Lucrarea de față îsi propune să simuleze funcționarea unui generator de energie electrică din surse regenerabile de energie. [305790]

[anonimizat] o criză energetică datorată epuizăriii resurselor de combustibili fosili care stau la baza generării a circa 70% din energia electrică produsă in lume.

Singura soluție pentru depășirea acestei crize energetice este utilizarea surselor regenerabile de energie: energia hidraulică a [anonimizat].

[anonimizat]. Astfel, [anonimizat]-zi. Energia solară este considerată energia viitorului. [anonimizat].

[anonimizat]. Pamântul și celelalte plante orbitează în jurul Soarelui. Energia provenită de la Soare sub formă de radiație solară susține aporape toată viața de pe Terra indirect prin fotosinteză și este principala cauză a schimbărilor climatice.

[anonimizat]. Petrolul, cărbunele, [anonimizat], în care descompunerea vegetației este datorată unor temperaturi și presiuni foarte ridicate de-a lungul unei perioade îndelungate de timp.

Într-o lume în care economia se dezvoltă pentru a [anonimizat], deși sunt depuse eforturi laborioase pentru creșterea eficientizării consumului de energie. În momentul de față există o [anonimizat] a energiei regenerabile poate îndeplini cerințele de creștere ale prețului care sunt egale sau chiar mai mici decât previziunile de preț pentru energia convențională.

În capitolul I ''Noțiuni generale privind energia convențională și energia neconvențională'' [anonimizat]. Totodată, este prezentată o evaluare a [anonimizat], [anonimizat] s-ar putea confrunta cu o criză energetică majoră în următoarele decenii.

În capitolul II ''Studiul actual al surselor regenerabile de energie '' [anonimizat] o [anonimizat].

În capitolul III ''Sisteme fotovoltaice pentru producerea de energie electrică '' are drept scop punerea în evidență a [anonimizat], care prin intermediul panourilor fotovoltaice este convertită în energie electrică electric. Avantajul principal al panourilor fotovoltaice poate fi sintetizat în 2 cuvinte energie gratuită.

În capitolul IV ''Sisteme de stocare a energiei regenerabile'' sunt prezentate principalele soluții optome pentru stocare a energiei regenerabile. Stocarea a energiei a [anonimizat], echipamentelor și tehnologiilor de conversie și stocare fiind o condiție exclusivă pentru utilizarea competitivă a tuturor surselor regenerabile de energie.

În capitolul V '' Proiectarea unui sistem de stocare a energiei regenerabile cu aer comprimat''. Este un sistem de stocare a energiei regenerabile cu aer comprimat, precum și descrierea etapelor de lurcu.

Datorită faptul că astazi au loc schimbari climatice majore care dau naștere unor manifestari climatice violente a parametrilor meteorologici. Din această cauză 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 îsi propune să simuleze funcționarea unui generator de energie electrică din surse regenerabile de energie.

Capitolul I

Noțiuni generale privind energia

convențională și energia neconvențională

Energiile convenționale

Energia convențională reprezintă utilizarea combustibililor fosili (cărbuni, gaze naturale, petrol) pentru producerea energiei, prin intermediul unor procese de ardere.

Energia convenționlă este generată din surse epuizabile, în special combustibili fosili, cei mai răspândiți fiind cărbunii, petrolul și gazele naturale. Acest tip de energie are dezavantajul de a fi din ce în ce mai scumpă, deoarece resursele sunt din ce în ce mai puține, iar cererea la fel de mare.

Deși este utilizată pe scară largă, energia convețională are dezavantajul de a depinde de cantitatea de cărbuni, petrol și gaze naturale existentă, care este limitată, iar prin arderea acestor combustibili se elimina în atmosferă gaze nocive, precum dioxidul de carbon, care generează la rândul său binecunoscutul efect de seră. Acesta reprezintă principalul factor pentru apariția unor schimbări climatice importante, care amenință ecosistemele de pe întreg globul.

Prin mediu înconjurător se întelege ansamblul de elemente, fenomene naturale și artificiale de la exteriorul Terrei, care condiționează viața în general și pe cea a omului în special.

În special, sensul dat acestei noțiuni în cadrul Uniunii Europene este cel al unui ansamblu de elemente care, în complexitatea relațiilor lor, constituie cadrul, mijlocul și condițiile de viața ale omului, cele care sunt ori cele care nu sunt resimțite. O altă definiție o găsim în Legea protecției mediului, în care mediul înconjurător este ansamblul de condiții și elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul și subsolul, toate straturile atmosferei, toate materiile organice și anorganice, precum și ființele vii, sistemele naturale în interacțiune, cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale și spirituale.

