Energia Solară [PDF]

Zitiervorschau

1.1.1 Energia solară

1.1.1.1 Scurt istoric

În comparaţie cu morile de vânt şi sistemele eoliene, sistemele ce folosesc energia solară nu au o istorie asa de îndelungata. Energia proventă de la soare poate fi utilizată în prezent atât pentru generarea energiei electrice cât şi pentru sisteme de generare a apei calde menajere. În 1767, un savant elveţian, pe nume Horace de Saussure, a încercat pentru prima dată să folosească radiaţia solară în scopuri practice realizând un cuptor solar. El a construit un cuptor format din 4 cutii ce se includ una pe alta, bine sigilate cu capac din sticlă, reuşind să ridice temperatura din interior la aproximativ 87 C. Această invenţie, din Fig. 3-1, va fi folosită mai tarziu de exploratori, fiind un dispozitiv ieftin şi uşor de construit.

Fig. 3-1 Cuptorul solar al lui Horace de Saussure

La fel ca şi în cazul eolienelor, în 1818, un sistem solar a fost utilizat, de către Robert Stirling pentru a pompa apa dintr-un râu pâna la o carieră de piatră din apropiere. Mai târziu, în 1838, Edmund Becquerel a descoperit efectul fotovoltaic în timp ce experimenta o celulă electrolitică compusă din doi electrozi introduşi într-o soluţie conducătoare de energie. El a observat cum electricitatea a crescut în momentul expunerii la lumina solară. În 1860, matematicianul francez Auguste Mouchout a fost primul om care a creat un motor care a funcţionat folosind energia electrică produsă de soare. În următorii 20 de

ani, el şi asistentul său au utilizat produsul iniţial în diferite scopuri, demonstrând chiar că şi energia solară poate produce gheaţă. Motoarele produse de Mouchout pot fi considerate predecesoarele farfuriilor colectoare de energie solară utilizate în zilele noatre. Mai mulţi inventatori au urmat metodele descrise de Auguste Mouchout, îmbunătăţindu-le. Au fost testate celule cu selenium după ce s-a descoperit sensibilitatea acestora la radiaţia solara. Willoughby Smith a inventat motorul cu abur de 2.5 cai putere. În 1883, Charles Fritz a reuşit pentru prima dată să transforme razele solare în electricitate. Celula sa solară avea o rată de conversie de doar 2%, însa acest pas a fost considerat înca unul uriaş. Până la sfârsitul secolului, circa 30% din casele din California, zonă cunoscută ca având activitate solară ridicată, aveau instalate sisteme solare de încalzire a apei. În Fig. 3-2 este prezentată utilizarea panourilor solare pe o casă.

Fig. 3-2 Utilizarea panourilor solare pentru apă caldă menajeră[21]

La începutul secolului XX, mai exact în 1904, Henry Willsie a observat faptul că energia produsă de soare trebuie şi stocată. El a reuşit să utilizeze pe timpul nopţii energia produsă în timpul zilei. Tot în acelaşi an, Albert Einstein a făcut publice descoperirile sale legate de efectele fotoelectrice- împreună cu teza referitoare la teoria relativităţii. În timpul celor doua războaie mondiale, au fost continuate cercetările în legatură cu efectul radiaţiei solare, însă evenimentele din acea perioadă le-au pus într-un con de umbră. În 1950, în momentul lansărilor pe orbită a sateliţilor s-a încercat utilizarea energiei solare ca sursă interminabilă şi continuă, pentru alimentarea acestora. Primul satelit care a utilizat tehnologii solare a fost Vanguard I- Fig. 3-3.

Fig. 3-3 Vanguard I lansat în 1958

Înainte de lansarea acestuia în 1958, în 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller şi Gerald Pearson au dezvoltat celula fotovoltaică din siliciu, cunoscută în prezent ca PV, prima celulă capabilă să convertească suficientă energie pentru a fi consumată în utilizarea zilnică a echipamentelor electrice. Cele mai cunoscute centrale solare sunt în deşertul Mojave, în California, unde sunt utilizate rânduri imense de oglinzi curbate pentru a focaliza razele solare şi pentru a le direcţiona către o ţeavă de sub parabolă. În ţeavă este apă care sub influenţa soarelui se transforma în abur.Aburul roteşte turbinele, care transformă energia mecanică în energie electrică. Acest tip de centrale de energie termo-solare produc şi furnizează energie electrica suficientă pentru peste 350.000 de locuinţe. Totuşi, atunci cand este înorat sau pe timpul nopţii aceste centrale utilizează energia înmagazinată sau utilizează sisteme hibrid de furnizare a energiei, astfel încât se crează un flux continuu.

