CAPITOLUL 1. UTILIZAREA ENERGIILOR REGENERABILE
1.1. ANALIZA TIPURILOR DE ENERGIE REGENERABILĂ
Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate în continuare:
Figura 1.1. Energii regenerabile
Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele:
-Sunt ecologice;
-Nu generează emisii de CO2;
-Sunt disponibile în cantităţi teoretic nelimitate;
-Pot fi utilizate local;
-Reprezintă soluţii pentru toate nevoile.
Câteva dintre utilizările cele mai uzuale ale energiilor regenerabile, împreună cu câteva
informaţii despre fiecare, sunt prezentate în continuare.
Tabelul 1.1. Producerea energiei electrice în vederea furnizării în reţelele energetice naţionale
5
Forma de energie Sursa de energieCapacitate
Ţări cu realizări
Energia vantuluiEnergia cinetica a vantului
0,3kWel…5MWel
(2005)SUA, Germania, Spania, India, etc
Energia apei/valurilor
Energia cinetica a apei
5GWel – râuri 1MWel – dimens. reduse
Canada, Austria, Scandinavia, etc
Energie geotermală de adâncime
Apă sau abur cu temperatură ridicată
20…50MWelFilipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, etc
Energia biomaseiLemn, culturi agricole, masă vegetală
100kWel...50MWelElveţia, Germnia, Scandinavia,
Energie solarăRadiaţie solară directă sau difuză
1kWel…câţiva MWel
Germania, Japonia, Luxemburg, etc
Tabelul 1.2. Producerea locală a energiei electrice
Forma de energie Sursa de energieCapacitate
Ţări cu realizări
Energie solarăPanouri fotovoltaice
Radiaţia solarăcâţiva Wel…câţiva kWel
China, Africa, etc
Energia vântuluiVânt cu viteză redusă
0,1Wel…80kWel
China, Mongolia, etc.
Energia apei/valurilor
Potenţialul apeicâtiva kWel
… 25MWelNumeroase ţări
6
Tabelul 1.3. Încălzire şi răcire
Forma de energie Sursa de energie Capacitate Ţări cu realizări
Energie solarăPanouri solare
Radiaţia solară
5…10m2
casnic >20m2
comercial, industrial
Germania, Japonia, Grecia, Turcia, etc
Energie geotermală de suprafaţă
Potenţial termic redus
6…8kWterm Austria, Germania, Elveţia, etc
Energie geotermală de adâncime
Apă sau abur cu temperatură ridicată
2…50kWterm
casnic600kW…60MWterm
încălzire cartier
Filipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, etc.
BiomasăLemn, peleţi, culturi agricole, masă vegetală
2…30MWterm
Germania, Austria, Canada, Scandinavia, etc
În toate ţările cu realizări notabile în ceea ce priveşte energiile regenerabile, un impact
esenţial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptarea unui număr mare de
reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenţii. La ora actuală, piaţa
este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile. În figurile 7…9, sunt
prezentate câteva grafice care ilustrează atât dinamica tuturor componentelor acestui domeniu,
cât şi impactul reglementărilor legislative, în Germania, ţara din Europa cu cea mai largă
preocupare în domeniul energiilor regenerabile.
7
Fig. 1.2. Evoluţia producţiei energiei electrice eoliene, în Germania
Fig. 1.3. Evoluţia diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, în
Germania
8
Figura 1.4. Evoluţia producţiei de energie electrică solară, în Germania
Pe toate aceste imagini se observă că cel puţin în Germania, domeniul energiilor
regenerabile este într-o adevărată expansiune, influenţată pozitiv de reglementări legislative
stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenţionarea preţului tuturor
tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sau achiziţionarea de către compania
energetică naţională din Germania, a curentului electric produs cu ajutorul panourilor
fotovoltaice, la un preţ mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o durată de
până la 25 ani.
1.2. ENERGIA VALURILOR
SISTEME DE CAPTARE A ENERGIEI VALURILOR
Se cunosc mai multe sisteme de captare a energiei valurilor, dintre care:
1. Sistemul de conducte sub presiune (se aseamănă cu sistemul de frânare al unui
autovehicul). Astfel presiunea exercitată pe o suprafaţă mare este transmisă prin intermediul
unui lichid, prin conducte, unei suprafeţe mai mici, multiplicându-se astfel forţa pe unitate de
suprafaţă. Printr-un sistem mecanic, această forţă realizează antrenarea generatorului
electric.Acest principiu este aplicat de Interproject Service (IPS) Buoy (Sweden).
2. Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului. Sistemul se bazează pe ascensiunea apei sub
formă de val pe o pantă artificială, care ulterior este preluată prin cădere de paletele unui
generator electric.
Ideea a fost pusă în practică de Wave Dragon (Denmark).9
3. Sistemul pistonului lichid. Într-o incintă, prin mişcarea sa de urcare şi coborâre, valul
marin acţionează ca un piston, pompând şi aspirând aerul, cu rezultat direct asupra unei turbine
(în multe dintre aplicaţii se foloseşte turbina Wells). Wavegen (Scotland) şi Mighty Whale
(Japan) au pus în practică astfel de proiecte. Într-o schemă simplă, sisteme flotabile urcă şi
coboară odată cu trecerea valurilor.
Prin această mişcare se acţionează o pompă, care împinge apa dintr-o turbină care
acţionează un generator. Scoţia are acces la una din cele mai bogate resurse energetice marine
din lume. Dacă în anul 2001, raportul Scotland’s Renewable Resource arăta că Scoţia genera o
capacitate de până la 21,5 GW (79,2 TWh/an) cu ajutorul energiei valurilor şi mareelor, în 2010
guvernul scoţian finanţa cu peste patru milioane de lire sterline cea mai mare fermă de energie
marină din lume, care asigura până la 10 % din necesarul electric al ţării.
Conform raportului Harnessing Scotland’s Marine Energy Potential efectuat de Marine
Energy Group, până în 2020 în apele scoţiene se pot instala capacităţi de 1300 MW, adăugând
câte 100 MW în fiecare an.
În nordul Scoţiei (Nigg), specialiştii scoţieni au gândit o platformă specială care să
utilizeze la maximum forţa valurilor, fără să monteze generatoare hidroelectrice plutitoare
(proiectul Oyster, o invenţie care promite multe, fig.1.5.).
Fig. 1.5. Platforma OYSTER, 300- 600 kW
Platforma are o componentă montată în apă, care basculează atunci când este lovită de
valurile uriaşe. De ea sunt prinse două pistoane, care prin compresie împing apa cu viteză printr-
o conductă, până într-o unitate aflată în apropriere. Acolo, apa sub presiune acţionează o serie de
palete, tot mecanismul fiind identic cu cel prezent în centralele hidroelectrice.
Totul diferă prin metoda inovativă de a transporta apa sub presiune. Producătorii spun ca
Oyster poate genera între 300 şi 600 kW, însă la configuraţii multiple, se poate ajunge la valori
suficient de mari cât să alimenteze oraşele din apropriere. Se speră că noua industrie ar revitaliza
economia scoţiană, mai ales în zonele rurale şi ar crea peste 7000 de noi locuri de muncă în
diversele domenii colaterale implicate. O altă schemă experimentală de utilizare a energiei
valurilor, este realizată pentru Insula Islay, în dreptul coastei de vest a Scoţiei, fiind concepută
pentru a genera 180 kW. Ea funcţionează pe principiul coloanei de apă oscilantă.
10
Fig. 1.6. Sistemul companiei SDE Energy Ltd de producere a energiei electrice.
O cameră scufundată, deschisă în partea inferioară, conţine o coloană de apă cu aer
deasupra. O dată cu trecerea valurilor, coloana de apă se ridică şi coboară, împingând şi scoţând
aerul dintro turbină conectată la un generator electric. Compania SDE Energy LTD foloseşte
echipamente care prin generarea presiunii hidraulice datorate mişcării valurilor, produce energie
electrică.
Principiul de funcţionare este relativ simplu: câteva plute urcă şi coboară odată cu trecerea
valurilor; prin această mişcare este acţionată o pompă care împinge apa printr-o turbină care
acţionează un generator, fig.1.6.
Turbina Wells de captare a energiei valurilor, a fost inventată în anul 1980 de profesorul
Alan Wells de la Queen University din Belfast. Turbina Wells, fig. 1.7, este utilizată cu
precădere în centralele electrice care exploatează energia valurilor, având unele dezavantaje care
fac ca tehnologia să fie greu fezabilă.
Randamentul este foarte scăzut iar în condiţiile unui curent slab de aer turbina se
blochează; palele turbinei Wells au un bord de atac foarte voluminos şi un unghi de aşezare
redus, care rezultă din necesitatea utilizării acestor pale în ambele sensuri de acţionare a aerului.
