Cuprins:
1. Introducere ………………………………………………... pagina 2 2. Istoria energiei solare……………….…………..…………pagina solare ……………….…………..…………pagina 3 3. Energia fotovoltaica ………………………………………. pagina 4 Celule Fotovoltaice…………………………………... Fotovoltaice…………………………………... pagina 4 Panoul Fotovoltaic ……..………….……... ……..………….……...………… ………… pagina 6 4. Aplicatii ale energiei solare ……………...……………… pagina 7 5. Energia solara in Europa…………………………………. Europa …………………………………. pagina 10 6. Potentialul energiei solare in Romania………………… Romania ………………… pagina 11 7. Observatii si Concluzii …….…………………..…………. pagina 12 8. Bibliografie …………………...…………………………….. pagina 14
ENERGIA SOLARA 1.Introducere În sens comun, prin surse de energie se înțeleg materialele și tehnologiile folosite pentru obținerea diferitelor forme de energie necesare dezvoltării societății. Aceste surse trebuie să se găsească în cantități corespunzătoare și să fie exploatabile convenabil din punct de vedere tehnic, economic și al unei perspective durabile. Soarele este o sursa imensa de energie. Aceasta ajunge pe Terra sub forma de radiatii solare, radiatiicare pot fi captate si transformate in alte forme de energie: electrica, mecanica sau termica. Astfel,energia solara isi poate gasi utlizarea in domenii diverse, de la agricultura pana la cercetare.Primele incercari de folosire ale energiei solare deteaza inca din secolul trecut. In prezent, aceasta esteintalnita in foarte multe medii. O cantitate imensă de energie solară ajunge lasuprafaţa pământului în fiecare zi. Această energie poate fi captată, şi folosita sub formă de caldură înaplicaţii termo-solare, sau poate fi transformatădirect în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice(CF). Pentru a înţelege cum CF şi sistemele termo-solare captează energia solară, este important săînţelegem cum aceasta îşi urmează cursul de lasoare spre Pământ şi cum acest flux se schimbă periodic. Principalele moduri de utilizare a sa sunt insa urmatoarele: • producerea de energie termica: incalzirea apei, incalzirea locuintelor sau a serelor, etc. • producerea de energie electrica prin intermediul celulei fotovoltaice. Aceasta este rolul unei lungi evolutii, de la alimentarea calculatoarelor de buzunar pana la centralele solare, ce pot alimenta cartiere intregi de locuinte.
2. Energia fotovoltaica Sisteme solare fotovoltaice pentru case sunt de doua tipuri:
• Una dintre utilizarile timpurii ale energiei solare fotovoltaice a fost pentru aplicatii la distanta.In zonele si resedintele, prea departe pentru a fi in mod viabil cuplate la reteaua electrica,energia fotovoltaica ar putea fi folosita pentru aproape orice nevoie de energie electrica a casei.Panourile fotovoltaice pot furniza iluminatul casei, energie electrica pentru aparate, televizoare si accesorii de uz casnic. Acestea ar putea ajuta la pomparea apei din fantani, aducand apa calda si rece in zonele in care in mod normal nu ar fi posibil. Energia solara produsa in aceste structuri fara retea ar putea rula in retelele de telefoane, transmisii de radio, oferind putere fara utilizarea de generatori de gaz sau echipamente de generare cu kerosen. • In al doilea tip, un sistem solar cu o retea legata, celulele fotovoltaice inhama soarele, pentru agenera energie electrica, care merge direct in reteaua electrica locala. Desi curentul direct (DC) produs depanourile fotovoltaice nu poate fi utilizat in forma sa pura, invertoarele solare simple sunt folosite sa il transforme in curent alternativ (AC) utilizabil. Surplusul de energie electrica returnat la reteaua electrica locala, aduce bani proprietarului. Acest lucru este cunsocut sub numele de „contorizare neta” si este unul dintre cele mai atractive lucruri despre sistemele solare fotovoltaice cu retea legata. In acest mod,energia solara produsa de o gama sau un sistem de panouri solare fotovoltaice nu este niciodata irosita,este folosita curat de catre altcineva, in beneficiul celui care a furnizat-o. Sistemele de panouri solare electrice de astazi, furnizeaza proprietarilor de case diferite optiuni deinstalare, fiecare cu un scop specific.
