COLEGIUL TEHNIC ENERGETIC ”Dragomir Hurmuzescu” Deva

SOARELE - SURSĂ DE

ENERGIE PENTRU VIITOR

Autor: Şerban Mircea

1

Cuprins

Introducere - ce este energia solară? 1.1 De ce energia solara? 11.2 Condiţii energetice actuale care impun utilzarea energiilor regenerabile

1

1.3 Demersuri pe plan mondial cu privire la folosirea energiei neconventionale

5

Energia solară. Dispozitive de captare a energiei solare

II.1 Ponderea productiei de energie prin conversia energiei solare in Romania

7

II.2 Panouri solare a) Fabricarea panoului solar b) Verificarea calitatii panourilor solare c) Cum sa-ti construiesti propriul panou solar

11

II.3 Celulele fotovoltaice 14II.4 Panoul fotovoltaic 18

Proiectarea sistemelor solare. Aplicatii ale sistemelor

solare Orientarea si inclinarea modulelor 21Stocarea energiei solare. 24Proiecte actuale si pe viitor cu ajutorul energiei solare 26III.4 Sisteme solare- preturi, amortizarea investitiilor 29

Analiza SWOT a sistemelor solare. Analiza riscurilor

Biografie

2

I. Introducere- ce este energia solara?

1.1 De ce energia solara?

Pentru ca este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila (cel putin pentru cateva miliarde de ani) si este ecologica. Captarea energiei solare nu este poluanta si nu are efecte nocive asupra atmosferei, iar in conditiile in care degradarea Terrei atinge un nivel din ce in ce mai ridicat, aceasta problema incepe sa fie luata in seama de tot mai multi oameni.

Si acest lucru se vede. In cazul producerii de energie electrica prin intermediul panourilor fotovoltaice, procentul energiei solare din totalul energiei produse pe glob a crescut de la 0,04% in 2004 la peste 0.3% si se estimeaza ca va depasi 0,4% pana la finalul lui 2010. In continuare este un procent minuscul, dar este de apreciat faptul ca omenirii a inceput sa ii pese. Iar pe masura ce tehnologia se va dezvolta, energia solara va fi utlizata din ce in ce mai mult.

1.2. Condiţii energetice actuale care impun utilzarea energiilor regenerabile

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a intregii societăţi umane, din ultimul secol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, in special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni.

Analizand aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas pană la epuizarea resurselor existente, cel puţin in cazul petrolului

3

şi a gazelor naturale, impune găsirea unor soluţii rapide şi eficiente de inlocuire a energiei care se va putea produce pană atunci cu ajutorul acestor combustibili. Aceste soluţii sunt cu atat mai necesare cu cat consumurile de energie ale economiei mondiale sunt in continuă creştere şi nu se estimează o reducere a acestor consumuri in viitorul apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluţie previzibilă este reprezentată de utilizarea energiilor regenerabile. O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenţionali, este reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere a energiei. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră şi la accelerarea modificărilor climatice conexe acestui fenomen. In figura 4, este prezentat nivelul acestor emisii.

Nivelul emisiilor de CO2 in atmosferă

Este evident că modificările climatice din ultimii ani, caracetrizaţi printr-un nivel crescut al emisiilor de CO2, au produs mult mai multe

4

pagube decat in perioadele caracterizate de un nivel mult mai redus al poluării. Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelul ridicat al pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că este foarte posibil să existe o corelaţie intre nivelul ridicat al emisiilor de CO2 şi modificările climatice, cu impact negativ asupra mediului. Una din cele mai eficiente soluţii pentru reducerea nivelului emisiilor de CO2, il reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem de redus al acestor emisii. Tipuri de energii regenerabile Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate in continuare:

Energia solara

Energia geotermala

5

Energia apei

Energia eoliana

Cateva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele: - Sunt ecologice; - Nu generează emisii de CO2; - Sunt disponibile in cantităţi teoretic nelimitate; - Pot fi utilizate local; - Reprezintă soluţii pentru toate nevoile. Primele utilizări ale energiei solare, prin captare sunt legate de antichitate. Este suficient să amintim că „efectul de seră”a fost descoperit şi folosit de vechii egipteni, că Heron din Alexandria a construit un dispozitiv pentru pomparea apei care folosea că sursă primară energia solară şi că celebra incendiere a flotei romane de către Arhimede din Syracuza a fost subiect de discuţii şi comentarii de-alungul timpului, intrucat se spune că a utilizat oglinzi pentru a reflecta razele Soarelui spre aceste corabii cu panze.