1.1.1.2 Tehnologii Energia solară reprezintă energia emisă de Soare pe întregul domeniu al radiaţiei sale electromagnetice. Energia solară este un tip de energie regenerabilă şi stă la baza celor mai multe forme de energie de pe Pamânt cum ar fi energia eoliana, energia hidraulica, energia combustibililor.

Energia

solară

poate

fi

folosită

ca

generator

de

energie

prin

celule

solare(fotovoltaice), poate genera electricitate prin centrale termice solare- heliocentrale şi în mod direct, poate produce apă caldă de consum şi caldură prin panouri solare termice. Celulele fotovoltaice transformă energia solară direct în electricitate, la nivel atomic. Ele sunt create din materiale semiconductoare uşor influenţabile cum ar fi siliciul, care permit absorbţia de cuante de lumina-fotoni- şi eliberează electroni. Când aceşti electroni eliberaţi sunt capturaţi, rezultă un curent electric perfect utilizabil. Schema de funcţionare a unor astfel de celule este simplă. O microplacuţă semiconductoare este tratată astfel încât să formeze un câmp electric, cu o parte încarcată pozitiv şi una încarcată negativ. Când lumina bombardează celula fotovoltaică, electronii sunt eliberaţi din atomi. Prin ataşarea unor conductori electrici pe cele două feţe ale microplacuţei se formează un circuit electric. Această schemă de funcţionare este indicată în Fig. 3-4: Radiatie solara

Invelis antireflexie

Contact

Material semiconductor

Contact

Fig. 3-4 Schema de funcţionare a unei celule fotovoltaice[18] Aceste celule pot fi conectate între ele şi pot forma un modul fotovoltaic, mai multe module formand o matrice fotovoltaică - Fig. 3-5.

Celule PV

Module PV

Matrice PV

Fig. 3-5 Trecerea de la celulele PV la unitaţi complexe- matrici PV

Un număr mare de module pot forma unităţi de caţiva metri pătraţi, plate şi care pot fi montate sub un anumit unghi fix de expunere sau le pot fi ataşate dispozitive- avantajoase, dar costisitoare- de urmărire a soarelui. Energia generată de un număr mai mare de panouri este suficientă pentru a acoperi necesarul zilnic al unei gospodării. Pentru uz industrial sau pentru necesităţi mai mari decât a unei singure gospodării au fost construite centrale solare. Centralele solare pot fi termice- caz în care vor atinge un randament mai mare cu costuri mai reduse- sau cu panouri fotovoltaice- caz în care investiţia pentru panourile propriu-zise şi instalaţia de stocare a energiei sunt mult mai mari-. Tehnologiile utilizate pentru producerea energiei electrice se împart în doua grupe în funcţie de utilizarea radiaţiei concentrate într-un spaţiu restrans sau utilizare fără concentrare.  Centralele solare termice cu concentrarea radiaţiei solare directe pot fi: 

Centrale solare cu câmpuri de colectare



Centrale cu turn solar



Centrale cu oglinzi parabolice

 Centrale termice fără concentrarea radiaţiei solare  Centrale solare pe bază de panouri solare fotovoltaice

Centralele solare termice cu concentrarea radiaţiei solare directe utilizează un sistem de oglinzi concave care ajută la concentrarea razelor solare pe suprafaţa absorbantă. Orientarea lor se face în funcţie de soare cu ajutorul unor dispozitive mecanice. Centralele solare cu campuri de colectare pot folosi jgheaburi parabolice-oglinzi curbate transversal pe un profil de parabolă, aşezate pe o direcţie fixă- N-S, având fluxul radiaţiei solare focalizat pe un tub absorbant - sau colectoare legate în paralel, numite concentratoare liniare- aflate în faza de testare. Centralele cu jgheaburi parabolice sunt prezentate în Fig. 3-6.

