalaţiilor eoliene este minim.
Industria eoliană modernă a luat naştere în California, la începutul anilor 1980. După un
debut rapid, interesul Statelor Unite privind energia eoliană a scăzut până aproape de dispariţie la
nivelul anilor 1990.
Astăzi, în Danemarca, 20% din energia electrică produsă este realizată de forţa vântului
(cel mai mare aport procentual din lume), existând regiuni cum sunt Schleswig-Holstein, din
nordul ţării, unde în anumite zone ponderea energiei produse de vânt a depăşit 75%, cu o
capacitate de generare de 16.000 MW, în 2004.
Germania, prin compania Siemens, a fost liderul mondial în anul 1997 (16.600 MW),
cele mai multe turbine eoliene fiind instalate în landurile Schleswig, Holstein, Brandenburg,
Sachsen şi Meklenburg - Vorpomern.
În Spania, în statul industrializat Navarra, se realizează 22% din energia electrică din
energie eoliană şi se construiesc turbine eoliene pe toată coasta atlantică a Spaniei, îndeosebi în
Galicia, dar şi în Aragon şi în Castilia. Producţia de energie electrică a Spaniei obţinută cu
centrale eoelectrice este de peste 8000 MW, care reprezintă 4% din producţia naţională de
energie electrică. În această ţară s-a practicat sistemul de subvenţie pentru instalaţiile eoliene.
În ultimii ani şi Statele Unite şi-au reluat interesul pentru această formă de energie, astfel
încât în ultimii ani au fost montate pe teritoriul SUA 13.000 de turbine. În statul Dakota de Sud
este elaborat un proiect pentru realizarea a 4000 MW, proiect numit Rolling Thunder, care va
alimenta cu energie electrică zona din jurul oraşului Chicago, iar în California se preconizează
obţinerea a 8% din energia electrică prin valorificarea energiei eoliene. SUA au un program
ambiţios şi în statele Dakota de Nord, Kansas, Texas, Wyoming, Colorado, Iowa, Minesota.
44
Pentru fermieri şi proprietari de terenuri, energia vântului este o adevărată mană cerească,
întrucât este ieftină, inepuizabilă şi ecologică. Centralele eoliene prezintă dezavantajul că necesită
suprafeţe mari (1000 MW solicită ocuparea unei suprafeţe de 80 km2), dar montarea lor pe
terenuri neutilizabile pentru agricultură (vârfuri de munţi şi dealuri, zone litorale), este
încurajatoare.
Cu energia electrică ieftină de la vânt se poate realiza electroliza apei şi obţinerea unui
combustibil ieftin, simplu şi care nu conţine carbon, hidrogenul, combustibil ales pentru
alimentarea noilor motoare celulare, la care lucrează companiile Daimler-Crysler, Ford, General
Motors, Toyota şi Honda.
3.2. Energia solară
Fluxul de radiaţie solară ce ajunge pe suprafaţa terestră are un potenţial energetic ce
corespunde impresionantei sume de 172 mld GW, ceea ce înseamnă de cca 20.000 ori mai mult
decât consumul de energie din anul 2000.
Această sursă de energie ar putea să asigure în permanenţă necesarul pentru un consum în
continuă creştere. Privită însă din punct de vedere practic, respectiv al volumului real ce poate fi
utilizat, aceasta devine o problemă deosebit de complexă, complexitate care rezidă din 3 direcţii:
repartizarea neuniformă la nivel global şi dependenţa de poziţia geografică, inclusiv
climatică;
alternarea zilelor cu nopţile care creează discontinuităţi;
densitatea slabă a fluxului energetic (cel mult 1400 W/m2), ceea ce solicită utilizarea unor
suprafeţe întinse de captare, şi care înseamnă scoaterea din altă folosinţă a terenurilor,
inclusiv din cele agricole, precum şi costuri ridicate.
Energia solară interesează sectoare ca: habitatul pentru încălzirea locuinţelor, agricultura
pentru încălzirea serelor şi industria pentru încălzirea halelor.
Centralele helioelectrice sunt; cu captatori solari parabolici, cu jgheaburi solare şi cu
celule fotovoltaice (PV).
Centralele cu captatori parabolici sunt echipate cu dispozitive electronice de urmărire a
mişcării aparente a Soarelui. Radiaţia focalizată este transformată cu ajutorul unor tuburi speciale
prin care circulă apa sub formă de vapori care acţionează turbinele clasice care produc curent
electric.
45
Centralele cu jgheaburi solare au fost realizate în Israel. Sistemul de jgheaburi
reflectorizante care urmăresc traiectoria Soarelui concentrează radiaţia solară asupra unor tuburi
în care se află petrol. Prin sisteme de conversie, căldura este preluată de apa din rezervoare
speciale. Capacitatea de stocare a energiei termice este de 8 ore, iar preţul energiei electrice este
mult mai redus decât cel de la sistemul cu oglinzi parabolice.
Centralele cu celule fotovoltaice (PV) transformă direct energia solară în curent electric şi
prezintă avantajul că nu necesită întreţinere permanentă dar deocamdată preţul este ridicat.
Revoluţia în domeniul valorificării energiei solare să produs în anul 1952 când trei cercetători de
la Laboratoarele Bell, din Princetown New Jersey, din SUA, au descoperit că razele de soare care
cad pe un material pe bază de siliciu pot produce curent electric. Practic, celulele fotovoltaice
convertesc lumina solară în electricitate.
Recent, în Germania s-a descoperit şi experimentat cea mai eficientă şi mai puţin poluantă
combinaţie de substanţe folosite la celulele fotovoltaice, Cd-Te, care este de 14 ori mai
productivă decât cele cunoscute până în prezent. De remarcat este faptul că România este singura
ţară din Europa care deţine telur în Munţii Metaliferi (Săcărâmb, Baia de Arieş, Faţa Băii) şi în
Banat (Oraviţa).
În Franţa, la Targasone, au fost realizate centrale tip turn, alcătuite din oglinzi heliostate,
aranjate astfel încât razele reflectate să fie tot timpul focalizate pe un colector central, amplasat
pe turn. Centrala se numeşte Thermis, este dotată cu 200 de oglinzi ce totalizează 10.000 m2 şi
are o putere de 2,5 MW. În sudul ţării, la Font-Romeau Odeillo, funcţionează un mic cuptor
siderurgic în care se ating 3000-40000C, iar la Monteans, este utilizată energia solară pentru
topirea substanţelor greu fuzibile. Tot în Franţa, în 1980, la Montpellier, o staţie de pompare a
fost activată cu ajutorul a 192 de panouri solare, debitul pompelor atingând 180 m3/h, iar curentul
dezvoltat a fost de 26 kW.
Experimental, din anul 1981, în Italia funcţionează la Adrano (Sicilia) o centrală solară.
Alte centrale solare au mai fost construite în Spania (Almeria), Japonia (Nyo şi Saizo), SUA
(Harper Lake, Solare One, Barstow 10 MW şi Eduards 300 MW, ultimele în California).
Multe ţări (Israel, Japonia, Australia, Italia, Franţa) folosesc energia solară pentru
încălzirea locuinţelor şi a apei menajere.
46
Japonia este liderul mondial în producţia de celule solare în domeniul locuinţelor
instalaţiile depăşeau 1000 MW în 2004, această ţară având un program ca până în 2010 să
producă 4600 MW din energia solară.
Folosirea celulelor solare s-a dovedit rentabilă şi în domeniul spaţial (majoritatea
sateliţilor fiind dotaţi cu generatori solari de energie), dar şi în regiunile cu insolaţie bună în
zonele rurale din Spania, Australia, Japonia, Pakistan etc. La sfârşitul secolului trecut circa un
milion de case erau alimentate cu energie produsă de instalaţiile de celule solare, cele mai multe
fiind în satele din lumea a treia (Kenya, Zimbabwe, India, R. Dominicană, etc.)
China este de departe liderul mondial în montarea de panouri solare (52 milioane de m2)
şi are un program de multiplicare de patru ori până în 2025.
Noile clădiri de birouri din Statele Unite, Germania, Spania şi Elveţia au încorporate în
faţadele lor materiale fotoelectrice pentru generarea electricităţii. Germania are un program numit
„100.000 de acoperişuri” (5,4 milioane m2 de panouri solare) pe care intenţionează să le monteze
până în 2006, realizând o putere de 700 MW din celule solare, iar Italia are un proiect numit
„10.000 de acoperişurisolare”.
Valorificarea energiei solare începută prin anii 1980, în anul 1998 a atins peste 1000 MW,
iar în 2003 a depăşit 4000 MW la nivel mondial.
Sursa: Maycock
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Fig. 3.2. Capacitatea de generare de energie fotovoltaică la nivel mondial,1971-2004
Creşterea vânzărilor de celule solare a avut o medie de 20% din 1990 până în 2000, an în
care au crescut cu peste 40%, fapt ce demonstrează preocuparea pentru valorificarea acestei
47
forme de energie. Companii, precum Royal Dutch Shell, Pilkington Glass Anioco, Siemens,
Sharp, Shell Solar, Kyocera şi Mitsubishi Electric au început să investească în acest domeniu,
generându-se astfel o anumită competiţie. Este remarcabil şi faptul că preţul celulelor solare a
scăzut de la 70 dolari/Watt în 1970, la mai puţin de 3,50 dolari/watt în 2001. Datorită preţului
redus, în statele din Munţii Anzi, celulele solare au înlocuit lumânările.
Fondul Mondial pentru Mediu a subvenţionat câteva proiecte de acest gen în Kenya,
Zimbabwe, Republica Dominicană şi India, astfel încât în 2003 peste un milion de locuinţe
foloseau curentul electric produs cu celule fotovoltaice.