6

Puterea furnizată de Soare depinde de felul activităţii Soarelui insuşi,de latitudinea geografică,de altitudinea locului, de nebulozitate, de umiditatea atmosferică, de numărul orelor de insolaţie, de poluarea atmosferică ,intr-un cuvant, de un ansamblu de condiţii geografice şi meteorologice, care fie că nu pot fi schimbate, fie că scapă controlului nostru.In plus,energia solară este difuză si discontinuă (zi,noapte,vara,iarna) şi extrem de capricioasă, aşa că detractorii ei au destule argumente convingatoare pentru a combate utilizarea ei. Aceste insuşiri ale energiei solare, au facut ca omenirea, confruntată cu o criza energetică serioasă, să se intoarcă la sursele primare, să reconsidere utilizările posibile posibile şi rentabile ale energiei solare. Soarele este una dintre miliardele de stele, de mărime mijlocie, sursa de energie a tuturor fiinţelor vii de pe intregul Pămant. Omul utilizează intr-o aşa măsură combustibilul pe bază de materie fosiliazată (petrol şi cărbune) incat rezervele se vor epuiza in a doua parte a secolului următor. 1.3. Demersuri pe plan mondial, cu privire la folosirea surselor de energie neconvenţionale Societatea Internaţională de Energie Solară (ISES) cu 35.000 de membrii din peste o sută de ţări, pledează pentru folosirea energiei solare incă din 1954. De-a lungul anilor, membrii acestei organizaţii au inventat tehnologii nucleare foarte eficiente pentru inlocuirea combustibililor. ISES a iniţializat aşa-numitul program “Şcolile solare – un viitor strălucit”. Programul incearcă să arate studenţilor importanţa folosirii şi descoperirii de noi metode prin care are loc inlocuirea resurselor convenţionale cu cele neconvenţionale. In astfel de şcoli sunt folosite acele sisteme solare nu numai pentru a reduce costurile de energie, ci şi pentru a salva planeta. Pentru asigurarea armoniei dintre climatul din interiorul clădirilor şi mediul exterior s-a procedat la elaborarea unor acte normative valabile atat pe plan naţional, cat şi internaţional. Sau creat două mari categorii de acte comunitare ce conţin restricţii, pentru punerea de acord a

7

conceptelor statelor membre ale CEE şi anume: regulamente comunitare (comune) şi directive (norme) cu caracter naţional, cu posibilităţi de extindere şi in ţările cooperante. Problema esenţială in realizarea normelor şi directivelor vizand armonizarea legăturii construcţie–mediu o constituie obţinerea unei cat mai mici poluări a mediului ambiant, care este mult mai scăzută decat in cazul folosirii energiilor primare, cat şi natura materialelor pentru construcţii şi instalaţii. Aceste norme şi reglementări, deşi elaborate sunt intr-o continuă imbunătăţire vizand, in principal, ca măsuri: economia de energie, reducerea poluanţilor sub normele admise, eliminarea pericolului de incendiu, securitatea in exploatare, etc. Pe plan mondial, trebuie menţionat că, din anii ’40, ţările avansate au luat in studio utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru acoperirea necesităţilor gospodăreşti şi chiar industriale. SUA se numără printre primele ţări care au făcut studii privind utilizarea energiei solare pentru incălzire, climatizare şi prepararea apei calde de consum, precum şi a energiei vantului pentru producerea de energie electrică. După anii ’70, toate ţările industrializate au trecut la cercetări legate de utilizarea altor surse de energie in afara celor clasice. Referitor la ţara noastră, este de arătat că, dintre sursele de energie regenerabile, energia solară ar putea fi studiată cu scopul producerii de energie termică pentru prepararea apei calde de consum in perioada caldă. La Campina, există, de exemplu, case solare. De aceea, este deosebit de atractiva ideea utilizarii energiei solare in scopul incalzirii locuinţelor şi se pare ca acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicaţie a energiei solare in urmatorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalaţiile solare de incalzire a cladirilor este deja destul de bine pusa la punct intr-o serie de ţari ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franţa, Canada şi Germania.

8

II. Energia solara. Dispozitive de captare a energiei solare Energia solară constă in radiaţii calorice, luminoase, radio sau de altă natură emise de soare. Este practic inepuizabilă şi reprezintă cea mai curată formă de energie de pe pămant; cantităţile uriaşe disponibile stau la baza a aproape tuturor proceselor naturale de pe planetă. Energia totală capată de scoarţa terestră este de 720 x 106 TWh/an, disponibilitatea acestei energii depinzand de cilclul zi/ noapte, de latitudinea zonei unde este captată, anotimpuri, nebulozitate.

a) Energia solară termic ă presupune producerea de apă caldă menajeră şi agent pentru incălzire. Producerea energiei electrice prin conversia energiei solare termice prezintă randamente sub 15%. Apele de suprafaţă ale oceanelor in zonele tropicale, natural incălzite de soare reprezintă un imens rezervor de energie. Proiectele de “extracţie a acestei energii termice a mărilor” au la bază acţionarea unor instalaţii termotehnice, care generează lucru mecanic ca urmare a diferenţei de temperatură dintre cele două straturi de apă (de suprafaţă 25 – 30 ° C şi de adancime 5°C).

b) Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă de electricitate prin intermediul celulelor de siliciu. Soarele furnizează in medie o putere de 1kW/m2 . Panourile fotovoltaice permit convesia doar a 10 – 15% din această putere, producţia de energie electrică a unui panou de suprafaţă unitară variind cu creşterea sau scăderea intensităţii solare: 100kW/m2 şi an in Europa de Nord iar in zona mediteraneană este mult mai mare. Intensitatea energiei solare in orice punct de pe Pămant depinde intr-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