Fig. 1.7. Turbina Wells
În 1995, chinezii de la Institutul de Conversie a Energiei Guangzhou au construit o
geamandură de navigaţie de 60 W folosind turbina Wells. Cele mai impresionante aplicaţii ale
11
turbinei Wells au fost puse în practică în India acolo unde energia valurilor aduce în sistemul
electric 1,1 MW. O instalaţie experimentală a fost construită şi în România, în apropierea digului
de la Mangalia. Sistemul este alcătuit dintr-un cilindru fără fund, cu diametrul de 1,5 m şi
înălţimea de 2,5 m.
Portugalia a instalat până în 2009, 28 de centrale care produc o cantitate de energie de 72,5
MW. În acest sens primul generator dat în folosinţă se află la cinci kilometri de ţărm, unde a fost
instalat dispozitivul de tip Pelamis (numele vechi al şarpelui de mare), montat la Peniche, fig.1.8.
Pelamis este un obiect care pluteşte pe valuri şi care execută o mişcare cu o traiectorie eliptică.
Cea mai simplă formă de valorificare a acestei mişcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt
pontoanele articulate. O construcţie modernă este cea de tip Pelamis formată din mai mulţi
cilindri articulaţi, care, sub acţiunea valurilor au mişcări relative care acţionează nişte pistoane.
Fig. 1.8. Sistemul de tip Pelamis (Peniche,
Portugalia)
Fig.1.9. Platforma maritimă
Orecon
Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acţionează generatoare
electrice, fig. 1.9. Construcţia pluteşte la suprafaţa mării, unde captează energia valurilor şi
trimite curentul produs către plaja Aguacadoura, la nord de Porto. Trebuie să menţionăm că un
singur generator poate asigura curentul electric pentru 5000 de gospodării. În zonele cu valuri tot
timpul anului sau în largul mărilor şi oceanelor, energia valurilor este o formă de energie
regenerabilă cu un potenţial foarte mare. Firma Orecon, a investit peste 24 milioane dolari într-
un dispozitiv, care este o combinaţie de baliză/platformă maritimă (dotată cu camere de presiune
speciale), în care forţa valurilor care lovesc platforma este transformată în electricitate de către o
turbină.
Până în anul 2015 se vor vedea primele platforme care vor furniza electricitate reţelelor de
distribuţie a energiei, o platformă producând circa 1,5 MW. Unul din avantajele platformei o
constituie mărimea acesteia, fiind mai puţin predispusă distrugerii şi având costuri de întreţinere
mai mici, fig.1.9.
12
Sistemul cu plan înclinat şi bazin. La mijlocul anului 1940 lângă Alger în
Marea Mediterană a fost pusă în funcţiune experimental în două amplasamente, la Sidi Ferruch şi
Pointe Pascade, prima instalaţie modernă care consta dintr-o structură concepută pe principiul
planului înclinat şi un bazin de acumulare. Soluţia se bazează pe faptul că în contact cu o
construcţie rigidă, sub acţiunea valurilor, apa are tendinţa să-şi ridice nivelul suprafeţei libere.
Aceasta este recepţionată într-o structură cu radier curb înclinat, care se opune direcţiei de
înaintare a frontului de val. Cantitatea de apă ajunsă între doi pereţi convergenţi, urcă la o
înălţime maximă a valului, deversând apoi într-un rezervor special conceput pentru a reţine apa
la o cotă superioară nivelului mediu al mării. Prin căderea realizată, apa reţinută pune în mişcare
turbinele care la rândul lor antrenează generatorii electrici. Curburile pereţilor convergenţi sunt
impuse de forme hidraulice optime, care fac ca întreaga construcţie să realizeze o diferenţă cât
mai mare între nivelul mediu al mării şi nivelul maxim al apei din bazinul de acumulare, fig.1.10.
Fig. 1.10. Sistemul cu plan înclinat şi bazinFig. 1.11. Sistem cu piston acţionat de
valuri şi acumulator hidraulic interior
Sistem cu piston acţionat de valuri
Soluţia constă în transmiterea forţei mecanice dată de un volum mare de valuri de joasă
presiune, printr-un sistem de două pistoane cu diametre diferite, unui volum mic de lichid
auxiliar, căruia îi ridică astfel presiunea, determinând stocarea lui în acumulatoare hidraulice
interioare, fig.1.11. În diverse zone de pe glob s-au conceput şi alte tipuri de instalaţii destinate
valorificării energiei valurilor, instalaţii studiate de-a lungul anilor în laboratoare şi în natură, cu
rezultate nu totdeauna dintre cele mai spectaculoase.
Specialiştii români prognozează că potenţialul energetic brut al valurilor de pe cei 200 km
de litoral românesc al Mării Negre se ridică la valoarea de circa 8·109 kWh/an, potenţialul
13
energetic tehnic utilizabil estimându-se la 4·109 kWh/an, ceea ce ar conduce la o economie de
combustibil convenţional de aproximativ 2 milioane t/an.
