Utilizarea Surselor Nepoluante de Energie Energia Solara Prin Conversie Fotovoltaica

Memoriu justificativ

Perspectiva epuizării într-un viitor nu prea îndepărtat a combustibililor fosili și nesoluționarea depozitării deșeurilor radioactive a îndreptat atenția oamenilor de știință și asupra unor resurse energetice neconvenționale, cunoscute într-o accepțiune mai largă ca „resurse regenerabile”. Dintre acestea menționăm: hidroenergia (energia hidraulică, energia termică a mărilor și a oceanelor și energia din hidrogen), energia eoliană, energia solară, energia geotermală și energia din biomasă.

În capitolul I '' Criza energetica mondială'' se prezintă consumul actual de energie electrică la nivel mondial și o evaluare a rezervelor de petrol, gaz și carbune , care în prezent sunt principalele surse de energie. Este prezentată o evaluare a numarului de ani pentru care se consideră că mai există posibilități de exploatare ,iar daca nu sunt realizate schimbări în privința producerii, transportului și consumului energiei, omenirea s-ar putea confrunta cu o criză energetică majoră în următoarele decenii.

Capitolul II '' Stadiul actual privind utilizarea surselor de energie convenționale'' prezintă într-un cadru succind principalele surse de energie, convenționale care sunt utilizate , cum ar fi energia combustibililor fosili, care este considerată o industie poluatoare, arderea combustibililor fosili sta la baza poluării prin efectul de seră. Energia produsă de centralele atomonucleare, care este privită ca o alternativă valabilă tehnic, față de perspectiva epuizării surselor clasice de energie , dar care la rîndul său este una dintre industriile cele mai periculoase. Deșeurile cu activitate radioactivă ridicată au nevoie de tratamente speciale în ceea ce priveste stocarea, ca exemplu , depozitarea în formațiuni geologice de mare adîncime la nivelul uscatului , amplasarea sub stratul acvifer al oceanului ,fiind monitorizate și ținute sub control, datorită faptului că prezintă un pericol permant. O soluție optima ar fi lansarea în spațiul interplanetar pe traictorii speciale a containelor ce prezintă riscuri majore de contaminare. Sigur această opțiune este cea mai sigură dar prezintă dezavantajul unor costuri foarte mari. Un exemplu negativ în acest domeniu îl constituie acidentul nuclear de la Cernobîl în care au fost înregistrate 56 de decese directe și mai mult de 9.000 de persoane dintre cele aproximativ 6,6 de milioane foarte expuse pot muri din cauza unei forme de cancer. Incidența cancerului tiroidian a rămas însă ridicată chiar și în 2013 în anumite regiuni din Rusia, Ucraina și Belarus, asta la mai bine de două decenii de la accident.

În capitolul III '' Utilizarea surselor de energie neconvenționale , nepoluante '' sunt prezentate sursele de energie neconvenționale , care sunt surse nepoluante și care ar fi o soluție optimă în vederea une crize energetice mondiale care în umatoarele secole ar putea deveni chiar și sursele principale de energie la nivel mondial.

Capitolul IV '' Energia solară'' are drept scop punerea în evidență a unei forme de energie , și anume energia solară, care prin intermediul panourilor fotovoltaice este convertită în energie electrică electric. Avantajul principal al panourilor fotovoltaice poate fi sintetizat în 2 cuvinte ''energie gratuită''. Asta putînd fi spus datorită faptului că costurile instalațiilor ce ne oferă energie electrică din energie solară se amortizează în maxim 5-7ani , iar durata de viață a panourilor fotovoltaice este de minim 25 de ani.

Este cunoscut faptul că astazi au loc schimbari climatice majore care dau naștere unor manifestari climatice violente a parametrilor meteorologici. Datorită acestui fapt au loc destul de des întreruperi a energiei electrice de la rețeaua electrică de distribuție.Aceste întreruperi de curent electric perturbă în mod special sistemele de achiziție a datelor atunci cînd este absolută nevoie. Lucrarea de față prezintă soluții de alimentare cu energie electrică acumulată deja prin conversie fotovoltaică în acumulatori electrici de diferite capacități, funcție de consumul electric strict necesar, atît pentru iluminare, utilizarea unor aparaturi casnice strict necesare , cat și pentru sistemele de achiziție a datelor privind evoluția unor parametri meteorologici și hidrologici. Lucrul posibil datorită unor invertoare care ridică tensiunea electrică de 12 volți curent continuu în tensiune eletrică de 220 volți curent alternativ.

Capitolul I
Criza energetica mondială

Statisticile arată că, la nivel mondial, între 1972 și 2002, consumul de electricitate s-a dublat. În 2003, consumul anual mondial de energie era de 12.000 GW (adică un milion de MW sau, altfel, 1 miliard de kW). Consumul anual actual la nivel global este echivalentul a 12.000 de reactoare nucleare de 1 GW. Previziunile arată că în viitor, în anul 2050, consumul energetic mondial se va dubla din nou, atingând valoarea de 24 TW. În aceste condiții, necesitatea folosirii unor surse de energie alternativă este vitală.

Energia a devenit un factor strategic în politica globală, o componentă vitală și un factor de cost pentru dezvoltarea economică și progresul societății în ansamblu, generând o serie de preocupări majore la nivel mondial.

În situația limitării resurselor primare de energie, pentru a se atinge durabilitatea în acest domeniu este nevoie ca energia să se producă, să se furnizeze și să se consume într-un mod mai eficient decat până acum. Dacă nu sunt realizate schimbări în privința producerii, transportului și consumului energiei, omenirea s-ar putea confrunta cu o criză energetică majoră în următoarele decenii. Dacă actualele legi și politici energetice rămân neschimbate de-a lungul perioadei până în 2035, cererea mondială de energie va crește cu aproape 50% comparativ cu anul 2007.

În ce privește producția de energie electrică, deși recesiunea economică a încetinit rata de creștere a consumului mondial de energie electrică este estimat să crească de la 18.800 TWh în 2007 la 35.200 TWh în 2035, respectiv cu 87%, se estimează o creștere continuă pentru producerea de energie electrică din energie nucleară și din surse de energie regenerabilă. Creșterea securității alimentării cu energie la prețuri accesibile și abordarea schimbărilor climatice sunt două dintre preocupările și provocările majore ale societății actuale. Atât securitatea alimentării cu energie, cât și schimbările climatice, au implicații în politicile externe și de securitate.

Preocuparile privind cresterea consumului energetic mondial, poluarea și epuizarea rezervelor de hidrocarburi și uraniu influenteaza evolutia sistemelor energetice și impulsionează dezvoltarea unor surse de energie alternative și viabile.

Creșterea consumului energetic mondial va duce în viitorul apropiat la epuizarea rezervelor de combustibili fosili, în special a celor de petrol. Rezervele mondiale de petrol appreciate la 160 mld.t ar putea asigura consumul global (la nivelul mediu al consumului actual) înca 50 de ani. Se consideră ca 77% din rezervele de petrol ale lumii au fost deja descoperite, iar restul 23% sunt localizate în campuri petrolifere mici sau în regiuni greu accesibile. Petrolul va fi din ce în ce mai scump și mai greu de gasit. Construirea unor platforme de foraj submarine cum sunt cele din Marea Nordului este foarte costisitoare și ar avea ca rezultat cresterea costului productiei zilnice de 40 ori fata de Orientul Mijlociu. S-a estimat ca un puț de foraj submarin construit la 300m adancime în apele Golfului Mexic ar produce petrol la un preț de 65 de ori mai mare decat în Orientul Mijlociu, iar pentru o platformă de foraj submarin sub ghețurile arctice, prețurile ar fi și mai mari.

Rezervele de gaze naturale estimate la 141mld .mc ar putea asigura consumul mondial pentru încă 60 de ani, iar rezervele sigure de carbine (1000 mld.t) ar asigura consumul mondial pentru încă 230 de ani.

Insa la toate acestea se adauga și repartiția inegala a rezervelor de combustibili fosili: majoritatea rezervelor de petrol sunt localizate în Orientul Mijlociu (66%), a celor de gaze naturale în Federatia Rusa (34%) și Orientul Mijlociu (31%), iar rezervele de cărbune în Federatia Rusa și S.U.A.

Furnizarea hidrocarburilor poate fi incerta – de exemplu criza petrolului din perioada 1970-1980 generată de politica țărilor membre O.P.E.C. , care a dus la numeroase conflicte, iar unele țări în curs de dezvoltare nu dispun de suficiente resurse financiare pentru achizitionarea petrolului la prețuri de peste 30 USD/ baril.

Industria energetică este o ramura împortantă a economiei mondiale ce se ocupa de explorarea și utilizarea purtătorilor de energie. Odată cu dezvoltarea economică și creșterea populației mondiale, a crescut și consumul de energie, prezentă astazi în toate procesele vieții economice și sociale. Însa superioritatea unei economii nu rezulta din cantitatea de energie consumată, ci din modul efficient în care aceasta este utilizată.

Producția de energie presupune utilizarea unor materii prime sau surse energetice, clasificate astfel:

• Surse convenționale de energie (surse clasice) : combustibilii fosili (cărbunii, hidrocarburile, sisturile bituminoase, nisipurile asfaltice), combustibilii vegetalii (lemnul), combustibilii nucleari, energia apelor curgătoare;

• Surse neconvenționale de energie (surse alternative): energia solară, energia eoliana, energia geotermică, energia apelor oceanice, deșeurile vegetale și animale etc.

După criteriul durabilitatii exploatării, resursele energetice se clasifică în:

• Resurse epuizabile (neregenerabile): combustibilii fosili;

• Resurse inepuizabile (regenerabile): energia solară, energia eoliană, energia apelor curgătoare și oceanice, energia geotermica, combustibilii vegetali.

La acestea se adaugă și alte surse de energie bazate pe tehnologii fizice și chimice, unele cunoscute doar în mod experimental, altele putin valorificate, însa foarte promițătoare: biomasa (“plante energetice”) pentru obținerea unor combustibili, energia curenților oceanici, energia rezultata prin diferența de temperature dintre apele oceanice de suprafață și cele de adâncime, hidrogenul obținut prin disocierea apei etc.

Pe de altă parte, utilizarea combustibililor fosili ca principală sursa energetică a avut impact negative asupra mediului. Cea mai mare parte a energiei primare comerciale este dată de combustibilii fosili: petrol 35% , cărbuni 23% , gaze naturale 21%.

Motoarele cu ardere internă, termocentralele ce ard cărbune sau gaze naturale emit în atmosfera cantitați considerabile de dioxid de sulf și oxizi de azot. Cînd aceste gaze se combină cu vaporii de apă din atmosferă formeaza acid sulfuric și acid azotic, iar mai departe ploi acide. Dupa 1850, ponderea dioxidului de carbon în atmosfera terestra a fost în continuă creștere, ca rezultat al arderilor combustibililor fosili. Dioxidul de carbon împreuna cu alte gaze industriale (cum ar fii metanul sau cloroflorocărbunii) pot induce efectul de sera, ce se manifestă prin creșterea temperaturii la suprafața Pământului, datorita creșterii cantitații de căldura blocată în atmosfera inferioară. Acest lucru are urmări grave: schimbări și bulversări climatice sau repercursiuni asupra ecosistemelor.

In multe state au fost inițiate programe de dezvoltare a tehnologiilor nepoluante și de folosire a resurselor regenerabile care ar putea permite reducerea consumului de combustibili fosili și a tuturor problemelor cauzate de aceștia. Preocupările privind utilizarea surselor de energie alternativă au luat amploare dupa 1997, când doua din cele mai mari companii petroliere din lume – Royal Dutch-Shell Group și British Petroleum – au anunțat ca vor face mari investiții în acest domeniu, în principal în utilizarea energiei solare și în realizarea unor proiecte de impădurire.

Energia alternativă a reprezentat o problemă prioritară și în cadrul conferinței de la Kyoto (1997) asupra schimbărilor climatice și încălzirii globale, deși mulți experți susțineau ca vor trece ani, poate chiar decenii până cand sursele de energie alternativă (solară, eoliană, biomasă) își vor face loc pe piața energetică mondială. Un studiu al companiei Shell arăta că energia alternativă ar putea furniza 5-10% din necesarul mondial în următorii 25 ani și până la 50% din consumul mondial de energie până la mijlocul secolului al XXI-lea. Însa în prezent, deși cantitatea de energie potențială din astfel de surse regenerabile și nepoluante este mai mare decat necesarul mondial de energie, doar o mica parte este transformată în energie electrică la un preț rezonabil.

Nivelul rezervelor (estimările EIA (Energy Information Administration) privind resursele de petrol, cărbune și gaz)

Petrol: 1.050.691 – 1.277.702 milioane de barili (167-203 km³) 2003-2005

Gaze: 171.040 – 192.720 km³ (1.239 miliarde barili echivalent petrol 2003-2005)

Cărbune: 981.000 milioane de tone (4.786 miliarde barili echivalent petrol) (2004)

Fig.1 Nivelul rezervelor estimate de EIA privind resursele de petrol , gaz, și cărbune

Numărul de ani pentru care se consideră că mai există posibilități de exploatare (în cele mai optimiste estimări) (Oil & Gas Journal, World Oil)

Petrol: 1.277.702/77/365= 32 de ani

Gaz: 1.239.000/47/365= 72 de ani

Cărbune: 4.786.000/52/365= 252 de ani.

Fig.2. Numărul de ani pentru care se consideră că mai există posibilități de exploatare

Perspectiva epuizării într-un viitor nu prea îndepărtat a combustibililor fosili și nesoluționarea depozitării deșeurilor radioactive a îndreptat atenția oamenilor de știință și asupra unor resurse energetice neconvenționale, cunoscute într-o accepțiune mai largă ca „resurse regenerabile”. Dintre acestea menționăm: hidroenergia (energia hidraulică, energia termică a mărilor și a oceanelor și energia din hidrogen), energia eoliană, energia solară, energia geotermală și energia din biomasă.

Capitolul II
Stadiul actual privind utilizarea surselor de energie convenționale

2.1.Energia produsa de combustibilii fosili

Combustibilii fosili sunt hidrocarburi, cărbune, petrol sau gaze naturale, formate din rămășițele fosilizate ale plantelor și animalelor moarte. Teoria organică a formării hidrocarburilor din aceste resturi organice a fost emisă de către Mikhail Lomonosov în 1757. Există și o teorie anorganică a formării țițeiului formulată în 1929 de chimistul român Ludovic Mrazek.

În vorbirea curentă, termenul „combustibil fosil” include și resursele naturale cu conținut de hidrocarburi, dar care nu provin din surse animale sau vegetale. Acestea sunt denumite mai corect combustibili minerali.

Combustibilii fosili au făcut posibilă dezvoltarea impresionantă a industriei din ultimele secole și înlocuirea utilizării pe scară largă a lemnului și turbei pentru încălzire.

„Combustibil fosil” este termenul folosit pentru depozite geologice subterane de materii organice formate din plante și animale putrezite care s-au transformat în țiței, cărbune, sau gaze naturale, sub acțiunea căldurii și a presiunii din scoarța terestră, de-a lungul sutelor de milioane de ani.

Pentru a genera electricitate, energia degajată de arderea combustibililor fosili este adesea folosită pentru a pune în mișcare o turbină. Generatoarele mai vechi foloseau adesea aburul obținut prin arderea combustibililor pentru a pune în mișcare turbina, dar în generatoarele moderne, se folosesc direct gazele de ardere ale combustibililor.

În lumea modernă a secolelor 20 și 21, setea de energie provenită din combustibili fosili, mai ales pentru benzină, provenită din petrol, este una din cauzele majore ale conflictelor globale și regionale. S-a născut astfel o mișcare globală spre generarea de energie regenerabilă, pentru a ajuta la satisfacerea nevoilor crescânde de energie.

Arderea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre.

Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea cantității globale de dioxid de carbon.

Emisiile anuale de dioxid de carbon, defalcate pe diferiți combustibili, în perioada 1800-2004. Arată rata crescândă de utilizare a acestora.

Principiul cererii și ofertei sugerează că diminuarea rezervelor de hidrocarburi duce la creșterea prețurilor acestora. Ca rezultat, exploatarea surselor de energie alternativă, considerate ineficiente economic să devină eficiente. Benzina artificială și alte surse de energie regenerabilă necesită tehnologii de producție și procesare mai scumpe decât exploatarea rezervelor convenționale de petrol, dar pot deveni economic viabile în viitorul apropiat.

În aceste calcule se consideră că producția poate continua la un nivel constant pentru numărul respectiv de ani și că întregile rezerve pot fi exploatate. În realitate, consumul tuturor celor trei resurse este în creștere, adică acestea se vor termina mai repede. Totuși, curba consumului se aseamănă cu un clopot, adică la un moment dat, după atingerea unui maxim pentru fiecare caz, consumul va începe să scadă, până când se ajunge ca exploatarea zăcămintelor să nu mai fie economic fezabilă sau chiar imposibilă.

Această discuție subliniază echilibrul global al energiei. Este de asemenea importantă înțelegerea raportului dintre rezervă și consumul anual (R/C), în cazul fiecărei țări. De exemplu, politica energetică a Marii Britanii recunoaște că valoarea R/C pentru Europa este 3, foarte joasă față de standardele mondiale și deci expune regiunea unei vulnerabilități energetice. Marea Britania, de exemplu, se bazează încă pe combustibilii fosili ca resursă principală de energie.Care ar putea fi Combustibilul viitorului, este încă foarte controversat.

2.1.1.Efecte asupra mediului

În Statele Unite, peste 90% din emisiile de gazele cu efect de seră provin din arderea combustibililor fosili. Vezi încălzire globală. În plus, prin ardere se produc și alți poluanți, ca oxizi de azot, dioxid de sulf, componente organice volatile și metale grele.

Arderea combustibililor fosili generează acid sulfuric și azotic, care cade pe Pământ ca ploaie acidă, având un impact atât asupra mediului natural cât și asupra mediului artificial. Sculpturi și monumente construite din marmură sunt în mod deosebit vulnerabile, deoarece acizii reacționează cu carbonatul de calciu.

Combustibilii fosili conțin și materiale radioactive, mai ales uraniu și toriu, care este emanat în atmosferă. În anul 2000 au fost emise în atmosferă circa 12.000 de tone de toriu și 5000 de tone de uraniu prin arderea cărbunelui. Se estimează că în cursul anului 1982, cărbunele ars în SUA a eliberat în atmosferă de 155 de ori mai multă radiație decât incidentul Three Mile Island.Arderea cărbunelor generează și imense cantități de zgură și funingine.