9

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectaţi să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este folosită in procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. In procesele termice, energia solară este folosită pentru a incălzi un gaz sau un lichid, care apoi este inmagazinat sau distribuit. In procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct in energie electrică, fără a folosi dispozitive mecanice intermediare. In procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare intr-un receptor, unde căldura solară este transferată intr-un fluid care pune in funcţiune un sistem de conversie a energiei electrice convenţionale. Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu. Atunci cand străluceşte şi atunci cand condiţiile climatice sunt favorabile, soarele furnizează o putere de 1 KW/mp. Panourile fotovoltaice permit convertirea directă in electricitate a 10 - 15% din această putere. Producţia de energie a unui astfel de panou variază odată cu creşterea sau scăderea intensităţii solare: 100 kWh/mp/an in Europa de Nord, iar in zona mediteraneană este de

10

două ori mai mare. Un acoperiş fotovoltaic de 5x4 metri are o putere de 3kW şi produce 2 -6 MWh/an.

Principalele obstacole in utilizarea pe scară largă a energiei solare fotovoltaice (şi termice) le reprezintă, pe de o parte disponibilul de putere furnizată, care constrange la stocarea electricităţii pentru o funcţionare autonomă sau la utilizarea de soluţii energetice complementare, iar pe de altă parte competitivitatea economică. 2.1. Ponderea producţiei de energie prin conversia energiei solare în România Potenţialul energetic al Romaniei, care rezultă din cantitatea de energie solară, este evaluat la 1000 kW/m2 şi an, distribuţia geografică a cestui potenţial este realizată pe 5 zone, din care zona zero cu potenţial de peste 1250 kW/m2 şi an, iar zona 4 cu potenţial sub 950 kW/m2 şi an. Radiaţia solară cu valori mai mari de 1200 kW/m2 şi an se inregistrază pe o suprafaţă mai mare de 50% din sprafaţa totală a ţării. Utilizarea potenţialului energetic solar se realizeză prin sisteme solare termice pentru căldură şi apă caldă menajeră pentru locuinţele individuale sau instalaţii centralizate de mică anvergură. Pentru a fi utilizate cu eficienţă ridicată, aceste sisteme trebuie să funcţioneze

11

in“regim hibrid” cu alte sisteme termice convenţionale sau neconvenţionale. Potenţialul utilizabil in sistemele solare ternice este apreciat la 1,434 milioane tep.

In Romania s-au realizat sisteme fotovoltaice cu puteri variate şi in regimuri de funcţionare diferenţiate, pe fondul derulării unor programe

12

de cercetare – dezvoltare demonstrative. Astfel, au fost realizate sisteme autonome pentru alimentarea unor consumatori izolaţi, staţii de radio - telecomunicaţii, instalaţii de pompare a apei, iluminat public sau semnalizare trafic şi obiective inscrise in programele de dezvoltare rurală. De asemenea au fost realizate sisteme conectate la reţeaua electrică publică ( staţii pilot fotovoltaice cu panouri mobile, sisteme integrate in imobile etc) Sistemele solar fotovoltaice işi găsesc utilitatea in aplicaţii din zone geografice izolate sau cu posibilităţi limitate de acces la reţeau electrică. In aplicaţiile fotovoltaice s-au delimitat mai multe tipuri de proiecte de genul: sisteme fotovoltaice autonome pentru electrificarea rurală, cu aplicaţii in munţii Apuseni sau alte zone izolate ( Nordul Moldovei, Delta Dunării ) şi sisteme fotovoltaice conectate la sistemele de transport sau distribuţie a energiei electrice existente. Proiectele demonstrative pentru producerea de energie termică din surse solare se realizează cu sisteme solar termale cu performanţe superioare, avand posibilitatea de funcţionare in paralel cu sistemele clasice de incălzire. 2.2. Panourile solare Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescută datorită transferului de căldură. Energia transferată fluidului purtător este numită eficienţă colectoare instantanee. Panourile solare au in general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cat mai mare. In general, sunt capabile să incălzească lichidul colector pană la 82°C cu un randament cuprins intre 40 şi 80%. Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru incălzirea apei şi a locuinţelor, inlocuind acoperişurile. In emisfera nordică, ele sunt orientate spre sud, in timp ce in emisfera sudică sunt orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde de latitudinea la care se găseşte instalaţia respectivă. In general, pentru