În România, la Universitatea Politehnică din Bucureşti există cea mai mare centrală cu
panouri fotovoltaice din estul Europei, care are o putere instalată de 30,18 KW şi care
funcţionează din anul 2006, iar la Mangalia şi Giurgiu au fost implementate proiecte de utilizare
a energiei solare pentru furnizarea de apă caldă menajeră prin utilizarea de colectoare solare.
Cercetarea în domeniu este în plină desfăşurare şi se intenţionează obţinerea unor
tehnologii performante şi eficiente şi la preţuri accesibile.
3.3. Energia valurilor
3.3.1.Energia hidraulică a valurilor
În anul 1920, M.Fusenot a experimentat în Marea Mediterană, în apropiere de Alger, un
dispozitiv care reuşea să transforme mişcarea rectilinie a valurilor în mişcare de rotaţie. În anul
1979, fraţii francezi Girard au brevetat o maşină care folosea forţa valurilor. Pe parcursul anilor s-
au făcut progrese tehnice şi tehnologice de realizare pe scară industrială a unor instalaţii eficiente,
îndeosebi de către firma japoneză „Mitsui Energineering and Shipbuilding Co”, astfel încât, la
ora actuală, Japonia dispune de peste 500 de centrale, care asigură cu energie vasele ancorate în
porturi, farurile şi balizele luminoase.
3.3.2. Energia hidraulică a mareelor
Folosirea acestei forme de energie este limitată numai la anumite zone ale mărilor şi
oceanelor, unde diferenţa dintre flux şi reflux este de minimum 8 m. Utilizarea energiei mareelor
este menţionată încă din secolele IX - XIII, când pe litoralul atlantic al Europei existau mori
"purtate" de maree. Studiile în vederea construirii de centrale mareemotrice la nivel industrial au
început abia după al doilea război mondial. Primul succes l-a obţinut Franţa, în anul 1966, prin
centrala de la Rance din Golful Saint Malo din Bretania, care are o putere 240 MW. Aici s-a
48
construit un baraj cu lungimea de 750 m, iar centrala are 24 de turbine şi utilizează un debit de
18.000 m3/s, la o cădere maximă de 18,2 m (Surd şi colab, 1991).
A doua centrală maremotrică din lume, însumând 400 MW, a fost construită de Federaţia
Rusă în 1976, la Kislaia Guba, pe litoralul peninsulei Kola, unde înălţimea mareelor depăşeşte
14 m, urmată în 1986 de centrala Lumbovka de 320 MW din aceeaşi zonă. Realizări în
valorificarea energiei mareelor a obţinut şi China, în Marea Chinei de Est, unde funcţionează
două centrale: una la Jiangxia de 500 MW şi una la Tsingang de 165 MW. Canada are instalată în
zona Golfului Baya Fundy o centrală mareemotrică de 20 MW, SUA au instalate 5 centrale în
largul Insulelor Hawaii, iar Regatul Unit are proiecte în acest domeniu în estuarele Severn (golful
Bristol), Mersey (Marea Irlandei), Duddon, Wyre (golful Morecambe) şi Conwy ( Ţara Galilor).
49
Fig.3.3. Utilizarea energiei mareelor
3.3.3. Energia termică a mărilor şi a oceanelor
La suprafaţa mărilor şi a oceanelor, în zonele tropicale temperatura apei ajunge la 30-
350C, iar la adâncimea de 500 m scade la 60C şi la 1000 m la 40C. Diferenţa de temperatură
între suprafaţă şi 100 m este suficientă pentru a pune în funcţiune un motor termic. Pentru
50
aceasta, se folosesc fluide care au punctul de fierbere la temperatura apei de suprafaţă şi
condensează la temperatura apei de adâncime, precum: freonul, amoniacul, propanul etc.
Astfel, în SUA la Kennedy Space Center a fost brevetată o instalaţie modulară de
conversie a energiei termice marine cu o capacitate de 100 MW. Iar Japonia a realizat, de
asemenea, o instalaţie, încă din anul 1974 la Euroocean.
Alte astfel de centre mai funcţionează în Cuba în Golful Matanzas, în Côte d'Ivoire la
Abidjan şi în Israel la Ein Bokek. Obstacolul care trebuie trecut în vederea valorificării acestei
surse de energie îl constituie fondurile financiare.
3.3.4. Energia din hidrogen
Cum deocamdată hidrogenul se obţine numai din apă, este inclusa şi această resursă tot la
hidroenergie. În eco-economie se estimează că hidrogenul va fi combustibilul viitorului care va
înlocui petrolul, tot aşa cum petrolul a înlocuit cărbunele, după cum cărbunele a înlocuit lemnul.
Totuşi, deocamdată, folosirea hidrogenului ca resursă energetică prezintă încă multe probleme
nerezolvate din punct de vedere economic, tehnic şi tehnologic. Probleme se pun şi la producerea
hidrogenului, depozitarea, transportul şi, bineînţeles, la utilizarea lui finală. Desigur, dacă s-ar
putea capta hidrogenul din cosmos, unde se află liber în proporţie de 70%, s-ar rezolva problema
energiei odată pentru totdeauna. Dar, cum deocamdată, singura sursă energetică cosmică
accesibilă este energia solară, rămâne să mai aşteptăm, dar nu fără speranţă. Folosirea
hidrogenului ca sursă energetică a suscitat dispute între oamenii de ştiinţă, dispute din care au
rezultat argumente pro şi contra.
Dintre argumentele pro menţionăm:
-hidrogenul se poate obţine din apă, care se găseşte în cantităţi enorme (1km3 de apă poate
înlocui echivalentul energetic al întregii rezerve de petrol a lumii);
-prin ardere în focare sau pile a hidrogenului rezultă tot apă, care nu pune probleme ecologice
deosebite, ci, mai mult, se asigură astfel închiderea circuitului apei în natură;
-puterea calorifică efectivă (densitatea de căldură pe m3 de gaze arse cu aer stoechinometric)
este mai mare decât a metanului (3733 kJ/m3 la metan);
-randamente ridicate în pilele de combustie (până la 70%);
-cantitatea de aer necesară arderii este mai mică (280 g aer pentru megajoul degajat) faţă de
benzină, metan, metanol (340 g aer pentru un megajoul); din arderea hidrogenului nu rezultă
CO2, necontribuind astfel la efectul de seră, iar cantitatea de oxizi de azot este mai redusă decât
51
cea rezultată prin arderea altor combustibili, aceasta datorită consumului redus de aer la ardere.
În plus, din arderea hidrogenului nu rezultă nearsele organice.
Argumentele contra sunt:
-puterea calorifică de 3,5 ori mai mică decât cea a metanului;
-costuri mari de transport şi depozitare în stare gazoasă;
-diametre mari la conducte şi utilizarea de compresoare cu putere mare, ceea ce înseamnă
consum mare de energie electrică;
-volumul mare al buteliilor de transport pentru depozitare şi transport în stare comprimată;
-utilaje complicate pentru păstrarea sub formă lichidă, dată fiind densitatea mică a
hidrogenului (0,09 g/m3);
- fragilizarea oţelurilor din butelii şi conducte, în anumite condiţii de presiune şi temperatură;
- pericolul mărit de explozie, date fiind limitele largi de aprindere şi temperatură joasă de
aprindere a hidrogenului (4500C ).
3.4.Energia geotermală
Energia geotermală este generată de descompunerea radioactivă a unor elemente
subcrustale şi poate fi utilizată atât în centrale geotermoelectrice cât şi pentru încălzit. Băile calde
sau fierbinţi au fost folosite de mii de ani, cei mai experimentaţi în acest domeniu s-au dovedit a
fi romanii, prin celebrele therme.
Astăzi, enregia geotermală are diverse folosinţe, de la producerea de energie electrică
până la încălzirea locuinţelor, a spaţiilor publice, comerciale şi turistice.
Centralele convenţionale utilizează vapori cu temperaturi mari, de cel puţin 175° C, care
acţionează turbine clasice, după care există două posibilităţi, degajarea în atmosferă sau trecerea
printr-o unitate de condensare. În prima variantă consumul de vapori este dublu, dar preţul
instalaţiilor este mai redus şi durata de construcţie mai mică. Astfel de centrale se folosesc pentru
staţii pilot şi pentru valorificarea unor foraje izolate, sau când vaporii au un conţinut de gaze
necondensabile. Cu aceste centrale se produc 55-60 MW, dar în ultimii ani au fost realizate şi
capacităţi de 110 MW.
52
Fig. 3.4. Sistem de obţinere a energiei dintr-un rezervor geotermic uscat
Centralele binare utilizează resurse geotermale cu potenţial termodinamic mediu sau chiar
mic. Ele folosesc un fluid colportor, cum este pentanul, care are un punct de fierbere scăzut şi
care preia energia geotermică prin intermediul unui schimbător de căldură. Vaporii rezultaţi
acţionează o turbină după care trec prin unitatea de condensare şi se reia ciclul iniţial. Asemenea
53
centrale sunt de talie mică de la sute de KW până la câţiva MW şi valorifică sistemele geotermale
cu temperaturi mai mici de 170° C.
Una din problemele puse de valorificarea energie geotermice este cea a depozitării apelor
reziduale cu temperaturi ridicate şi conţinut de SO2, amoniac + săruri, care sunt deversate în
mare, sau sunt injectate în adânc.
O altă problemă este că, această resursă este repede epuizabilă. Extragerea apelor fierbinţi
duce la scăderea pânzei freatice, iar reîncărcarea din apele de suprafaţă este un proces lent. După
aproximativ 100 de ani de exploatare apele se răcesc şi trebuie săpate alte puţuri. Costurile
tehnologice la astfel de instalaţii sunt mai reduse ca de altfel, şi cele de întreţinere.
Prima instalaţie de exploatare a energiei geotermale a fost cea cea de la Larderello - Italia (380
MW), din 1904; urmată în 1960 de sistemul Geysers (N de San Francisco – 835 MW) din SUA.