Instalatiile din America de Nord de obicei maximizeaza expunerea la lumina solara prin montarea panourilor fotovoltaice electrice intr-o directie de sud.Unele sisteme sunt fixate ferm in cadre, in timp ce altele pot fi reglabile, tinandu-se cont de calea soarelui in schimbarile de sezon. Acest lucru permite obtinerea unui randament foarte bun in orice anotimp. Cele mai bune panouri solare fotovoltaice pot oferi chiar si o urmarire automata a soarelui.Un alt factor care contribuie la cresterea popularitatii energiei solare fotovoltaice este partea estetica – panourile pur si simplu arata elegant, curat si mai bine ca niciodata.In trecut sistemele solare erau inestetice si foarte mari in comparatie cu cantitatea mica de energie pe care o produceau. Celulele fotovoltaice
reprezintă o soluţie tentantă pentru alimentarea cu energie electrică a unor amplasamente izolate. In acest sens, principalele măsuri ce trebuie luate constau in coborarea costului celulelor fotovoltaice la preţuri acceptabile pe piaţa energetică . Celulele solare făcute din cristale de silicon, arsenicat de galiu şi alte materiale semiconductoare, tran sformă direct radiaţia solară in electricitate.Prin conectarea unui număr mare de celule fotovoltaice, costul electricităţ ii fotovoltaice a fost redus la 30 de cenţi/KWh, adică de două ori mai mare decat rata pe care oraşele mari din Statele Unite o plă teau pentru electricitate in 1989. Celulele fotovoltaice
1.Principiu de funcţionare al celulelor fotovoltaice
O celulă fotovoltaică de silicon e compusă din o foiţă de un strat foarte subţire de silicon de tip N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un camp electric este creeat deasupra suprafeţei de sus a acelei celule unde cele două materiale intră in contact, numită jucţia P-N.Cand razele solare ajung la suprafaţa unei celule fotovoltaice, campul electric produce momentul şi direcţia la electronii stimulaţi de lumină, r ezultand fluxul de current , celulele solare fiind conectate la un incărcator electric.
Fig. 1. Principiul de functionare al celulelor fotovoltaice
Indiferent de mărime, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce in jur de 0.5 - 0.6 volti in conformitate cu un circuit deschis, fără condiţii de incărcare. Curentul (şi puterea ) de ieşire a unei celule fotovoltaice depinde de eficienţa şi mărimea suprafeţei, şi este proportional cu intensitatea soarelui care ajunge la suprafaţa celulei. De exemplu, in condiţiile in care lumina solară este foarte puternică, o celulă fotovoltaică comercială cu o suprafaţă de 160 cm patrati va produce in jur de 2 waţi, la putere maximă. Dacă intensitatea razelor solare au fost la 40%din putere, acea celulă va produce in jur de 0.8 waţi. 2. Caracteristicile celulelor fotovoltaice
Tensiunea de mers in gol UOC (auch VOC) Curentul de scurtcircuit ISC Tensiunea in punctul optim de funcţionare UMPP (auch VMPP)
Factor de umplere Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei Randamentul celulei solare la o suprafaţă iluminată A şi intensitate
luminoasă Popt
Fig. 2. Avantajele si dezavantajele folosirii celulelor fotovoltaice
pentru obtinerea energiei electrice
Panoul fotovoltaic
Un panou fotovoltaic spre deosebire de un panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electri că. Componentele principale ale panoului fotovoltaic sunt celulele fotovoltaice.