13

dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt inclinate la un unghi egal cu latitudinea la care se adună sau se scad 15° şi sunt orientate spre sud respectiv nord. In plus, panourile solare folosite la incălzirea apei sau a locuinţelor prezintă pompe, senzori de temperatură, controllere automate care activează pompele şi dispozitivul de stocare a energiei. Aerul sau chiar un lichid pot fi utilizate ca fluide in sistemul de incălzire solară şi un acumulator sau un rezervor cu apă, bine izolate, sunt folosite de obicei ca medii de stocare a căldurii. d) Fabricarea panoului solar Fabricarea incepe intotdeauna de pe partea activă expusă la soare. La inceput se pregăteşte şi se curăţă un geam de mărime corespunzătoare. Pe acesta se aşează un strat de folie de etilen vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor in grupe (şiruri - strings) care mai apoi se aşează pe folia de EVA după care se face conectarea grupelor intre ele şi racordarea la priza de legătură prin lipire. In final totul se acoperă cu o folie EVA şi peste aceasta o folie tedlar. Pasul următor constă in laminarea panoului in vacuum la 150 °C. In urma laminării din folia EVA plastifiată, prin polimerizare, se va obţine un strat de material plastic ce nu se va mai topi şi in care celulele solare sunt bine incastrate şi lipite strans de geam şi folia de tedlar. După procesul de laminare, marginile se vor debavura şi se va fixa priza de conectare in care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ramă metalică, se măsoară caracteristicile şi se sortează după parametrii electrici după care se impachetează. e) Verificarea calitatii panourilor solare La verificarea calităţii trebuie specificate urmatoarele: Calitatea este principala caracteristică a panourilor solare prezentate: cat mai multă energie solară captată intr-un timp cat mai scurt pe un spatiu cat mai mic de panoul solar, randament mare cu costuri reduse. De asemenea este foarte importantă calitatea in privinţa materialelor folosite in procesul de fabricare .Incapsularea durabilă a elementelor componente are o importanţă foarte mare deoarece

14

umiditatatea ce ar putea pătrunde ar afecta durata de viaţă a panoului solar prin coroziune şi prin scurtcircuitarea legăturilor dintre elementele prin care trece curent electric

Avantaje si dezavantaje folosirii panourilor solare pentru obtinerea energiei electrice si a caldurii c)Cum sa-ti construiesti propriul panou solar

Din cauza diminuarii resurselor energetice si incalzirii globale, din ce in ce mai multi oameni sunt in cautare de energii regenerabile pentru reducerea amprentei de carbon. Cu toate acestea, chiar si cel mai convins ecologist nu poate face un astfel de efort fără resurse financiare corespunzătoare. Sistemele de energie solare pot costa mii de dolari, astfel au aparut foarte multe articole de unde poti invata cum sa-ti construiesti propriu panou solar.

Trebuie sa fim atenti ce cautam deoarece aceste panouri solare sunt mici si nu produc energia necesara pentru a alimenta altceva decat o simpla lampa si numai pentru cateva minute. Cea mai eficienta cale de a produce energie solara, atunci cand nu iti permiti un sistem profesional,

15

ar fi un kit de panouri solare. Cu ajutorul acestuia iti poti construi un panou solar oriunde vrei, in camera, curte sau garaj.

Aceste kituri de panouri solare pentru casa nu sunt greu de gasit. Multe companii cum ar fi GE produc aceste kituri. In general, instructiunile sunt foarte usor de urmarit, chiar si copii pot face acest lucru.

2.3. Celule fotovoltaice

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, transformă direct radiaţia solară in electricitate. Prin conectarea unui număr mare de celule fotovoltaice, costul electricităţii 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 plăteau pentru electricitate in 1989.

A. Principiul de functionare 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, rezultand fluxul de current, celulele solare fiind conectate la un incărcator electric.

16

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 proporţională 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 cm2 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. B. Fabricarea celulelor fotovoltaice

Procesul de fabricare convenţional singular şi policristalin al celulelor de silicon fotovoltaic incepe foarte cu aplicarea semiconductorului in polisilicon – un material produs din quarţ şi folosit

17

mult in industria electronică. Polisiliconul este pe urmă incălzit pană la temperatura de topire, şi sunt adăugate in polisiliconul topic bucăţi mici de bor pentru a creea un material semiconductor de tip P. Pe urmă blocuri de silicon sunt formate, de obicei folosind una din cele doua metode: 1) Formand un bloc pur de silicon cristalizat din seminţe de cristal făcute din polisiliconul topit; 2) Turnand polisiliconul topit intr-un cazan, formand un material de silicon policristalin. Bucăti individuale de wafere sunt feliate din blocurile de silicon folosind un fierăstrău de sarmă şi pe urmă sunt supuse gravurării suprafeţei. După ce waferele sunt curăţate, ele sunt aşezate intr-un cuptor de difuzie de fosfor, creand un strat subţire de semiconductor de tip N in jurul intregii suprafeţe exterioare a celulei. Pe urmă, un inveliş antireflexiv este aplicat deasupra suprafeţei celulei, şi contactele electrice sunt imprimate deasupra suprafeţei celulei (negativ). Un material conductor de aluminiu este aşezat dedesubtul suprafeţei fiecărei celule (pozitiv), reatribuindui proprietăţile de tip P a părţii de jos, deplasand stratul difuz de fosfor. Fiecare celula este pe urmă verificată electric, sortata după curentul electric de ieşire, şi electric conectate la celelalte celule pentru a creea circuite de celule pentru asamblare in module fotovoltaice.