Elementele caracteristice asociate valurilor, curenţilor şi vântului sunt prezentate în fig.
1.12. Studiile întreprinse (chiar în lipsa finanţării acestora) au condus la concluzia oportunităţii
captării energiei valurilor de vânt şi au impulsionat o serie de specialişti să continue
aprofundarea problemei.
Figura 1.12. Înălţimea valului semnificativ Hs: negru- val; alb – vânt; roşu – curent.
Procedeul de captare proiectat este specific valurilor neregulate şi constă în preluarea
directă, prin intermediul unui plutitor, a mişcării pe verticală a apei, fără transport de debit -
figura 1.13.
Transmisia mişcării este realizată cu ajutorul unui generator rectiliniu (al cărui flux
magnetic este făcut astfel să varieze). Astel această mişcare este transformată în curent electric
alternativ, cu frecvenţa neregulată, care poate fi folosit în stare brută ca sursă de căldură.
Echipamentul hidraulic al unui element de captare este format dintr-un plutitor, care preia
valurile neregulate (cu înălţimea cuprinsă între 50 mm şi 9 m) şi din echipamentul electric
principal (alcătuit dintr-o parte mobilă legată cu articulaţii de plutitor şi o parte fixă, solidară cu
structura imobilă). Soluţia prezentată impune realizarea unui structuri plutitoare cât mai stabile în
masa agitată a valurilor, capabilă să susţină echipamentul energetic. O caracteristică deosebită o
constituie posibilitatea nelimitată de dezvoltare pe verticală a instalaţilor, precum şi capacitatea
individuală a elementelor.
14
Figura 1.13. Sistemul românesc de valorificare a potenţialului energetic al valurilor
în Marea Neagră: 1 -panou cu celule fotovoltaice; 2 - turbină eoliană; 3 - motor pneumatic
rotativ; 4 - rezervor de aer; 5 – dispozitiv pneumatic; 6 - generator rectiliniar; 7- dispozitiv de
ridicare; 8 - generator de curent continuu; 9 - echipament mobil; 10 - dispozitibv de blocare;
11 - articulaţie; 12 - urechi de anoraj; 13 - nişă; 14 - plutitor.
Pentru a compara tipurile de energie alternativă, profesorul Mark Jacobson de la
Universitatea Stanford a calculat impactul pe care acestea l-ar avea, dacă Statele Unite ar fi
alimentate doar cu un singur tip de energie. El a luat în calcul nu numai cantitatea de gaze cu
efect de seră care ar fi emise, dar şi impactul pe care l-ar avea asupra ecosistemului (suprafaţa
ocupată de teren şi poluarea apei). "Cele mai bune energii alternative nu sunt cele despre care se
vorbeşte cel mai mult", a concluzionat Jacobson.
Producţia şi consumul de energie exercită presiuni considerabile asupra mediului:
schimbări climatice, deteriorarea ecosistemelor naturale etc. Activitatea energetică este
responsabilă de existenţa poluanţilor în proporţie de peste 50 % pentru emisiile de metan şi
monoxid de carbon, 97 % pentru emisiile de bioxid de sulf, 88 % pentru emisiile de oxizi de azot
şi 99 % pentru emisiile de bioxid de carbon.
Apele Oceanului Planetar deţin un imens potenţial energetic care poate fi valorificat pentru
producerea de energie.
15
Principalele surse de energie luate în considerare, cel puţin la nivelul tehnicii actuale, se
referă la: maree, curenţii marini, valuri, diferenţe de temperatură ale straturilor de apă marină.
Valurile oceanelor poartă cantităţi masive de energie, dar această energie este greu de exploatat
eficient şi ieftin.
1.3. CAPTAREA ENERGIEI SOLARE
Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacţiilor de fuziune
nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu în cuante de energie numite fotoni, care
interacţionează cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea
exterioară a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este numită constantă
solară, a cărei valoare este de 1,37 · 106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate
acestea, intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani.
Intensitatea energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită
absorbţiei şi difracţiei energiei solare, când fotonii interacţionează cu atmosfera.
Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-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.
CONSTRUCŢIA COLECTORILOR SOLARI
Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre
acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu
tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice.
Colectori plani.
Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a colectorilor
solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 1.14.
Fig. 1.14.Construcţia colectorilor solari plani16
Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o
folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material
absorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară,
caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer a radiaţiei
termice. Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face faţă
solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de
grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea
pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant.
Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de
ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativ reduse ale investiţiei,
are o durata de functionare de pana la 25 ani, zapada nu ramane pe colector, ajuta la izolarea
terminca atunci cand aceste tipuri de colectoare sunt integrate in acoperis. Dezavantajul principal
îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, la diferenţe mari de temperatură între
agentul termic şi mediul ambiant, si nu prezinta imunitate la vant.
Fig.1.15. Pierderile termice la colectoare
solare plane
Fig.1.16. Componentele unui panou sau
colector solar plane
Acest tip de colector solar este cel mai des utilizat in sistemele cu panouri solare pentru
incalzire.
Colectoare cu tuburi vidate.
Colectoarele cu tuburi datorita formei geometrice, reusesc sa primeasca razele solare mereu
perpendicular macar pe o axa, fapt care duce la un randament mare din constructie.
Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat termic, în
care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, din sticlă. Intre pereţii din
sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul
ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material
absobant, pentru a capta cât mai eficient radiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va
stratifica, în funcţie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a
cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin
tuburile vidate, se va încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită
17
diferenţei de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a
acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.
Fig.1.17. Pierderile termice la
colectoarele cu tuburi vidate
Fig.1.18. Schema de functionare a unui colector cu
tuburi vidate
Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţiei solare,
fără intermediul unui schimbător de căldură.
Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un
material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţi mecanice bune.
Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar
fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată
încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruşte în tuburi.
Constructiv, colectoarele solare vidate se compun din urmatoarele elemente :
Fig.1.19. Elementele componente ale unui colector solar cu tuburi vidate
În figura 1.20. este prezentată o construcţie performantă de colector solar cu tuburi vidate, în
care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru,
în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă.
18
Fig. 1.20. Colector cu tuburi vidate şi
schimbător de căldură coaxial
Fig. 1.21. Sistem flexibil de racordare a tuburilor
vidate la conductele de apă caldă şi rece
Această construcţie, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de
căldură în mediul ambiant (chiar la diferenţe mari de temperatură între acesta şi apa din tuburi),
cu avantajele circulaţiei agentului termic prin elemente metalice.
În figura 1.21, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul
prezentat anterior, la conductele de apă rece şi caldă.
În figura 1.22. sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector cu tuburi
vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazul spargerii accidentale a
acestora.
Fig. 1.22. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile
Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul
spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalaţie nu se pierde, fenomen care
ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce
pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl
deserveşte.
19
1.4. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
CARACTERISTICI ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE
Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca şi în cazul bateriilor:
Tensiunea;Intensitatea curentului electric; Puterea electrică.
Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca şi intensitatea curentului electric asigurat, depind
semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricaţie, ca şi de dimensiunile
acestor celule. În figura 1.23 este reprezentată variaţia tensiunii şi a intensităţii curentului electric
asigurate de o celulă fotovoltaică realizată din siliciu şi având dimensiunile de 10x10cm.
Fig. 1.23. Tensiunea şi intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din Si,
la diferite intensităţi ale radiaţiei solare
Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice rtealizate
din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată,
depinde foarte puţin de intensitatea radiaţiei solare, dar valoarea intensităţii curentului electric,
depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variaţie între 0,4A în cazul unei radiaţii solare
de 200W/m2 şi 2,2A în cazul unei radiaţii solare de 1000W/m2.
Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U şi
intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent
continuu. P=U·I
Considerând că tensiunea este de U=0,5V şi intensitatea curentului electric este I=2A, se
poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W. Această valoare
redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie,
pentru a se obţine panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din
acest motiv şi dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din
20
10x10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi
100x100cm=1m2, iar acest panou va putea să asigure o putere de 10x10=100W.
Pornind de la curbele de variaţie a intensităţii curentului electric, cu intensitatea radiaţiei
solare, reprezentate în figura 1.23, şi calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune şi
intensitate, se pot trasa curbe de variaţie a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei
din figura 1.24.
Fig. 1.24. Curba de variaţia puterii electrice a celulelor fotovoltaice
Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obţine în punctul în
care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de
pe curba de variaţie a intensităţii curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar
puterea maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM.
Se observă că şi în condiţiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A,
ceea ce corespunde unei intensităţi foarte mari a radiaţiei solare şi unei construcţii foarte
performante a celulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este
de cca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în
vedrea obţinerii unor panouri fotovoltaice, ca cel din figura 1.25, asemenea panouri fiind
capabile să asigure puteri de cca. 10…250W.