Fig. 3. Panou fotovoltaic
Pentru utilizarea energiei solare ca sursă de energie electrică, potenţialul exploatabil este ridicat, iarc onversia energiei solare în energie electrică se realizează cu instalaţ ii fotovoltaice care cuprind module solare, în configura ţ ii şi de dimensiuni diferite. Un sistem clasic fotovoltaic insular este alcatuit din urmatoarele componente: -panouri fotovoltaice -regulatorul de incarcare al bateriilor -grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V DC -invertor,ce transforma curentul continuu DC in curent alternativAC
Fig. 5. Sistem clasic fotovoltaic
Costul investiţiei pentru realizarea sistemelor fotovoltaice a avut o evolutie favorabila în ultimele decenii, costul unui modul solar s-a diminuat treptat, ajungandu-se în present la un nivel de aproape 6 $/W instalat. Un panou fotovoltaic de 1 kW poate produce 800 kW de curent electric într-un an, contribuind astfe la protejarea mediului înconjurator de 500 kg de dioxid de carbon si alte elemente daunatoare. Cantitatea energiei solare accesibile se schimbă în decursul zilei din cauza mi şcăr ii relative a Soarelui şi depinde de gradul înnorăr ii cerului. La miezul zilei pe un timp frumos, iluminarea energetică, formată de soare, poate ajunge la 1000 Wt/mp sau poate fii mai mica de 100 Wt/mp în cond iţii cu nivel înalt de acoperire a cerului cu nori. Cantitatea energiei solare se schimbă o data cu unghiul de înclinare a instalaţ iei şi orientăr ii suprafeţ ei ei, scăzând pe măsura î ndepăr tării de direcţia sudului. România dispune de o cantitate de energie sol ară mult mai mare decât alte ţări dezvoltate precum Gemania, Austria, Belgia, Olanda, ceea ce face ca utilizarea ori cărui panou solar, pentru producerea curentului electric, în locatii unde nu exist ă acces la reteaua na ţională de energie, să devină nu numai interesantă, ci şi necesară. Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru alimentarea consumatorilor independenţ i sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în reţ eaua publică.
3. Aplicatii ale energiei solare Aplicatiile energiei solare dateaza inca din antichitate cand grecii si chinezii isi construiau locuintele orientate catre soare astfel incat sa profite de soare pentru a avea lumina si caldura. Odata cu dezvoltarea tehnicii moderne au aparut o serie de aplicatii noi ale folosirii energiei
solare. Lista aplicatiilor energiei solare
• Agricultura si horticultura – In functie de energia solara ce poate fi captata intr-o anumita perioada a anului agricultura cauta sa optimizeze perioadele in care se planteaza recoltele, sa le orienteze catre sursa de lumina a soarelui, sa utilizeze coline in scara pentru a asigura o cantitate egala de caldura si lumina pentru fiecare rand de plante, sa roteasca tipurile de plante, toate aceste tehnici avand o influenta combinata semnificativa asupra recoltei. Pentru zonele unde se doreste cultivarea unor plante incompatibile cu climatul local se folosesc serele, care convertesc lumina in caldura, permitant astel cultivarea plantelor in afara arealului lor geografic sau in anotimpurile reci. • Iluminare – Lumina solara a fost timp de secole principala metoda de iluminare a locuintelor pe timp de zi si nu a fost inlocuita nici pana in ziua de azi de metodele moderne de iluminare, cel putin in cazul in care se doreste obtinerea unei eficiente energetice semnificative. • Incalzirea apei – In zonele de latitudine scazuta, sub 40 grade, 60-70% din apa calda folosita domestic poate fi asigurata de sistemele de incalzire solare, cu tuburi sau suprafete reflectante • Incalzire, racire si ventilatie – Numai in SUA, peste 30 % din consumul de energie in cladiri comerciale si peste 50% din consumul domestic de energie este cauzat de sistemele de incalzire, racire si ventilatie. O parte din aceasta cantitate poate fi asigurata de energia solara folosind masa terminca, adica orice material ce poate fi folosit pentru stocarea energiei: piatra, ciment, apa etc. Masa termica, daca este folosita corect, permite absorbtia energiei ziua si radierea acesteia noapte, mentinand o temperatura constanta pe toata perioada unei zile. • Tratarea apei – Prin expunerea apei la soare se poate distila (in cazul apei sarate sau murdare) sau se poate dezinfecta prin expunerea in sticle de plastic. Aceasta metoda este folosita in principal in tarile sarace • Gatit – Calitatile energiei solare permit folosirea acesteia pentru gatit, uscat alimente si pasteurizat. Sistemele de gatit solare se impart in 3 mari categorii: cutii, panouri si panouri reflectorizante. • Procesarea caldurii in scop industrial – Se folosesc parabolice reflectorizante pentru concentrarea caldurii in diverse aplicatii comerciale. O alta metoda de procesare a caldurii sunt vasele cu apa sarata care folosesc caldura soarelui pentru a evapora apa si a obtine sare. • Generarea electricitatii – Principalele metode de a obtine curent electric folosind energie
• Procese chimice – Energia solara este folosita si in diverse procese chimice pentru a crea reactii chimice. • Vehicule solare – Prima data vehiculele solare si-au fac ut aparitia in anii 80’, de atunci evoluand foarte mult, in principal datorita concursurilor nenumarate pe aceasta tema. Chiar daca un vehicul solar nu va putea functiona 24 de ore din 24 din motive evidente, tehnologii solare sunt deja folosite in vehicule hibride, in scopul eficientizarii consumului de energie. • Sisteme de pompare a apei/irigatii – Este una dintre cele mai atractive aplicatii ale energiei solare.In perioadele caniculare cand necesarul de apa este ridicat , panourile fotovoltaice au randament maxim . Sistemele se pot proiecta in functie aplicatie. Daca necesarul de apa trebuie acoperit permanent(zi/noapte , senin/noros) si nu exista posibilitatea acumularii apei pentru acest interval , energia generata de panourile fotovoltaice va fi acumulata in baterii. Daca necesarul de apa poate fi acoperit prin depozitarea apei in bazine , sistemul nutrebuie sa contina si bateriile pentru stocarea energiei.