Mai există uzine geotermice în Noua Zeelandă (Waira-Kei - 290MW), Japonia (Matsukawa),
Mexic (Cero Prieto), Hawai, Filipine, Islanda şi Federaţia Rusă (în Kamceatka).
În primele şapte decenii ale secolului al XX-lea creşterea capacităţiielectrice geotermale a
fost modestă, atingând doar 1100 MW în 1973. După declanşarea crizei energetice, utilizarea
energiei geotermale a început să crească, atingând la sfârşitul secolului trecut aproape 8500 MW.
Astăzi, puterea totală a centralelor geotermice depăşeşte 10.000 MW.
În 2004 energia geotermică utilizată în întreaga lume în vederea încălzirii a fost apreciată
la echivalentul a 12.000 MW. Lider mondial în acest domeniu sunt S.U.A, care au o capacitate
instalată de peste 2800 MW şi care au lansat un vast program de valorificare a energiei
geotermale din statele vestice, prin care se intenţionează producerea a cel puţin 10% din energia
necesară a acestor state până în anul 2020 (Brown, L.R., 2001). De altfel SUA deţin resurse
geotermale de circa 20.000 MW.
Alte ţări care realizează energie electrică din energia geotermală în pondere semnificativă
din totalul producţiei de energie electrică mai sunt: Filipine, Mexic, Indonezia şi Italia.
3.5. Energia din biomasă
Conversia biologică a radiaţiei solare, prin fotosinteză, furnizează anual, sub formă de
biomasă, o rezervă de energie evaluată la 3 x 1021 j/an. Actualmente, biomasa furnizează 6-13%
din nevoile mondiale de energie, ceea ce înseamnă echivalentul a cca. 8,5 mil.barili de petrol pe
zi.
54
Principalii biocombustibili sunt etanolul şi biomotorina, ca şi combustibili lichizi, şi
biogazul. Etanolul se obţine din trestie de zahăr, porumb, grâu, orz, sfeclă de zahăr, iarbă de
preerie şi plop, iar biomotorina se produce din rapiţă, din soia şi din uleiul de palmier.
Realizări deosebite în producerea şi utilizarea biocombustibililor lichizi au: Brazilia,
SUA, Europa Vestică, Canada, India, China, Columbia, Mexic etc.
Brazilia, utilizează trestie de zahăr ca materie primă şi producea în 2004 circa 4 miliarde
de galoane de etanol prin care-şi asigura 40% din necesarul de combustibil auto. În statul Sao
Paolo aproape toate autovehicolele utilizează etanol, iar la Cacoes din statul Bahia funcţionează o
centrală electrică pe biomasă, de 55 kW şi care are ca subprodus îngrăşăminte.
SUA, folosesc ca materie primă porumbul şi au realizat în 2004 o producţie de peste 3,4
miliarde galoane de etanol, dar care reprezintă doar 2% din consumul de combustibil auto.
În Europa Vestică se remarcă Franţa, Regatul Unit şi Spania care producetanol din trestie
de zahăr, sfeclă de zahăr, grâu şi orz.
Canada, produce etanol din iarbă de preerie şi din hibrizi de plop, prin utilizarea unor
enzime pentru descompunerea celulozei.
În producerea de biomotorină din rapiţă se remarcă Germania, care în 2004 a realizat 326
milioane de galoane, pe care o foloseşte la motoarele Diesel. Tot din rapiţă produce biomotorină
şi Franţa (150 milioane de galoane în 2004), iar SUA a realizat 280 milioane galoane de
biomotorină din soia în acelaşi an. Ţări, precum Malayezia, Indonezia şi Brazilia obţin
biomotorina din ulei de palmier
Producerea de biocombustibili lichizi va intra în curând în competiţie cudomeniul
alimentar şi va exercita presiuni asupra pădurilor şi a plantaţiilor, constituindu-se într-o
ameninţare la adresa biodiversităţii.
Realizări deosebite în domeniu aparţin SUA, care au şi un program de obţinere a biomasei
prin silvicultură intensivă, orientată pentru producerea de specii de arbori cu frunze căzătoare şi
cu creştere rapidă, inclusiv a speciilor care fixează azotul sub formă de amoniac.
Biogazul reprezintă sursa de energie folosită şi în regiunile rurale din ţările în curs de
dezvoltare, unde locuieşte 1/2 din populaţia Globului. La acestea se adaugă şi teritorii din ţările
mediu şi puternic dezvoltate. Combustibilul gazos cel mai frecvent este obţinut din conversia
deşeurilor (gunoi de gospodărie, paie şi frunze, alte resturi şi substanţe organice) care sunt supuse
unui proces de fermentaţie în mediu anaerob. Amestecul gazos conţine 65-70% metan, 25-30%
dioxid de carbon, 5% azot, hidrogen sulfurat etc.
55
În China, încă din 1970, în multe dintre zonele rurale se utilizează biogazul în uzul casnic
şi gospodăresc, numărul total al staţiilor de biogaz depăşind 7 milioane, iar centralele electrice pe
biogaz înregistrează peste 10.000 kW.
În România, prin proiectul Rumeguş 2000 s-au construit sisteme de încălzire centralizată
pe bază de rumeguş în 4 oraşe (Vatra Dornei, Gheorghieni, Vlăhiţa şi Întorsura Buzăului). În
ultimii ani şi la noi se cultivă tot mai mult rapiţă pentru producerea de biomotorină..
3.6. Energia liberă
Dispozitivele bazate pe enrgia liberă sunt capabile să se racordeze la o sursă aparent
nelimitată de energie din univers fără a fi nevoie să ardă nici un fel de combustibil , oferind astfel
soluția perfectă împotriva crizei de energie la nivel mondial, a poluării și degradării mediului ,
precum și a epuizarii resurselor . Majoritatea dispozitivelor bazate pe energia liberă nu creeză ele
energie , ci se racordează la surse de energie existente deja în natură prin diverse metode de
inducție.
Conceptul din spatele limbajului tehnic este foarte simplu, de exemplu, o placă de metal
izolată se poziționează cît mai sus în aer, iar o altă placa se îngroapa în pămînt. Un fir
conectează placa de metal din aer de o latură a condensatorului, iar un al doilea fir pornește de la
placa din pămînt și o conectează de cealaltă la tură a condensatorului.
Soarele, ca și alte surse de energie radială, emite particule minuscule de materie încărcată
cu sarcină electrică pozitivă , care ciocnindu-se cu placa de deasupra, permanent transmit o
încărcătură electrică. Terminalul opus al condensatorului este conectat la sol care poate fi
considerat un rezervor imens de electricitate negativă. Un curent slab se scurge continuu în
condensator și în funcție de cît de ridicat este potențialul electric al particulelor , această încarcare
poate continua la nesfîrsit, chiar pînă la punctul strapungerii dielectricului.
Condensatorul se încarcă cu energie emisă de razele solare. Pe acest condensator se
poate conecta un fel de comutator care să permită energiei să se descarce la intervale regulate și
astfel dispozitivul va produce curent electric.Acesta constituie unul dintre patentele lui Nicola
Tesla, considerat cel mai mare inventator al Romaniei.
Patentul lui Tesla ne arată cît de usor se poate obține energie electrică . Cu cat este mai
mare suprafața placii izolate , cu atît mai multă energie se obține. Aceasta este mai mult decat un
simplu panou solar, dat fiind faptul că nu are neapărat nevoie de lumină solară pentru a
56
funcționa. Dispozitivul lui Tesla produce energie și noaptea. Receptorul de energie liberă al lui
Tesla se racordează la energia solară, dar și la alte surse de energie , precum razele cosmice.
Functionalitatea dispozitivului inclusiv pe timp de noapte se explică prin prezența constantă a
razelor cosmice ca sursă de energie.
Sunt o multitudine de alte exemple de patente care obțin energie disponibilă pe ntru
diferite utilitati fara a consuma alta energie, dar s-a constata în decursul timpului ca există o
parte dintre companiile producatoare de energie conventională care se opun descoperii acestor
surse inepuizabile de energie.
Un exemplu romanesc în acest sens o constituie pila electrica CARPEN , care
functionează continuu timp de 40 de ani.
57
Placă de metal
Fig.3.6. Instalație de captare a energiei libere
Capitolul IVEnergia solară
4.1.Efectul fotoelectric.
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 înseamnă lumină şi din numele
fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume. Efectul fotovoltaic
este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri), într-un material
solid, atunci când suprafaţa acestuia interacţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a
materialului respectiv, care se produce sub acţiunea luminii, apare o tensiune
electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care
funcţionează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice
solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu
funcţionează individual ci legate 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).
4.2.Principiul de realizare
Fig.4.1. Principiul de realizare a panourilor fotovoltaice
58
O celulă fotovoltaică este alcatuită din două straturi de siliciu semiconductor dopat.
Fotonii din radiaţia solară ce cad pe siliciu sunt absorbiţi inducând procese de generare de
electroni liberi. Doparea siliciului cu diferite metale/nemetale intensifică generarea de sarcini
electrice.
Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare. Siliciu dopat cu
fosfor se numeşte dopat n sau N-Si. Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât
siliciu monocristalin pur. (Fosforul are valenţa 5, iar siliciu valenţa 4, prin urmare orice
impuritate cu valenţa mai mare decât a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari).
Doparea cu bor produce semiconductori de tip p (exces de sarcini pozitive). O lipsă de
electroni generează locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p. Aceste locuri încărcate pozitiv se
numesc “goluri”.
Pentru a înţelege cum funcţionează orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele
fotovoltaice este necesar în primul rând să vedem structura semiconductorilor care stau la baza
întregii electronici de astăzi. Germaniu şi siliciu sunt reprezentativi, însă siliciul este cel mai
intens utilizat în aplicaţiile moderne.
4.3. Structură și dopare
Fig.4.2. Structura siliciului
Structura siliciului pur este reprezentată printr-un cristal tridimensional în care atomii
ocupă vârfurile unui cub după cum sunt dirijaţi şi electronii săi de valenţă.