21
Fig. 1.25. Panou fotovoltaic
Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice sunt dependente de
temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de
a converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o
reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creştere a
temperaturii. De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la
temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a
energiei solare în energie electrică este realizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este
apropiată de 0K.
1.5. DIRECŢIILE ACTUALE DE DEZVOLTARE ÎN FOLOSIREA
ENERGIILOR REGENERABILE ÎN DOMENIUL NAVAL
INTRODUCERE
Ideea de a folosi un sistem combinat de vele-motor nu este o idée de generaţie nouă, dar
din cauza unor inconveniente constructive şi conservative, acest sistem nu a fost implementat la
scara largă.
În condiţiile în care preţul combustibililor creşte, atmosfera este degradată de poluarea cu
NOx, SOx, CO, şi acest grad de poluare creşte zi de zi, soluţiile de producer a energiilor
neconvenţionale au început să producă interes în rândul părţilor interesate. Sistemele
neconvenţionale, cum ar fi puterea vântului sau propulsia electric, sunt puse din nou în atenţie
după ce au fost ignorate o mare perioadă de timp.
22
În zilele noastre sunt considerate a fi surse majore de poluare a mediului maritime
înconjurător cinci elemente şi anume: activitatea industrială de pe uscat, lucrul sub apă, deşeurile
descărcate în mediul marin, navele şi atmosfera.
Din nefericire, aşa cum am arătatmai devreme, măsurile luate şi care încă sunt sunt luate
în considerare, nu sunt o reflectare adevărată efortului volumului de muncă depus. Rezultate
bune au fost obţinute într-adevăr în anumite zone ale lumii, cum ar fii limitarea producerii de
SOx în nordul Europei şi coasta nord Americană, dar încă sunt zone în lume unde nu au fost
luateîn considerare pasuri de precauţie.
CE ÎNSEAMNĂ SISTEMUL DE PROPULSIE NECONVENŢIONAL AL UNEI
NAVE
Numim neconvenţional orice alt sistem care diferă de sistemul clasic de propulsie al unei
nave, care nu foloseşte motoare cu ardere internă pentru a produce energie mecanică necesară
rotirii axului elicei pentru a deplasa nava.
Principalele metode şi sisteme neconvenţionale de propulsie sunt:
a) Cilindrii verticali – rotorul Flettner
b) Nava propulsată de către o velă ridicată la o anumită înălţime – aşa numită “kite”.
Această metodă de propulsie conduce la reducerea consumului de combustibil şi ca urmare
emisii poluante mai mici
c) Propulsia navei folosind baterii solare şi vele mobile sau fixe. În acest caz protecţia
mediului înconjurător maritim şi a atmosferei este aproape totală.
d) Nava propulsată electric folosind motoare electrice, împreună cu un corp al navei
specific, adoptând propulsia de tip pod, conducând la economicitate şi protecţie a mediului prin
scăderea emisilor de CO2.
Propulsia navelor folosind cilindrii verticali rotativi (rotorul Flettner)
Sistemul este bazat pe sistemul Magnus, aplicat unui cilindru vertical aşezat în curent de
aer pentru propulsia unei nave.
Rotorul este un cilindru rotitor în jurul axei sale expus unui jetului de aer care curge la
diferite unghiuri faţă de axă. Cilindrul exercită o forţă laterală care acţionează la diferite
unghiuri în funcţie de jetul de aer şi mişcarea de rotaţie. Efectele rotorului Flettner au fost prima
dată demonstrate în anul 1928. În anul 1924 Anton Flettner a construit nava Backau care era
echipată cu doi cilindrii, fiecare de 18,3 metrii înălţime şi 2,8 metrii diametru, pentru propulsia
navei. Cilindrii erau puşi în mişcare de rotaşie de către două motoare diferite. Nava putea naviga
în vânt între 20-30 grade. Atunci acest sistem nu a fost unul eficient dar în zilele noastre acesta
este folosit ca un sistem paralel de propulsie. De curând compania Enercon a construit o nava de
23
130 m cu 4 cilindrii Flettner. Nava se numeşte E-Ship şi foloseşte energia vântului pentru a
reduce costurile de combustibil şi emisiile poluante. Cilindrii au 25 m înălţime şi 4 m diametru,
sunt aşezaţi în pereche la pupa respectiv prova navei şi ca sistem de propulsie paralel poate
reduce costurile de combustibil cu 30%.
Figura 1.26. E-Ship
Figura 1.27. Efectul Magnus
Propulsia navelor folosind vele fixe sau mobile acoperite cu panouri solare
Energia solară este valorificată prin folosirea panourilor cu celule fotovoltaice montate pe
vele fixe sau mobile, fixate pe puntea principală.