Poluarea reprezintă modificarea componentelor naturale prin prezența unor elemente străine, numite poluanți, ca urmare a activității omului, și care provoaca prin natura lor, prin concentrația în care se găsesc și prin timpul cât acționează, efecte nocive asupra sănătății.

Poluarea mediului privită îndeosebi prin prisma efectelor nocive asupra sănătății, a îmbrăcat de-a lungul timpului mai multe forme de poluare și anume:

Poluarea biologică, cea mai veche și mai bine cunoscută dintre formele de poluare, este produsă prin eliminarea și răspândirea în mediul înconjurător a germenilor microbieni producători de boli.

Poluarea chimică constă în eliminarea și răspândirea în mediul înconjurător a diverselor substanțe chimice. Poluarea chimică devine din ce în ce mai evidentă, atât prin creșterea nivelului de poluare, dar mai ales prin diversificarea ei. Pericolul principal al poluării chimice îl reprezintă potențialul toxic ridicat al acestor substanțe.

Poluarea fizică cuprinde, în primul rând, poluarea radioactivă ca urmare a folosirii izotopilor radioactivi în stiință, industrie, agricultură, zootehnie, medicină. Există un pericolul deosebit al substanțelor radioactive în mediu și în potențialul lor nociv, chiar la concentrații foarte reduse. Poluării radioactive i se adaugă poluarea sonoră, tot ca o componentă a poluării fizice. Zgomotul, ca și vibrațiile și ultrasunetele sunt frecvent prezente în mediul de muncă și de viață al omului modern, iar intensitățile poluării sonore sunt în continuă creștere.

Însă cele mai des întâlnite forme de poluare sunt: poluarea apei, poluarea solului, poluarea aerului (atmosferică).

1.2 Energiile neconvenționale

Energie neregenerabilă este energia obținută din surse epuizabile, adică combustibilii fosili și nucleari. Prin surse neconvenționale de energie se vor înțelege toate acele surse care nu utilizează combutibilii clasici și anuum: energia solară, energia vântului, energia mareelor și a valurilor.

Epuizarea resurselor a determinat dezvoltarea unor largi programe de cercetare menite să realizeze noi filiere energetice care să participe la echilibrarea raportului dintre “cererea de energie” și asigurarea ei.

Trebuie arătat însă că lumea se va confrunta în viitor cu probleme deosebit de complexe legate nu numai de insuficiența unor resurse, dar și de “elesticitatea” mai redusă pe care o prezintă sursele noi. Cu ajutorul cărbunelui și a petrolului, se poate produce relativ rapid electricitatea și de aici elasticitatea utilizării în procesul industrial. Noile filiere energetice, deși de mare disponibilitate, au o mai mică accesibilitate, nu reprezintă concentrări mari de energie, au un caracter aleatoriu, de neadmis într-un sistem energetic la care continuitatea furnizării de energie este elementul essențial. Deci, înțelegem că viitoarele filiere energetice vor coexistenta încă multe decenii în scopul realizării unor economii globale de energie.

În acest sens, trebuie privită contribuția noilor surse energetice și trebuie arătat că deja aceste filiere energetice încep să participe substanțial la reducerea consumului de combustibil convențional.

Numai energia solară, filiera cu cele mai apropiate aplicații din cele convenționale, în condițiile reducerii consumului de lemn, va cunoaște creșteri substanțiale în anii ce vin, reprezentând 10 – 12% din cererea de energie, ceea ce la creșterea în valoare absolută a acesteia (în jur de 1000 EJ), va înseamna o contribuție importantă.

Impactul pe care sursele neconvenționale de energie îl vor avea asupra societății, va produce schimbări de principiu în ceea ce privește generarea și utilizarea energiei produse, ceea ce va cere timp, adică acest timp nu va fi similar cu implemntarea gazului metan în Europa, sau al reactoarelor nucleare, deoarece cererea de energie “va presa” puternic valorificarea acestor resurse.

1.3 Nesecitatea unei alternative pentru evitarea unei crize energetice mondiale

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 2025, 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 a consumului energiei, omenirea s-ar putea confrunta cu o criză energetică majoră în următoarele decenii. 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 2020, 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 creșterea consumului energetic mondial, poluarea și epuizarea rezervelor de hidrocarburi și uraniu influențeaza evoluția sistemelor energetice și impulsionează dezvoltarea unor surse de energie alternative.