18

In ceea ce priveste randamentul celulelor fotovoltaice convenţionale, acestea transformă intre 5 si 15% din energia solară primită in energie electrică. Unele celule experimentale, fabricate din materiale foarte scumpe, au o eficienţă aproape dublă dar numai in anumite condiţii de laborator. Incapsularea durabilă a elementelor componente are o importanţă foarte mare deoarece umiditatatea ce ar putea pătrunde ar afecta durata de viaţă a panoului solar prin coroziune şi prin scurtcircuitarea legăturilor dintre elementele prin care trece curent electric. Amortizarea energetică este momentul in care energia consumată pentru fabricarea celulei fotovoltaice este egalată de cea produsă in timpul exploatării. Cel mai bine se prezintă din acest punct de vedere celulele cu strat subţire. Un panou solar (fără cadru) cu astfel de celule se amortizează in 2-3 ani, Celulele policristaline necesită pană la amortizare cca 3-5 ani, pe cand cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare include şi suporţii de montare, invertor etc. durata de amortizare energetică se măreşte cu cca 1 an.

C. Caracteristicile celulelor fotovoltaice

Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m2. Incluse in module puterea pe suprafaţă va fi mai scăzută pentru că intre celule şi marginea modulului este o distanţă. Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou şi putere conţinută in lumina incidentă totală. Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins in acest caz este de 33 %, pe cand randamentul theoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacţionează la toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %. Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate in condiţii de laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecţionat panouri cu un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală este de cca

19

200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei de 21,6 cm2, corespunzand unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 pană la 10 ori mai mari. Imbătranirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % in 25 ani. Fabricanţii dau garanţii pe cel puţin 80 % din puterea maximă in 20 ani. In spaţiu constanta solară este mai mare decat iluminarea globală pe pămint, totodată celulele solare imbătranesc mai repede. Panourile pentru sateliţi ating momentan (2005) un randament de 25 % la o durată de viaţă de 15 ani.

Avantajele si dezavantajele folosirii celulelor fotovoltaice pentru obtinerea

energiei electrice 2.4. Panoul fotovoltaic Un panou fotovoltaic spre deosebire de un Panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct in energie electrică. Componentele principale ale panoului fotovoltaic sunt celulele fotovoltaice.

20

Panou fotovoltaic

Pentru utilizarea energiei solare ca sursă de energie electrică, potenţialul exploatabil este ridicat, iar conversia energiei solare in energie electrică se realizează cu instalaţii fotovoltaice care cuprind module solare, in configuraţii 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 tranforma curentul continuu DC in curent alternativ AC

21

Costul investiţiei pentru realizarea sistemelor fotovoltaice a avut o evolutie favorabil in ultimele decenii, costul unui modul solar s-a diminuat treptat, ajungandu-se in prezent la un nivel de aproape 6 $/Winstalat . Un panou fotovoltaic de 1 kW poate produce 800 kW de current electric intr-un an, contribuind astfel la protejarea mediului inconjurator de 500 kg de dioxid de carbon si alte elemente daunatoare. Cantitatea energiei solare accesibile se schimbă in decursul zilei din cauza mişcării relative a Soarelui şi depinde de gradul innourării cerului. La miezul zilei pe un timp frumos, iluminarea energetică, formată de soare, poate ajunge la 1000 Wt/mp sau poate fi mai mică de 100 Wt/mp in condiţii cu nivel inalt de acoperire a cerului cu nori. Cantitatea energiei solare se schimbă odată cu unghiul de inclinare a instalaţiei şi orientării suprafeţei ei, scăzand pe măsura indepărtării de direcţia sudului. Romania dispune de o cantitate de energie solară mult mai mare decat alte ţări dezvoltate precum Gemania, Austria, Belgia , Olanda, ceea ce face ca utilizarea oricărui panou solar, pentru producerea curentului electric, in locatii unde nu există acces la reteaua naţională de energie, să devină nu numai interesantă, ci şi necesară. Panourile solare se utilizează separat sau legate in baterii pentru alimentarea consumatorilor independenţi sau pentru generarea de curent electric ce se livrează in reţeaua publică.