Fig. 6. Sistem de pompare a apei
– Schema de functionare a acestui sistem este prezentata in Fig 2.Chiar daca cererea de apa este oarecum constanta pe perioada anului,trebuie asigurata capacitatea de depozitare a apei pe perioada zilelor innorate.
Sisteme apa potabila pentru sate
Fig. 7. Sistem de apa potabila
Irigatii prin picatura – Solutiile de realizare a sistemelor de irigatii trebuie sa tina cont ca
cererea nu este constanta pe perioada anului.Cererea maxima in perioada de irigatii este in general de doua ori mai mare decat media anuala si in aceasta perioada si nivelul panzei de apa freatica este mai scazut ceea ce face ca sistemul sa fie supradimensionat pentru toata perioada anului.
Fig. 8. Aplicatie a tehnologiei solare pentru realizarea irigatiilor prin picatura
4.Energia solara in Europa
Fig. 9. Panouri solare
Realizari ale diverselor tari stau marturie ale avansului pe care domeniul fotovoltaic l-a inregistrat in ultimii ani atat din punctual de vedere al scaderii costurilor dar si al celui de crestere a randamentelor de producere a energiei.
Sa nu uitam ca soarele este incontestabil, sursa care se incadreaza perfect in conditiile impuse de mediu si bineinteles este cu adevarat regenerabila fara a fi necesara in nici un fel interventia factorului uman, ca in cazul altor variante. Statele UE au luat o serie de masuri pentru incurajarea cetatenilor si a companiilor sa investeasca in energii regenerabile. De exemplu, in Marea Britanie se acorda subventii pentru cetateni si pentru companii, astfel incat acestia sa instaleze panouri solare, iar energia este utilizata pentru activitatile domestice. Germania este un exemplu de excelenta prin programul celor 100.000 acoperisuri solare realizate in anii 2006-2007. Energia solara este utilizata si subventionata partial in Spania, Grecia si Suedia, Franta si in Germania. In ultimii ani s-a sesizat o crestere rapida a numarului de instalatii PV ( fotovoltaice) de pe cladirile care sunt conectate la reteaua electrica. Aceasta zona de cerere a fost stimulata partial de programele de subventie ale guvernelor (in special Japonia si Germania) si de politica preturilor ecologice ale utilitatilor sau furnizorilor de servicii electrice (ex.In Elvetia si SUA). Totusi forta centrala de conducere vine din dorinta indivizilor sau companiilor de a obtine electricitate de la o sursa curata, nepoluanta si regenerabila pentru care sunt pregatiti sa plateasca o recompensa (small premium). Doua treimi din panourile solare montate la nivel mondial pentru producerea de energie se gasesc in Europa, potrivit unui raport al Centrului de Cercetare al Uniunii Europene (European Union’s Joint Research Centre). Capacitatea panourilor solare din Europa, care insumeaza doua treimi din totalul mondial, era de 18,5 gigawati la sfarsitul anului 2011. Conform raportului mentionat, industria fotovoltaica la nivel european a crescut cu 40% in 2011, valorand 84 de miliarde de dolari. In timp ce Europa este lider in productia de energie solara, China este cel mai mare producator de panouri solare la nivel mondial. Desi Statele Unite se claseaza mult in urma Europei, cu o capacitate de numai 1,8 megawati energie solara, estimarile arata ca aceasta cifra se va dubla pana la sfarsitul acestui an. Pozitia de lider pe care Europa o detine in productia de energie solara nu este insa
consumate la nivel european trebuie sa provina din surse regenerabile. Volumul actual de energie solara reprezinta numai doua procente din necesarul de electricitate al Europei.