Siliciu este element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte şi
carbonul, germaniul. Caracteristica esenţială a acestor elemente este ca fiecare atom are patru
electroni de valenţă pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legături.
59
Dacă există un factor extern, de exemplu, temperatura, atunci cu creşterea ei, datorită agitaţiei
termice o parte din legături eliberează electroni în reţeaua cristalină. În consecinţă creşte
conductivitatea electrică a siliciului.
Locurile rămase neocupate de
electroni (valenţele libere) se numesc
goluri. Concentraţiile de goluri (np) şi
electroni (ne) sunt egale, iar
semiconductorul se numeşte intrinsec.
Transportul sarcinilor în semiconductorul
intrinsec sub acţiunea unui potenţial este
prezentă sugestiv în figura alaturată.Curentul
care “curge” prin semiconductorul intrinsec
este format din două componente: electroni şi goluri. Electronii au avut nevoie pentru a
“rupe” legatura covalentă de o anumită cantitate de energie minimă necesara pentru a putea
trece liber în spaţiile interstiţiale ale reţelei de siliciu. Această energie minimă de a trece din
stare legată (valenţă) în stare liberă (de conducţie) se numeşte energia benzii interzise.
Golurile rămân localizate pe stările energetice libere din zona de valenţă (bandă de
valenţă) care are o structură de nivele de energie provenită din nivelele atomice de valenţă ale
siliciului. Domeniul de energii pe care le iau electronii liberi formează banda de conducţie.
În concluzie electronii “sar” între poziţiile reţelei pentru a umple vacanţele lăsate de
electronii eliberaţi. Ei se mişcă liber în zona de energii ce formează banda de conducţie.
Golurile se mişcă în banda de valenţă în sens opus. În exterior întotdeauna măsurăm un curent
de electroni şi nu de goluri.
Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste
95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai
răspândit în scoarţa terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi
suficiente, fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt
agresive pentru mediul ambiant.
În figura 4.3 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci
şi a siliciului.
60
Fig. 4.3. Structura energetică a materialeor semiconductoare
Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegerii condiţiilor în care
semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situaţii normale,
electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele
energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile
pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevărate “bariere
energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni,
este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau mai simplu bandă de valenţă. Următorul nivel
energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceştia, este denumit bandă energetică de
conduţie, sau mai simplu bandă de conducţie. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele
energetice ale benzii de valenţă şi ale benzii de conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial
energetic ∆E, dintre banda de conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei
energetice” dintre cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al benzii de
conducţie şi Ev al benzii de valenţă ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea
acestei bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la
∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie
transmise electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi, adică pentru
a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul
siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiţi aceştia, sunt
61
capabili să transmită electronilor de pe banda de valenţă, energia necesară pentru a depăşi
“bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen se produce în celulele
fotovoltaice.
În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, ș i este impurificat (dopat) cu diferite
elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau
pozitive (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 asemenea straturi de
material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a sarcinilor electrice, în zona
de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în
figura 4.4.
Fig. 4.4. Joncţiune p-n
Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact, electronii
excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în stratul p, deficitar în electroni.
Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în stratul n, deficitar în
sarcină electrică pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în
figura 4.5.
Fig. 4.5. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii p-n
62
Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-n este
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 sarcini electrice negative
(electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri).
Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncţiunii p-n, de tipul celei
reprezentate în figura 4.6.
Fig. 4.6. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona joncţiunii p-n
Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia unei diferenţe de
potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă internă de potenţial reprezintă o barieră
care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre
stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două
straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţele acestor 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, conform teoriei
corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai
util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.
Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii având un nivel energetic
suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară prezintă o intensitate mai mare),
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. Sub acţiunea
63
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 suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, în
momentul trecerii sale pe stratul de conducţie, lasă în urmă 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 electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub
acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile
care se formează în stratul p sunt respinse 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, sunt respinşi 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 suprafeţelor
exterioare ale joncţiunii p-n, aşa cum se observă în figura 4.7.
Fig. 4.7. Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n
Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic,
reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va manifesta o diferenţă de potenţial, care
într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric. Diferenţa de potenţial şi
curentul electric se pot menţine la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiaţia solară.
Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare va produce şi variaţii ale diferenţei de
potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului electric aşa cumse va arăta ulterior.
64
Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică sau o
celulă elctrică solară având construcţia de tipul celei reprezentate în figura 5.6.
Fig. 4.8. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice
Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n,
este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se
amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe
suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată
electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au
dimensiuni uzulale de 10x10cm şi mai recent de 15x15cm.
65
4.4.Echilibrul termodinamic al purtătorilor de sarcini, potenţialul chimic sau
nivelul Fermi
Pentru a înţelege cum funcţionează joncţiunile din celulele solare este necesar să
introducem o noţiune ce descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductorii intrinseci
sau extrinseci ( dopaţi).
Într-un semiconductor intrinsec concentraţiile purtătorilor de sarcini sunt egale. Se
pune întrebarea: care este nivelul maxim de energii pe care il pot ocupa electronii?. Identic
pentru goluri. La 0K unde agitaţia termică este nulă atunci electronii vor ocupa un nivel
maxim al energiei, iar golurile unul minim, iar concentraţiile lor sunt egale. Pentru aceasta,
termodinamica ne spune că potenţialele chimice ale celor două componente trebuie să fie
egale. Enrico Fermi dezvoltă aceasta teorie şi deduce că la 0K energia maximă pe care o ocupă
electronii se află la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (A, B).
Fig.4.9. Nivelul Fermi
66
Banda de conducţie (BC): zona de energii unde conducţia electrică ( mişcarea liberă a
electronilor) este posibilă. Electronii cu aceste energii se “eliberează” de atomii originali şi se
mişcă liber prin cristal.
Banda de valenţă (BV)– zona de energii unde conducţia electrică nu este posibilă.
Electronii sunt legaţi de atomi.
Banda interzisă- intervalul energetic dintre banda de valenţă şi cea de conducţie unde
electronii nu pot rămâne. Ei trebuie fie să câştige energie pentru a trece în banda de conducţie fie
să piardă energie şi să revină în banda de valenţă.
Nivel Fermi- acesta este cel mai înalt nivel de energie din cristal ce poate fi populat cu
electroni la temperatura de 0K. Electronii cu energie mai mare decât valoarea EF sunt
disponibili pentru conducţie, invers ei sunt legaţi în structura cristalului. Nivelul Fermi este
identic ca semnificaţie cu potenţialul chimic definit în termodinamică.
Diagrama A- reprezintă un conductor electric cum ar fi Cu sau Ag. BC şi BV se
suprapun, iar electronii trec liber fără a fi necesar un supliment de energie.
Diagrama B prezintă un izolator tipic (sticle, ceramici). Toţi electronii sunt localizaţi pe
structura atomică şi necesită energii mari pentru a fi extraşi în BC.
Diagrama C reprezintă un cristal dopat N de tipul Si sau Ge. Lărgimea benzii interzise
este prezentă ( 0.5-3 eV), dar mult mai mică faţă de un izolator (> 5eV). Dacă el este dopat N,
atunci electronii au suficientă energie termică pentru a sări în BC. Nivelul Fermi este deplasat
înspre banda de conducţie.
Diagrama D- reprezintă un semiconductor de tip P. Impurităţile de tip P tind să atragă şi
să reţină electronii liberi. Aceasta “trage” nivelul Fermi în jos spre banda de valenţă.
Când punem în contact un semiconductor n cu unul p are loc un transfer reciproc de
sarcini până când nivelele Fermi ale celor două se “echilibrează” (egalitatea potenţialelor
chimice). În consecinţă benzile de conducţie şi de valenţă se deplasează spre atingerea unei noi
stări de echilibru (diagrama E). La interfaţa de contact dintre cei doi semiconductori se va
forma un strat de sarcini electrice (strat de baraj) caracteristic jonctiunii p-n ce va crea un
câmp electric a cărui valoare maximă depinde de concentraţiile dopanţilor.
Acum este simplu de înteles de ce semiconductorul n este expus la lumină într-o celulă
solară. Sub acţiunea radiaţiei incidente se generează perechi electron-gol care vor reduce
bariera de potenţial şi va permite “curgerea” unui curent electric.
În concluzie, conversia cuantei luminoase în energie electrică poate fi facută cu ajutorul
67
semiconductorilor, pentru care excitarea electronului şi generarea de perechi electron- gol indusă
de cuanta luminoasă are un puternic efect asupra conductivităţii.
Nu este suficient ca electronii să fie excitaţi şi să se miste liber, dacă nu este nici o
forţă care să îi facă să se mişte. O astfel de forţă poate fi provocată de prezenţa unui gradient al
potenţialului electric, cum ar fi cea gasita în joncţiunea p-n a semiconductorilor dopaţi.
4.5. Generaţii de celule solare
Celulele solare sunt clasificate în trei generaţii care indică ordinea în care ele au căpătat
importanţă practică-comercială. În prezent prima generaţie de celule solare este şi cea mai larg
comercializată ocupând aproape 90% din piaţă în 2007
Prima generaţie
Sunt dispozitive unijoncţiune construite pe siliciu monocristalin. Joncţiunile p-n pe
siliciu monocristalin ating limita teoretică în eficienţă de 31 % . Rata de amortizare a
investiţiei este estimată la 5-7 ani.
A doua generaţie
Celule solare în strat subţire. Sunt rezultatul dezvoltării unor noi tehnologii alternative de
producţie: depunerile din faza de vapori, electrodepuneri, pulverizare ultrasonică, procese ce
simplifică metodele de fabricaţie şi costurile per celulă solară. A doua generaţie de materiale de
mare succes sunt: CdTe (telurida de cadmiu), CuInGaSe (selenide Cu Indiu Cadmiu), siliciu
amorf, siliciu micromorfic. Aceste materiale sunt depuse secvenţial în filme subţiri pe
substraturi de sticlă, ceramică sau chiar plastice.