22

III. Proiectare sisteme solare. Aplicatii ale sistemelor solare 3.1 Orientarea si inclinarea modulelor a. Evaluarea necesitatilor Este important de subliniat ca primordiala este economia de energie la nivelul consumatorilor. Aceasta implica un pret de achizitie mai mare, dar costul global va fi mai mic, deoarece va rezulta necesitatea unei instalatii mai mici. b. Orientarea şi inclinarea modulelor Randamentul modulelor fotoelectrice este influenţat direct de poziţia acestora faţă de radiaţia solară. Este foarte important să fie bine plasate pentru a beneficia la maxim de posibilităţile lor. Dacă este posibil de ales, este foarte simplu de determinat orientarea ideală a modulelor fotoelectrice: se plasează pe direcţia Ecuatorului. Dacă site-ul este in emisfera nordică, panoul va fi orientat către Sud, iar in emisfera sudică, către Nord. In ceea ce priveşte inclinarea, aceasta se determină mai special. Să considerăm mai intai o aplicaţie autonomă, care consumă energie cvasi-constant pe toată durata anului. Pe durata iernii trebuie optimizată producţia, fiind perioada mai puţin insorită. Panourile trebuie să recupereze energia Soarelui, a cărui inălţime este mică. In Europa, pentru o utilizare pe toată durata anului, inclinarea ideală este aproximativ egală cu latitudinea amplasamentului + 10°. Aceasta inseamnă că in Romania, vom avea un amplasament numit "55° Sud" (orientare Sud, inclinare 55°). Dacă aplicaţia nu funcţionează decat vara, se preferă o inclinare de 20 - 30°, cu aceeaşi orientare. In cazul in care panourile sunt instalate pe acoperişul locuinţei, nu totdeauna este posibilă orientarea către Sud, datorită amplasamentului casei. In acest caz, trebuie ştiut că trebuie excluse orientările către Nord, Nord-Est, Nord-Vest, care sunt foarte defavorabile. Din contră, pentru un site a cărui amplasament ideal este de exemplu "30° Sud", nu vom pierde

23

decat cel mult 15% din producţia anuală, dacă panourile sunt orientate către Est, Vest, Sud-Est sau Sud-Vest, iar inclinarea panourilor nu depăşeşte 30° faţă de orizontală. Transformarea, sau conversia energiei solare in energie termică, este realizată in captatori solari, avand funcţionarea bazată pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare in energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cat mai corectă. Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de inclinare faţă de orizontală, prezentat in figura 3.1. a) şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentand orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat in figura 3.1. b).

Fig 3.1 a) Unghiul de inclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

24

Fig 3.1. b) Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud) Diagrama de mai jos prezintă intr-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile. A fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentru Romania.

25

Influenţa combinată a unghiului de inclinare şi a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile.

3.2. Stocarea energiei solare Datorita mişcarii Pamantului şi datorita unor factori meteorologici, energia solara la nivelul scoarţei terestre este o sursa energetica dependenta de timp. in general, necesitaţile de energie pentru cele mai multe domenii de aplicaţii sunt de asemenea dependente de timp, insa intr-o maniera diferita faţa de modul in care are loc furnizarea energiei solare. In consecinţa, daca se urmareşte ca anumite necesitaţi de energie sa fie asigurate folosind energia solara, este necesar ca instalaţiile solare respective sa fie prevazute cu elemente corespunzatoare de stocare (acumulare) a energiei.

26

Sistem termo-energetic pentru stocarea energiei Daca energia solara este transformata in energie mecanica, aceasta poate fi transformata in energie potenţiala, şi stocata sub forma de energie potenţiala a unui fluid (de exemplu, prin pomparea apei din aval in amontele unui baraj de acumulare). Alegerea modului de stocare a energiei solare depinde de natura procesului care se urmareşte in instalaţia solara. De exemplu, pentru incalzirea apei este practica folosirea stocarii energiei solare prin caldura sensibila a apei. Daca se folosesc captatoare solare cu incalzirea aerului se poate utiliza pentru stocarea energiei solare caldura sensibila a unui pat de pietre in schimbatoare de caldura de tip regenerativ. Daca in instalaţia solara se folosesc cellule fotovoltaice sau fotochimice, cea mai indicata forma de stocare a energiei este, in acest caz, energia chimica. Proiectantul unei instalaţii termoenergetice solare are la dispozitie diverse alternative in ceea ce priveşte locul de plasare a unitaţii de stocare a energiei in ansamblul instalaţiei. Spre exemplu in figura urmatoare se considera o instalaţie in care o masina termica transforma energia solara in energie electrica. in acest caz energia se poate stoca fie sub forma de energie

27

termica, intr-o unitate plasata intre captatorul solar şi masina termica, fie sub forma de energie mecanica intr-o unitate de stocare plasata intre masina termica şi generatorul electric, sau, in fine, sub forma de energie chimica in baterii de acumulatoare electrice plasate intre generatorul electric şi consumatorul de energie electrica. 3.3. Aplicatii ale sistemelor solare Alimentarea cu energie solara a unei locuinte este costisitoare. In ciuda beneficiilor pe termen lung, nu toti dintre noi putem plati in numerar pentru investitia initiala. Din fericire,deoarece soarele este o sursa constanta de de a valorifica razele soarelui. Iata o lista cu top 5 lucruri privind alte forme de valorificare a energiei solare care s-ar putea potrivi mai bine cu bugetul dvs. si cu nevoile pe care le aveti. a. Boilerul solar Boilerele solare vin intr-o varietate de tipuri si modele, ceea ce inseamna ca sunt o optiune practica pentru toti cei care adora un dus fierbinte. Cum functioneaza? Majoritatea folosesc caldura de la soare pentru a incalzi apa, ceea ce inseamna ca acestea consuma mult mai putina energie electrica. Beneficiile acestei tehnologii: pret, randament si marime. Puteti modifica un boiler deja existent intr-un boiler ce foloseste energia solara pentru o suma destul de mica. Calculele arata ca facturile care le plateati pentru incalzirea apei vor scadea cu 50-80% dupa instalare. Va veti recupera investitia mult mai repede decat cu alt sistem solar. b. Luminatoare si tuburi solare Pentru majoritatea locuintelor instalarea unui luminator poate fi costisitoare. Luati in considerare un tub solar – un tub reflectorizant care directioneaza lumina in interiorul spatiilor fara ferestre. Tuburile solare ofera lumina naturala fara a consuma energie electrica, sunt ieftine si nu ocupa loc mai mult decat orice alt corp de iluminat.