Fig. 3-6 Centrale cu jgheaburi parabolice

În cazul centralelor cu oglinzi parabolice-Fig. 3-7-, acestea sunt construite cu două grade de libertate, urmăresc mişcarea solară pe cer şi au un punct focal pentru fiecare oglindă, loc în care este montat un receptor de energie termică. Receptorul este conectat la un motor de tip Stirling, care poate transforma energia solară direct într-o energie mecanică, putând astfel sa acţioneze un generator electric.

Fig. 3-7 Centrale cu oglinzi parabolice

Centralele cu turn solar mai sunt denumite şi centrale cu receiver central. Focarul utilizat este unul solar aşezat în vârful unui turn, loc în care este captată radiaţia solară a mii de oglinzi cu orientare automată . Datorită faptului că radiaţia solară este concentrată într-un singur punct denumit receiver, în turn apar temperaturi mari şi prin aceasta un randament termic posibil de atins mult mai mare decât în cazul centralelor solare cu câmpuri de colectare. Temperaturile ridicate sunt adaptate necesitaţilor proceselor tehnologice sau cerinţelor accelerării proceselor chimice. Schematic, o asemenea centrală solară este prezentată în Fig. 3-8.

Fig. 3-8 Model de centrale solare cu turn

Centralele termice fără concentrarea radiaţiei solare utilizează atât radiaţia solară difuză cât şi cea directă. Centralele termice fara concentrarea radiaţiei pot fi cele cu iaz solar sau cele care folosesc un vânt ascensional sau descendent. În primul caz., cel cu iaz solar sunt utilizate iazurile saline, puţin adânci, unde datorită diferenţei de densitate şi salinitate, stratul inferior, mult mai concentrat decât cel de la suprafaţă, înmagazinează căldură care poate mai apoi să fie utilizată pentru acţionarea unei turbine cuplate la un generator electric. Centralele termice solare cu vânt ascensional utilizează de fapt mişcările ascensionale ale aerului cald. Sunt centrale care ocupă suprafeţe mari acoperite cu un material transparent care produce efectul de seră. În centrul construcţiei este un coş prin care se ridică aerul încălzit, cuplând în acelaşi timp şi mai multe turbine legate la generatoare electrice. Centralele termice cu vânt descendent sunt doar în faza concepţională. Cele mai importante sunt centralele electrice pe bază de celule fotovoltaice.Cea mai mare centrală de energie solară din lume a fost construită în Spania. Este o centrală turn cu 1200 de panouri cu o capacitate de 20 MW. A doua centrală ca mărime ce foloseşte panouri fotovoltaice din Europa se afla în Bavaria, fiind compusă din cca 60.000 de panouri cu o putere de 10MW. Marele dezavantaj al energiilor regenerabile, şi al celei solare este cel că nu sunt disponibile în mod continuu. În timpul nopţii energia solară nu este accesibilă, deci păstrarea ei este o chestiune importantă. Energia solară poate fi stocată la temperaturi înalte în săruri lichide. Sărurile sunt un mediu eficace de înmagazinare deoarece sunt ieftine, au o capacitate specifică de căldură şi pot transmite căldură la temperaturi compatibile cu sistemele energetice conventionale. Cea mai comună modalitate de stocare a energiei este folosirea bateriilor reâncărcabile tradiţionale pentru stocarea energiei în exces- utilizate în special pentru centralele off-grid, adică cele nelegate la o reţea de energie electrică.. Ca şi în cazul energiei eoliene, energia în surplus poate fi transmisă companiilor de electricitate care vor da în compensaţie credite. Aceste credite vor compensa energia necesară atunci când sistemul nu face faţă cerintelorzile cu soare puţin, înorate.

O altă modalitate de stocare este folosirea zeoliţilor artificiali. Zeolitul este un mineral cu aluminosilicaţi naturali hidrataţi de calciu, strontiu, potasiu, sodiu, bariu şi magneziu şi se găseşte în natură sub forma de tuf vulcanic. Datorită capacităţilor sale de a stoca şi elibera apa, zeoliţii sunt preferaţi în stocarea energiei solare. La fel, pentru stocare se poate folosi şi apa sau pietrele. În cazul unui surplus de energie, apa se pompeaza într-un rezervor de la un nivel superior, urmând ca în cazul lipsei de energie , pompa sa devină turbină şi motor pentru un generator electric.