CIGS- cupru-indiu-galiu-diselenid: este un compus I-III-VI2 cu caracteristici de
material semiconductor. Materialul este o soluţie solidă de Cu-In-Se (abreviere CIS) şi seleniura
de galiu cu formula chimică, CuInxGa(1-x)Se2, unde x ia valori între 0 şi 1. Structura
semiconductorului este tetraedrică de tipul calcopiritelor cu lărgimea benzii interzise variind
continu de la 1 eV (x=1, CuInSe2) la 1.7 eV pentru CuGaSe2 (x=0)
Celule DSC- celule solare cu sensibilizatori pe bază de coloranţi. Descoperite de
Grätzel sunt celule solare care exploatează transferul de electroni de la un colorant printr-un
electrolit solid sub acţiunea radiaţiei solare.
CdTe- Teluridele de cadmiu sunt utilizate ca ferestre optice în infrarosu şi ca material pentru
celulele solare. De regulă este utilizat un sandwich de CdTe-CdS pentru a forma o joncţiune fotovoltaică
68
p-n.
Comercializarea acestor tehnologii este înca dificilă. În 2007 compania First Solar a
realizat o centrala fotovoltaică de 200MW din celule solare CdTe. Wurth Solar comercializeaza
GICS producând 15MW. Nanosolar comercializează tehnologie GICS cu o capacitate de
producţie de 430MW în 2008.
A treia generaţie de tehnologii
Se referă la îmbunătăţirea performanţelor electrice ale generaţiei a doua (tehnologiile
planare pe straturi subţiri) menţinând preţurile de cost cât mai mici.
Cercetările curente au ca scop atingerea eficienţei de conversie de 30-60%. Ele pot
depăşi limitele teoretice de conversie calculate pentru o jonctiune p-n pe siliciu monocristalin în
anii 1960 de către Shockley şi Queisser .Limita estimată de 31% pentru 1 soare (1370 W/m2).
O alta direcţie este de a concentra radiaţia solară pe arii de celule fotovoltaice utilizând
oglinzi Fresnel. Se pot atinge prin concentrare aproximativ 46000 de sori şi în consecinţă un
randament sporit.
Celulele fotovoltaice multijoncţiunie sunt proiectate să absoarbă spectrul solar de la
infrarosu la UV ceea ce va permite să funcţioneze şi pe perioada nopţii
4.6.Coeficientul masic de aer (AIM)
AIM caracterizează spectrul solar după ce radiaţia solară a trecut prin atmosferă. El
este folosit la caracterizarea performanţelor celulelor solare în condiţii standardizate definite
de simbolul AM şi un număr. De exemplu AM1.5 este universal folosit de a caracteriza
puterea generată de panourile solare.
Radiaţia solară este foarte apropiată de un radiator ideal echivalentă cu radiaţia
spectrală a unui corp negru la temperatura de 5800K. Radiaţia solară traversând atmosfera
reacţionează cu anumiţi compuşi chimici care adsorb anumite lungimi de undă din spectru.
Cel mai bun exemplu este absorbţia ultravioletelor de către ozon în atmosfera
superioară ce reduce dramatic cantitatea de lungimi scurte de undă să ajungă pe pământ. O
componentă mult mai activă sunt vaporii de apă care adsorb spectrul solar pe diverse lungimi
de undă. Oxigenul, bioxidul de carbon şi azotul contribuie şi ei la adsorbţia radiaţiei solare.
Prin urmare spectrul solar ce ajunge la suprafaţa pământului este restrâns între infraroşu
îndepărtat şi ultraviolet apropiat.
Împrăştierea radiaţiei în atmosferă deasemeni joacă un rol important. Din acest motiv
69
când soarele este la apus drumul radiaţiei este mai lung, iar împrăştierea radiaţiei cu lungimimici de undă este împrăştiată mai mult. Soarele la apus arată de culoare roşie datorită
fenomenelor de împrăştiere. Pentru o grosime l0 a atmosferei funcţie de unghiul de incidenţă a
radiaţiei, θ, ea parcurge un drum mai lung:
l = lo / cos θRaportul l / lo este coeficientul massic al aerului .
Spectrul solar în afara atmosferei corespunzător radiaţiei corpului negru la 5800K va
avea AM0 semnificând “zero atmosfere”. Celulele folosite pentru tehnologia spaţială cum ar fi
comunicaţiile prin satelit sunt în general caracterizate folosind AM0.
Spectrul solar la nivelul apei mării când soarele este perpendicular coeficientul este
AM1 ceea ce semnifică o atmosferă. Celulele solare pe bază de siliciu nu sunt sensibile la
spectrul pierdut în atmosferă. Ele sunt dependente de lărgimea benzii interzise care este
corespondentă energiei fotonilor din spectrul vizibil. Prin urmare celulele solare sunt mai
eficiente la AM1 decât la AM0.
Panourile solare în general operează sub o anumită grosime a atmosferei dacă soarele
este incident sub un unghi de vizibilitatea diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea
celulelor solare este concentrată în SUA, Japonia, EUROPA se ia în considerare standardul
AM1.5, adica 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde un unghi de zenit solar de 480. Este
considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare.
Panourile solare ce operează la poli va trebui să fie folosit AM2 iar cele care operează
la altitudini mari atunci AM<1.
Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I Eficienţa
de conversie a energiei radiaţiei solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor
celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planetă a
panourilor fotovoltaice, depăşea 1.000.000.000W=1GW.
Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:
a) Intensitatea radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei;
b) 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 sunt amplasate
70
preponderent în zone caracterizate prin radiaţie solară intensă. Cu toate acestea, ţări ca Germania
sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei tehnologii, cu toate că
nu sunt favorizate din punct de vedere al intensităţii radiaţiei solare.
71
Fig.4.10 Schema electrică a unei insalații solare
4.7.Exemple de centrale fotovoltaice (facultatea de hidrotehnică Iași)
La Facultatea de Hidrotehnica, Geodezie şi Ingineria Mediului, în Departamentul CC13B
HIDROMED (Centrul de Excelenta pentru Hidroamenajari şi Protectia Mediului) s-a
implementat un sistem de preluare a energiei solare prin sisteme de celule fotovoltaice
asigurandu-se colectarea energiei electrice necesară funcționarii Stației Meteorologice Urbane
(foto 2.a,b.). Aceasta energie este stocata de doua echipamente autonome energetic, unul fix şi
unul mobil (foto 1.a,b).
. a) b)
Foto 1. Echipamente autonome energetic, unul mobil (a) şi unul fix(b)
Instalația (Fig 4.12.a.) este utilizată în zonele inundabile care pot fi pășuni , șosele, sate
etc , evident fară surse de iluminare de la rețeaua de distribuție , sau în caz că există o întrerupere
a energiei electrice datorită inundației sau altor fenomene meteorologice. Instalația este dotată cu
un panou solar montat pe un stîlp împreună cu o cutie metalică în care se gaseste un acumulator
72
electric împruna cu niste circuite electronice de comandă precum și niște prize de de volți
utilizate in special pentru alimentarea telefoanelr mobile sau a unor leptopuri. Stîlpul se termină
cu o lampă cu leduri care iluminează o zonă de circa 20m2 . Pentru stabilirea nivelului apei față
de sol, pe stîlp se gaseste prinsă o riglă gradată în centimetri.
73
Foto 2. a) Instalație utilizată pentru iluminare in zonele inundabile
74
Foto 2. b) Stației Meteo, Facultatea de hidrotehnică ,Departamentul CC13B HIDROMED
75
4.8. Stocarea energiei electrice în acumulatoare
4.8.1.Acumulatori solari
Acumulatorii solari se diferențiaza după urmatoarele caracteristici:
1. Tipuri de acumulatori
2. Caracteristicile acumulatorilor
3. Incarcarea acumulatorilor în sisteme fotovoltaice
4. Cum se dimensioneaza capacitatea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice independente.
Sistemele fotovoltaice, necesita dispozitive speciale pentru stocarea energiei pentru a fi
utilizata atunci cind generatorul nu produce sau produce sub nivelul consumului. Cele mai
la indemana dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori, care au rolul de a
inmagazina energia electrica produsa atunci cind sursa de energie a generatorului (iradianta
solara) este disponibila și de a o reda pentru a fi utilizata pe timpul noptii. Bateriile de
acumulatori pentru sisteme fotovoltaice sunt de constructie speciala, fara intretinere ș i
suporta un numar mare de cicluri de incarcare- descarcare.
Bateriile de acumulatoare
In sistemele electrice autonome, stocarea energiei este asigurata, î n general, de
baterii de acumulatoare. Acestea sunt esentiale pentru buna functionare a sistemelor autonome.
Elementele de stocare reprezinta 13 - 15% din investiția inițiala, pentru o durata de exploatare
de 10-15 ani.
Bateriile se utilizeaza în cazul în care exista un decalaj intre perioadele când este
solicitata energie și perioadele insorite. Alegerea tipului de baterie se face în functie de puterea
medie zilnica ș i î n funcție de timpul necesar de stocare.
1. Tipuri de acumulatori
a. plumb-acid (Pb-acid).
b. nichel-cadmium (NiCd).
c. nichel-metal (NiMH).
d. lithium-ion (Li-ion).
e. lithium-polymer (Li-poly).
f. Zn-Br.
76
a. Bateriile de acumulatoare de tipul plumb-acid
Exista doua tipuri de astfel de baterii cu plumb:
• Baterii cu electrolit lichid
• Baterii cu electrolit stabilizat
Baterii cu electrolit lichid
Bateriile plumb-acid continua s ă reprezinte principala optiune pentru stocarea
energiei, avind avantajul pretului și al disponibilitatii pe linga faptul ca pot elibera o cantitate
foarte mare de energie intr-un interval foarte scurt de timp putind suporta curenti foarte mari.