Exploatarea, procesarea și distribuția de combustibili fosili poate crea și alte probleme mediului. Metodele de exploatarea cărbunelui, îndeosebi exploatarea în cariere de suprafață creează multe probleme, în timp ce forajele maritime sunt un pericol pentru organismele acvatice. Rafinăriile de petrol constituie reale amenințări asupra mediului. Transportul cărbunelui necesită locomotive diesel, iar petrolul este transportat de către petroliere, toate acestea arzând combustibili fosili.

Reglementările de mediu încearcă o varietate de abordări, cum ar fi controlul cantităților de poluanți și a tehnologiei folosite, subvenții economice sau programe voluntare pentru a limita aceste emisii.

2.2.Utilizarea rezervelor de cărbune

Cărbunele este o rocă sedimentară de culoare brun – neagră cu proprietăți combustibile formată prin (carbonizare) îmbogățirea în carbon (în condițiile lipsei oxigenului) a resturilor unor plante din epocile geologice. Procesul de incarbonizare a plantelor preistorice s-a produs cu milioane de ani în urmă, prin două procese mai importante:

faza biochimică produsă de bacterii și ciuperci care transformă celuloza și lignina din plante;

faza geochimică, faza propriu zisă de incarbonizare, care se produce la temperaturi și presiuni ridicate formându-se într-un timp îndelungat huila și antracitul. Acest proces are ca rezultat o îmbogățire de peste 50 % din volum în carbon.

Materia inițială de bază din care ia naștere cărbunele sunt resturi de plante fosile, care constau mai ales din feriga uriașă(Pteridopsida sau Polypodiopsida) care în urmă cu 400 de milioane de ani alcătuia adevărate păduri, azi feriga are între 9000 și 12000 de varietăți.

După moartea lor aceste plante se scufundau în mlaștină unde fiind izolate de aerul atmosferic urmează o serie de procese anaerobe, în primele faze se formează turba.

Prin migrația mărilor aceste mlaștini au fost acoperite cu sedimente, creându-se temperaturi și presiuni ridicate, care intensifică procesele de încarbonizare, presiunea elimină apa din turbă astfel ia naștere cărbunele brun.

Dacă aceste presiuni mari persistă mai departe se continuă eliminarea apei din cărbunele brun rezultând cărbunii cu cea mai mare putere calorifică, huila și în final antracitul care este în același timp și cărbunele cel mai vechi. La antracit procentul de carbon ajunge la 90 – 96 %.

Zăcămintele de huilă s-au format cu cca. 280 – 345 milioane de ani în urmă, constituind azi una dintre principalele resurse energetice ale globului. Cărbunele brun este un cărbune mai tânăr formându-se în peroada terțiară în urmă cu 2,5 – 65 milioane de ani.

În tehnică, compoziția cărbunilor se exprimă parțial în elemente chimice, carbon (C), hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) și sulf (S), parțial în substanțe ca masa minerală și umiditatea .

Compoziția se poate exprima ca:

masă organică, care conține C, H, N, O și S din combinațiile organice;

masă combustibilă , care conține și S din combinațiile minerale (pirite), care arde și el,

adică tot ce arde – ceea ce nu arde (masa minerală plus umiditatea) este balastul;

masă anhidră, care conține și masa minerală, adică tot, mai puțin apa;

masa uscată la aer (masa pentru analiză), care conține și umiditatea de constituție și cea

higroscopică, compoziție folosită în determinările de laborator, fiind stabilă;

masa inițială (en:raw), care conține și umiditatea de îmbibație, adică compoziția

cărbunelui introdus în focare.

În timpul încălzirii, din cărbune se degajă gaze combustibile, numite materii volatile. Cu cât se degajă mai multe materii volatile, cu atât cărbunele se aprinde mai ușor.

Prin aprindere și ardere cărbunele degajă căldură. Cantitatea de căldură eliberată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil (aici cărbune) este puterea calorifică (sau căldura de ardere) a combustibilului, care în SI se exprimă în MJ/kg. În practică, utilă este puterea calorifică inferioară (Qi).

Rezervele de cărbuni pe glob estimate în anul 2004 au fost de 783,1 miliarde de tone, din care 27 % aparține SUA, 16 % Rusiei, 12 % Chinei, 12 % Indiei, 7 % Uniunii Europene și 7 % Australiei.
Aceste rezerve, dacă se continuă folosirea cărbunilor în același ritm ca în anul 2003 (3,8 miliarde de tone), ar acoperi necesarul globului pe o perioadă de 203 ani. Rezervele de cărbune ale României, aflate în evidența națională la începutul lui 2007, sunt următoarele: huilă 721 mil.tone; cărbune brun 65 mil.tone; lignit 3.400 mil.tone.

Tab.1 Exploatarea rezervelor de cărbune la nivel mondial

2.3.Hidroenergia

Energia hidroelectrică, sau hidro electricitatea, reprezintă generarea de electricitate cu ajutorul unor turbine angrenate de apă. Energia hidroelectrică are aplicații în tehnologii mult mai vechi care au fost folosite timp de câteva secole pentru a transforma energia apelor curgătoare (energia hidro) în alte forme de energie mult mai accesibile și mai folositoare, de exemplu morile de apă. Energia hidroelectrică se bazează pe faptul ca curgerea de apă are un debit regulat și adecvat, și o cădere suficienta de înălțime.

Energia hidroelecrică este cu siguranță cea mai raspandită și cea mai matură aplicație a energiei regenerabile. 22% din productia mondială de energie provine de la hidro centrale, multe dintre ele sunt hidrocentrale de putere mica (SHP) care produc mai putin de 10 MW; sunt mai mult de 17400 de astfel de hidrocentrale în Europa.

Energia hidroelectrică se bazeaza pe o tehnologie matură care a evoluat în ultimii 100 de ani.Tehnologia a fost adaptată pentru toate domenile de aplicații:

Hidrocentrale PICO-electrice: <5kW

Hidrocentrale MICRO și MINI-elecrice : 5kW – 100kW

Hidrocentrale mici: 100kW-10M

Hidrocentrale mari: >10MW

Se pot folosi configurații, depinzând de condițiile topografice și hidrologice, dar toate adoptă același principiu general. Pentru a determina potențialul energetic al apei curgătoare dintr-un râu sau pârău este necesar să se determine atât debitul cât și căderea de apă. Debitul este cantitatea de apă care curge prin dreptul unui punct într-o perioadă de timp dată. Unitățile de măsura folosite sunt: l/sec și m3 /sec. Căderea este înalțimea verticală, în metri, de la turbina (punctul în care energia este extrasă din apă) până în punctul unde apa intra în canalul de admisie.

Energia se pierde atunci cand este convertită dintr-o forma în alta. Turbinele relativ mici au în foarte puține cazuri un randament mai mare de 80%; restul de 20% este alcatuit din energie cinetică și zgomot. Se va pierde și energie prin țevi sau canale datorită frecarii. Printr-o concepție atentă aceste pierderi pot fi minimizate.

2.3.1. Tehnologia turbinelor

Din varietatea de componente dintr-o hidrocentrală, turbina este componenta de baza în producerea de energie. Deoarece reprezintă o parte majoră din costul instalației și definește recuperarea investiției, turbina trebuie să fie cât mai eficienta în raport cu costul ei. Sunt tipice doua categorii de turbine, dar există multe modificari și rafinamente în cadrul acestor categorii.

• Turbinele cu cădere mare de apa sunt ideale pentru apele rapide.

• Turbinele cu cădere joasa de apa sunt ideale pentru apele lente.

Tehnologia pentru turbinele hidroelectrice mici este acum destul de matură, ca rezultat al unor cercetări intensive și sistematice pentru optimizarea echipamentelor specifice hidrocentralelor.

Proiectarea turbinelor hidroelectrice mici trebuie să îndeplinească trei cerințe:

• simplitate (costuri reduse)

• randament mare

• fiabilitate maxima (întreținere minima și ușoară)

Sistemele hidro-energetice prezintă următoarele beneficii:

-Energia hidro-electrică este o sursa de energie electrică regenerabilă continuă
-Energia hidro-electrică nu poluează (nu exista emisii de căldura și gaze toxice)
-Energia hidro-electrică nu are costuri de carburant și are costuri de operare și intreținere mici
– Tehnologia pentru producerea energiei hidro-electrice, este o tehnologie care oferă o operare

flexibilă și sigură

– Centralele hidro-electrice au o viață lungă și foarte multe dintre ele funcționează de mai bine de

jumătăte de secol și sunt încă foarte eficiente

– Stațiile hidro-electrice au un randament de peste 80%

Alte motive pentru folosirea hidro-energiei pico sunt:

– La scara globală exista o piață foarte mare în țările în curs de dezvoltare, pentru sistemele hidro

pico (pana la 5kW).

– Echipamentele pico hidro sînt mici și compacte. Ele pot fi transportate cu ușurință în zone

izolate și inaccesibile.

– Este posibilă producerea locală a componentelor. Principiile de design și procesele de fabricație

pot fi învățate cu usurință.

– Numărul de case conectate la fiecare schemă este de obicei mic, sub 100 de case. Astfel este

ușor să se strangă capitalul necear și să se facă intreținerea și colectarea de taxe.

– Concepute cu multa atenție schemele pico hidro au un cost mai mic pe kW decat cele solare sau

eoliene. Generatorul diesel, deși inițial mai ieftin, are un cost pe kW mai mare în timpul vieții,

deoarece acesta este asociat costului de combustibil.

2.4.Energia atomică. Centralele atomice

Față de perspectiva epuizării resurselor clasice de energie, energetica nucleară este privită ca o alternativă valabilă tehnic pentru perioada imediat următoare.

Descoperirea fisiunii nucleare, pe lângă oferirea posibilității de verificare experimentală a teoriilor ensteiniene cu privire la relația dintre masă și energie, a oferit o nouă perspectivă de obținere a necesarului de energie a omenirii.

Descoperirea neutronului în 1932 de către James Chadwick a dat posibilitatea lui Enrico Fermi și apoi lui Otto Hahn, Lise Meitner și Fritz Strassmann să încerce să obțină noi elemente artificiale radioactive prin iradierea neutronică.

În 1940 Erwin Mattison și Glen Seaborg obțin primele elemente transuraniene, neptuniul și plutoniul.

Hahn și Strassmann descoperă în 1939 fisiunea nucleară prin bombardarea cu neutroni a nucleului de uraniu. Imediat L.Meitner și nepotul ei Otto Frish interpretează teoretic fenomenul de fisiune nucleară. Joliot Curie, Halban și Kowarski evidențiază și cei 2 – 3 neutroni eliberați după fisiunea nucleară pe lângă cele două fragmente de

fisiune deja depistate.

Fermi, Dunning și Szilard obțin rezultate încă din 1939 privind reacția de fisiune în lanț autoîntreținută.

În 2 decembrie 1942 sub tribunele stadionului Stagg Field al Universității din Chicago, Enrico Fermi reușește să aducă în stare funcțională primul reactor nuclear conținând 400 t de grafit, 6 t de uraniu și 50 t de oxid de uraniu pentru o putere efectivă de 2 kW.

La universitatea din Columbia, Dunning realizează succese în obținerea de uraniu îmbogățit prin difuzie gazoasă.

Ca de multe ori în istoria umanității, considerente militare capătă prioritate. Din 1942 se preconizează producerea și testarea bombei atomice.

Sub conducerea lui Oppenheimer în 1943 și 1944 la Los Alamos se construiește prima bombă nucleară experimentată la 16 iulie la Alamogordo.

După faza construcției reactorilor nucleari de cercetare clasici, în 1946 la Los Alamos intră în exploatare primul reactor cu neutroni rapizi folosind Pu-239. Se demonstrează astfel posibilitatea reproducerii combustibilului nuclear și deci și

oportunitatea producerii de energie electrică.

Prima centrală nuclearo-electrică echipată cu reactori cu uraniu îmbogățit și apă sub presiune ca agent de răcire intră în funcțiune la Shippingport, Pensylvenia, la 2 decembrie 1957, realizând o putere de 60 MW.

La 1 ianuarie 1988 erau în funcțiune 417 reactori energetici în 26 de țări cu o putere instalată de 29700 MWe, iar în construcție alți 120 de reactori. La nivelul anilor 1995, în trei țări ponderea energiei electrice produse de CNE depășește 50%, iar în alte nouă țări se situează între 25 -50%.

Ponderea energiei electrice produse în CNE se apreciază la 20% în 1990 în balanța mondială a producerii energiei.

2.4.1.Procese energetice în reactorul nuclear

Înțelegerii fenomenelor dintr-un reactor nuclear îi sunt suficiente conceptele de structură ale atomilor la nivelul de electroni, protoni și neutroni ca particule fundamentale. Neutronul și protonul se găsesc și sub denumirea generică de nucleoni.

Dacă N este numărul de neutroni al unui nucleu atomic, Z cel de protoni, deci A=Z+N este numărul de nucleoni. Z reprezentând și numărul de electroni egal cu cel al protonilor se va numi numărul atomic, iar A numărul de masă.

Nucleele stabile conțin aproximativ același număr de protoni și neutroni. Dacă există un exces de neutroni în nucleu, când se depășește o anumită limită, nucleul devine instabil. Starea de instabilitate depășită se manifestă prin dezintegrări radioactive și emiterea de radiații nucleare, fenomen evidențiat în 1896 de H. Becquerel și aprofundat apoi de Marie Curie. Radioactivitatea se manifestă prin emisie de particule,(- sau +) și captura unui electron orbital. Aceste manifestări pot sau nu să fie însoțite și de radiații γ. Producerea radioactivității este determinată în esență de raportul N/Z care caracterizează gradul de instabilitate al nucleului și relația masă- energie existentă între nucleul inițial și particulele emise.

Radiațiile α sunt reprezentate de nucleele de heliu emise de izotopul radioactiv atunci când raportul N/Z are valori mici. O particulă α este încărcată pozitiv și este formată din doi protoni și doi neutroni. Particulele α emise au o energie mare.

Radiațiile β sunt formate din electroni ejectați din nucleele instabile. Aceste ra- diații sunt caracteristice pentru nucleele cu exces de neutroni, aceștia transformându-se în protoni. Radiațiile β se caracterizează prin emisii cu energie continuă într-un spectru foarte larg. Există o diferență între nivelul de energie teoretic și cel existent în particulele β emise, diferență preluată de particulele neutrino (γ). Aceste particule provin din trecerea unui neutron într-un proton și electron:

0 n1 →1p1 +1e0 +ν

Radiațiile γ sunt emise de nucleele excitate și sunt radiații electromagnetice. Nucleele excitate după emiterea de fotoni pot reveni în stări energetice fundamentale.

Captura K caracterizează nucleele care nu se stabilizează prin emisie de protoni, cu un deficit de neutroni și în consecință aceste nuclee captează un electron de pe statul K, cel mai apropiat nucleului. Legea fundamentală care guvernează radioactivitatea se referă la constanța în timp a probabilității de dezintegrare a unui radionuclid.

Reacțiile neutronice sunt cele ce au loc între neutroni și nuclee, cea mai importantă fiind reacția de fisiune nucleară. În acest caz, sub impactul unui neutron accelerat nucleul se sparge în două fragmente de fisiune. Are loc și o eliberare de doi, trei neutroni rapizi, cât și o cantitate mare de energie

Fisiunea unui kilogram de U235 eliberează o cantitate energie de 2.930.000 ori mai mare decât energia obținută prin arderea unui kilogram de combustibil clasic.

Fig. 2.1. Reacția de fisiune nucleară

Produsele de fisiune sunt radioactive și au timpul de înjumătățire cuprins între microsecunde și mii de ani. Dintre neutronii de fisiune peste 99% sunt neutroni prompți, adică eliberați în 10-4s, iar cei în proporție de 1% sunt neutroni întârziați. Aceștia din urmă sunt de o importanță deosebită în comportarea dinamică a reactorului.

Pentru evidențierea cantitativă a interacțiunii dintre radiațiile nucleare și mediu se introduc mărimi fundamentale ca:

-Activitatea. Caracterizează intensitatea sursei radioactive și se xprimă prin numărul de dezintegrări în unitatea de timp. Are ca unități de măsură 1 Bq (becquerel) = 1 dezintegrare/s sau 1 Ci (curie) = 3,7•1010 dezintegrări/s.

-Doza absorbită. Definește cantitatea de energie transferată unei unități de material absorbant de radiații. Are ca unități de măsură 1 Gy (grey) = 1 J/kg sau 1 rad = 100 erg/g, deci 1 Gy = 100 rad.

-Echivalentul de doză. Pentru că radiațiile nucleare produc efecte biologice diferite pentru aceeași doză absorbită se va evidenția factorul de calitate al radiației incidente. Ca unitate de măsură se folosește Sievertul (Sv) reprezentând echivalentul de doză pentru țesutul expus radiației, având factor de calitate unitar atunci când doza absorbită este de 1 Gy. Se mai folosește ca unitate de măsură și rem-ul (roentgen equivalent man) cu relația: 1 Sv = 100 rem.

– Secțiunea nucleară. Măsurarea sau calculul probabilității de producere a unei reacții nucleare se exprimă prin secțiunea nucleară sau secțiunea eficace nucleară.

Numărul mediu de neutroni emiși la fisiunea izotopului U235 este de 2,43. Dacă cel puțin unul din aceștia va determina o altă reacție de fisiune vor rezulta alți neutroni care pot întreține în continuare reacția, care devine reacție de fisiune în lanț. Ea constituie fenomenul esențial dintr-un reactor nuclear.

Se poate calcula energia produsă prin fisiune nucleară în lanț din fisiunea tuturor nucleelor aflate într-un gram de U235 știind că fisiunea unui nucleu eliberează cca. 200 MeV. Numărul lui Avogadro, egal cu 6,022•1023, reprezintă numărul de nuclee existente într-un atom gram. Deci nucleele existente într-un singur gram al izotopului U235 vor fi:

6,022•1023/235=2,56•1021.

Deci energia eliberată este 2,56•1021•200 MeV, ceea ce corespunde aproximativ la 1 MW produs în 24 de ore.

Aceeași energie s-ar obține într-o termocentrală prin arderea a 2570 kg cărbune. Cantitatea minimă de material fisionabil care poate asigura o fisiune nucleară în lanț autoîntreținută se numește masă critică. Pentru U235 masa critică variază între 1 kg și 200 kg funcție de caracteristicile reactorului, dimensiunile lui și de dinamica neutronilor. Aceasta din urmă se poate caracteriza prin factorul de multiplicare dat de raportul neutronilor produși într-o generație și cel din generația precedentă. Pentru o fisiune nucleară staționară densitatea neutronilor este constantă, factorul de multiplicare este deci unitar și se spune că reactorul a atins starea critică. Generația de neutroni definește mulțimea neutronilor existenți în reactor între două fisiuni succesive. Viața neutronilor în reactor este de ordinul microsecundelor. Pentru a evita posibilitățile de scăpare a neutronilor din reactor, acesta va fi prevăzut spre exteriorul lui cu un reflector realizat dintr-un material slab absorbant de neutroni. La reactorul CANDU reflectorul este realizat dintr-o zonă circulară de apă grea.