Energia vântului este folosită direct pentru propulsie prin folosirea de vele montate pe
puntea principală făcute dintr- un material composit.
Velele pe catarge includ atât velele tradiţionale cît şi aripioarele, care sunt similare cu
aripile unui avion. In anul 1970 preţul ridicat al combustibilului a stimulat interesul pentru
propulsia pe baza vântului pentru navele comerciale. La acel moment a fost calculată o scădere a
costurilor de combustibil cu 30-40 % dar odată cu scăderea preţului combustibililor proiectele
24
Directia vantului
Cursul navei
pentru propulsia navelor cu ajutorul vântului au fost închise. În zilele noastre nava de pasageri
Eoseas este în stare de proiect şi va fi creată de către Zards STX revoluţionând propulsia cu vele.
Are o lungime de 305 m şi 6 vele cu o suprafaţă totală de 12440 m². Tehnologia aplicată acestei
nave va aduce reduceri de costuri de combustibil de 50%. Totodată designeri au estimat faptul că
Eoseas ar costa cu circa 30% mai mult decât o navă de pasageri obişnuită ceea ce s-ar amortiza
prin economia de combustibil.
Figura 1.28. Nava Eoseas
Compania Solar Sailor a brevetat velele SolarSails care valorifică energia solară şi
energia vântului. Aceste vele au fost deja instalata pe nava Solar Albatros care este o navă de
dimensiuni mici. Aceasta este prima navă comercială hibrid propulsată cu combustibil fosil,
energie electrică, puterea vântului şi puterea solară, navă pe care a fost şi testată această
tehnologie. Conform încercărilor, când se navigă la o viteză de 15 Nd a intensităţii vîntului
adevârat şi 45 grd unghiul vântului faţă de ax, viteza navei navei creşte cu aproximativ 2 Nd la
aceiaşi putere a motorului.
Figura 1.29. Nava Solar Albatros
25
Folosirea velelor poate reduce consumul de combustibil, şi de asemenea, reduce emisiile,
dar are şi potenţiale dezavantaje precum:
Velele ocupă destul de mult spaţiu şi de aceea accesul este restricţionat în timpul
încărcării-descărcării şi de aceea macaralele trebuie să acţioneze în jurul acestora
Catargele pot genera rezistenţă la vânt nefavorabil. De asemenea există risc pentru
echipaj cu privire la schimbările condiţiilor de vânt. În special la vijelii, catargele şi velele pot
provoca înclinări periculoase ale navei.
La navigaţia cu vele, nava are tendinţa a se înclina. Acest lucru ar putea fii imposibil
pentru nave tip container şi nave cargouri să opereze în condiţiile de înclinare la navigaţia cu
vele. Pentru a evita situaţiile de acest gen este nevoie de ballast excesiv care nu este economic.
Cu toate acestea, revenirea la scară largă a energiei eoliene folosind pânze este de
neimaginat, ca urmare a creșterii costurilor combustibilului așteptat în următorii ani.
Propulsia navelor folosind o velă ridicată la o anumită înălţime – aşa numită “kite”.
Cel puţin două firme au dezvoltat sistemul cu vele la înăţime pentru aplicara acestuia
navelor comerciale de tip cargo: compania Germană SkySails şi compania Americană Kiteship.
Principalele caracteristici ale acestor tipuri de vele-zmeu sunt următoarele:
Velele-zmeu lucrează la o înălţime între 100-300 m deasupra suprafeţei apei care permite
velei să dezvolte de 25 de ori mai multă energie datorită vitezei mari a vântului la acea înălţime.
Comparând cu alte dispozitive de tracţiune, velele-zmeu nu necesită catarg şi pot fi uşor
împachetate. Acest lucru înseamnă că acestea necesită un spaţiu mic la bord şi nu deranjază cu
nimic activitatea de încărcare-descărcare.
Necesită costuri de investiţie scăzute comparînd cu alte sisteme dar o înaltă eficienţă a
economiilor de energie
Aceste dispozitive au un sistem de control automat rezultând o uşoară mânuire şi
siguranţă
În comparaşie cu sistemele convenţionale de propulsie cu vânt, velele-zmeu produc unghi
mic de tangaj, şi mai mult de atât nu este nevoie de balast.
Este estimat faptul că utilizând vele-zmeu costul de combustibil poate scădea între 10-
35% depinzând de condiţile de vânt. Este concluzionat faptul că beneficiile mediului
înconjurător cât şi cele financiare pot fi convingătoare. Furnizorii de vele-zmeu indică faptul că
prin folosirea acestui sistem operarea navelor va devenii mai profitabilă, sigură şi independent de
declinul rezervelor de combustibili.