Bateriile plumb-acid utilizate în sistemele fotovoltaice sunt incapsulate și nu necesita
completare cu apa și intretinere, supapa regulatoare (VLRA) realizand recombinarea
oxigenului și a hidrogenului rezultati în urma reactiilor chimice de la nivelul anodului și
catodului.
Temperatura optima de functionare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 5°C-
20°C ș i influenteaza direct durata de viata a bateriei. în cazul în care bateriile de acumulatori
functioneaza la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic,
iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. în afara intervalului optim de temperatura
este necesara de asemenea, compensarea tensiunii de incarcare cu temperatura. Curentul de
incarcare al unei baterii de acumulatori trebuie să se incadreze în domeniul 10% pina la 20%
din capacitatea ei nominala.
Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apa în stare lichida în
bateriile clasice (electrolit lichid), retinut prin efectul capilar în separatoare din fibra de sticla
sau silicat deor (baterii AGM) - AGM (Absorptive Glas Mat).
Caracteristici:
• Cel mai întalnit tip de baterie reincărcabilă
• În momentul descărcării se formeaza apa ș i sulfat de plumb, apa dilueaza acidul
sulfuric (electrolitul) astfel încat masa specifica a electrolitului scade pe masura ce bateria
se descarca
• La încarcare apar reacții inverse
• Exista diferite tipuri de baterii
• Acumulatori cu ciclu superficial-utilizați la automobile
77
Aceste baterii sunt constituite dintr-un recipient în care se alterneaza placi pozitive
și negative, separate de distanțiere izolante. Recipientul este inchis cu un dop, pentru a
evita corodarea interna și scurgerea electrolitului.
Avantaj: Construcție simpla, deci ieftine.
Dezavantaj: Bateriile trebuiesc pastrate și utilizate în poziție orizontala, altfel
electrolitul se scurge prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, placile nemaifiind
scufundate în electrolit.
Bateriile AGM au separatoarele montate rigid, rezista foarte bine la socuri ș i vibratii,
iar electrolitul nu se varsa nici daca bateriile sunt rasturnate. Pentru ca nu contin elemente care
ingheata pot fi utilizate la temperaturi extrem de scazute. Desi din punct de vedere al
electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM apartinind clasei lichid, iar
tensiunea și algoritmul de incarcare sunt aceleasi ca și pentru bateriile clasice.
In calitate de electrolit este de asemenea folosita solutie acida în forma lichida, iar
spatiul dintre electrozi este umplut cu materiale poroase, separator pe baza de fibra de
sticla. Aceasta substanta actioneaza ca un burete, absoarbe tot lichidul și il pastreaza, nu-l lasa
să se raspandeasc, electrozii și placile separatoare, alterneaza intre ele.
Principala caracteristica tehnica a bateriei AGM, spre deosebire de cele auto conventionale
este posibilitatea de a lucra în regim de descarcare profunda. Ele pot da energie electrica o
perioada lunga de timp (ore sau chiar zile) până la starea în care rezerva de energie scade
la 20-30% din valoarea initiala. Dupa incarcare acumulatorul își reface aproape complet
capacitatea operationala. Desigur, astfel de situatii nu pot trece fara urme, dar baterile AGM de
astazi pot rezista până la 600 sau mai multe cicluri de descarcare profunda.
Acumulatorii sunt puternic influentati de conditiile externe: temperatura ș i
umiditatea, calitatea curentului electric de incarcare, etc. în practică, bateriile AGM se
schimba mai des, dar este vorba de ani și ani de funcționare.
In plus bateria AGM are o tensiune de autodescarcare foarte mica. O baterie
incarcata neconectata poate stoca energie pentru o perioada lunga de timp. De exemplu, timp
de 12 luni de nefunctionare nivelul bateriei scade la doar 80% din cel initial. Aceste
caracteristici sunt realizate nu numai datorita tehnologiei AGM. La fabricarea de baterii
AGM sunt folosite materiale mai scumpe cu proprietati speciale: electrozii sunt facuti din
electrozi de plumb ultrapur și mai grosi, electrolitul este acid sulfuric de inalta puritate. De
aceea pretul bateriilor AGM este mai mare decat cele standard.
78
Baterii cu electrolit stabilizat
In electrolitul lichid se adauga substante pe baza de dioxid de siliciu (SiO2), generand
astfel o masa groasa. Cu aceasta masa este umplut spatiul dintre electrozi din interiorul bateriei.
în cursul reactiilor chimice în substanta electrolitica se formeaza numeroase bule de gaz, iar
reunirea gazelor are loc cu o eficienta mult mai mare. Fata de bateriile AGM cele cu GEL se
restabilesc mai bine dupa o descarcare profunda, chiar ș i atunci cand procesul de incarcare
nu incepe imediat dupa descarcare. Ele sunt capabile să suporte mai mult de 1000 de cicluri
de descarcare profunda, fara o pierdere semnificativa a capacitatii. Deoarece electrolitul este
intr-o stare densa, este mai putin predispus la separarea în apa și parti componente de acid,
bateriile cu gel tolereaza astfel mai bine parametrii necorespunzatori ai curentului de
incarcare. Singurul minus al bateriilor cu gel (GEL - Gel Electrolite) este preţul, care este mai
mare decat la bateriile AGM de aceeasi capacitate.
Aceste baterii se mai numesc cu recombinare a gazului. în cazul acestora, electrolitul nu
mai este lichid, ci sub forma de gel.
Avantaje:
1. Nu necesita întreținere;
2. Nu exista riscul de scurgeri accidentale de acid lichid;
3. Potrivite pentru instalare în imediata apropiere a oamenilor și echipamentelor
ectronice. î n plus, forma de gel face aceste baterii potrivite în special pentru
aplicaţii care necesita o mulţime de cicluri "profunde" de descarcare.
4. In condiţii "grele" de lucru în ceea ce priveste numarul de cicluri de incarcare-
descarcare și adâncime de descarcare, daca sunt supuse la incarcare corespunzatoare
durata de viaţa utila a unei baterii gel este de aproximativ de 3 ori mai mare decat
la o baterie de acid comun.
Dezavantaj:
1. -Produsul este mai tehnic (gelul), deci mai scumpe.
Bateriile se adaptează destul de bine celor ale generatoarelor fotoelectrice, deoarece ele
funcţioneaza la tensiune cvasi-constanta. Este suficient s ă se dimensioneze bateria pentru a
plasa punctul de funcţionare î n punctul de putere maxima, deoarece tensiunea sa Upmax
79
(tensiunea corespunzatoare puterii maxime) se modifică puţin î n funcţie de iluminare.
b.Nichel Cadmium
• Electrodul pozitiv este facut din Cd iar electrodul negativ este facut din Ni
• Cei doi electrozi sunt separati de Nylon
• Sunt mai tolerante la temperatura
• Sunt mai tolerante la poluare
c. NiMh
• Asemanatoare cu cele tip NiCd
• Anodul este construit din Mh
• Are un efect de memorie neglijabil
• Sunt mai putin capabile să produca un maxim de putere
• Sunt scumpe
• Ținta este utilizarea la mașina
d. Litiu-Ion
• Este o tehnologie mai recenta
• Ofera până la de 3 ori mai multa energie ca Pb-acid
• litiu-ion au tensiunea pe celula 3.5V fata de 2.0V pentru Pb-acid și 1.2V pentru alte
baterii electrochimice.
• Sunt vulnerabile la supraincarcari
2. Caracteristicile acumulatorilor
• tensiunea nominală
• tensiunea de încarcare
• capacitatea acumulatorului
• regimul de incarcare-descarcare
• eficienta
• timpul de viață
80
3. Incarcarea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice
• Se folosește un regulator de încărcare
• Etapele de încarcare:
o Încărcare principală
o Încărcare finală
o Încărcare de echilibru
o Încărcare de întreținere
Dimensionarea corecta a capacitatii pentru o baterie de acumulatori se face în funcție de
puterea nominală a consumatorilor ș i de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de
viata a unei baterii de acumulatori este dependenta de adancimea de descarcare și de
temperatura de lucru. în functie de capacitatea ș i tipul bateriei de acumulatori se aleg
controlerele de incarcare si/sau invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui
controler de încarcare sau invertor de baterii impropriu poate duce la reducerea capacității
bateriei de acumulatori și a duratei de viață a acesteia sau chiar la distrugerea ei.
4. Cum se dimensionează capacitatea acumulatorilor î n sistemele
fotovoltaice independente?
Capacitatea bateriei de acumulatori se dimensioneaza î n functie de necesarul
zilnic de consum și de distributia acestuia pe intervale de timp. Se stie ca în aplicatiile
fotovoltaice independente acumulatorii lucreaza î n regim ciclic zi-noapte, iar durata lor de
viata depinde de numarul de cicluri de incarcare-descarcare, adincimea de descarcare ș i
conditiile de exploatare. Acesti parametrii sunt prevazuti în fisa tehnica a oricarei baterii de
acumulatori și pe baza lor se poate determina cu usurinta durata de viata estimata. Pentru
exploatarea eficienta a bateriei de acumulatori se recomanda dimensionarea capacitatii acesteia
la o valoare de 3-5 ori mai mare decit necesarul zilnic de consum.
Cum electricitatea fotovoltaica este preţioasa, în special în perioadele innorate și
lipsite de lumina ale iernii, bateriile trebuie să aibade asemenea și rate de autodescarcare mici
și un randament foarte bun. în general bateriile solare au o rata de autodescarcare de
aproximativ 3% pe luna. Randamentul este calculat în trei moduri:
81
Randamentul de incarcare,procentul de sarcina pusa intr-o baterie care poate fi recuperata,
î n general 85%.
Randamentul tensiunii,care reflecta faptul ca tensiunea în timpul descarcarii estemai
mica decât în timpul incarcarii.