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 apreciate la 160 miliarde de tone 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 câmpuri petrolifere mici sau în regiuni greu accesibile. Petrolul va fi din ce în ce mai scump și mai greu de găsit. Construirea unor platforme de foraj submarine cum sunt cele din Marea Nordului este foarte costisitoare și ar avea ca rezultat creșterea costului producției zilnice de 40 ori față de Orientul Mijlociu. S-a estimat ca un puț de foraj submarin construit la 300 de metri adâncime în apele Golfului Mexic ar produce petrol la un preț de 65 de ori mai mare decât 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 141 miliarde de metri cubi ar putea asigura consumul mondial pentru încă 60 de ani, iar rezervele sigure de cărbune (1000 miliarde de tone) ar asigura consumul mondial pentru încă 230 de ani.

Însă la toate acestea se adaugă și repartiția inegală a rezervelor de combustibili fosili: majoritatea rezervelor de petrol sunt localizate în Orientul Mijlociu (66%), a celor de gaze naturale în Federația Rusă (34%) și Orientul Mijlociu (31%), iar rezervele de cărbune în Federația Rusă și S.U.A.

Furnizarea hidrocarburilor poate fi incertă deoarece 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 dolari/ baril.

Industria energetică este o ramură importantă a economiei mondiale ce se ocupă 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. Însă superioritatea unei economii nu rezultă din cantitatea de energie consumată, ci din modul eficient în care aceasta este utilizată.

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

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

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

După criteriul durabilității 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 puțin valorificate, însă foarte promițătoare: biomasa (“plante energetice”) pentru obținerea unor combustibili, energia curenților oceanici, energia rezultată prin diferența de temperatură dintre apele oceanice de suprafață și cele de adâncime, hidrogenul obținut prin disocierea apei.

Pe de altă parte, utilizarea combustibililor fosili ca principală sursă 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 cărbuni sau gaze naturale emit în atmosferă cantități considerabile de dioxid de sulf și oxizi de azot. Când aceste gaze se combin cu vaporii de apă din atmosferă formează acid sulfuric și acid azotic, iar mai departe ploi acide.

Ponderea dioxidului de carbon în atmosfera terestră, după 1850, a fost în continuă creștere, ca rezultat al arderilor combustibililor fosili. Dioxidul de carbon împreună cu alte gaze industriale (cum ar fii metanul) pot induce efectul de sera, ce se manifestă prin creșterea temperaturii la suprafața Pământului, datorită creșterii cantității de căldura blocată în atmosfera inferioară. Acest lucru are urmări grave: schimbări și bulversări climatice sau repercursiuni asupra ecosistemelor.

În multe state ale lumii 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 după 1997, când două din cele mai mari companii petroliere din lume – Royal Dutch-Shell Group și British Petroleum – au anunțat că vor face mari investiții în acest domeniu, adică, în utilizarea energiei solare și în realizarea unor proiecte de împădurire.

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 când sursele de energie alternativă (solară, eoliană, biomasă) își vor face loc pe piața energetic 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 decât necesarul mondial de energie, doar o mică parte este transformată în energie electrică la un preț rezonabil.

Nivelul rezervelor (estimările 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.1.1. 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):

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.1.2. 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.

1.4 Impactul sistemelor de energie regenerabilă asupra mediului ambiant

Începând cu secolul XX, știința a avansat foarte mult, fiind dezvoltate în toate domeniile, diferite tehnologii menite să ajute omul. În paralel și populația globului a crescut într-un ritm alert. În aceste împrejurări, nevoia de energie a crescut foarte mult, în comparație cu secolul XIX. Așadar, oamenii de știință au ajuns la concluzia că, multe din resursele de energie actuale sunt în curs de epuizare într-un viitor nu prea îndepărtat.

Oamenii au început să cerceteze și să caute noi resurse de energie și modul în care acestea pot fi valorificate. Astfel, în urma multor studii a început să fie tot mai des utilizat termenul de „energie regenerabilă” sau „energie neconvențională”.

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vântului, a apelor curgătoare, a proceselor biologice și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte: energia derivată din biomasă (biodiesel, bioetanol, biogaz), energia geotermică, energia apei (hidraulică și a mareelor), energia solară, energia eoliană.

Investițiile globale anuale în energia regenerabilă au crescut în ultimii ani de la 39 miliarde de dolari, în 2005, la 55 miliarde de dolari, în 2006. În anul 2012 investițiile au atins un nivel de 100 miliarde de dolari.

Conform Directivei 2003/30/CE a Uniunii Europene, statele membre trebuie să amestece treptat combustibilul tradițional utilizat în transport cu biocombustibil, astfel încât, biodieselul să reprezinte 5,75% din motorina de pe piață.