Moderarea reprezintă procesul de încetinire a neutronilor ultrarapizi rezultați în urma fisiunii nucleare. Această încetinire are loc până la o viteză a neutronilor corespunzătoare emiterii de către aceștia a energiei termice. Un neutron moderat se mai numește și neutron termic.

Moderarea neutronului este urmarea ciocnirilor elastice și neelastice ale acestuia cu nucleele mediului moderator aflat în zona activă a reactorului.

Prin moderare, energia neutronului scade de la 2 MeV la aproximativ 0,025 eV. Pentru creșterea pierderii de energie a neutronului moderatorul va trebui să fie format din nuclee ușoare. Materialele folosite ca moderatori își probează calitățile prin puterea de moderare, proporțională cu decrementul logaritmic mediu al energiei neutronului, și coeficientul de moderare, rezultat prin raportarea puterii de moderare la secțiunea efectiv nucleară macroscopică a neutronilor.

Dintre substanțele moderatoare se remarcă apa grea, D2O, având cel mai bun coeficient de moderare și necesitând circa 36 de ciocniri ale neutronului rapid până la termizarea lui. Reactorii CANDU folosind combustibil nuclear uraniul natural au ca moderator apa grea, aceasta având și secțiunea nucleară de absorbție a neutronilor foarte mică.

Grafitul, cu un coeficient de moderare bun, este folosit la reactorii de tipul GCR (Gas Cooled Reactor – reactor răcit cu gaz) și AGR (Advanced Gas Cooled Reactor – reactor avansat, răcit cu gaz). Grafitul determină termizarea neutronului după 115 ciocniri succesive.

Apa ușoară are proprietăți bune pentru moderarea neutronilor, dar produce absorbții parazite de neutroni. În consecință va fi folosită numai în reactorii funcționând cu uraniu îmbogățit de tipul PWR (Pressurized Water Reactor – reactor cu apă sub presiune), BWR (Boilling Water Reactor – reactor cu apă în fierbere) sau VVER (Vodo Vodianoi Energheticeskii Reactor – reactor energetic apă-apă). Apa ușoară reușește termizarea neutronului după 20 de ciocniri succesive. Se folosesc ca moderatori și beriliul (Be) sau oxidul de beriliu (BeO).

Neutronii eliberați în urma fisiunii nucleare și aflați în reactor constituie un gaz de netroni. Cunoașterea comportării acestui gaz de netroni, distribuția lui în zona activă a reactorului este foarte importantă în evoluția reacției de fisiune și de producere a puterii în reactor.

2.4.2.Arderea combustibilului nuclear

Arderea combustibilului nuclear este un proces bazat pe reacțiile de fisiune nucleară și pe reacții de transmutanță. Acest lucru este condiționat de:

consumarea nucleelor de U235 prin fisiunea cu neutronii termici;

consumarea nucleelor de U238 prin fisiunea cu neutronii rapizi și transformarea lor în nuclee de Pl239 (plutoniu);

– consumarea nucleelor de U239 prin fisiunea cu neutronii termici

Arderea combustibilului modifică condițiile de criticitate datorită schimbării compoziției și concentrației de nuclee fertile și fisionabile. Fluxul de neutroni este maxim la început în zona centrală a reactorului. Aici atinge un maxim transformarea materialului fertil în unul fisil și deci și un maxim de producere a samariului și xenonului. Aceste două aspecte duc la micșorarea fluxului inițial de neutroni și deci la transferarea locului de maxim al reacției de fisiune. Fenomenul de ardere al combustibilului nuclear determină menținerea condițiilor de criticitate a reactorului.

Sunt necesare o încărcare și distribuire a combustibilului proaspăt în zona activă a reactorului.

Dar până la obținerea formei și compoziției necesare pentru a fi introdus în reactor, combustibilul nuclear trece prin mai multe faze pregătitoare.

Produsul cu concentrație de uraniu necesară, numit și yellow-cake, parcurge anterior etapele [3], [4]:

Etapa I: Îmbogățirea pe cale fizică a minereului de uraniu.

Etapa II: Dizolvarea minereului de uraniu prin solubilizări acide sau alcaline.

Solubilizarea acidă se realizează printr-un consum mare de acid sulfuric, acid azotic, acid clorhidric, care dau naștere la reacții de oxidare desfășurate la presiuni de 4 -12 bar.

Solubilizarea alcalină se realizează prin amestecarea minereului de uraniu cu soluții de carbonat de sodiu. Soluția astfel obținută se barbotează cu aer sub presiune în zona temperaturii de fierbere. Soluțiile obținute prin cele două metode se filtrează în vid și se separă elementele compoziției obținute.

– Etapa III: Purificarea și extragerea compușilor de uraniu. Indiferent de metoda adoptată se repetă ciclic purificări și reextracții ale uraniului cu randamente până la 80%.

Acest amestec trebuie să conțină să- ruri sau oxizi de uraniu cu o concen- trație de 70 -75%. Standardele impun o concentrație minimă de uraniu de 60%, umiditate sub 10% și impuritățile se limi- tează la 10%, vanadiu, 6% fosfor, 0,2% bor, 10% sulfat, 2% carbonat. Acest amestec se livrează sub formă de pulbere sau granule.

Fig.2.2. Fascicul de combustibil CANDU.

Yellow-cake se va modela sub forme cilindrice, sferice sau tubulare, care apoi sunt acoperite cu o teacă protectoare. Această teacă este confecționată din zirconiu, care rezistă bine la acțiunea corozivă a agentului de răcire cu care vine în contact în procesul transferului călduri din reactor. Se mai folosesc în locul zirconiului beriliu sau aliaje de aluminiu cu magneziu. La reactoarele CANDU-PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor – reactor cu apă grea sub presiune) combustibilul de află sub formă de bare în număr de 37, dispuse pe trei cercuri concentrice. Acest lucru este redat în fig.2. pentru centrala CANDU-PHWR.

2.4.3.Controlul reacției nucleare

Controlul reactorului nuclear va asigura pornirea reactorului, aducerea lui la puterea cerută, funcționarea la putere constantă și oprirea în condiții normale sau de avarie.

Pentru pornirea reactorului este necesară asigurarea condițiilor de criticitate și de realizare a coeficientului de multiplicare k=1. În acest caz fluxul de neutroni este constant în timp și reacția de fisiune nucleară devine staționară. Realizând k > 1, deci creșterea numărului de neutroni ai unei generații față de cea anterioară, crește densitatea fluxului de neutroni și va crește și puterea reactorului.

Alimentarea cu combustibil al reactorului este discontinuă în timp, lucru ce impune existența la pornire a unui exces de combustibil față de cel critic. Acest fapt determină un exces de reactivitate. Este necesară însă existența unei rezerve de reactivitate și în exploatarea reactorului. Rezultă că în exploatarea normală a reactorului controlul reacției se realizează prin controlul excesului de reactivitate existent.

Metoda clasică de control a reactorului nuclear constă în folosirea barelor de control. Acestea sunt compuse din materiale care absorb puternic neutronii. Exemple de astfel de materiale sunt aliajele de cadmiu, indiu și hafniu sau aliaj al oțelului cu borul. Aceste bare se introduc în zona activă a reactorului și determină absorbții parazite de neutroni reducând fluxul neutronilor.

Barele de reglaj sunt în număr foarte mare și forme diferite pentru a realiza o absorbție uniformă de neutroni. La introducerea completă a barelor de reglaj reactorul trece în starea subcritică și reacția de fisiune în lanț se oprește.

O altă metodă de reglaj și control a reactorului constă în dizolvarea de otrăvuri în moderator. Acidul boric (H3BO3) este o astfel de otravă pentru BWR, el absorbind neutroni. La reactorul CANDU controlul reactorului se realizează prin urmărirea nivelului de moderator, adică a apei grele.

Xenonul (Xe135) și samariul (Sm149) sunt produse de fisiune nucleară care absorb neutroni în mod parazit și se vor numi otrăvuri pentru reactor. Primul este instabil cu o perioadă de înjumătățire de 9,2 h, iar al doilea este stabil.

La oprirea reactorului încetează producerea Xe135 prin fisiune nucleară, dar continuă apariția lui prin dezintegrarea iodului I135 existent în reactor. Crește în acest fel concentrația de Xe135, concentrație care scade apoi prin dezintegrarea proprie. Această dinamică a concentrației depinde de intensitatea fluxului de neutroni existent înaintea opririi reactorului.

Timpul de otrăvire cu Xe a reactorului CANDU este de 32 h după oprire, timp mort, când reactorul nu poate fi pornit.

De asemeni, la salturile de putere ale reactorului, îndeosebi la scăderea puterii acestuia, apar concentrații mărite de Xe și deci posibilitatea apariției otrăvirii reactorului. Se impune existența în reactor a unui exces de reactivitate pentru compensarea otrăvirii cu Xe135.

Samariul, Sm149, fiind stabil, eliminarea acestuia se poate realiza numai prin

captură neutronică. Cum Sm149 are o secțiune de captură mai mică decât Xe135, la oprirea reactorului acumularea de Sm149 se face mai lent și maximul concentrației acestuia apare după ce a trecut maximul concentrației de Xe135.

În CNE scopul funcționării reactorului energetic este de a produce căldură, fenomen prezentat anterior. În proiectarea unui reactor nuclear nivelul de putere al acestuia este limitat de aspectul termic și nu neutronic.

Într-o singură reacție de fisiune nucleară se eliberează aproximativ 200 MeV care se repartizează astfel: 84% energie cinetică a fragmentelor de fisiune, 4% ca energie de dezintegrare prin radiații β, 3,5% energie în radiații γ, 2,5% ca energie a neutronilor de fisiune, restul de 6% se găsește în energia radiațiilor γ de captură. Energia termică se eliberează diferit și în locuri diferite în zona activă a reactorului. Astfel s-a stabilit experimental următoarea balanță: 90% în zona activă, 4% în moderator, 1% în protecția biologică și 5% este energia pierdută în particule neutrino.

Transferul de căldură se realizează prin conducție în interiorul combustibilului nuclear spre teaca de protecție, iar de la suprafața tecii spre agentul de răcire prin convecție.

Combustibilul nuclear folosit frecvent în prezent este sub formă de ceramică de bioxid de uraniu (UO2) care s-a impus datorită comportării bune în condiții de iradiere. În schimb conductivitatea este scăzută.

Agentul de răcire evacuează căldura din zona activă a reactorului spre generatorul de abur. Odată parametrii aburului obținuți, evoluția lui cât și instalațiile componente sunt asemănătoare cu cele din CTE.

Se poate întâmpla ca o parte a agentului de răcire să se transforme în abur în interiorul canalelor de răcire. Dacă transformarea în abur este parțială se realizează doar un transfer de căldură convectiv mai bun. Dacă transformarea de stare este totală, atunci reactorul nuclear are și funcția de generator de abur.

Prin canalele de răcire practicate în masa combustibilului nuclear circulă ca agent de răcire unul din următoarele fluide de răcire: apa obișnuită care pentru a fi menținută în stare lichidă este supusă unor presiuni mari, apa grea, gaze ca CO2, He, amestec de He-Ne sau sodiu lichid. Fluidele de răcire fiind în contact direct cu masa combustibilului nuclear devin radioactive.

Se poate întâmpla ca o parte a agentului de răcire să se transforme în abur în interiorul canalelor de răcire. Dacă transformarea în abur este parțială se realizează doar un transfer de căldură convectiv mai bun. Dacă transformarea de stare este totală, atunci reactorul nuclear are și funcția de generator de abur.

Prin canalele de răcire practicate în masa combustibilului nuclear circulă ca agent de răcire unul din următoarele fluide de răcire: apa obișnuită care pentru a fi menținută în stare lichidă este supusă unor presiuni mari, apa grea, gaze ca CO2, He, amestec de He-Ne sau sodiu lichid. Fluidele de răcire fiind în contact direct cu masa combustibilului nuclear devin radioactive.

Diversitatea tipurilor de reactori nucleari este dată de tipul combustibilului nuclear, al moderatorului și al agentului de răcire.

Reactorii nucleari care folosesc același moderator și agent de răcire formează o filieră nucleară energetică.

O filieră nucleară se identifică după inițialele cuvintelor cheie care definesc moderatorul și modul de răcire, cuvinte din limba engleză. Reactorii nucleari construiți în fosta URSS au altă identificare.Tabelul 2. prezintă principalele filiere nucleare energetice:

Tabelul 2.1. Strategii și filiere energetice

GCR→Gas Cooled Reactor (Reactor răcit cu gaz)

AGR→Advanced Gas Cooled Reactor (Reactor avansat răcit cu gaz)

HTGR →High Temperature Gas Cooled Reactor (Reactor cu înaltă temperatură răcit cu

gaz)

THTGR→Thoriu High Temperature Gas Cooled (Reactor cu toriu de înaltă temperatură răcit cu gaz )

HWR →Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea)

PHWR →Pressurized Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea sub presiune)

BHWR →Boiling Heavy Water Reactor (Reactor cu apă grea în fierbere)

LWR →Light Water Reactor (Reactor cu apă ușoară)

PWR →Pressurized Water Reactor (Reactor cu apă sub presiune)

BWR →Boiling Wather Reactor (Reactor cu apă în fierbere)

LWBR →Light Water Breeder Reactor (Reactor reproducător cu apă ușoară)

SGHWR→Steam Generatin Heavy Water Reactor (Reactor moderat cu apă grea și răcit cu

apă ușoară în fierbere)

MSR →Molten Salt Reactor (Reactor cu săruri topite)

MSBR →Molten Salt Breeder Reactor (Reactor reproducător cu săruri topite)

FBR →Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni pozitivi)

LMFBR →Liquid Metal Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni rapizi, răcit cu metale lichide)

GCFBR →Gas Cooled Fast Breeder Reactor (Reactor reproducător cu neutroni rapizi, răcit cu gaz)

VVER →Vodo Vodianoi Energheticeskii Reactor (Reactor energetic apă-apă)

Se specifică faptul că un reactor este reproducător dacă numărul de nuclee fisonabile rezultate dintr-un nucleu fisonat este supraunitar.

Reactoarele răcite cu apă sau materiale organice ajung la temperaturi de 290 -340 ºC. Temperatura maximă a agentului de răcire este obținută la folosirea de metale lichide, ajungându-se la 500ºC.

Este important transferul căldurii spre exteriorul reactorului pentru a realiza obdiferență de temperatură între ieșirea și intrarea în reactor a fluidului de răcire Δt, cât mai mare. Această diferență are valori de la 20 – 35ºC și în cazul reactoarelor răcite cu apă, până la 235 – 240ºC la cele răcite cu metale topite.

Dacă răcirea este făcută cu apă lichidă pentru a asigura această stare a apei se impune folosirea de presiuni de 100 – 130 bar, presiune care scade la 10 – 25 bar pentru ceilalți agenți de răcire.

Agentul de lucru din turbină, aburul, trebuie să aibă temperatura și presiunea cât mai mare pentru a dezvolta lucrul mecanic necesar în turbină. Acești parametri depind de tipul agenților de răcire și de numărul treptelor circuitului termic. Dacă agentul de răcire este în același timp și agent de lucru, în centrală există o singură treaptă a circuitului termic. Se construiesc CNE cu două sau trei trepte ale circuitelor termice.

2.4.4.Scheme și circuite termice în CNE

Scheme cu un singur circuit

Acest caz este cel mai simplu constructiv. Cazanul din CTE este înlocuit cu reactorul nuclear care va reprezenta sursa de căldură cât și generatorul de abur. Acest ultim aspect se realizează prin transformarea de stare a agentului de răcire care devine agent de lucru în turbină. Acest agent este apa ușoară în BHWR. Schema termică de principiu a unei astfel de CNE este reprezentată în fig.3. Apa antrenată de pompa de alimentare a reactorului PAR ajunge în zona lui activă la starea de abur saturat.

Fig.2.3. Schema termică cu o treaptă.

Urmează destinderea în prima treaptă a turbinei până la un titlu acceptabil, după care aburul ajunge în separatorul de umiditate SU, micșorându-și conținutul de umiditate. O parte a aburului corespunzător acestei stări cedează căldură preîncălzitorului PA, iar cantitatea cea mai mare se destinde în treapta a doua a turbinei. Evoluția ciclică a agentului termic este asigurată de condensatorul Cd și pompa de condens Pcd.

Dezavantajul schemei este că aburul obținut este saturat și el este și radioactiv contaminând circuitul termic al centralei. Este deci necesară o protecție biologică.

Variante ale schemei cu o singură treaptă folosesc un tambur pentru separarea aburului umed TS, cât și o reîncălzire sau o supraîncălzire a aburului în reactor.

Scheme cu două circuite

Pentru a reduce contaminarea radioactivă a instalațiilor circuitului termic se separă circuitul agentului de răcire de cel al agentului termic. Apar deci două circuite distincte. În primul circuit se află reactorul nuclear, generatorul de abur, presurizatorul, pompa de alimentare a reactorului sau suflanta de gaze dacă răcirea de face cu gaz. Fluidul de răcire poate fi CO2 (GCR, AGR), apa grea (PHWR), heliu (HTGR) sau apa ușoară (PWR, VVER).

A doua funcție a reactorului la CNE cu un singur circuit, aceea de a genera abur, este preluată acum de o instalație specifică acestei funcții numită chiar generator de abur.

Primul circuit primar fiind radioactiv este containerizat în anvelopă. Al doilea circuit are acum caracterul clasic din CTE.

Generatorul de abur are două părți funcționale: economizorul și vaporizorul. Aburul obținut poate fi saturat sau supraîncălzit.

Pentru supraîncălzire se poate folosi o nouă trecere prin reactorul nuclear sau o instalație clasică funcționând cu combustibili fosili.

Fig.2.4. Variante de circuite termice cu două trepte în CNE. a) Cu abur saturat; b) cu abur

supraîncălzit clasic în circuitul termic.

Scheme cu trei circuite

Reactorii reproducători au o temperatură mult mai ridicată în zona activă. Se impune deci o evacuare mai eficientă a căldurii, lucru care duce la adoptarea sodiului lichid ca agent de răcire. Sodiul are însă reacții chimice explozibile în contact cu apa. Acest lucru duce la adoptarea unui circuit intermediar între cel primar și cel termic. În acest circuit intermediar circulă tot sodiul lichid. Pentru evitarea contactului cu apa din circuitul termic, generatorul de abur GA va fi construit cu pereți dublii. Costul lui ar fi fost mult mărit dacă se construia pentru parametrii circuitului primar. În fig.5. se dă schema cu trei trepte pentru un LMFBR cu o supraîncălzire intermediară și a aburului.