Randamentul energetic, produsul randamentelor de incarcare și cel al tensiunii; are de obicei valoarea
de 75%.
Dacă nu sunt descarcate mai mult de 30% rezista câteva mii de cicluri de
incarcare/descarcare; daca sunt descarcate în mod regulat cu pâna la 80%, aproximativ o mie de
cicluri.
Capacitatea unei celule sau a unei baterii este masurata în amperi ora (Ah), fiind produsul
dintre curentul furnizat și cât timp acesta „curge”. De exemplu, daca o baterie plina de 12V
poate da 20 A timp de 10 ore, aceasta are capacitatea de 200 Ah (fiind uzual numita baterie de
„200 de amperi”). Cum tensiunea este de 12 V, energia totala stocata este de 200*12 = 2400Wh,
sau 2.4 kWh.
Foarte important este cum variaza tensiunea unei baterii acid-plumb în timpul
încarcarii și descarcarii deoarece chargerul, care regleaza fluxul curentului de la panou î n
baterii, foloseste tensiunea drept „semnal de control” pentru a proteja bateriile și a le prelungi durata
de viaţa
82
Fig.4.11. Caracteristica tipica de incarcare a unei baterii acid-plumb de 12V
Atunci când o baterie este pusa la incarcat la un curent constant tensiunea variaza dupa
cum se poate observa în figura de mai sus. Iniţial aproape de 12V, tensiunea creste constant
cu starea de incarcare (State Of Charge – SOC).
In faza finala, creste mai repede, ajungând la peste 14V la atingerea incarcarii
complete (SOC=100%). Daca bateria este nesigilata, aceasta ultima faza este acompaniata de
gazare în electrolitul lichid, producându-se hidrogen și oxigen. Gazarea excesiva poate avea loc
daca se continua incarcarea și poate produce daune celulelor; este extrem de importanta o ventilaţie
adecvata a spaţiului în care sunt depozitate bateriile pentru a evita riscul producerii unei
explozii.
Totusi, supraincarcari controlate pot avea loc ocazional, purtând numele de incarcare
de egalizare ,acestea fiind utile pentru a evita stratificarea în diferite nivele de concentraţie de
acid. La bateriile sigilate supraincarcarea trebuie evitata iar egalizarea este irelevanta.
O buna schema de incarcare, care ajuta la pastrarea bateriei î n condiţii de top
consta î n furnizarea unei incarcari forţate de tip boost charge folosind tot curentul disponibil;
apoi, la apropierea SOC-ului de valoarea de 100% furnizarea unei incarcari de absorbţie
(absorptioncharge) la un nivel constant de tensiune și un curent mic; în final, o incarcare de tip
83
float care menţine bateria la incarcare maxima, evitând în acelasi timp supraincarcarea.
Desigur, intr-un sistem FV dependent de lumina solară variabila, fara sursa de incarcare în
timpul nopţii nu ne putem astepta la un regim optim de incarcare.
Fig.4.12. Caracteristica tipica de descarcare a unei baterii acid-plumb de 12 V
Figura de mai sus arata caracteristicile tipice ale tensiunii atunci când bateria de
200Ah și 12V este descarcata la curent constant. Curba notata 10h arata caracteristica de
descarcare la 20A pentru 10 ore, ceea ce reduce voltajul pâna la 11V, punct în care
producatorul recomanda deconectarea sarcinii pentru a evita producerea de daune. La acest
punct s-a folosit 100% din capacitatea bateriei.
Dar daca o descarcam la rata mai scazuta de 2A timp de 100 de ore se obţine curba
notata100h.
Tensiunea sta mai bine ș i sarcina disponibila este substanţial mai mare, lucru care scoate
în evidenţa dependenţa capacitaţii de rata de descarcare. Este bine de stiut faptul ca trebuie
evitata pe cât posibil supradescarcarea severa sau menţinereala un nivel scazut al SOC-ului pe
perioade foarte lungi. La bateriile nesigilate pericolul principal il reprezinta sulfatarea, care
consta î n formarea de cristale mari de cristale de sulfat pe placi, fapt careduce la scaderea
capacitaţii și deteriorare.
84
Intr-un sistem fotovoltaic practic nu ne putem astepta ca incarcarea și descarcarea să
aiba loc la curent constant sau în cicluri regulate de consum constant. Situaţia este mult mai
complicata ș i depinde de disponibilitatea luminii solare î n comparaţie cu cerinţele
pentru electricitate ale utilizatorului. î n general se pot identifica fluctuaţii zilnice ale
luminii solare ș i ale consumului sarcinii, precum și fluctuaţii sezoniere. în verile insorite
bateriile vor fi mai mereu incarcate la maxim (cu SOC = 100%), consumul fiind și el mic din
cauza lungimii reduse a nopţilor; în schimb, pe perioade lungi de cer acoperit și în lunile de iarna,
consumul pe o durata mult mai mare poate duce la perioade cu SOC scazut cu riscul de taiere a
sarcinii. Statisticile anuale ale ciclurilor de incarcare/descarcare în sistemele fotovoltaice apar
deseori ca aleatorii ș i neregulate. Cu toate acestea, este foarte important să stim cum funcţioneaza
bateriile și cum putem imbunataţi sistemul.
4.8.2. Acumulatoare electrice
Acumulatoarele electrice sunt elemente galvanice secundare, care inmagazineza energie
electrica luata de la o sursa de curent continuu (incarcare) și o cedeaza la nevoie (descarcasea
acumulatorului) intr-un circuit inchis continuand un consumator.
Atat incarcarea, cat și descarcarea acumulatorului (Fig 4.13.) se bazeaza pe reactii
chimice reversibile(se produc intr-un sens la incarcare și în sens invers la decarcare).Dupa
incarcare, acumularorul devine o sursa de energie electrica, iar dupa descarcare poate fi din nou
incarcat, și asa de foarte multe ori. Datorita acestui fapt, precum și datorita transportarii lor
usoare, acumulatoarele au capatat o intrebuintare din ce în ce mai mare.
Cand este necesar să obtina un curent debitat mai mare, se leaga în paralel mai multe
acumulatoare (+cu+ și –cu- ), iar cand se cere o tensiune mai mare,se leaga în serie (plusul uneia
cu minusul alteia); astfel se formeaza bateriile de acumulatoare.
Acumulatoarele au electrozii sub forma de placi, de a caror suprafata depinde valoarea
curentului debitat de un element. Electrolitul în care sunt cufundati poate fi o solutie de acid
sulfuric (acumulatorul acid) sau o solutie de hidroxid de potasiu KOH (acumulatorul alcalin).
Bateriile de acumulatoare se incarca cu ajutorul redresoarelor uscate (de obicei de
seleniu), conectate în reteaua electrica, sau al convertizoarelor. Ele pot functiona în tampon cu
acestea.
85
a) b)
Fig.4.13. a – descarcarea, b – incarcarea.
4.9. Avantajele și dezavantajele utilizării panourilor solare
Avantaje
Avantajul principal al folosirii panourilor fotovoltaice este sintetizat în doua cuvinte:
energie gratuita.
Un alt avantaj al utilizarii panourilor fotovoltaice este reprezentat de posibilitatea asigurarii energiei electrice in locatii izolate care nu au acces la reteaua de furnizare energie electrica.
Un astfel de sistem este usor de instalat, nu necesita cunostinte speciale in domeniu energetic, intretinerea panourilor este facila acestea nu necesita decat cuatarea de impuritatile ce se ataseaza pe suprafata acestora.
Durata medie de utilizare a acestor panouri este de 20-25 ani, singura componenta care necesita o atentie mai sporita si a carei durata de viata este mai scurta in cazul sistemelor insulare sunt bateriile.
Un alt avantaj considerabil al acestor sisteme este ca se pot extinde in cazul aparitiei unor consumatori electrici suplimentari.
DezavantajeDezavantajele prezentate mai jos consider ca nu întrec în prioritate acest mare avantaj:
Comparativ cu puterea furnizată, investiția necesară în panourile fotovoltaice este mare.
Panourile necesită spațiu de instalare orientat convenabil,unghiul de incidenta al radiatiei solare
fiind foarte important, iar fără un sistem de stocare (care, la rândul său, necesită investiții și
întreținere) energia generată este utilizabila numai o perioada de timp scurta.
Panourile solare produc energie electrică minim 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna
ziua are 9 ore). Ziua, timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică ( înmagazinează
86
energie,vara,in reteaua nationala (sau în acumulatori) pentru a fi folosită iarna, din aceeasi retea
nationala (sau noaptea, din acumulatori)).
Deși energia solară este regenerabila și ușor de produs, problema principală este că
soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pamant. În plus, datorită rotației
Pământului în jurul axei sale, și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la
generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. Este de asemenea cunoscut ca
elevatia și azimutul pozitiei soarelui sunt diferite iarna de perioada verii, datorita miscarii relative
a soarelui pe cer.
O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilelor noroase, când
potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând
aplicațiile acestei forme de energie regenerabila.
Se pot distinge trei tipuri de celule fotovoltaice în funcţie de tipul de semiconductor
folosit (in special Siliciu), în ordine descrescatoare a randamentului : monocristaline,
policristaline şi amorfe.
Diferitele materiale semiconductoare folosite la realizarea celulelor fotovoltaice sunt
potrivite numai pentru anumite intervale spectrale ale luminii și deci o parte a energiei radiante
nu poate fi utilizata. Energia cuantelor este direct proportionala cu frecventa undei purtatoare,
deci unele cuante de lumină (fotoni) nu au suficienta energie pentru a "activa" purtătorii de
sarcină din semiconductor (de exemplu undele radio de frecventa joasa), iar cuantele cu energie
fotonica în surplus se transforma în căldură mai degrabă decât în energie electrică (de exemplu
undele Gamma). Tot o limitare fizica este și faptul ca ionizarea cristalelor de siliciu este limitata
la anumite valori și nu mai creste prea mult peste aceste valori daca creste intensitatea radiatiei
solare.Cresterea temperaturii influenteaza negativ puterea debitata, aceasta scazind cu 0,5 %
pentru fiecare grad celsius în plus.