Utilizarea biomasei, a energiei geotermale, a energiei hidraulice, a energiei solare și eoliene, precum și a energiei valurilor, depinde de fluxul de energie generat de natură, de căldura emanată de centrul pământului, de cursurile de apă, de soare, de mișcarea perpetuă a lunii.

Aceste surse de energie fiind independente de scara evolutivă a timpului, sunt cunoscute sub numele generic de surse de energie regenerabilă (sau reînnoibilă).

Din punct de vedere economic, comparativ cu energia obținută cu ajutorul combustibililor fosili și a energiei nucleare, costul diferitelor surse de energie regenerabilă pare mai oneros datorită metodelor de producere, a unei cereri slabe ale pieței și echipamentelor de vârf necesare. Totodată, dacă se ține cont de costul total, la care trebuie să se adauge stricăciunile ecologice ocazionate de folosirea combustibililor fosili și a energiei nucleare, în raport cu avantajele, de exemplu un impact scăzut al surselor de energie regenerabilă asupra mediului, se poate spune că tendința dezvoltării și aplicării acestora din urmă prezintă, neîndoelnic, un avantaj în optica unei dezvoltări economice durabile.

Este convenabil să se promoveze sursele de energie și practicile care sunt pozitive pentru mediul ambiant și să se intensifice eforturile pentru a gestiona emisiile poluante generate de producerea de energie. Chiar dacă unele surse de energie regenerabilă sunt exploatate de mult timp (hidroenergia, de exemplu), este esențial să se atragă atenția constructorilor, consumatorilor, guvernanților și investitorilor, și asupra celorlaltor surse de energie regenerabilă, astfel încât ponderea energiei electrice produse grație surselor regenerabile să poată crește în viitorul apropiat.

Guvernele vor trebui să ia măsuri în domeniile fiscalității, a subvențiilor și a reglementărilor, care nu numai că le vor ajuta să-și atingă obiectivele în materie de securitate energetică și mediu, dar vor contribui de asemenea la promovarea progresului tehnic și la dezvoltarea economică.

1.5 Resurse energetice epuizabile și regenerabile

În Agenda 21 adoptată la Rio de Janeiro în 1992, în cadrul Conferinței Națiunilor Unite privind Mediul și Dezvoltarea se afirmă că energia este esența dezvoltării sociale și economice, a îmbunătățirii calității vieții, dar toate sursele de energie trebuie folosite în modalități care să respecte atmosfera, sănătatea umană și mediul ca un întreg.

Ca atare, societatea umană trebuie să-și îmbunătățească relația sa cu natura și mediul înconjurător, recunoscând, în același timp, importanța pe care o au resursele naturale asupra dezvoltării economice, evoluției societății și a economiilor, în general. Resursele energetice reprezintă fundamentul material al politicii energetice a unei țări, premisa studiilor de dezvoltare energetică. Excedentele sau deficitele de resurse energetice, conjugate cu necesitățile dezvoltării economice, trebuie să fundamenteze importurile sau exporturile de energie, o țară în curs de dezvoltare poate deveni într-un termen istoric scurt, dintr-o țară exportatoare o țară importatoare.

Ritmurile de creștere ale consumului de energie la scara economiei naționale trebuie să fie asigurate de resursele de energie primară (energia recuperată din natură): cărbuni, țiței și derivatele sale, gaze naturale, energie hidraulică, lemn, uraniu natural. Energia sub formă naturală pentru a fi transformată în energie utilă (mecanică, chimică, lumină, căldură) trebuie să treacă prin următoarele trepte: extracție și îmbogățire, transformare în forme superioare în vederea transportului și consumului.

Având în vedere randamentele relativ scăzute ale proceselor de transformare, pierderile în domeniul transportului, cu toate progresele care s-au realizat în ultima perioadă, randamentul de utilizare al resurselor energetice este cuprins între 40-50%.

Disponibilitățile energetice ale omenirii sunt determinate de energia stocată în decursul evoluției planetei noastre sub formă de combustibili fosili (fotosinteza preistorică) sau combustibili nucleari și de energia regenerabilă, generată în flux continuu de soare (fig.1.3).

Fig.1.3. Schema fluxurilor de energie trecute și prezente

Conectarea marilor consumatori de energie la energiile stocate, grăbește epuizarea acestor stocuri. Indiferent dacă termenul de epuizare este de ordinul deceniilor pentru hidrocarburi, sau de ordinul secolelor pentru cărbuni, la scara istoriei sunt termene scurte, care trebuie să determine căutări în vederea atragerii în cantități tot mai mari a energiilor regenerabile în circuitul economic. Trecerea de la consumul de energie din stocuri la consumul de energie din surse energetice practic infinite, trebuie să fie susținută de profunde inovări tehnologice, care să asigure o valorificare economică și fiabilă a energiilor regenerabile.