28

c. Incarcatoare solare pentru baterii Panouri solare portabile care iti incarca telefonul, ipod-ul sau laptop-ul. Acestea se regasesc sub forma de saculeti sau rucsaci si sunt perfecti pentru excursii in aer liber, mai ales in caz de urgente. Aceste este un item mai scump, insa cu totii stim frustrarea pe care o avem cand ne moare bateria. d. Luminatoare solare de gradina Acestea sunt probabil cele mai cunoscute si accesibile produse solare de pe piata. Cu totii am vazut luminile mici din unele gradini care parca ies din pamant. Pe langa acestea mai exista si lanterne portabile pentru camping sau urgente. La scara larga, unele orase au investit in felinare solare. Daca doriti sa iluminati ceva si nu aveti energie electrica, solutia perfecta o reprezinta energia solara. e. Perdele solare Oricat de mult am iubi soarele, uneori avem nevoie de o pauza la umbra. “Energia solara pasiva” este o modalitate fantezista de a spune “soare cald, umbra rece”. Puneti in functiune acest principiu in casa dvs. controland cand si unde lasati soarele sa intre. Daca lasati soarele sa intre pe durata iernii, va tine de cald. Daca vara il lasati sa intre mai putin, va usura munca aparatului de aer conditionat, in special in zilele toride. Punerea energiei solare in avantajul vostru poate reduce facturile de energie electrica. Puteti vedea din aceste lucruri faptul ca nu este neaparat nevoie sa cumparati panouri solare imense pentru a putea beneficia de energia soarelui. Unele tehnici, cum ar fi energia solara pasiva, nu necesita nici un ban. “Solar” inseamna mult mai mult decat plachete de siliciu sau gadget-uri de lux – este orice aplicatie care pune la munca soarele. Multe din aceste aplicatii va pot ajuta sa economisiti bani si sa incurajati o tehnologie energetica puternica si practica. Există o varietate de aplicaţii ce utilizează energia electrică produsă de către celulele solare pornind de la aparate de uz comun şi ajungand pană la tehnica spaţială care este mult mai costisitoare.

29

f. Ceas de mană Ceasurile produse de firma japoneză Citizen sunt dotate cu o celulă solară inclusă in cadran care incarcă un acumulator cu litiu avand o independenţă de 150-240 zile şi care după o funcţionare de 20 ani prezintă o scădere de capacitate de maximum 20%. g. Aparat de taxare in parcări Aparatele automate de taxare in parcări aparţin sitemelor cu alimentare autonomă care pe langă un modul cu celule solare mai este inzestrat şi cu un acumlator pentru a se asigura alimentarea continuă cu energie electrică.

30

3.4. Sisteme solare - preturi , amortizarea investitiilor Pretul panourilor solare este in general ridicat. Insa sistemele ce le utilizeaza sunt foarte fiabile, astfel ca investitia initiala se va amortiza in timp. Scopul acestei pagini este de a va ajuta in a va face o idee generala asupra investitiilor intr-un astfel de sistem. In cazul in care veti dori sa va montati unul, vor fi necesare calcule mai amanuntite, preturile variind in functie de necesitati. Preturile incep de la 1500 - 2000 RON pentru sistemele foarte simple ce pot fi utilizate doar vara. Ele pot urca pana spre 3000 - 8000 de euro, pentru cele mai complexe, care pot fi utilizate pe tot parcursul anului. Preturile variaza insa in fuctie de componente, de numarul de panouri si de dimensiunea rezervorului de stocare. Amortizarea investitiei Panourile solare de acest tip au o perioada medie de amortizare a investitiei de 5-10 ani. Cu toate acestea, sunt foarte multi factori care influenteaza acest fapt, asadar o apreciere exacta nu se poate face decat pentru o serie de parametri fixi: pozitia geografica, clima locala, nivelul de utilizare, capacitatea etc. Tinand cont insa de faptul ca durata de viata garantata a acestor sisteme este de 20 de ani, investitia intr-un astfel de sistem poate fi una de viitor. Sisteme de producere a energiei electrice – preturi De cele mai multe ori, sistemele fotovoltaice sunt integrate cu sisteme eoliene sau cu sistemul electric general, pentru reducerea facturii la energie electrica. Functionarea unei locuinte doar cu ajutorul energiei solare este posibila, insa in practica ea nu este tot timpul posibila. De aceea existenta unui sistem de back-up este necesara, fie ca e vorba de un generator diesel sau reteaua de la electrica. Preturile pornesc de la 1000 - 2000 de euro (pentru sisteme de 150-200 W) si pot urca foarte mult, in functie de necesitatea energetica, de sistemele de back-up folosite, etc.