În plus, există pierderi optice, de reflectare a razelor de intrare de pe suprafaţa celulei,
pierderi datorate rezistenţei electrice în semiconductoare şi cabluri de conectare.
Aceste limitari conduc la un nivel maxim de eficienţă de 9-13% (pentru siliciu cristal),
avind posibilitatea de a ajunge la 17-20 % daca se utilizeaza sisteme de orientare dupa soare.
Ceea ce este insa interesant...este ca la suprafete mari de panouri fotovoltaice, montate pe
hale, ferme, depozite, etc, energia electrica generata și debitata în reteaua nationala, asigura
consumul de iarnapentru orice ferma, depozit, sau fabrica.
Pe termen mediu, sau lung, panourile solare devin o afacere superrentabila, investitia
amortizindu-se 100% .
87
Încălzirea structurilor celulelor solare
Datorită încălzirii structurilor de sicliciu amorf apar extra curenți care se scad din curentul
principal generat de efectul fotovoltaic ceea ce duce la scăderi importante a randamentelor de
conversie .
Depuneri pe suprafața de recepție
Constituie o problemă esentială în privința obtinerii curentului electric prin conversie
fotovoltaică a luminii solare , necesitand operatii speciale de spalare a suprafeței. Printre
depunerile obisnuite pot fi praf sau alte substanțe poluante existente în atmosfera terestră.
În condiții de iarnă panourile pot fi acoperite cu un strat de zăpadă, care evident trebuie
inlaturată. Soluția practicată în momentul de față o constituie trimiterea unui curent electric din
acumulator de sens contrar în panoul silar , care datorită efectului Joule incalzesc structurile de
cuart policristalin , care topeste zapada , si datorita inclinarii panourilor cade pe sol.
Exemple de înlaturare a dezavantajelor în instalațiile de obținere a energiei
fotovoltaice
Un exemplu de contribuție o constituie construirea unei instalații de spalare a suprafeței
de recepție a panourilor solare cu o funcționare în regim periodic atunci cand se constată o
diminuare a curentului electric recepționat. Instalația se compune dintr-o sursă de apă, pompă ,
furtun si un ajutaj care să împrastie apa pe suprafața panoului.
Răcirea suprafețelor de recepție a panourilor solare
În vederea creșterii randamentului panourilor solare, soluția constă în răcirea structurilor
prin plasarea în spatele panourilor a unui rezervor de cupru cu o lățime egală cu aproximativ 1,5
cm prin care curge continuu un curent de apa rece de preferat dintr-un puț hidrogeologic. În
aceste condiții randamentul devine maxim.
88
O centrala solară cu panouri fotovoltaice (Ps) dotate cu instala iiț de răcire cu apă
din freatic се con ineț un foraj hidrogeologic ( RR.) о pompa ( )Р , conducte ( CR) care
produc circula iaț apei într-o instala ieț de răcire ( IR), montată termic în legătură cu panoul
solar се este prins fa ăț de veticală la un unghi egal cu 57º pentru а recep ionaț în condi iiț
optime radia iaț solară tot timpul anului, îmbunată indț în acest fe1 randamentul conversiei
electrice; energia electrică este acumulată într-un acumulator ( Ac) prin intermediul unui
regulator R.
89
Fig.4.14. Instalație de răcire a unei centrale
solare
apă caldă pentru diferite folosonțe
4.10.Exemple propuse de utilizare a panourilor fotovoltaice
4.10.1.Utilizarea panourilor fotovoltaice la o stație hidrometrică în vederea automatizării
Un exemplu de utilizare a centralei fotovoltaice pentru obținerea conversiei energiei
solare în energia electrică, ar fi aplicarea în domeniul gospodării apelor, mai exact la o stație
hidrometrică, prin automatizarea colectării și transmiterii datelor hidrologice la posturile
dispecer.
4.10.2. Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru aprovizionarea cu energie electrică, de
rezervă a unei incinte administrative de exploatare a unui baraj
Descrierea incintei administrative de exploatare a barajului
Pentru exploatarea în bune condiții a unui baraj, s-a proiectat și executat o incintă
administrativă alcatuită din:
90
Tablou pentru
alimentare cu
energie,
prelucrarea
datelor
șitransmiterea lor
Fig.4.15. Stație hidromertică
automatizată
1. Canton de exploatare compus din locuiță de serviciu, birou dispecerat și cameră aparatură2. Magazie-anexă, compusă din cameră pentru depozitarea materialelor stocului de apărare
și cameră pentru dispozitivele de masură și uneltele de lucru.3. Platforma betonată pentru acces la canton și magazie 4. Foraj alimentare cu apă 5. Rețea iluminat exterior 6. Înprejmuire incintă.
În prezent sursa pentru alimentare cu energie electrică a incintei administrative este
asigurată de la rețeaua electrică a localității. Ca sursă de rezervă în caz de avarii este și un grup
electrogen. În situația producerii de fenomene hidrometeorologice periculoase,fregvent se produc
întreruperi de energie electrică, se inpune o altă sursă de energie electrică pentru asigurarea
continuiității funcționării sistemului informațional.
91
În prezentul proiect propun ca sursă alternativă de energie electrică, utilizarea energiei
solare prin conversia fotovoltaică.
Din analiza datelor privind consumurile de energie necesar pentru funcționarea în condiții
optime a sistemului informațional cât și gospodaresc rezultă un consum total de 425 wat/h, dacă
înlocuim iluminatul convențional cu iluminatul pe leduri, înafara consumului de forță a
motoarelor de pe turnul de manevră pentru care se va utiliza energia de la rețea.
Tab.4.1.Consum energie pentru iluminat
Nr. Încapere
Denumire Încapere
Consum energ.iluminat(wat/h)
actual propus
1 Baie 60 10
2 Camera aparatura 200 30
3 Hol 120 20
4 Dormitor 100 15
5 Dispecerat200 30
6 Magazie 200 30
7 Stocarea paratura 100 15
8,9,10 Stalpi ilum.ext.3 buc. 375 75
Consumul total iluminat 1335 225
Tab.4.2. Consum energie pentru aparatura de serviciu
Nr.crt.
Alticonsumatori
Consumenergie (wat/h)
1Statieradio 30
2 Calculator 25
3 Server 45
4 Televizor 40
5 Radio receptor 10
6 Alti consumatori 50
Consumul total 200
92
Prin utilizarea energiei fotovoltaice se obține o diminuare a consumului pentru iluminat
de cca 80%, aceasta datorîdu-se utilizării becurilor cu leduri. Acestea au și alte avantaje față de
becurile convenționale dintre care menționam:
durată mare de funcționare nu apar inducții elecromagnetice de deschiderea și închiderea luminii lumina este stabilă spectroscopic randament foarte ridicat cca 90% nu apar defecțiuni imprevizibile nu atrag insectele deoarece nu emit radiație infraroșie și radiație ultravioletă
Pentu a asigura puterea necesară de 425wat/h se aleg:
2 panouri fotovoltaice de 240 wat 24V Regulator de încărcare 80A Acumulator de 200A/h 12V Invertor de 1000wat Kit conectică, kit montaj, cutie joncțiune
Panourile fotovoltaice se vor monta pe acoperișul magaziei , pe suporți adecvați, înclinate la 57º față de orizontală pe direcția sud în vederea obținerii unui randament maxim. În urma calculelor efectuate lucrarea respectivă s-ar amortiza în circa 6-7 ani, iar consumul pentru iluminat va fi redus cu 80 % , față de consumul actual.
93
BIBLIOGRAFIE
1. Antohi C.M. , Surse de Radiții.Tehnologii de Protecție. Performantica, Iași 2003.
2. Ahlheim, K., (colab.) (1975), Die Unwet des Menschen Meyer Lexikon- verlog,Mannheim
3. Brown R.L. (2001), World Economy Expands, în Worldwatch Institute, Vital Signs, 2001
(N.Y. W.W. Norton&Company, 2001)
4. Brown R.L., (2006), Planul B 2.0 Salvarea unei planete sub presiune şi a unei civilizaţii în
impas, Editura Tehnică, Bucureşti
5. Duma, S., (2007), Resursele crustale mondiale, Edit. Presa Universitară Clujeană, Cluj-
Napoca
6. Dunn S., (2000), The Hydrogen Experiment, World Watch, nov/dec 2000
7. Dunn S., (2001), Hydrogens Futures: Toward a Sustainable Energy System, Worldwatch
Paper 157, (Washington D.C.: Worldwatch Institute, Aug 2001)
8. Iannucci, (1999), Distributed and Meeting of boar don Energy and Environmental Systems,
Nationa research Council, Washington DC
9. Ion Giurma , Antohi Constantin brevet de invenție nr. a2010 00827 Instalație pentru aerarea
apelor de suprafață.
10. Ion Giurma , Proiect ID-596 , Tehnici inovative de protecție împotriva dezastrelor cauzate de
dezastre climatice.
11. Niac G., naşcu H, (1999), Hidrogenul, vector de energie. Pro şi contra, Revista Energetica
nr.47, Cluj Napoca
12. Paulescu M, Fara, Tulcan-Paulescu, Model for obtaining daily global solar irradiation from air
temperature data Atmosheric Research
13. http://ames.ro/hidroenergia/
14. http://ro.wikipedia.org/wiki/Combustibil_fosil
15. http://ro.wikipedia.org/wiki/C%C4%83rbune
16. http://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Cernob%C3%AEl
17. http://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Fukushima-Daiichi
18. http://www.panourisolare/online.ro/download/panouri_fotovoltaice/
prezentare_panouri_fotovoltaice.pdf
19. http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_solar
94
95