1.1.1.3 Potenţialul electric al energiei solare La nivel naţional există multiple organizaţii, majoritatea non-profit care încearcă să exploreze şi să utilizeze cât mai mult energia solară. Aceste asociaţii, companii sau instituţii dezvoltă cât mai mult tehnologia utilizabilă în cazul energiei solare, astfel încât aceasta să devină cât mai rentabilă, iar raportul cost-beneficiu să fie net în favoarea investitorilor. Cea mai cunoscută organizaţie la nivel mondial este Societatea Internaţională a Energiei Solare(International Solar Energy Society- ISES), o organizaţie globală care promovează dezvoltarea şi utilizarea acestui tip de energie regenerabilă. Este o organizaţie non-profit care are reprezentanţi în peste 50 de state, susţinând ţările membre în procesul de implementare şi educare a populaţiei cu privire la resursele regenerabile ale Terrei. Ca scopuri principale ale acestei organizaţii putem enumera  Încurajarea utilizării resurselor regenerabile în toată lumea, folosindu-se tehnologia potrivită pentru fiecare tip şi realizându-se o comunicare globală.  Realizarea unei comunităţi globale, internaţionale care să conţină de la dezvoltatori de tehnologie până la utilizatorii propriu-zis.  Susţinerea dezvoltatorilor prin aplicarea proiectelor, transferului de tehnologie şi educarea populaţiei cu privire la mediul înconjurator  Stimularea şi încurajarea indivizilor si a comunităţii prin susţinerea propriu-zisă a acestora în domeniu. Agenţia din România, membră a Societăţii Internaţionale a Energiei Solare, se numeşte Agenţia Naţională pentru Energii Regenerabile. Ca şi ceilalţi membrii ai IESS, societatea din România încearca să promoveze, susţină şi să dezvolte cât mai mult piaţa

solară din ţara noastră. Tot cu ajutorul acestei societăţi se încearcă şi atingerea ţintelor propuse de Uniunea Europeana şi anume, utilizarea în proporţie de 20% a energiei regenerabile din totalul de energie utilizat, până în 2020- Directiva Uniunii Europene privind Energia Regenerabilă 2009/28/EC. Pentru atingerea acestui scop, România a introdus ca măsuri un sistem de Certificate Verzi, interschimbabile, măsură care a avut o creştere de cca 8% de la introducerea ei în 2004 până în 2010. În România, resursele solare sunt destul de vaste. Se ştie că Bărăganul şi Câmpia Româna au în medie cca 60 de zile însorite pe an, potenţial valorificat chiar înainte de 1990. Conform statisticilor radiaţia solară de pe teritoriul României are valori între 1100 si 1300 Kwh/m2 , valori înregistrate pentru o jumătate din suprafaţa României. Dacă potenţialul solar ar fi utilizat doar pentru aplicaţii termale, ţara ar avea un potenţial total de 60PJ/an, iar potenţialul energetic s-ar situa în jurul valorii 1200GWh. Studiile au indicat si zonele benefice, după cum se arată în Fig. 3-9:

Fig. 3-9 Repartiţia energie solare ( în procente) pe teritoriul României [22] De asemenea, a fost generată de către Administraţia Naţională de Meteorologie o hartă a radiaţiei solare pentru întreg teritoriul ţării, din care rezultă intuitiv faptul că sudul ţării este cel mai propice loc pentru amplasarea de elemente solare( centrale termice sau electrice). Repartizarea radiaţiei solare pe teritoriul României este prezentată în Fig. 3-10:

Fig. 3-10 Repartiţia energie solare ( în cantitate de radiaţie) pe teritoriul României[24] Exploatarea maximală a soarelui la întregul său potenţial ar putea înlocui cca 50% din volumul de apă caldă menajeră sau 15% din cota de energie termică utilizată în mod curent. La nivel mondial, la finele anului 2008 erau instalate centrale solare fotovoltaice cu o putere de cca 10.000 MW, dintre care 56% pe teritoriul Germaniei, 35% pe teritoriul Spaniei, 3% pe teritoriul Italiei. Restul ţărilor şi puterea centralelor solare instalate sunt indicate în Fig. 3-11:

Fig. 3-11 Capacitatea PV din 2008[20] 20 1] 2] 3] 4] 5] 6] 7] 8] 9] 10]

http://science.nasa.gov www.egea.eu www.energy.eu www.energystory.eu

http://ebrdrenewables.com www.ewea.org www.meteoromania.ro www.rwea.ro www.wwindea.org www.wikipedia.com