Fig.2.5. Circuit termic cu trei trepte în CNE.

În această variantă agentul de răcire intră în reactor cu 300ºC și iese cu 500ºC, iar aburul ajunge la 430ºC și 50 bar. Este cazul reactorului BN 350 de 1000 MW din fosta URSS.

2.4.5.Randamentul CNE

Randamentul unei CNE, ținând cont de specificul fenomenelor care apar în funcționare, este definit ca raportul energiei electrice produse și energia totală consumată de centrală. Deci apare ca un indicator global al CNE.

Randamentul CNE este limitat de randamentul ciclului termic care este mai mic decât la o CTE, datorită parametrilor mai mici ai aburului la intrarea în turbină.

Randamentul reactorului nuclear este aproape unitar, circuitul primar al agentului de răcire fiind unul închis. La CNE cu mai multe trepte în circuitul termic, randamentul fiecărui circuit intervine ca un factor în produsul randamentelor reactorului și al circuitului termic clasic.

CNE cu GCR realizează randamente între 19% și 41% în Anglia și 22% până la 31% în Franța . Reactorii nucleari CANDU din CNE funcționează la randamente până la 30%.

2.4.6. Deșeurilor radioactive rezultate din centralele atomoelectrice

Deșeurile radioactive rezultă din procesarea compușilor de uraniu utilizați drept combustibil nuclear în reactoarele termice. În figura este reprezentată o schemă a procesului tehnologic simplificată a circuitului combustibilului nuclear din care rezultă deșeurile radioactive . Aceste deșeuri pot constitui surse de contaminare radioactivă.

Aceste deșeuri rezultate în urma procesării combustibilului nuclear se împart în următoarele categorii :

deșeuri cu activitate scăzută (hârtie, îmbracaminte, echipament, pămînt contam.)

deșeuri cu activitate medie (materiale schibătoare de ioni, suspensii solide depuse în bazine unde se stochează combustibil nuclear)

deșeuri cu activitate ridicată (combustibilul uzat )

Fig. 2.6. Schema simplificată a circuitului combustibilului nuclear

Deșeurile cu activitate radioactivă scazută nu au nevoie de tratare și de aceea ele sunt încapsulate și stocate perpetuu în mod direct , prin îngropare la adîncimi mici în sol în diferite locuri sau prin imersare controlată în mare.

Deșeurile cu activitate radioactivă intermediară sunt încorporate în beton, diverse rășini sau bitum, considerate ca materiale inerte. O parte din aceste deșeuri pot fi stocate perpetuu prin scufundare în mare.

Deșeurile cu activitate radioactivă ridicată au nevoie de tratamente speciale în ceea ce priveste stocarea. De exemplu, în Anglia, ele sunt ținute în tancuri special răcite în amplasamente construite și supravegheate continuu de către Compania Britanică de Combustibili Nucleari de la Sellafield du Cumbria.

Odata solidificate, deșeurile trebuie ținute depozitate timp de secole, cu răcire corespunzatoare, supraveghere și renovare periodică a clădirilor de depozitare, aceasta fiind o povară pentru generațiile viitoare. Ecologiștii din Germania au transmis guvernului să analizeze posibilitatea lansării în spațiul interplanetar pe traictorii speciale a containelor ce prezintă riscuri majore de contaminare. Sigur această opțiune este cea mai sigură dar prezintă dezavantajul unor costuri foarte mari.

Opțiunea pentru stocarea perpetuă sub stratul freatic al oceanului nu este cea mai bună. În anul 2000 radioactivitatea Mării Baltice a crescut la cote alarmante datorită containerelor cu deșeuri radioactive depozitate de Rusia.

In ciuda îngrijorărilor larg manifestate de catre populație în legătură cu stocarea deșeurilor radioactive, rezută acum din unele studii efectuate de țări cu mare tradiție în utilizarea energiei nucleare, că există soluții tehnice pentru stocarea perpetuă (lichidarea) tuturor deșeurilor care există sau care vor fi produse. Important este găsirea locurilor pentru depozitare, cunoașterea exactă a structurii geologice pentru a exclude apariția unor riscuri chiar în cazul unui seism major. Pentru societate se pune problema ponderii pe care s-o dăm acum unei anumite probabilități privitoare la un efect dăunător în viitorul îndepărtat.

2.4.7. Accidente la centralele atomoelectrice

Accidentul nuclear de la Cernobîl

Accidentul nuclear de la Cernobîl a fost un accident major în Centrala Atomoelectrică Cernobîl, pe data de 26 aprilie 1986 la 01:23 noaptea, care s-a compus dintr-o explozie a centralei, urmată de contaminarea radioactivă a zonei înconjurătoare. Centrala electrică se afla la 51°23′23″N 30°5′58″E, în apropiere de orașul părăsit Pripiat, Ucraina. Acest dezastru este considerat ca fiind cel mai grav accident din istoria energiei nucleare. Un nor de precipitații radioactive s-a îndreptat spre părțile vestice ale Uniunii Sovietice, Europei și părțile estice ale Americii de Nord. Suprafețe mari din Ucraina, Belarus și Rusia au fost puternic contaminate, fiind evacuate aproximativ 336.000 de persoane. Circa 60% din precipitațiile radioactive cad în Belarus, conform datelor post-sovietice oficiale.

Accidentul a pus în discuție grija pentru siguranța industriei sovietice de energie nucleară, încetinind extinderea ei pentru mulți ani și impunând guvernului sovietic să devină mai puțin secretos. Acum statele independente – Rusia, Ucraina și Belarus – au fost supuse decontaminării continue și substanțiale. E dificil de estimat un număr precis al victimelor produse de evenimentele de la Cernobîl, deoarece secretizarea din timpul sovietic a îngreunat numărarea victimelor. Listele erau incomplete și ulterior autoritățile sovietice au interzis doctorilor citarea „radiație” din certificatele de deces. O eventuală tentativă de decelare a contribuției radiației emise din cauza accidentului la mortalitatea prin cancer în populația fostei Uniuni Sovietice e complicată de faptul că nu se cunoaște cu precizie nici măcar incidența naturală a multor tipuri de cancer, arhivistica medicală în U.R.S.S. fiind, în mod vădit, extrem de primitivă, atât înainte cât și după accident. Pernicioasei și proverbialei secretomanii a regimului sovietic i se adaugă deci, pentru a complica și mai mult o eventuală tentativă de estimare cu o precizie satisfăcătoare a numărului de victime afectate, în timp, de cancer, ca urmare a radioactivității emise cu ocazia accidentului, o serie de alți factori precum imposibilitatea determinării precise a dozei încasată de diversele segmente demografice afectate (deplasarea norului radioactiv n-a fost monitorizată și anunțată populației deasupra căreia acesta se afla la fiecare moment, drept pentru care oamenii nu s-au putut proteja, ramânând în case, pentru a diminua contaminarea și doza încasată), realitatea geopolitică fluidă (migrație internă și emigrație a populației potențial afectată) produsă de dezintegrarea statului sovietic, complicația adusă de o creștere a incidenței cancerului în populația fostei Uniuni Sovietice din alte motive decât radioactivitatea produsă de accident, ca urmare a degradării condițiilor sociale și de viață ale populației după dezintegrarea federației: după dezintegrarea statului sovietic, pe fondul sărăcirii populației și ca urmare a liberalizării comerțului și publicității la articole gen alcool și tutun, incidența maladiilor sociale gen alocoolismul și a comportamentelor de risc precum fumatul a crescut, fapt care a condus în mod natural și la creșterea incidenței bolilor provocate de acestea, printre care se află și cancerele (oral, gastric și hepatic, când e vorba de alcoolism, pulmonar și altele, când e vorba despre fumat). La populația care a intervenit inițial pentru limitarea consecințelor dezastrului (așa-numiții "lichidatori"), stresul provocat de teama de îmbolnăvire de cancer a indus uneori comportamente de risc care au condus la deces înainte ca un cancer, provocat sau nu de iraderea în timpul intervenției, să apară (cazul tânărului de 26 de ani Andrei Tarmosian, mort de ciroză, după 24 de ani de la accidentul de la Cernobîl, la vârsta de 50 de ani, ca urmare a consumului excesiv de alcool, este citat de anumiți autori).

Raportul Forului Cernobîl din anul 2005, condus de Agenția Internațională pentru Energie Atomică (AIEA) și Organizația Mondială a Sănătății (OMS), a atribuit 56 de decese directe (47 de lucrători și 9 copii cu cancer tiroidian) și a estimat că mai mult de 9.000 de persoane dintre cele aproximativ 6,6 de milioane foarte expuse pot muri din cauza unei forme de cancer. Raportul a citat 4.000 de cazuri de cancer tiroidian între copiii diagnosticați în 2002.

Deși în Zona de Excludere a Cernobîlului anumite zone restrânse vor rămâne închise, majoritata teritoriilor afectate sunt acum deschise pentru stabilizare și activitate economică.

Centrala Atomolectrică

CAE Cernobîl (51°23′14″N 30°06′41″E) se află în apropiere de orașul Pripiat, Ucraina, la 18 km nord-vest de orașul Cernobîl, la 16 km – sud de frontiera ucraino-belarusă și aproximativ 110 km nord de Kiev. Centrala a fost compusă din patru reactoare de tip RBMK-1000, fiecare capabil de producere a 1 GW de putere electrică. Construirea centralei a început în anii '70 ai secolului XX, cu reactoarele #1 (care a fost închis în anul 1977), #2 în 1978, #3 în 1981 și #4 în 1983. Două alte reactoare – #5 și #6 – erau în timpul construcției când a avut loc accidentul.

Acidentul

Sâmbătă, 26 aprilie 1986, la 01:23:58 am, reactorul #4 a suferit o explozie catastrofală a cazanelor sub presiune de abur din componența acestuia, care a declanșat un incendiu, o serie de explozii adiționale și fluidizare nucleară. Accidentul poate fi gândit ca o versiune extremă a accidentului SL-1 în Statele Unite din 1961, unde centrul reactorului a fost distrus (omorând trei oameni), radioactivitatea răspândindu-se direct în interiorul clădirii unde se afla SL-1. În timpul accidentului de la Cernobîl însă, aceasta a fost dusă prin vânt spre frontierele internaționale.

Accidentul de la Cernobîl a degajat între cinci și zece ori mai mult material radioactiv decât cel de la Fukushima (Japonia), de mai multe ori cantitatea de radiații emise de bombele de la Hiroșima și Nagasaki, dar mai puțin de 1 % decât au aruncat în atmosferă testele nucleare de suprafață ale armelor nucleare, până la interzicerea efectuării acestora în atmosferă.

Planuri de testare

La data de 26 aprilie 1986, pe lumină, reactorul #4 a fost programat pentru a fi închis pentru întreținere. S-a decis folosirea acelei ocazii ca o oportunitate pentru controlarea capacității generatorului turbinei de a produce putere electrică suficientă pentru alimentarea sistemelor de siguranță ale reactorului (mai ales pompele de apă) după pierderea puterii externe. Tipul RMBK al reactorului are nevoie de apă care să circule continuu prin centru, atâta vreme cât combustibilul nuclear este prezent. Reactoarele Cernobîlului au avut o pereche de generatori diesel, disponibilă, dar aceasta nu se activează imediat – reactorul a fost, deci, pregătit pentru a invarti jos turbina, punct la care ea ar fi fost deconectată și ar fi permis răsucireea sub elanul său rotativ, iar scopul testului a fost acela de a se hotărî dacă turbinele în faza extenuată pot genera putere pentru pompe. Testul a fost făcut cu succes la altă unitate (cu toate sistemele de siguranță active), având, însă, rezultate negative – turbinele nu au generat puterea suficientă, dar au fost făcute îmbunătățiri adiționale, ceea ce a determinat efectuarea altui test.

Condițiile pentru începerea acestui test au fost pregătite pe lumină la data de 25 aprilie și producția de energie a reactorului a fost redusă spre 50%. O stațiune locală de putere a fost închisă neașteptat. Coordonatorul retelei electrice a Kievului a cerut amânare scaderii aportului energetic al centralei în rețea, pentru acoperirea vârfului de consum al serii. Directorul centralei a consimțit și a amânat testul pentru mai târziu. Testul de siguranță a fost amânat până la schimbul de noapte, o echipă neexperimentată care ar fi trebuit să lucreze la reactorul #4 noaptea aceea și următoarea.

La 11:00 noaptea, 25 aprilie, se permite închiderea reactorului pentru continuarea testului. S-a prevăzut ca din nominalul său de 3,2 GW energie, aducerea reactorului spre 0,7-1,0 GW, cu scopul de a efectua testul la cel mai jos nivel de putere recomandat. Oricum, noua echipă a fost surprinsă de amânarea anterioară a încetinirii reactorului și a urmat protocolul original al testului. Urmarea a fost reducerea prea rapidă a nivelului de putere. În acea situație, reactorul a produs mult xenon-135, care a scăzut și mai mult puterea (spre 30 MW – aproximativ 5% de valoare presupusă). Operatorii au crezut că scăderea rapidă a fost din cauza unui defect la unul dintre regulatorii de putere, scăpând din vedere contaminarea reactorului. Cu scopul de a spori reactivitatea (neștiind că scăderea drastică a puterii este cauzată de absorbția în exces a neutronilor de xenon-135), au fost scoase celulele de control din reactor în ciuda faptului că acest lucru este permis cu respectarea unor reguli stricte de siguranță. Cu toate acestea, puterea reactorului nu a crescut decât în jur de 200 MW putere ce reprezenta mai puțin de o treime din minimul necesar pentru efectuarea experimentului. Mai mult, șeful echipei alege continuarea experimentului. Ca și parte din experiment, la 1:05 a.m., pe 26 aprilie au fost pornite pompele de apă care erau acționate de turbina generatorului crescând fluxul de apă peste specificațiile regulilor de siguranță. Fluxul de apă crește spre ora 1:19 a.m. (în tot acest timp apa absorbind neutroni) și nivelul tot mai mare necesitând scoaterea manuală a celulelor de control. Acest aspect produce o funcționare foarte instabilă unde lichidul de răcire și xenon-135 au substituit rolul celulelor de control din reactor.

Victime imediate și pe termen lung

În afară de cele câteva zeci de victime imediate ale exploziei și expunerii masive a personalului centralei și anumitor "lichidatori", din cele câteva mii de copii care s-au îmbolnăvit de cancer tiroidian (un cancer tratabil), până în anul 2013, cel puțin 16 au murit. Incidența cancerului tiroidian a rămas însă mai ridicată chiar și în 2013 în anumite regiuni din Rusia, Ucraina și Belarus, asta la mai bine de două decenii de la accident. Numărul suplimentar (față de numărul normal la populațuia generală ne-expusă) de leucemii și limfoame apărute la cei care au intervenit pentru limitarea dezastrului ("lichidatorii") a fost mic, fapt care încurajează specialiștii să spere că în deceniile care vor urma, numărul suplimentar de tumori solide (cancerele mai cunoscute) va fi și el mic la aceștia (lichidatori), și asta cu atât mai mult la populația fostei Uniuni Sovietice care se presupune că a fost expusă ca urmare a contaminării solului și aerului pe traiectoria de deplasare a norului radioactiv. Până acum, studiile Organizației Mondiale a Sănătății nu au putut decela o creștere a incidenței tumorilor solide în populație, probabil pentru că expunerea fiind relativ mică, creșterea, câtă este, se "îneacă" sub micile variații naturale ale incidenței de fond. În cel mai rău caz se consideră că va avea loc o creștere de 1 % a prevalenței cancerelor în populație, un risc suplimentar aparent minor deci, în comparație cu prevalența naturală a cancerului în populație (care ea este de aproximativ 45% (aproape unul din doi bărbați primește un diagnostic de cancer în decursul vieții) pentru bărbați și aproximativ 38% pentru femei). Cifra procentuală aparent mică a creșterii prevalenței cancerelor, de numai 1 %, ascunde totuși o fațetă mult mai puțin încurajantă a realității consecințelor accidentului, în măsura în care aceasta se traduce, în cifre absolute, în mai multe zeci de mii de indivizi care vor face probabil cancer și de asemenea vor muri, ca urmare a accidentului de la Cernobîl.

Accidentul nuclear de la Fukushima-Daiichi

Accidentul nuclear de la Fukushima-Daiichi a avut loc la data de 11 martie 2011 la centrala electrică atomică Fukushima din Japonia, care constă din 4 reactoare nucleare, ca urmare a cutremurului din nord-estul țării de la ora 14:46, urmat de un tsunami de mari proporții. Centrala nucleară Fukushima I a fost nevoită să recurgă la acumulatoarele electrice de rezervă, dar acestea au o capacitate limitată. La 14 martie compania TEPCO (Tokyo Electric Power Company), care administrează centrala, a făcut cunoscut că nici sistemul de răcire al reactorului 2 nu mai funcționează. Fără o răcire normală la un reactor se poate ajunge la supraîncălzirea miezului cu material fisionabil radioactiv al reactorului până la o temperatură de 2.000 °C, crescând riscul topirii lui și al unor explozii. La 15 martie autoritățile din Tokio au anunțat că la reactorul (blocul) 2 Fukushima a avut loc o explozie care a avariat învelișul acestuia, provocându-se astfel o creștere a radioactivității în zona înconjurătoare. Administrația centralei vorbește despre "valori dramatice ale radioactivității". Drept urmare populația locală din perimetrul de 30 de km în jurul centralei (care nu era încă evacuată) a fost avizată să rămână în locuințe, pentru a nu se expune direct (este vorba de aparatul respirator) radioactivității crescute. După explozia de la reactorul 2 s-a anunțat un incendiu la reactorul 4 (care la cutremur era în revizie). De la acesta provine acum creștere puternică a radioactivității direct în atmosferă. Se speculează că reactorul respectiv ar avea două găuri de dimensiuni metrice în înveliș (carcasă).

Contaminare

Doza de radiație naturală, la care este expus în general tot Pământul, este între 0,0001 – 0,0002 milisievert/oră. Doza de radiație maximă admisă (considerată nevătămătoare omului) este cuprinsă între 200 și 300 milisievert/oră. În cazuri izolate s-a constatat că doza de 500 milisievert/oră poate cauza la unii oameni forma acută a bolii de radiație. Doza de 1.000 milisievert s-a constat că a cauzat o mortalitate de 10 % în decurs de 30 de zile , iar doza totală de 6.000 milisievert este letală (mortală).