5.Potentialul energiei solare in Romania Din perspectiva energiei solare România se află în zona europeană B (prima clasă, clasa A, cuprinde ţări precum Spania, Portugalia, Grecia sau Italia) de însorire având un potenţial substanţial de utilizare a anergiei solare. Spre exemplu. Litoralul Mării Negre, Dobrogea dar şi majoritatea zonelor sudice sunt, potrivit INMH, zone cu potenţial ridicat de exploatare a energiei solare având o durata medie de strălucire a soarelui de peste 2300h/an. În aceste zone fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450-1600kWh/m2/an în timp ce pentru majo ritatea regiunilor ţării este de peste 1250 kWh/m2/an.
Fig. 10. Durata medie anuala de stralucire a Soarelui
Limita fundamentală a radiaţiei solare este reprezentata de variaţiile substanţiale de la un anotimp al altul sau de la o zi la alta în funcţie de condiţiile atmosferice. Aceste variaţii fac ca orice sistem de captare a energiei solare sa necesite utilizarea concomitentă a unui sistem energetic clasic. Prezentăm în continuare variaţiile medii ale energiei solare la nivelul oraşului Bucureşti şi a împrejurimilor. Tabel 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii [W/m2] in zona Bucuresti
6.Observatii si Concluzii Energia solară poate î ncălzi locuinţ ele în mod pasiv, datorit ă construcţiei acestora (casele pasive) sau poate fii stocat ă în acumulatoare termice sub form ă de energie termică. Căldura generată solar se poate folosi în principal la prepararea apei calde menajere, î ncălzirea agentului termic responsabil de temperatura ambiant ă a casei şi î ncălzirea piscinelor. Există chiar şi instalaţ ii de aer condiţionat bazate pe căldura solară, unde aceasta reprezint ă energia principal necesară răcirii aerului. Utilizarea energiei solare reprezintă la nivel global cea mai eficientă metodă de a aduce căldura înlocuinţ e. In general, cantitatea de căldură solară ce cade asupra acoperişului unei case este mai mare decât energia total ă consumată în casă. Cu mijloace simple, eficiente constructiv, se poate utiliza energia sol ară pentru a reduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dintr-o locuin ţă modernă. In Europa, România se află în zona a doua de însorire, în România se pot define 4 zone de însorire, de la un maxim de 1600 kWh/m2 în Dobrogea la 1250 kWh/m2 în nordul ţăr ii, anual. Deşi energia solară este reînnoibilă şi u şor de produs, problema principal este că soarele nu oferă energie constantă în niciun loc de pe Pământ. În plus, datorit ă rotaţiei Pământului în jurul axei sale, şi deci a alternanţ ei zi-noapte, lumina solară nu poate fii folosit ă la generarea electricităţ ii decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitarea folosirii acestui tip de energie o reprezintă existenta zilelor noroase, când potenţialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranăr ii Soarelui, limitând aplicaţ iile acestei forme de energie reînnoibilă. Nu există niciun dezavantaj deoarece instalaţ iile solare aduc beneficii din toate punctele de vedere.Panourile solare produc energie electrică 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore). Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electri că şi în acelaşi timp înmagazinează energie în baterii pentru a fii folosi toată noaptea. In ciuda pretului si a dependentei de factorii externi, panourile solare sunt o solutie pentru viitor. Acest lucru este dovedit si de cresterea de aproape 50% inregistrata in numarul de astfel de sisteme folosite pe glob, in fiecare an din 2002 incoace. Avantajele esentiale ale sistemelor fotovoltaice sunt:
produc energie electrica fara efecte poluante asupra mediului (+reciclare completa) nu au component in miscare: tehnologie fara poluare fonica fiabilitate ridicata, durata de viata lunga exploatare usoara, ieftina producere si consum in acelasi loc, pentru puteri instalate mai mici, consumabile local: pierderi de transport reduse spatii pentru producere si transport reduse nu produce modificari in mediu
13