In general, sistemele fotovoltaice moderne pot fi folosite pe tot parcursul anului si chiar si noaptea, cu un randament mai scazut insa.

31

Durata de utilizare preconizata este de pana la 25 de ani, caz in care randamentul lor nu ar trebui sa scada sub 70% din cel initial. In prezent recuperarea investitiilor facute intr-un sistem de panouri fotovoltaice se face in 8-10 ani. Daca ne uitam la preturile resurselor energetice obisnuite, producatoare de energie electrica, observam ca pretul acestora tot creste, iar pretul obtinerii energiei electrice prin energia solara, cu ajutorul panourilor fotovoltaice, devine tot mai mica. Avand in vedere preturile crescatoare, poluarea si volumul limitat a resurselor energetice fosile, folosirea resurselor energetice regenerabile si a energiei solare prin panouri fotovoltaice, ne ofera solutii tot mai favorabile.

In Romania numarul orelor insorite este in medie intre 1900-2200 ore/an. Energia solara din radiatiile solare, care ajunge pe suprafata pamantului este 1000-1300kWh/m2 / an, ceea ce ne ofera posibilitati de exploatare excelente prin panouri fotovoltaice.

32

IV.Analiza SWOT a sistemelor ce captează energia solară

Analiza SWOT consta in elaborarea unei tehnici prin care se pot identifica punctele tari si aspectele slabe si examineaza oportunitatile si amenintarile existente pentru produsul/proiectul supus analizei. Etapele analizei S.W.O.T. sunt urmatoarele:

1. Enumerarea principalelor puncte tari si puncte slabe ale produsului, etc.; 2. Enumerarea oportunitatilor (posibilitatilor) si amenintarilor

(pericolelor) prezente si viitoare; Puncte tari

- instalarea unui panou solar pentru încălzirea apei calde menajere este rentabil mai ales dacă nu sunt gaze naturale în zonă

- un sistem pentru incălzirea apei menajere (cu boiler de 300 litri şi trei panouri cu 12 tuburi solare vidate) poate fi considerat amortizat după cinci ani, comparativ cu alimentarea electrică, sau in 15 ani, comparativ cu cea pe gaz.

- un sistem solar care asigură şi aport la incălzirea casei poate duce la economii in perioada de iarnă de 30-45%, mai ales dacă e asociat cu incălzirea prin pardoseală

- energia solară poate incălzi locuinţele in mod pasiv - cu ajutorul celulelor fotovoltaice se produse energie electrică gratis - celulele fotovoltaice sunt protejate împotriva intemperiilor, furtunilor

sau razelor ultraviolete, de un strat protector de sticlă specială - durata de folosinţa a panourilor fotovoltaice poate depăşi 20 de ani - un sistem fotovoltaic bine realizat poate opera neurmărit - necesită o întreţinere periodică minimă - se pot integra in clădiri, pot inlocui subansamble, materiale de

constructie sau chiar intregi parti componente ale cladiri cum ar fi de exemplu acoperisul.

33

Puncte slabe - panourile solare instalate acasă sunt un risc pentru un eventual

incendiu - panourile solare ocupă foarte mult spaţiu - produsele foarte ieftine îşi pot pierde din randament chiar şi după

un an - nu toate panourile existente sunt flexibile

Oportunităţi

- energia solară este reinnoibilă şi uşor de produs - panourile solare produc energie electrică 9h/zi - creşterea de aproape 50% a numărului de astfel de sisteme folosite

pe glob - dezvoltarea tehnogiei - micşorarea costurilor iniţiale - epuizarea surselor convenţionale de energie: cărbune, petrol, gaze

naturale - utilizare în alimentarea consumatorilor izolaţi, de mică putere, cum

ar fi: telecomunicaţii, balizaj, refrigerare, irigaţii etc. Ameninţări

- soarele nu oferă energie constantă in nici un loc de pe Pămant - datorită rotaţiei Pămantului in jurul axei sale, şi deci a alternanţei

zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricităţii decat pentru un timp limitat in fiecare zi

- în zilele noroase, potenţialul de captare al energiei solare scade datorită ecranării

34

BIOGRAFIE - www.inmh.ro - www.windenergy.com - www.magnus.ro - www.lpelectric.ro - www.wikipedia.org - www.naturenergy.ro - Kelemen G., Ursa D. – Alternativa energetica. Partea I. Argumente in favoarea utilizarii energiei solare, Rev. Tehnica instalatiilor nr. 5/2003. - Kelemen G., Ursa D. - Alternativa eneregtica. Partea II. Aplicatii ale sistemelor solare in instalatiile pentru constructii, Rev. Tehnica instalatiilor nr. 6/2003.