Tab. 2.2. Datele de mai jos indică valorile măsurate în zona reactorului.

La data de 26 martie Tepco a făcut cunoscut că valorile măsurate la parterul reactoarelor 1 – 4 este de 200 mSv/h, iar apa radioactivă scursă printr-o spărtură de la reactorul 2 are o valoare măsurată de peste 1.000 mSv/h.

La 12 aprilie 2011 autoritățile japoneze au mărit clasificarea accidentului nuclear de la Fukushima de la nivelul 5 la nivelul 7, nivelul maxim pe scara accidentelor nucleare. Nivelul 7 a fost și nivelul declarat la accidentul nuclear da la Cernobîl în 1986.

Capitolul III
Utilizarea surselor de energie neconvenționale, nepoluante

3.1. Energia eoliană

Sunt patru motive pentru care energia vântului merită o atenție deosebită: se găsește din abundență, este ieftină, este inepuizabilă și este curată.

Energia eoliană este utilizată prin intermediul morilor de vânt, care au fost construite încă din evul mediu în Peninsula Iberică și în zona litorală a Mării Nordului.

În secolul trecut, au fost construite primele „mori de vânt” uriașe, pentru producerea energiei electrice; eficiența lor maximă fiind de aproximativ 60%, dar media este de 35%. Generatoarele eoliene trebuie amplasate în zonele cu vânturi puternice (minim 5m/s).

Fig. 3.1 Capacitatea de generare a energiei eoliene la nivel mondial 1980-2004

Capacitatea mondială instalată a crescut rapid de la 10 MW în 1980 la 6000 MW în 1997 și la peste 40.000 MW în 2004:

Specialiștii apreciază că în anul 2010, între 5-10% din nevoile energetice ale lumii vor fi satisfăcute de energia eoliană. Problema importantă este variabilitatea vântului – impunându-se stocarea energiei în perioadele de liniște; pentru aceasta se întrebuințează acumulatori care au costuri încă ridicate. Viteza vântului crește cu altitudinea, motiv pentru care elicele trebuie montate cât mai sus, avantajoasă fiind montarea lor pe litoral (datorită brizelor). Impactul ecologic al instalațiilor eoliene este minim.

Industria eoliană modernă a luat naștere în California, la începutul anilor 1980. După un debut rapid, interesul Statelor Unite privind energia eoliană a scăzut până aproape de dispariție la nivelul anilor 1990.

Astăzi, în Danemarca, 20% din energia electrică produsă este realizată de forța vântului (cel mai mare aport procentual din lume), existând regiuni cum sunt Schleswig-Holstein, din nordul țării, unde în anumite zone ponderea energiei produse de vânt a depășit 75%, cu o capacitate de generare de 16.000 MW, în 2004.

Germania, prin compania Siemens, a fost liderul mondial în anul 1997 (16.600 MW), cele mai multe turbine eoliene fiind instalate în landurile Schleswig, Holstein, Brandenburg, Sachsen și Meklenburg – Vorpomern.

În Spania, în statul industrializat Navarra, se realizează 22% din energia electrică din energie eoliană și se construiesc turbine eoliene pe toată coasta atlantică a Spaniei, îndeosebi în Galicia, dar și în Aragon și în Castilia. Producția de energie electrică a Spaniei obținută cu centrale eoelectrice este de peste 8000 MW, care reprezintă 4% din producția națională de energie electrică. În această țară s-a practicat sistemul de subvenție pentru instalațiile eoliene.

În ultimii ani și Statele Unite și-au reluat interesul pentru această formă de energie, astfel încât în ultimii ani au fost montate pe teritoriul SUA 13.000 de turbine. În statul Dakota de Sud este elaborat un proiect pentru realizarea a 4000 MW, proiect numit Rolling Thunder, care va alimenta cu energie electrică zona din jurul orașului Chicago, iar în California se preconizează obținerea a 8% din energia electrică prin valorificarea energiei eoliene. SUA au un program ambițios și în statele Dakota de Nord, Kansas, Texas, Wyoming, Colorado, Iowa, Minesota.

Pentru fermieri și proprietari de terenuri, energia vântului este o adevărată mană cerească, întrucât este ieftină, inepuizabilă și ecologică. Centralele eoliene prezintă dezavantajul că necesită suprafețe mari (1000 MW solicită ocuparea unei suprafețe de 80 km2), dar montarea lor pe terenuri neutilizabile pentru agricultură (vârfuri de munți și dealuri, zone litorale), este încurajatoare.

Cu energia electrică ieftină de la vânt se poate realiza electroliza apei și obținerea unui combustibil ieftin, simplu și care nu conține carbon, hidrogenul, combustibil ales pentru alimentarea noilor motoare celulare, la care lucrează companiile Daimler-Crysler, Ford, General Motors, Toyota și Honda.

3.2. Energia solară

Fluxul de radiație solară ce ajunge pe suprafața terestră are un potențial energetic ce corespunde impresionantei sume de 172 mld GW, ceea ce înseamnă de cca 20.000 ori mai mult decât consumul de energie din anul 2000.

Această sursă de energie ar putea să asigure în permanență necesarul pentru un consum în continuă creștere. Privită însă din punct de vedere practic, respectiv al volumului real ce poate fi utilizat, aceasta devine o problemă deosebit de complexă, complexitate care rezidă din 3 direcții:

repartizarea neuniformă la nivel global și dependența de poziția geografică, inclusiv climatică;

alternarea zilelor cu nopțile care creează discontinuități;

densitatea slabă a fluxului energetic (cel mult 1400 W/m2), ceea ce solicită utilizarea unor suprafețe întinse de captare, și care înseamnă scoaterea din altă folosință a terenurilor, inclusiv din cele agricole, precum și costuri ridicate.

Energia solară interesează sectoare ca: habitatul pentru încălzirea locuințelor, agricultura pentru încălzirea serelor și industria pentru încălzirea halelor.

Centralele helioelectrice sunt; cu captatori solari parabolici, cu jgheaburi solare și cu celule fotovoltaice (PV).

Centralele cu captatori parabolici sunt echipate cu dispozitive electronice de urmărire a mișcării aparente a Soarelui. Radiația focalizată este transformată cu ajutorul unor tuburi speciale prin care circulă apa sub formă de vapori care acționează turbinele clasice care produc curent electric.

Centralele cu jgheaburi solare au fost realizate în Israel. Sistemul de jgheaburi reflectorizante care urmăresc traiectoria Soarelui concentrează radiația solară asupra unor tuburi în care se află petrol. Prin sisteme de conversie, căldura este preluată de apa din rezervoare speciale. Capacitatea de stocare a energiei termice este de 8 ore, iar prețul energiei electrice este mult mai redus decât cel de la sistemul cu oglinzi parabolice.

Centralele cu celule fotovoltaice (PV) transformă direct energia solară în curent electric și prezintă avantajul că nu necesită întreținere permanentă dar deocamdată prețul este ridicat. Revoluția în domeniul valorificării energiei solare să produs în anul 1952 când trei cercetători de la Laboratoarele Bell, din Princetown New Jersey, din SUA, au descoperit că razele de soare care cad pe un material pe bază de siliciu pot produce curent electric. Practic, celulele fotovoltaice convertesc lumina solară în electricitate.

Recent, în Germania s-a descoperit și experimentat cea mai eficientă și mai puțin poluantă combinație de substanțe folosite la celulele fotovoltaice, Cd-Te, care este de 14 ori mai productivă decât cele cunoscute până în prezent. De remarcat este faptul că România este singura țară din Europa care deține telur în Munții Metaliferi (Săcărâmb, Baia de Arieș, Fața Băii) și în Banat (Oravița).

În Franța, la Targasone, au fost realizate centrale tip turn, alcătuite din oglinzi heliostate, aranjate astfel încât razele reflectate să fie tot timpul focalizate pe un colector central, amplasat pe turn. Centrala se numește Thermis, este dotată cu 200 de oglinzi ce totalizează 10.000 m2 și are o putere de 2,5 MW. În sudul țării, la Font-Romeau Odeillo, funcționează un mic cuptor siderurgic în care se ating 3000-40000C, iar la Monteans, este utilizată energia solară pentru topirea substanțelor greu fuzibile. Tot în Franța, în 1980, la Montpellier, o stație de pompare a fost activată cu ajutorul a 192 de panouri solare, debitul pompelor atingând 180 m3/h, iar curentul dezvoltat a fost de 26 kW.

Experimental, din anul 1981, în Italia funcționează la Adrano (Sicilia) o centrală solară. Alte centrale solare au mai fost construite în Spania (Almeria), Japonia (Nyo și Saizo), SUA (Harper Lake, Solare One, Barstow 10 MW și Eduards 300 MW, ultimele în California).

Multe țări (Israel, Japonia, Australia, Italia, Franța) folosesc energia solară pentru încălzirea locuințelor și a apei menajere.

Japonia este liderul mondial în producția de celule solare în domeniul locuințelor instalațiile depășeau 1000 MW în 2004, această țară având un program ca până în 2010 să producă 4600 MW din energia solară.

Folosirea celulelor solare s-a dovedit rentabilă și în domeniul spațial (majoritatea sateliților fiind dotați cu generatori solari de energie), dar și în regiunile cu insolație bună în zonele rurale din Spania, Australia, Japonia, Pakistan etc. La sfârșitul secolului trecut circa un milion de case erau alimentate cu energie produsă de instalațiile de celule solare, cele mai multe fiind în satele din lumea a treia (Kenya, Zimbabwe, India, R. Dominicană, etc.)

China este de departe liderul mondial în montarea de panouri solare (52 milioane de m2) și are un program de multiplicare de patru ori până în 2025.

Noile clădiri de birouri din Statele Unite, Germania, Spania și Elveția au încorporate în fațadele lor materiale fotoelectrice pentru generarea electricității. Germania are un program numit „100.000 de acoperișuri” (5,4 milioane m2 de panouri solare) pe care intenționează să le monteze până în 2006, realizând o putere de 700 MW din celule solare, iar Italia are un proiect numit „10.000 de acoperișurisolare”.

Valorificarea energiei solare începută prin anii 1980, în anul 1998 a atins peste 1000 MW, iar în 2003 a depășit 4000 MW la nivel mondial.

Sursa: Maycock

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Fig. 3.2. Capacitatea de generare de energie fotovoltaică la nivel mondial,1971-2004

Creșterea vânzărilor de celule solare a avut o medie de 20% din 1990 până în 2000, an în care au crescut cu peste 40%, fapt ce demonstrează preocuparea pentru valorificarea acestei forme de energie. Companii, precum Royal Dutch Shell, Pilkington Glass Anioco, Siemens, Sharp, Shell Solar, Kyocera și Mitsubishi Electric au început să investească în acest domeniu, generându-se astfel o anumită competiție. Este remarcabil și faptul că prețul celulelor solare a scăzut de la 70 dolari/Watt în 1970, la mai puțin de 3,50 dolari/watt în 2001. Datorită prețului redus, în statele din Munții Anzi, celulele solare au înlocuit lumânările.

Fondul Mondial pentru Mediu a subvenționat câteva proiecte de acest gen în Kenya, Zimbabwe, Republica Dominicană și India, astfel încât în 2003 peste un milion de locuințe foloseau curentul electric produs cu celule fotovoltaice.

În România, la Universitatea Politehnică din București există cea mai mare centrală cu panouri fotovoltaice din estul Europei, care are o putere instalată de 30,18 KW și care funcționează din anul 2006, iar la Mangalia și Giurgiu au fost implementate proiecte de utilizare a energiei solare pentru furnizarea de apă caldă menajeră prin utilizarea de colectoare solare.

Cercetarea în domeniu este în plină desfășurare și se intenționează obținerea unor tehnologii performante și eficiente și la prețuri accesibile.

3.3. Energia valurilor

3.3.1.Energia hidraulică a valurilor

În anul 1920, M.Fusenot a experimentat în Marea Mediterană, în apropiere de Alger, un dispozitiv care reușea să transforme mișcarea rectilinie a valurilor în mișcare de rotație. În anul 1979, frații francezi Girard au brevetat o mașină care folosea forța valurilor. Pe parcursul anilor s-au făcut progrese tehnice și tehnologice de realizare pe scară industrială a unor instalații eficiente, îndeosebi de către firma japoneză „Mitsui Energineering and Shipbuilding Co”, astfel încât, la ora actuală, Japonia dispune de peste 500 de centrale, care asigură cu energie vasele ancorate în porturi, farurile și balizele luminoase.

3.3.2. Energia hidraulică a mareelor

Folosirea acestei forme de energie este limitată numai la anumite zone ale mărilor și oceanelor, unde diferența dintre flux și reflux este de minimum 8 m. Utilizarea energiei mareelor este menționată încă din secolele IX – XIII, când pe litoralul atlantic al Europei existau mori "purtate" de maree. Studiile în vederea construirii de centrale mareemotrice la nivel industrial au început abia după al doilea război mondial. Primul succes l-a obținut Franța, în anul 1966, prin centrala de la Rance din Golful Saint Malo din Bretania, care are o putere 240 MW. Aici s-a construit un baraj cu lungimea de 750 m, iar centrala are 24 de turbine și utilizează un debit de 18.000 m3/s, la o cădere maximă de 18,2 m (Surd și colab, 1991).

A doua centrală maremotrică din lume, însumând 400 MW, a fost construită de Federația Rusă în 1976, la Kislaia Guba, pe litoralul peninsulei Kola, unde înălțimea mareelor depășește 14 m, urmată în 1986 de centrala Lumbovka de 320 MW din aceeași zonă. Realizări în valorificarea energiei mareelor a obținut și China, în Marea Chinei de Est, unde funcționează două centrale: una la Jiangxia de 500 MW și una la Tsingang de 165 MW. Canada are instalată în zona Golfului Baya Fundy o centrală mareemotrică de 20 MW, SUA au instalate 5 centrale în largul Insulelor Hawaii, iar Regatul Unit are proiecte în acest domeniu în estuarele Severn (golful Bristol), Mersey (Marea Irlandei), Duddon, Wyre (golful Morecambe) și Conwy ( Țara Galilor).

Fig.3.3. Utilizarea energiei mareelor

3.3.3. Energia termică a mărilor și a oceanelor

La suprafața mărilor și a oceanelor, în zonele tropicale temperatura apei ajunge la 30-350C, iar la adâncimea de 500 m scade la 60C și la 1000 m la 40C. Diferența de temperatură între suprafață și 100 m este suficientă pentru a pune în funcțiune un motor termic. Pentru aceasta, se folosesc fluide care au punctul de fierbere la temperatura apei de suprafață și condensează la temperatura apei de adâncime, precum: freonul, amoniacul, propanul etc.

Astfel, în SUA la Kennedy Space Center a fost brevetată o instalație modulară de conversie a energiei termice marine cu o capacitate de 100 MW. Iar Japonia a realizat, de asemenea, o instalație, încă din anul 1974 la Euroocean.

Alte astfel de centre mai funcționează în Cuba în Golful Matanzas, în Côte d'Ivoire la Abidjan și în Israel la Ein Bokek. Obstacolul care trebuie trecut în vederea valorificării acestei surse de energie îl constituie fondurile financiare.

3.3.4. Energia din hidrogen

Cum deocamdată hidrogenul se obține numai din apă, este inclusa și această resursă tot la hidroenergie. În eco-economie se estimează că hidrogenul va fi combustibilul viitorului care va înlocui petrolul, tot așa cum petrolul a înlocuit cărbunele, după cum cărbunele a înlocuit lemnul. Totuși, deocamdată, folosirea hidrogenului ca resursă energetică prezintă încă multe probleme nerezolvate din punct de vedere economic, tehnic și tehnologic. Probleme se pun și la producerea hidrogenului, depozitarea, transportul și, bineînțeles, la utilizarea lui finală. Desigur, dacă s-ar putea capta hidrogenul din cosmos, unde se află liber în proporție de 70%, s-ar rezolva problema energiei odată pentru totdeauna. Dar, cum deocamdată, singura sursă energetică cosmică accesibilă este energia solară, rămâne să mai așteptăm, dar nu fără speranță. Folosirea hidrogenului ca sursă energetică a suscitat dispute între oamenii de știință, dispute din care au rezultat argumente pro și contra.

Dintre argumentele pro menționăm:

-hidrogenul se poate obține din apă, care se găsește în cantități enorme (1km3 de apă poate înlocui echivalentul energetic al întregii rezerve de petrol a lumii);

-prin ardere în focare sau pile a hidrogenului rezultă tot apă, care nu pune probleme ecologice deosebite, ci, mai mult, se asigură astfel închiderea circuitului apei în natură;

-puterea calorifică efectivă (densitatea de căldură pe m3 de gaze arse cu aer stoechinometric) este mai mare decât a metanului (3733 kJ/m3 la metan);

-randamente ridicate în pilele de combustie (până la 70%);

-cantitatea de aer necesară arderii este mai mică (280 g aer pentru megajoul degajat) față de benzină, metan, metanol (340 g aer pentru un megajoul); din arderea hidrogenului nu rezultă CO2, necontribuind astfel la efectul de seră, iar cantitatea de oxizi de azot este mai redusă decât cea rezultată prin arderea altor combustibili, aceasta datorită consumului redus de aer la ardere. În plus, din arderea hidrogenului nu rezultă nearsele organice.

Argumentele contra sunt:

-puterea calorifică de 3,5 ori mai mică decât cea a metanului;

-costuri mari de transport și depozitare în stare gazoasă;

-diametre mari la conducte și utilizarea de compresoare cu putere mare, ceea ce înseamnă consum mare de energie electrică;

-volumul mare al buteliilor de transport pentru depozitare și transport în stare comprimată;

-utilaje complicate pentru păstrarea sub formă lichidă, dată fiind densitatea mică a hidrogenului (0,09 g/m3);

– fragilizarea oțelurilor din butelii și conducte, în anumite condiții de presiune și temperatură;

– pericolul mărit de explozie, date fiind limitele largi de aprindere și temperatură joasă de aprindere a hidrogenului (4500C ).

3.4.Energia geotermală

Energia geotermală este generată de descompunerea radioactivă a unor elemente subcrustale și poate fi utilizată atât în centrale geotermoelectrice cât și pentru încălzit. Băile calde sau fierbinți au fost folosite de mii de ani, cei mai experimentați în acest domeniu s-au dovedit a fi romanii, prin celebrele therme.

Astăzi, enregia geotermală are diverse folosințe, de la producerea de energie electrică până la încălzirea locuințelor, a spațiilor publice, comerciale și turistice.