În anul 2006 a fost anunţat faptul că firma de shipping Beluga a achiziţionat un sistem
pentru a fi instalat pe o navă de 140 m tip cargo numită MS Beluga SkySails. Nava a fost lansată
pe 17 decembrie 2007.
26
Figura 1.29. Nava MS Beluga
În februarie 2011, compania Cargill a semnat un accord cu SkySails pentru a instala o
velă-zmeu de 320 m² pe o navă de 30000 tdw, facând-o cea mai mare navă propulsată vreodată
printr-o astfel de metodă. Astăzi acest sistem este ful operaţional la firma Cargill.
Aşa cum am văzut la sistemul anterior, şi acest system are dezavantajele lui. Acest tip de
vele nu poate fi operat contra vântului. Marele dezavantaj al acestor vele este faptul că ele nu pot
fi operate la o intensitate scăzută a vântului. Unele studii arată că potenţialele pericole de cădere
a velei în apă, în special în calea navei, sunt mai mari decât beneficiile financiare obținute din
acest sistem. Mai mult decât atât, zmeul nu ar trebui să funcționeze în zone cu trafic dens de
nave din motive de siguranță. În aceste zone trebuie ca nava să schimbe rapid cursul, sau desigur
să se oprească, și este dificil să facă acest lucru atunci când vela este în zbor.
Propulsia navelor folosind energia valurilor
Energia valurilor este valorificată prin transformarea acesteia în diferite tipuri de energie
prin combinarea mişcării relative a navei, a aripioarelor şi a valurilor.
Figura 1.30. Nava care foloseşte energia valurilor
Producerea de energie electrică de valurile oceanului este posibilă prin navele care
recoltază energie prin organizarea de ieşiri de zi cu zi la locaţii stabilite în apropierea ţărmului şi
întoarcerea înapoi în port pentru livrarea de energie la reţea.
27
Energia este stocată pe navă în cursul fazei derecoltare şi plasate pe grila în timpul
perioadelor de cerere ridicată (în mod normal, la mijlocul-zilei).
Spre deosebire dedispozitivele energetice convenţionale ale valurilor, navele nu ar fi
nevoite să folosească cabluri submarine pentru a se lega la reţeaua de electricitate. Aceste cabluri
costa de obicei mai mult de 500.000 dolari pe kilometru.Această idee de recoltare a energiei
valurilor este simplă: punem dispozitive pentru recoltare pe bărci, le trimitem pe mare, ele stau
acolo aproximativ o zi, îşi încărcară bateriile şi apoi se întorc la mal şi descarcă încărcătura lor
electrică. Bateriile sunt planificate să aibăo capacitate de 20 megawati deorece, astfel încâte
navele ar trebui să stea pe mare,timp de cel puţin 20 de ore pentru o încărcare completă.
Proiectul a fost prezentat la Conferinţa Tehnologiei Verde şi Expo2011 Boston.
Suntory Mermaid II este un catamaran de 9,5 metri lungime având deplasamentul de 3
tone şi propulsat de puterea valurilor. Acesta dispune de două cozi asemătoare cu coada unui
delfin, care absorbe energia valurilor şi generează forţa de tracţiune prin mişcarea în sus şi în jos
complementară cu mişcare bărcii. Nava a fostproiectat de Hiroshi Terao de la Universitatea
Tokai . La aproximativ ora 11.00 ( oraHonolulu) la 16 martie 2008, un bătrânel de 69 de ani,
marinar japonez şi ecologist Kenichi Horie a părăsit Hawaii Yacht Club, Honolulu , în Suntory
Mermaid II, legat de Japonia. El a ajuns la 23.49 (14.49 GMT), la 4 iulie 2008 în Canalul Kii în
apropierea farului Hinomisaki, Wakayama , Japonia , 4350 mile, fără incidente. Horie a făcut cea
mai lungă călătorie din lume singur într-o barcă folosind tehnologia verde. Călătoria în Vestul
Oceanului Pacific a durat 110 de zile. Horie a mâncat
orez şi curry cea mai mare parte a timpului, calmar şi
peşte. Iahtul folosit poate naviga cu o viteza medie de 5
noduri . Suntory Mermaid II a fost alimentat de o
singură baterie încărcată prin mijloace ecologice, solare
şi construcţia iahtului a presupus folosirea unor
materiale reciclate.
Figura 1.31.
28