Centralele convenționale utilizează vapori cu temperaturi mari, de cel puțin 175° C, care acționează turbine clasice, după care există două posibilități, degajarea în atmosferă sau trecerea printr-o unitate de condensare. În prima variantă consumul de vapori este dublu, dar prețul instalațiilor este mai redus și durata de construcție mai mică. Astfel de centrale se folosesc pentru stații pilot și pentru valorificarea unor foraje izolate, sau când vaporii au un conținut de gaze necondensabile. Cu aceste centrale se produc 55-60 MW, dar în ultimii ani au fost realizate și capacități de 110 MW.

Fig. 3.4. Sistem de obținere a energiei dintr-un rezervor geotermic uscat

Centralele binare utilizează resurse geotermale cu potențial termodinamic mediu sau chiar mic. Ele folosesc un fluid colportor, cum este pentanul, care are un punct de fierbere scăzut și care preia energia geotermică prin intermediul unui schimbător de căldură. Vaporii rezultați acționează o turbină după care trec prin unitatea de condensare și se reia ciclul inițial. Asemenea centrale sunt de talie mică de la sute de KW până la câțiva MW și valorifică sistemele geotermale cu temperaturi mai mici de 170° C.

Una din problemele puse de valorificarea energie geotermice este cea a depozitării apelor reziduale cu temperaturi ridicate și conținut de SO2, amoniac + săruri, care sunt deversate în mare, sau sunt injectate în adânc.

O altă problemă este că, această resursă este repede epuizabilă. Extragerea apelor fierbinți duce la scăderea pânzei freatice, iar reîncărcarea din apele de suprafață este un proces lent. După aproximativ 100 de ani de exploatare apele se răcesc și trebuie săpate alte puțuri. Costurile tehnologice la astfel de instalații sunt mai reduse ca de altfel, și cele de întreținere.

Prima instalație de exploatare a energiei geotermale a fost cea cea de la Larderello – Italia (380 MW), din 1904; urmată în 1960 de sistemul Geysers (N de San Francisco – 835 MW) din SUA. Mai există uzine geotermice în Noua Zeelandă (Waira-Kei – 290MW), Japonia (Matsukawa), Mexic (Cero Prieto), Hawai, Filipine, Islanda și Federația Rusă (în Kamceatka).

În primele șapte decenii ale secolului al XX-lea creșterea capacitățiielectrice geotermale a fost modestă, atingând doar 1100 MW în 1973. După declanșarea crizei energetice, utilizarea energiei geotermale a început să crească, atingând la sfârșitul secolului trecut aproape 8500 MW. Astăzi, puterea totală a centralelor geotermice depășește 10.000 MW.

În 2004 energia geotermică utilizată în întreaga lume în vederea încălzirii a fost apreciată la echivalentul a 12.000 MW. Lider mondial în acest domeniu sunt S.U.A, care au o capacitate instalată de peste 2800 MW și care au lansat un vast program de valorificare a energiei geotermale din statele vestice, prin care se intenționează producerea a cel puțin 10% din energia necesară a acestor state până în anul 2020 (Brown, L.R., 2001). De altfel SUA dețin resurse geotermale de circa 20.000 MW.

Alte țări care realizează energie electrică din energia geotermală în pondere semnificativă din totalul producției de energie electrică mai sunt: Filipine, Mexic, Indonezia și Italia.

3.5. Energia din biomasă

Conversia biologică a radiației solare, prin fotosinteză, furnizează anual, sub formă de biomasă, o rezervă de energie evaluată la 3 x 1021 j/an. Actualmente, biomasa furnizează 6-13% din nevoile mondiale de energie, ceea ce înseamnă echivalentul a cca. 8,5 mil.barili de petrol pe zi.

Principalii biocombustibili sunt etanolul și biomotorina, ca și combustibili lichizi, și biogazul. Etanolul se obține din trestie de zahăr, porumb, grâu, orz, sfeclă de zahăr, iarbă de preerie și plop, iar biomotorina se produce din rapiță, din soia și din uleiul de palmier.

Realizări deosebite în producerea și utilizarea biocombustibililor lichizi au: Brazilia, SUA, Europa Vestică, Canada, India, China, Columbia, Mexic etc.

Brazilia, utilizează trestie de zahăr ca materie primă și producea în 2004 circa 4 miliarde de galoane de etanol prin care-și asigura 40% din necesarul de combustibil auto. În statul Sao Paolo aproape toate autovehicolele utilizează etanol, iar la Cacoes din statul Bahia funcționează o centrală electrică pe biomasă, de 55 kW și care are ca subprodus îngrășăminte.

SUA, folosesc ca materie primă porumbul și au realizat în 2004 o producție de peste 3,4 miliarde galoane de etanol, dar care reprezintă doar 2% din consumul de combustibil auto.

În Europa Vestică se remarcă Franța, Regatul Unit și Spania care producetanol din trestie de zahăr, sfeclă de zahăr, grâu și orz.

Canada, produce etanol din iarbă de preerie și din hibrizi de plop, prin utilizarea unor enzime pentru descompunerea celulozei.

În producerea de biomotorină din rapiță se remarcă Germania, care în 2004 a realizat 326 milioane de galoane, pe care o folosește la motoarele Diesel. Tot din rapiță produce biomotorină și Franța (150 milioane de galoane în 2004), iar SUA a realizat 280 milioane galoane de biomotorină din soia în același an. Țări, precum Malayezia, Indonezia și Brazilia obțin biomotorina din ulei de palmier

Producerea de biocombustibili lichizi va intra în curând în competiție cudomeniul alimentar și va exercita presiuni asupra pădurilor și a plantațiilor, constituindu-se într-o amenințare la adresa biodiversității.

Realizări deosebite în domeniu aparțin SUA, care au și un program de obținere a biomasei prin silvicultură intensivă, orientată pentru producerea de specii de arbori cu frunze căzătoare și cu creștere rapidă, inclusiv a speciilor care fixează azotul sub formă de amoniac.

Biogazul reprezintă sursa de energie folosită și în regiunile rurale din țările în curs de dezvoltare, unde locuiește 1/2 din populația Globului. La acestea se adaugă și teritorii din țările mediu și puternic dezvoltate. Combustibilul gazos cel mai frecvent este obținut din conversia deșeurilor (gunoi de gospodărie, paie și frunze, alte resturi și substanțe organice) care sunt supuse unui proces de fermentație în mediu anaerob. Amestecul gazos conține 65-70% metan, 25-30% dioxid de carbon, 5% azot, hidrogen sulfurat etc.

În China, încă din 1970, în multe dintre zonele rurale se utilizează biogazul în uzul casnic și gospodăresc, numărul total al stațiilor de biogaz depășind 7 milioane, iar centralele electrice pe biogaz înregistrează peste 10.000 kW.

În România, prin proiectul Rumeguș 2000 s-au construit sisteme de încălzire centralizată pe bază de rumeguș în 4 orașe (Vatra Dornei, Gheorghieni, Vlăhița și Întorsura Buzăului). În ultimii ani și la noi se cultivă tot mai mult rapiță pentru producerea de biomotorină..

3.6. Energia liberă

Dispozitivele bazate pe enrgia liberă sunt capabile să se racordeze la o sursă aparent nelimitată de energie din univers fără a fi nevoie să ardă nici un fel de combustibil , oferind astfel soluția perfectă împotriva crizei de energie la nivel mondial, a poluării și degradării mediului , precum și a epuizarii resurselor . Majoritatea dispozitivelor bazate pe energia liberă nu creeză ele energie , ci se racordează la surse de energie existente deja în natură prin diverse metode de inducție.

Conceptul din spatele limbajului tehnic este foarte simplu, de exemplu, o placă de metal izolată se poziționează cît mai sus în aer, iar o altă placa se îngroapa în pămînt. Un fir conectează placa de metal din aer de o latură a condensatorului, iar un al doilea fir pornește de la placa din pămînt și o conectează de cealaltă la tură a condensatorului.

Soarele, ca și alte surse de energie radială, emite particule minuscule de materie încărcată cu sarcină electrică pozitivă , care ciocnindu-se cu placa de deasupra, permanent transmit o încărcătură electrică. Terminalul opus al condensatorului este conectat la sol care poate fi considerat un rezervor imens de electricitate negativă. Un curent slab se scurge continuu în condensator și în funcție de cît de ridicat este potențialul electric al particulelor , această încarcare poate continua la nesfîrsit, chiar pînă la punctul strapungerii dielectricului.

Condensatorul se încarcă cu energie emisă de razele solare. Pe acest condensator se poate conecta un fel de comutator care să permită energiei să se descarce la intervale regulate și astfel dispozitivul va produce curent electric.Acesta constituie unul dintre patentele lui Nicola Tesla, considerat cel mai mare inventator al Romaniei.

Patentul lui Tesla ne arată cît de usor se poate obține energie electrică . Cu cat este mai mare suprafața placii izolate , cu atît mai multă energie se obține. Aceasta este mai mult decat un simplu panou solar, dat fiind faptul că nu are neapărat nevoie de lumină solară pentru a funcționa. Dispozitivul lui Tesla produce energie și noaptea. Receptorul de energie liberă al lui Tesla se racordează la energia solară, dar și la alte surse de energie , precum razele cosmice. Functionalitatea dispozitivului inclusiv pe timp de noapte se explică prin prezența constantă a razelor cosmice ca sursă de energie.

Sunt o multitudine de alte exemple de patente care obțin energie disponibilă pe ntru diferite utilitati fara a consuma alta energie, dar s-a constata în decursul timpului ca există o parte dintre companiile producatoare de energie conventională care se opun descoperii acestor surse inepuizabile de energie.

Un exemplu romanesc în acest sens o constituie pila electrica CARPEN , care functionează continuu timp de 40 de ani.

Capitolul IV
Energia solară

4.1.Efectul fotoelectric.

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcționează individual ci legate în serie într-un mumăr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice, denumite și colectori solari sau panouri solare termice).

4.2.Principiul de realizare

Fig.4.1. Principiul de realizare a panourilor fotovoltaice

O celulă fotovoltaică este alcatuită din două straturi de siliciu semiconductor dopat. Fotonii din radiația solară ce cad pe siliciu sunt absorbiți inducând procese de generare de electroni liberi. Doparea siliciului cu diferite metale/nemetale intensifică generarea de sarcini electrice.

Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare. Siliciu dopat cu fosfor se numește dopat n sau N-Si. Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât siliciu monocristalin pur. (Fosforul are valența 5, iar siliciu valența 4, prin urmare orice impuritate cu valența mai mare decât a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari).

Doparea cu bor produce semiconductori de tip p (exces de sarcini pozitive). O lipsă de electroni generează locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p. Aceste locuri încărcate pozitiv se numesc “goluri”.

Pentru a înțelege cum funcționează orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele fotovoltaice este necesar în primul rând să vedem structura semiconductorilor care stau la baza întregii electronici de astăzi. Germaniu și siliciu sunt reprezentativi, însă siliciul este cel mai intens utilizat în aplicațiile moderne.

4.3. Structură și dopare

Fig.4.2. Structura siliciului

Structura siliciului pur este reprezentată printr-un cristal tridimensional în care atomii ocupă vârfurile unui cub după cum sunt dirijați și electronii săi de valență.

Siliciu este element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte și carbonul, germaniul. Caracteristica esențială a acestor elemente este ca fiecare atom are patru electroni de valență pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legături. Dacă există un factor extern, de exemplu, temperatura, atunci cu creșterea ei, datorită agitației termice o parte din legături eliberează electroni în rețeaua cristalină. În consecință crește conductivitatea electrică a siliciului.

Locurile rămase neocupate de electroni (valențele libere) se numesc goluri. Concentrațiile de goluri (np) și electroni (ne) sunt egale, iar semiconductorul se numește intrinsec. Transportul sarcinilor în semiconductorul intrinsec sub acțiunea unui potențial este prezentă sugestiv în figura alaturată.Curentul care “curge” prin semiconductorul intrinsec este format din două componente: electroni și goluri. Electronii au avut nevoie pentru a “rupe” legatura covalentă de o anumită cantitate de energie minimă necesara pentru a putea trece liber în spațiile interstițiale ale rețelei de siliciu. Această energie minimă de a trece din stare legată (valență) în stare liberă (de conducție) se numește energia benzii interzise. Golurile rămân localizate pe stările energetice libere din zona de valență (bandă de valență) care are o structură de nivele de energie provenită din nivelele atomice de valență ale siliciului. Domeniul de energii pe care le iau electronii liberi formează banda de conducție.

În concluzie electronii “sar” între pozițiile rețelei pentru a umple vacanțele lăsate de electronii eliberați. Ei se mișcă liber în zona de energii ce formează banda de conducție. Golurile se mișcă în banda de valență în sens opus. În exterior întotdeauna măsurăm un curent de electroni și nu de goluri.

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități suficiente, fiind astfel și ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

În figura 4.3 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci și a siliciului.

Fig. 4.3. Structura energetică a materialeor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înțelegerii condițiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situații normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite și straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevărate “bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit și bandă energetică de valență, sau mai simplu bandă de valență. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceștia, este denumit bandă energetică de conduție, sau mai simplu bandă de conducție. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valență și ale benzii de conducție sunt diferite. Diferența de potențial energetic ∆E, dintre banda de conducție și banda de valență, reprezentând și valoarea “barierei energetice” dintre cele două straturi, este diferența dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducție și Ev al benzii de valență ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la ∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valență pentru ca aceștia să devină liberi, adică pentru a putea trece pe banda de conducție. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiți aceștia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depăși “bariera energetică” și a trece pe banda de conducție. Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, și este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obținerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obțin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanța diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obține o așa numită joncțiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 4.4.

Fig. 4.4. Joncțiune p-n

Sub acțiunea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendința de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendință de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura 4.5.

Fig. 4.5. Tendința de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii p-n

Amploarea migrației sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 4.6.

Fig. 4.6. Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p-n

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariția unei diferențe de potențial locale, la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p și a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncțiunii spre suprafețele acestor straturi, opuse joncțiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât și caracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Dacă joncțiunea p-n este supusă radiației solare, fotonii având un nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiația solară prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a treace pe straturile de conducție și să devină electroni liberi. Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atrași spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul n, sunt respinși spre suprafața acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conducție, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acțiunea radiației solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri). Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncțiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul p, sunt respinși spre suprafața acestui strat.

În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi și în zona joncțiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n, așa cum se observă în figura 4.7.

Fig. 4.7. Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n

Dacă suprafețele exterioare ale joncțiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceștia se va manifesta o diferență de potențial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiația solară. Este evident că variația intensității radiației solare va produce și variații ale diferenței de potențial, dar mai ales ale intensității curentului electric așa cumse va arăta ulterior.

Joncțiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuiește o celulă fotovoltaică sau o celulă elctrică solară având construcția de tipul celei reprezentate în figura 5.6.

Fig. 4.8. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm și mai recent de 15x15cm.

4.4.Echilibrul termodinamic al purtătorilor de sarcini, potențialul chimic sau
nivelul Fermi

Pentru a înțelege cum funcționează joncțiunile din celulele solare este necesar să introducem o noțiune ce descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductorii intrinseci sau extrinseci ( dopați).

Într-un semiconductor intrinsec concentrațiile purtătorilor de sarcini sunt egale. Se pune întrebarea: care este nivelul maxim de energii pe care il pot ocupa electronii?. Identic pentru goluri. La 0K unde agitația termică este nulă atunci electronii vor ocupa un nivel maxim al energiei, iar golurile unul minim, iar concentrațiile lor sunt egale. Pentru aceasta, termodinamica ne spune că potențialele chimice ale celor două componente trebuie să fie egale. Enrico Fermi dezvoltă aceasta teorie și deduce că la 0K energia maximă pe care o ocupă electronii se află la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (A, B).

Fig.4.9. Nivelul Fermi

Banda de conducție (BC): zona de energii unde conducția electrică ( mișcarea liberă a electronilor) este posibilă. Electronii cu aceste energii se “eliberează” de atomii originali și se mișcă liber prin cristal.

Banda de valență (BV)– zona de energii unde conducția electrică nu este posibilă. Electronii sunt legați de atomi.

Banda interzisă- intervalul energetic dintre banda de valență și cea de conducție unde electronii nu pot rămâne. Ei trebuie fie să câștige energie pentru a trece în banda de conducție fie să piardă energie și să revină în banda de valență.

Nivel Fermi- acesta este cel mai înalt nivel de energie din cristal ce poate fi populat cu electroni la temperatura de 0K. Electronii cu energie mai mare decât valoarea EF sunt disponibili pentru conducție, invers ei sunt legați în structura cristalului. Nivelul Fermi este identic ca semnificație cu potențialul chimic definit în termodinamică.

Diagrama A- reprezintă un conductor electric cum ar fi Cu sau Ag. BC și BV se suprapun, iar electronii trec liber fără a fi necesar un supliment de energie.

Diagrama B prezintă un izolator tipic (sticle, ceramici). Toți electronii sunt localizați pe structura atomică și necesită energii mari pentru a fi extrași în BC.

Diagrama C reprezintă un cristal dopat N de tipul Si sau Ge. Lărgimea benzii interzise este prezentă ( 0.5-3 eV), dar mult mai mică față de un izolator (> 5eV). Dacă el este dopat N, atunci electronii au suficientă energie termică pentru a sări în BC. Nivelul Fermi este deplasat înspre banda de conducție.

Diagrama D- reprezintă un semiconductor de tip P. Impuritățile de tip P tind să atragă și să rețină electronii liberi. Aceasta “trage” nivelul Fermi în jos spre banda de valență.

Când punem în contact un semiconductor n cu unul p are loc un transfer reciproc de sarcini până când nivelele Fermi ale celor două se “echilibrează” (egalitatea potențialelor chimice). În consecință benzile de conducție și de valență se deplasează spre atingerea unei noi stări de echilibru (diagrama E). La interfața de contact dintre cei doi semiconductori se va forma un strat de sarcini electrice (strat de baraj) caracteristic jonctiunii p-n ce va crea un câmp electric a cărui valoare maximă depinde de concentrațiile dopanților.

Acum este simplu de înteles de ce semiconductorul n este expus la lumină într-o celulă solară. Sub acțiunea radiației incidente se generează perechi electron-gol care vor reduce bariera de potențial și va permite “curgerea” unui curent electric.

În concluzie, conversia cuantei luminoase în energie electrică poate fi facută cu ajutorul semiconductorilor, pentru care excitarea electronului și generarea de perechi electron- gol indusă de cuanta luminoasă are un puternic efect asupra conductivității.

Nu este suficient ca electronii să fie excitați și să se miste liber, dacă nu este nici o forță care să îi facă să se miște. O astfel de forță poate fi provocată de prezența unui gradient al potențialului electric, cum ar fi cea gasita în joncțiunea p-n a semiconductorilor dopați.

4.5. Generații de celule solare

Celulele solare sunt clasificate în trei generații care indică ordinea în care ele au căpătat importanță practică-comercială. În prezent prima generație de celule solare este și cea mai larg

comercializată ocupând aproape 90% din piață în 2007

Prima generație

Sunt dispozitive unijoncțiune construite pe siliciu monocristalin. Joncțiunile p-n pe siliciu monocristalin ating limita teoretică în eficiență de 31 % . Rata de amortizare a investiției este estimată la 5-7 ani.

A doua generație

Celule solare în strat subțire. Sunt rezultatul dezvoltării unor noi tehnologii alternative de producție: depunerile din faza de vapori, electrodepuneri, pulverizare ultrasonică, procese ce simplifică metodele de fabricație și costurile per celulă solară. A doua generație de materiale de mare succes sunt: CdTe (telurida de cadmiu), CuInGaSe (selenide Cu Indiu Cadmiu), siliciu amorf, siliciu micromorfic. Aceste materiale sunt depuse secvențial în filme subțiri pe substraturi de sticlă, ceramică sau chiar plastice.

CIGS- cupru-indiu-galiu-diselenid: este un compus I-III-VI2 cu caracteristici de material semiconductor. Materialul este o soluție solidă de Cu-In-Se (abreviere CIS) și seleniura de galiu cu formula chimică, CuInxGa(1-x)Se2, unde x ia valori între 0 și 1. Structura semiconductorului este tetraedrică de tipul calcopiritelor cu lărgimea benzii interzise variind continu de la 1 eV (x=1, CuInSe2) la 1.7 eV pentru CuGaSe2 (x=0)

Celule DSC- celule solare cu sensibilizatori pe bază de coloranți. Descoperite de Grätzel sunt celule solare care exploatează transferul de electroni de la un colorant printr-un electrolit solid sub acțiunea radiației solare.

CdTe- Teluridele de cadmiu sunt utilizate ca ferestre optice în infrarosu și ca material pentru celulele solare. De regulă este utilizat un sandwich de CdTe-CdS pentru a forma o joncțiune fotovoltaică p-n.

Comercializarea acestor tehnologii este înca dificilă. În 2007 compania First Solar a realizat o centrala fotovoltaică de 200MW din celule solare CdTe. Wurth Solar comercializeaza GICS producând 15MW. Nanosolar comercializează tehnologie GICS cu o capacitate de producție de 430MW în 2008.

A treia generație de tehnologii

Se referă la îmbunătățirea performanțelor electrice ale generației a doua (tehnologiile planare pe straturi subțiri) menținând prețurile de cost cât mai mici.

Cercetările curente au ca scop atingerea eficienței de conversie de 30-60%. Ele pot depăși limitele teoretice de conversie calculate pentru o jonctiune p-n pe siliciu monocristalin în anii 1960 de către Shockley și Queisser .Limita estimată de 31% pentru 1 soare (1370 W/m2).

O alta direcție este de a concentra radiația solară pe arii de celule fotovoltaice utilizând oglinzi Fresnel. Se pot atinge prin concentrare aproximativ 46000 de sori și în consecință un randament sporit.

Celulele fotovoltaice multijoncțiunie sunt proiectate să absoarbă spectrul solar de la infrarosu la UV ceea ce va permite să funcționeze și pe perioada nopții

4.6.Coeficientul masic de aer (AIM)

AIM caracterizează spectrul solar după ce radiația solară a trecut prin atmosferă. El este folosit la caracterizarea performanțelor celulelor solare în condiții standardizate definite de simbolul AM și un număr. De exemplu AM1.5 este universal folosit de a caracteriza puterea generată de panourile solare.

Radiația solară este foarte apropiată de un radiator ideal echivalentă cu radiația spectrală a unui corp negru la temperatura de 5800K. Radiația solară traversând atmosfera reacționează cu anumiți compuși chimici care adsorb anumite lungimi de undă din spectru.

Cel mai bun exemplu este absorbția ultravioletelor de către ozon în atmosfera superioară ce reduce dramatic cantitatea de lungimi scurte de undă să ajungă pe pământ. O componentă mult mai activă sunt vaporii de apă care adsorb spectrul solar pe diverse lungimi de undă. Oxigenul, bioxidul de carbon și azotul contribuie și ei la adsorbția radiației solare. Prin urmare spectrul solar ce ajunge la suprafața pământului este restrâns între infraroșu îndepărtat și ultraviolet apropiat.

Împrăștierea radiației în atmosferă deasemeni joacă un rol important. Din acest motiv când soarele este la apus drumul radiației este mai lung, iar împrăștierea radiației cu lungimi

mici de undă este împrăștiată mai mult. Soarele la apus arată de culoare roșie datorită fenomenelor de împrăștiere. Pentru o grosime l0 a atmosferei funcție de unghiul de incidență a radiației, θ, ea parcurge un drum mai lung:

l = lo / cos θ

Raportul l / lo este coeficientul massic al aerului .

Spectrul solar în afara atmosferei corespunzător radiației corpului negru la 5800K va avea AM0 semnificând “zero atmosfere”. Celulele folosite pentru tehnologia spațială cum ar fi comunicațiile prin satelit sunt în general caracterizate folosind AM0.

Spectrul solar la nivelul apei mării când soarele este perpendicular coeficientul este AM1 ceea ce semnifică o atmosferă. Celulele solare pe bază de siliciu nu sunt sensibile la spectrul pierdut în atmosferă. Ele sunt dependente de lărgimea benzii interzise care este corespondentă energiei fotonilor din spectrul vizibil. Prin urmare celulele solare sunt mai eficiente la AM1 decât la AM0.

Panourile solare în general operează sub o anumită grosime a atmosferei dacă soarele este incident sub un unghi de vizibilitatea diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea celulelor solare este concentrată în SUA, Japonia, EUROPA se ia în considerare standardul AM1.5, adica 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde un unghi de zenit solar de 480. Este considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare.

Panourile solare ce operează la poli va trebui să fie folosit AM2 iar cele care operează la altitudini mari atunci AM<1.

Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I Eficiența de conversie a energiei radiației solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice, depășea 1.000.000.000W=1GW.

Eficiența celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:

Intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei;

Eficiența procesului de conversie a energiei radiației solare în energie electrică.

În prezent, construcțiile de celule fotovoltaice au eficiențe în jurul valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate preponderent în zone caracterizate prin radiație solară intensă. Cu toate acestea, țări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei tehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensității radiației solare.

Fig.4.10 Schema electrică a unei insalații solare

4.7.Exemple de centrale fotovoltaice (facultatea de hidrotehnică Iași)

La Facultatea de Hidrotehnica, Geodezie și Ingineria Mediului, în Departamentul CC13B HIDROMED (Centrul de Excelenta pentru Hidroamenajari și Protectia Mediului) s-a implementat un sistem de preluare a energiei solare prin sisteme de celule fotovoltaice asigurandu-se colectarea energiei electrice necesară funcționarii Stației Meteorologice Urbane (foto 2.a,b.). Aceasta energie este stocata de doua echipamente autonome energetic, unul fix și unul mobil (foto 1.a,b).

. a) b)

Foto 1. Echipamente autonome energetic, unul mobil (a) și unul fix(b)

Instalația (Fig 4.12.a.) este utilizată în zonele inundabile care pot fi pășuni , șosele, sate etc , evident fară surse de iluminare de la rețeaua de distribuție , sau în caz că există o întrerupere a energiei electrice datorită inundației sau altor fenomene meteorologice. Instalația este dotată cu un panou solar montat pe un stîlp împreună cu o cutie metalică în care se gaseste un acumulator electric împruna cu niste circuite electronice de comandă precum și niște prize de de volți utilizate in special pentru alimentarea telefoanelr mobile sau a unor leptopuri. Stîlpul se termină cu o lampă cu leduri care iluminează o zonă de circa 20m2 . Pentru stabilirea nivelului apei față de sol, pe stîlp se gaseste prinsă o riglă gradată în centimetri.

Foto 2. a) Instalație utilizată pentru iluminare in zonele inundabile

Foto 2. b) Stației Meteo, Facultatea de hidrotehnică ,Departamentul CC13B HIDROMED

4.8. Stocarea energiei electrice în acumulatoare

4.8.1.Acumulatori solari

Acumulatorii solari se diferențiaza după urmatoarele caracteristici:

Tipuri de acumulatori

Caracteristicile acumulatorilor

Incarcarea acumulatorilor în sisteme fotovoltaice

Cum se dimensioneaza capacitatea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice independente.

Sistemele fotovoltaice, necesita dispozitive speciale pentru stocarea energiei pentru a fi utilizata atunci cind generatorul nu produce sau produce sub nivelul consumului. Cele mai la indemana dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori, care au rolul de a inmagazina energia electrica produsa atunci cind sursa de energie a generatorului (iradianta solara) este disponibila și de a o reda pentru a fi utilizata pe timpul noptii. Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice sunt de constructie speciala, fara intretinere și suporta un numar mare de cicluri de incarcare- descarcare.

Bateriile de acumulatoare

In sistemele electrice autonome, stocarea energiei este asigurata, în general, de baterii de acumulatoare. Acestea sunt esentiale pentru buna functionare a sistemelor autonome.

Elementele de stocare reprezinta 13 – 15% din investiția inițiala, pentru o durata de exploatare de 10-15 ani.

Bateriile se utilizeaza în cazul în care exista un decalaj intre perioadele când este solicitata energie și perioadele insorite. Alegerea tipului de baterie se face în functie de puterea medie zilnica și în funcție de timpul necesar de stocare.

Tipuri de acumulatori

plumb-acid (Pb-acid).

nichel-cadmium (NiCd).

nichel-metal (NiMH).

lithium-ion (Li-ion).

lithium-polymer (Li-poly).

Zn-Br.

Bateriile de acumulatoare de tipul plumb-acid

Exista doua tipuri de astfel de baterii cu plumb:

Baterii cu electrolit lichid

Baterii cu electrolit stabilizat

Baterii cu electrolit lichid

Bateriile plumb-acid continua să reprezinte principala optiune pentru stocarea energiei, avind avantajul pretului și al disponibilitatii pe linga faptul ca pot elibera o cantitate foarte mare de energie intr-un interval foarte scurt de timp putind suporta curenti foarte mari. Bateriile plumb-acid utilizate în sistemele fotovoltaice sunt incapsulate și nu necesita completare cu apa și intretinere, supapa regulatoare (VLRA) realizand recombinarea oxigenului și a hidrogenului rezultati în urma reactiilor chimice de la nivelul anodului și catodului.

Temperatura optima de functionare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 5°C- 20°C și influenteaza direct durata de viata a bateriei. în cazul în care bateriile de acumulatori functioneaza la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. în afara intervalului optim de temperatura este necesara de asemenea, compensarea tensiunii de incarcare cu temperatura. Curentul de incarcare al unei baterii de acumulatori trebuie să se incadreze în domeniul 10% pina la 20% din capacitatea ei nominala.

Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apa în stare lichida în bateriile clasice (electrolit lichid), retinut prin efectul capilar în separatoare din fibra de sticla sau silicat deor (baterii AGM) – AGM (Absorptive Glas Mat).

Caracteristici:

Cel mai întalnit tip de baterie reincărcabilă

În momentul descărcării se formeaza apa și sulfat de plumb, apa dilueaza acidul sulfuric (electrolitul) astfel încat masa specifica a electrolitului scade pe masura ce bateria se descarca

La încarcare apar reacții inverse

Exista diferite tipuri de baterii

Acumulatori cu ciclu superficial-utilizați la automobile

Aceste baterii sunt constituite dintr-un recipient în care se alterneaza placi pozitive și negative, separate de distanțiere izolante. Recipientul este inchis cu un dop, pentru a evita corodarea interna și scurgerea electrolitului.

Avantaj: Construcție simpla, deci ieftine.

Dezavantaj: Bateriile trebuiesc pastrate și utilizate în poziție orizontala, altfel electrolitul se scurge prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, placile nemaifiind scufundate în electrolit.

Bateriile AGM au separatoarele montate rigid, rezista foarte bine la socuri și vibratii, iar electrolitul nu se varsa nici daca bateriile sunt rasturnate. Pentru ca nu contin elemente care ingheata pot fi utilizate la temperaturi extrem de scazute. Desi din punct de vedere al electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM apartinind clasei lichid, iar tensiunea și algoritmul de incarcare sunt aceleasi ca și pentru bateriile clasice.

In calitate de electrolit este de asemenea folosita solutie acida în forma lichida, iar spatiul dintre electrozi este umplut cu materiale poroase, separator pe baza de fibra de sticla. Aceasta substanta actioneaza ca un burete, absoarbe tot lichidul și il pastreaza, nu-l lasa să se raspandeasc, electrozii și placile separatoare, alterneaza intre ele.

Principala caracteristica tehnica a bateriei AGM, spre deosebire de cele auto conventionale

este posibilitatea de a lucra în regim de descarcare profunda. Ele pot da energie electrica o perioada lunga de timp (ore sau chiar zile) până la starea în care rezerva de energie scade la 20-30% din valoarea initiala. Dupa incarcare acumulatorul își reface aproape complet capacitatea operationala. Desigur, astfel de situatii nu pot trece fara urme, dar baterile AGM de astazi pot rezista până la 600 sau mai multe cicluri de descarcare profunda.

Acumulatorii sunt puternic influentati de conditiile externe: temperatura și umiditatea, calitatea curentului electric de incarcare, etc. în practică, bateriile AGM se schimba mai des, dar este vorba de ani și ani de funcționare.

In plus bateria AGM are o tensiune de autodescarcare foarte mica. O baterie incarcata neconectata poate stoca energie pentru o perioada lunga de timp. De exemplu, timp de 12 luni de nefunctionare nivelul bateriei scade la doar 80% din cel initial. Aceste caracteristici sunt realizate nu numai datorita tehnologiei AGM. La fabricarea de baterii AGM sunt folosite materiale mai scumpe cu proprietati speciale: electrozii sunt facuti din electrozi de plumb ultrapur și mai grosi, electrolitul este acid sulfuric de inalta puritate. De aceea pretul bateriilor AGM este mai mare decat cele standard.

Baterii cu electrolit stabilizat

In electrolitul lichid se adauga substante pe baza de dioxid de siliciu (SiO2), generand astfel o masa groasa. Cu aceasta masa este umplut spatiul dintre electrozi din interiorul bateriei. în cursul reactiilor chimice în substanta electrolitica se formeaza numeroase bule de gaz, iar reunirea gazelor are loc cu o eficienta mult mai mare. Fata de bateriile AGM cele cu GEL se restabilesc mai bine dupa o descarcare profunda, chiar și atunci cand procesul de incarcare nu incepe imediat dupa descarcare. Ele sunt capabile să suporte mai mult de 1000 de cicluri de descarcare profunda, fara o pierdere semnificativa a capacitatii. Deoarece electrolitul este intr-o stare densa, este mai putin predispus la separarea în apa și parti componente de acid, bateriile cu gel tolereaza astfel mai bine parametrii necorespunzatori ai curentului de incarcare. Singurul minus al bateriilor cu gel (GEL – Gel Electrolite) este prețul, care este mai mare decat la bateriile AGM de aceeasi capacitate.

Aceste baterii se mai numesc cu recombinare a gazului. în cazul acestora, electrolitul nu mai este lichid, ci sub forma de gel.

Avantaje:

Nu necesita întreținere;

Nu exista riscul de scurgeri accidentale de acid lichid;

Potrivite pentru instalare în imediata apropiere a oamenilor și echipamentelor ectronice. în plus, forma de gel face aceste baterii potrivite în special pentru aplicații care necesita o mulțime de cicluri "profunde" de descarcare.

In condiții "grele" de lucru în ceea ce priveste numarul de cicluri de incarcare-descarcare și adâncime de descarcare, daca sunt supuse la incarcare corespunzatoare durata de viața utila a unei baterii gel este de aproximativ de 3 ori mai mare decat la o baterie de acid comun.

Dezavantaj:

-Produsul este mai tehnic (gelul), deci mai scumpe.

Bateriile se adaptează destul de bine celor ale generatoarelor fotoelectrice, deoarece ele funcționeaza la tensiune cvasi-constanta. Este suficient să se dimensioneze bateria pentru a plasa punctul de funcționare în punctul de putere maxima, deoarece tensiunea sa Upmax (tensiunea corespunzatoare puterii maxime) se modifică puțin în funcție de iluminare.

Nichel Cadmium

Electrodul pozitiv este facut din Cd iar electrodul negativ este facut din Ni

Cei doi electrozi sunt separati de Nylon

Sunt mai tolerante la temperatura

Sunt mai tolerante la poluare

NiMh

Asemanatoare cu cele tip NiCd

Anodul este construit din Mh

Are un efect de memorie neglijabil

Sunt mai putin capabile să produca un maxim de putere

Sunt scumpe

Ținta este utilizarea la mașina

Litiu-Ion

Este o tehnologie mai recenta

Ofera până la de 3 ori mai multa energie ca Pb-acid

litiu-ion au tensiunea pe celula 3.5V fata de 2.0V pentru Pb-acid și 1.2V pentru alte baterii electrochimice.

Sunt vulnerabile la supraincarcari

Caracteristicile acumulatorilor

tensiunea nominală

tensiunea de încarcare

capacitatea acumulatorului

regimul de incarcare-descarcare

eficienta

timpul de viață

Incarcarea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice

Se folosește un regulator de încărcare

Etapele de încarcare:

Încărcare principală

Încărcare finală

Încărcare de echilibru

Încărcare de întreținere

Dimensionarea corecta a capacitatii pentru o baterie de acumulatori se face în funcție de puterea nominală a consumatorilor și de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viata a unei baterii de acumulatori este dependenta de adancimea de descarcare și de temperatura de lucru. în functie de capacitatea și tipul bateriei de acumulatori se aleg controlerele de incarcare si/sau invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui controler de încarcare sau invertor de baterii impropriu poate duce la reducerea capacității bateriei de acumulatori și a duratei de viață a acesteia sau chiar la distrugerea ei.

Cum se dimensionează capacitatea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice independente?

Capacitatea bateriei de acumulatori se dimensioneaza în functie de necesarul zilnic de consum și de distributia acestuia pe intervale de timp. Se stie ca în aplicatiile fotovoltaice independente acumulatorii lucreaza în regim ciclic zi-noapte, iar durata lor de viata depinde de numarul de cicluri de incarcare-descarcare, adincimea de descarcare și conditiile de exploatare. Acesti parametrii sunt prevazuti în fisa tehnica a oricarei baterii de acumulatori și pe baza lor se poate determina cu usurinta durata de viata estimata. Pentru exploatarea eficienta a bateriei de acumulatori se recomanda dimensionarea capacitatii acesteia la o valoare de 3-5 ori mai mare decit necesarul zilnic de consum.

Cum electricitatea fotovoltaica este prețioasa, în special în perioadele innorate și lipsite de lumina ale iernii, bateriile trebuie să aibade asemenea și rate de autodescarcare mici și un randament foarte bun. în general bateriile solare au o rata de autodescarcare de aproximativ 3% pe luna. Randamentul este calculat în trei moduri:

Randamentul de incarcare,procentul de sarcina pusa intr-o baterie care poate fi recuperata, în general 85%.

Randamentul tensiunii,care reflecta faptul ca tensiunea în timpul descarcarii estemai mica decât în timpul incarcarii.

Randamentul energetic, produsul randamentelor de incarcare și cel al tensiunii; are de obicei valoarea de 75%.

Dacă nu sunt descarcate mai mult de 30% rezista câteva mii de cicluri de incarcare/descarcare; daca sunt descarcate în mod regulat cu pâna la 80%, aproximativ o mie de cicluri.

Capacitatea unei celule sau a unei baterii este masurata în amperi ora (Ah), fiind produsul dintre curentul furnizat și cât timp acesta „curge”. De exemplu, daca o baterie plina de 12V poate da 20 A timp de 10 ore, aceasta are capacitatea de 200 Ah (fiind uzual numita baterie de „200 de amperi”). Cum tensiunea este de 12 V, energia totala stocata este de 200*12 = 2400Wh, sau 2.4 kWh.

Foarte important este cum variaza tensiunea unei baterii acid-plumb în timpul încarcarii și descarcarii deoarece chargerul, care regleaza fluxul curentului de la panou în baterii, foloseste tensiunea drept „semnal de control” pentru a proteja bateriile și a le prelungi durata de viața

Fig.4.11. Caracteristica tipica de incarcare a unei baterii acid-plumb de 12V

Atunci când o baterie este pusa la incarcat la un curent constant tensiunea variaza dupa cum se poate observa în figura de mai sus. Inițial aproape de 12V, tensiunea creste constant cu starea de incarcare (State Of Charge – SOC).

In faza finala, creste mai repede, ajungând la peste 14V la atingerea incarcarii complete (SOC=100%). Daca bateria este nesigilata, aceasta ultima faza este acompaniata de gazare în electrolitul lichid, producându-se hidrogen și oxigen. Gazarea excesiva poate avea loc daca se continua incarcarea și poate produce daune celulelor; este extrem de importanta o ventilație adecvata a spațiului în care sunt depozitate bateriile pentru a evita riscul producerii unei explozii.

Totusi, supraincarcari controlate pot avea loc ocazional, purtând numele de incarcare de egalizare ,acestea fiind utile pentru a evita stratificarea în diferite nivele de concentrație de acid. La bateriile sigilate supraincarcarea trebuie evitata iar egalizarea este irelevanta.

O buna schema de incarcare, care ajuta la pastrarea bateriei în condiții de top consta în furnizarea unei incarcari forțate de tip boost charge folosind tot curentul disponibil; apoi, la apropierea SOC-ului de valoarea de 100% furnizarea unei incarcari de absorbție (absorptioncharge) la un nivel constant de tensiune și un curent mic; în final, o incarcare de tip float care menține bateria la incarcare maxima, evitând în acelasi timp supraincarcarea.

Desigur, intr-un sistem FV dependent de lumina solară variabila, fara sursa de incarcare în timpul nopții nu ne putem astepta la un regim optim de incarcare.

Fig.4.12. Caracteristica tipica de descarcare a unei baterii acid-plumb de 12 V

Figura de mai sus arata caracteristicile tipice ale tensiunii atunci când bateria de 200Ah și 12V este descarcata la curent constant. Curba notata 10h arata caracteristica de descarcare la 20A pentru 10 ore, ceea ce reduce voltajul pâna la 11V, punct în care producatorul recomanda deconectarea sarcinii pentru a evita producerea de daune. La acest punct s-a folosit 100% din capacitatea bateriei.

Dar daca o descarcam la rata mai scazuta de 2A timp de 100 de ore se obține curba notata100h.

Tensiunea sta mai bine și sarcina disponibila este substanțial mai mare, lucru care scoate în evidența dependența capacitații de rata de descarcare. Este bine de stiut faptul ca trebuie evitata pe cât posibil supradescarcarea severa sau menținereala un nivel scazut al SOC-ului pe perioade foarte lungi. La bateriile nesigilate pericolul principal il reprezinta sulfatarea, care consta în formarea de cristale mari de cristale de sulfat pe placi, fapt careduce la scaderea capacitații și deteriorare.

Intr-un sistem fotovoltaic practic nu ne putem astepta ca incarcarea și descarcarea să aiba loc la curent constant sau în cicluri regulate de consum constant. Situația este mult mai complicata și depinde de disponibilitatea luminii solare în comparație cu cerințele pentru electricitate ale utilizatorului. în general se pot identifica fluctuații zilnice ale luminii solare și ale consumului sarcinii, precum și fluctuații sezoniere. în verile insorite bateriile vor fi mai mereu incarcate la maxim (cu SOC = 100%), consumul fiind și el mic din cauza lungimii reduse a nopților; în schimb, pe perioade lungi de cer acoperit și în lunile de iarna, consumul pe o durata mult mai mare poate duce la perioade cu SOC scazut cu riscul de taiere a sarcinii. Statisticile anuale ale ciclurilor de incarcare/descarcare în sistemele fotovoltaice apar deseori ca aleatorii și neregulate. Cu toate acestea, este foarte important să stim cum funcționeaza bateriile și cum putem imbunatați sistemul.

4.8.2. Acumulatoare electrice

Acumulatoarele electrice sunt elemente galvanice secundare, care inmagazineza  energie electrica luata de la o sursa de curent continuu (incarcare) și o cedeaza la nevoie (descarcasea acumulatorului) intr-un circuit inchis continuand un consumator.

Atat incarcarea, cat și descarcarea acumulatorului (Fig 4.13.) se bazeaza pe reactii chimice reversibile(se produc intr-un sens la incarcare și în sens invers la decarcare).Dupa incarcare, acumularorul devine o sursa de energie electrica, iar dupa descarcare poate fi din nou incarcat, și asa de foarte multe ori. Datorita acestui fapt, precum și datorita transportarii lor usoare, acumulatoarele au capatat o intrebuintare din ce în ce mai mare.

Cand este necesar să obtina un curent debitat mai mare, se leaga în paralel mai multe acumulatoare (+cu+  și  –cu- ), iar cand se cere o tensiune mai mare,se leaga în serie (plusul uneia cu minusul alteia); astfel se formeaza bateriile de acumulatoare.

Acumulatoarele au electrozii sub forma de placi, de a caror suprafata depinde valoarea curentului debitat de un element. Electrolitul în care sunt cufundati poate fi o solutie de acid sulfuric (acumulatorul acid) sau o solutie de hidroxid de potasiu KOH (acumulatorul alcalin).

Bateriile de acumulatoare se incarca cu ajutorul redresoarelor uscate (de obicei de seleniu), conectate în reteaua electrica, sau al convertizoarelor. Ele pot functiona în tampon cu acestea.

a)                                                                                              b)

Fig.4.13. a – descarcarea, b – incarcarea.

4.9. Avantajele și dezavantajele utilizării panourilor solare

Avantaje

Avantajul principal al folosirii panourilor fotovoltaice este sintetizat în doua cuvinte: energie gratuita.

Un alt avantaj al utilizarii panourilor fotovoltaice este reprezentat de posibilitatea asigurarii energiei electrice in locatii izolate care nu au acces la reteaua de furnizare energie electrica.

Un astfel de sistem este usor de instalat, nu necesita cunostinte speciale in domeniu energetic, intretinerea panourilor este facila acestea nu necesita decat cuatarea de impuritatile ce se ataseaza pe suprafata acestora.

Durata medie de utilizare a acestor panouri este de 20-25 ani, singura componenta care necesita o atentie mai sporita si a carei durata de viata este mai scurta in cazul sistemelor insulare sunt bateriile.

Un alt avantaj considerabil al acestor sisteme este ca se pot extinde in cazul aparitiei unor consumatori electrici suplimentari.

Dezavantaje

Dezavantajele prezentate mai jos consider ca nu întrec în prioritate acest mare avantaj:

Comparativ cu puterea furnizată, investiția necesară în panourile fotovoltaice este mare. Panourile necesită spațiu de instalare orientat convenabil,unghiul de incidenta al radiatiei solare fiind foarte important, iar fără un sistem de stocare (care, la rândul său, necesită investiții și întreținere) energia generată este utilizabila numai o perioada de timp scurta.

Panourile solare produc energie electrică minim 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore). Ziua, timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică ( înmagazinează energie,vara,in reteaua nationala (sau în acumulatori) pentru a fi folosită iarna, din aceeasi retea nationala (sau noaptea, din acumulatori)).

Deși energia solară este regenerabila și ușor de produs, problema principală este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pamant. În plus, datorită rotației Pământului în jurul axei sale, și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. Este de asemenea cunoscut ca elevatia și azimutul pozitiei soarelui sunt diferite iarna de perioada verii, datorita miscarii relative a soarelui pe cer.

O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilelor noroase, când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicațiile acestei forme de energie regenerabila.

Se pot distinge trei tipuri de celule fotovoltaice în funcție de tipul de semiconductor folosit (in special Siliciu), în ordine descrescatoare a randamentului : monocristaline, policristaline și amorfe.

Diferitele materiale semiconductoare folosite la realizarea celulelor fotovoltaice sunt potrivite numai pentru anumite intervale spectrale ale luminii și deci o parte a energiei radiante nu poate fi utilizata. Energia cuantelor este direct proportionala cu frecventa undei purtatoare, deci unele cuante de lumină (fotoni) nu au suficienta energie pentru a "activa" purtătorii de sarcină din semiconductor (de exemplu undele radio de frecventa joasa), iar cuantele cu energie fotonica în surplus se transforma în căldură mai degrabă decât în energie electrică (de exemplu undele Gamma). Tot o limitare fizica este și faptul ca ionizarea cristalelor de siliciu este limitata la anumite valori și nu mai creste prea mult peste aceste valori daca creste intensitatea radiatiei solare.Cresterea temperaturii influenteaza negativ puterea debitata, aceasta scazind cu 0,5 % pentru fiecare grad celsius în plus.

În plus, există pierderi optice, de reflectare a razelor de intrare de pe suprafața celulei, pierderi datorate rezistenței electrice în semiconductoare și cabluri de conectare.

Aceste limitari conduc la un nivel maxim de eficiență de 9-13% (pentru siliciu cristal), avind posibilitatea de a ajunge la 17-20 % daca se utilizeaza sisteme de orientare dupa soare.

Ceea ce este insa interesant…este ca la suprafete mari de panouri fotovoltaice, montate pe hale, ferme, depozite, etc, energia electrica generata și debitata în reteaua nationala, asigura consumul de iarnapentru orice ferma, depozit, sau fabrica.

Pe termen mediu, sau lung, panourile solare devin o afacere superrentabila, investitia amortizindu-se 100% .

Încălzirea structurilor celulelor solare

Datorită încălzirii structurilor de sicliciu amorf apar extra curenți care se scad din curentul principal generat de efectul fotovoltaic ceea ce duce la scăderi importante a randamentelor de conversie .

Depuneri pe suprafața de recepție

Constituie o problemă esentială în privința obtinerii curentului electric prin conversie fotovoltaică a luminii solare , necesitand operatii speciale de spalare a suprafeței. Printre depunerile obisnuite pot fi praf sau alte substanțe poluante existente în atmosfera terestră.

În condiții de iarnă panourile pot fi acoperite cu un strat de zăpadă, care evident trebuie inlaturată. Soluția practicată în momentul de față o constituie trimiterea unui curent electric din acumulator de sens contrar în panoul silar , care datorită efectului Joule incalzesc structurile de cuart policristalin , care topeste zapada , si datorita inclinarii panourilor cade pe sol.

Exemple de înlaturare a dezavantajelor în instalațiile de obținere a energiei fotovoltaice

Un exemplu de contribuție o constituie construirea unei instalații de spalare a suprafeței de recepție a panourilor solare cu o funcționare în regim periodic atunci cand se constată o diminuare a curentului electric recepționat. Instalația se compune dintr-o sursă de apă, pompă , furtun si un ajutaj care să împrastie apa pe suprafața panoului.

Răcirea suprafețelor de recepție a panourilor solare

În vederea creșterii randamentului panourilor solare, soluția constă în răcirea structurilor prin plasarea în spatele panourilor a unui rezervor de cupru cu o lățime egală cu aproximativ 1,5 cm prin care curge continuu un curent de apa rece de preferat dintr-un puț hidrogeologic. În aceste condiții randamentul devine maxim.

O centrala solară cu panouri fotovoltaice (Ps) dotate cu instalații de răcire cu apă din freatic се conține un foraj hidrogeologic (RR.) о pompa (Р) , conducte (CR) care produc circulația apei într-o instalație de răcire (IR), montată termic în legătură cu panoul solar се este prins față de veticală la un unghi egal cu 57º pentru а recepționa în condiții optime radiația solară tot timpul anului, îmbunatățind în acest fe1 randamentul conversiei electrice; energia electrică este acumulată într-un acumulator (Ac) prin intermediul unui regulator R.

4.10.Exemple propuse de utilizare a panourilor fotovoltaice

4.10.1.Utilizarea panourilor fotovoltaice la o stație hidrometrică în vederea automatizării

Un exemplu de utilizare a centralei fotovoltaice pentru obținerea conversiei energiei solare în energia electrică, ar fi aplicarea în domeniul gospodării apelor, mai exact la o stație hidrometrică, prin automatizarea colectării și transmiterii datelor hidrologice la posturile dispecer.

4.10.2. Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru aprovizionarea cu energie electrică, de

rezervă a unei incinte administrative de exploatare a unui baraj

Descrierea incintei administrative de exploatare a barajului

Pentru exploatarea în bune condiții a unui baraj, s-a proiectat și executat o incintă administrativă alcatuită din:

Canton de exploatare compus din locuiță de serviciu, birou dispecerat și cameră aparatură

Magazie-anexă, compusă din cameră pentru depozitarea materialelor stocului de apărare și cameră pentru dispozitivele de masură și uneltele de lucru.

Platforma betonată pentru acces la canton și magazie

Foraj alimentare cu apă

Rețea iluminat exterior

Înprejmuire incintă.

În prezent sursa pentru alimentare cu energie electrică a incintei administrative este asigurată de la rețeaua electrică a localității. Ca sursă de rezervă în caz de avarii este și un grup electrogen. În situația producerii de fenomene hidrometeorologice periculoase,fregvent se produc întreruperi de energie electrică, se inpune o altă sursă de energie electrică pentru asigurarea continuiității funcționării sistemului informațional.

În prezentul proiect propun ca sursă alternativă de energie electrică, utilizarea energiei solare prin conversia fotovoltaică.

Din analiza datelor privind consumurile de energie necesar pentru funcționarea în condiții optime a sistemului informațional cât și gospodaresc rezultă un consum total de 425 wat/h, dacă înlocuim iluminatul convențional cu iluminatul pe leduri, înafara consumului de forță a motoarelor de pe turnul de manevră pentru care se va utiliza energia de la rețea.

Tab.4.1.Consum energie pentru iluminat

Tab.4.2. Consum energie pentru aparatura de serviciu

Prin utilizarea energiei fotovoltaice se obține o diminuare a consumului pentru iluminat de cca 80%, aceasta datorîdu-se utilizării becurilor cu leduri. Acestea au și alte avantaje față de becurile convenționale dintre care menționam:

durată mare de funcționare

nu apar inducții elecromagnetice de deschiderea și închiderea luminii

lumina este stabilă spectroscopic

randament foarte ridicat cca 90%

nu apar defecțiuni imprevizibile

nu atrag insectele deoarece nu emit radiație infraroșie și radiație ultravioletă

Pentu a asigura puterea necesară de 425wat/h se aleg:

2 panouri fotovoltaice de 240 wat 24V

Regulator de încărcare 80A

Acumulator de 200A/h 12V

Invertor de 1000wat

Kit conectică, kit montaj, cutie joncțiune

Panourile fotovoltaice se vor monta pe acoperișul magaziei , pe suporți adecvați, înclinate la 57º față de orizontală pe direcția sud în vederea obținerii unui randament maxim. În urma calculelor efectuate lucrarea respectivă s-ar amortiza în circa 6-7 ani, iar consumul pentru iluminat va fi redus cu 80 % , față de consumul actual.

BIBLIOGRAFIE

Antohi C.M. , Surse de Radiții.Tehnologii de Protecție. Performantica, Iași 2003.

Ahlheim, K., (colab.) (1975), Die Unwet des Menschen Meyer Lexikon- verlog,Mannheim

Brown R.L. (2001), World Economy Expands, în Worldwatch Institute, Vital Signs, 2001 (N.Y. W.W. Norton&Company, 2001)

Brown R.L., (2006), Planul B 2.0 Salvarea unei planete sub presiune și a unei civilizații în impas, Editura Tehnică, București

Duma, S., (2007), Resursele crustale mondiale, Edit. Presa Universitară Clujeană, Cluj-Napoca

Dunn S., (2000), The Hydrogen Experiment, World Watch, nov/dec 2000

Dunn S., (2001), Hydrogens Futures: Toward a Sustainable Energy System, Worldwatch Paper 157, (Washington D.C.: Worldwatch Institute, Aug 2001)

Iannucci, (1999), Distributed and Meeting of boar don Energy and Environmental Systems, Nationa research Council, Washington DC

Ion Giurma , Antohi Constantin brevet de invenție nr. a2010 00827 Instalație pentru aerarea apelor de suprafață.

Ion Giurma , Proiect ID-596 , Tehnici inovative de protecție împotriva dezastrelor cauzate de dezastre climatice.

Niac G., nașcu H, (1999), Hidrogenul, vector de energie. Pro și contra, Revista Energetica nr.47, Cluj Napoca

Paulescu M, Fara, Tulcan-Paulescu, Model for obtaining daily global solar irradiation from air temperature data Atmosheric Research

http://ames.ro/hidroenergia/

http://ro.wikipedia.org/wiki/Combustibil_fosil

http://ro.wikipedia.org/wiki/C%C4%83rbune

http://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Cernob%C3%AEl

http://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Fukushima-Daiichi

http://www.panourisolare/online.ro/download/panouri_fotovoltaice/prezentare_panouri_fotovoltaice.pdf

http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_solar