Capitolul II

Studiul actual al surselor regenerabile de energie

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-reînnoibile includ energia nucleară, precum și energia generată prin arderea combustibililor fosili, așa cum ar fi țițeiul, cărbunele și gazele naturale. Aceste resurse sunt, în chip evident, limitate la existența zăcămintelor respective și sunt considerate în general ne-regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliană

energia solară

energia apei

energia hidraulică

energia mareelor

energia geotermică,

energie de biomasă: biodiesel, bioetanol, biogaz.

Aceste forme de energie sunt valorificabile putând servi la generarea curentului electric, producerea de apă calde. În present, acestea sunt în mod inegal valorificate, dar există o tendință certă și concretă care arată că se investește insistent în această, relativ nouă, ramură energetică.

Energia eoliană

Fig.2.1. Prezentare unei surse regenerabile de tip eoliană în funcțiune

Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă realizată din puterea vântului. La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică. Deși este o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producția energiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 și 2006, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Fig.2.2.Puterea eoliană instalată și predicții până în 2020

Vânturile se formează atunci când Soarele nu încălzeste Pământul uniform, diferențele de temperatură creeând mișcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti turbine ce antrenează dispozitive electromecanice, care sunt capabile de a genera electricitate.

Există turbine ce pot produce 5 MW, însă aceastea necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, respectiv 20 de kilometri pe ora și doar puține zone pe pamânt au aceste viteze ale vântului disponibile. De asemenea majoritatea turbinelor produc energie aproximativ 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.

Avantaje:

principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili.

un alt avantaj esențial este faptul că nu se produc deșeuri.

costul energiei electrice produse pe unitatea de energie, este redus.

costurile energiei produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici. În ultimii ani, prețul de producție pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând, prin îmbunătățirea parametrilor tehnici ai turbinelor, la cifre de ordinul 3-4 eurocenți pe kilowatt oră.

costuri reduse de scoatere din funcțiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la capătul perioadei normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

Dezavantaje:

resursa energetică relativ limitată.

inconstantă datorită variației vitezei vântului.

numărului redus de amplasamente posibile.

un alt dezavantaj este și "poluarea vizuală" – adică, au o apariție neplăcută – și de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsari și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor.

un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depășeste limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.

Turbinele eoliene sunt dispozitive ce transformă mișcarea cinetică a palelor unei elice în energie mecanică. Dacă această energie mecanică este apoi transformată în electricitate avem de-a face cu un generator alimentat cu vânt/convertor de energie eoliană. Impropriu denumite, centralele eoliene sunt, ferme de turbine eoliene, ce sunt conectate la rețeaua de distribuție a curentului. În componența unei centrale eoliene nu intră doar turbinele, ci și redresoare de curent, transformatoarele și corectoare ale factorului de putere al curentului. În amplasarea centralelor eoliene, se ține cont de viteza vântului în zonă, prețul terenului, impactul vizual asupra structurilor din vecinatate și apropierea de rețeaua de distribuție a curentului.

2.1.1.Turbine eoliene cu viteză fixă

Fig.2.3.Reprezentarea schematică a unui generator eolian cu viteză fixă

Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic.

Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone. În cazul mașinilor sincrone clasice și asincrone cu rotorul în scurtcircuit, viteza de rotație depinde direct și strict de frecvența curenților ce parcurg înfășurările statorice. Mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit, având un număr fix de perechi de poli, poate funcționa într-un domeniu retras de viteze, alunecarea fiind de ordinul a câtorva procente.

a)Funcționarea în mod autonom

Eolienele neconectate la rețea funcționează în mod autonom, alimentând sarcini izolate, ce au unul sau mai multe grupuri electrogene tampon. Pentru acest tip de configurație, se utilizarea un sistem de stocare, în situația când vântul este slab. Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluție pentru stocarea pe o durată mai mare. Există însă și alte sisteme de stocare, cum ar fi cel inerțial folosit pentru stocarea pe durate scurte. Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă pentru mediu, un caracter poluant. Energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant. Generatorul poate fi o mașină sincronă cu magneți permanenți sau o mașină asincronă cu rotor în scurtcircuit, prevăzută cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.

Fig.2.4.Schema generală a unei eoliene cu viteză fixă, în mod autonom

b) Funcționarea în rețea

În cazul în care eoliana este conectată la rețea, viteza de rotație a mașinii asincrone trebuie să rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru a asigura funcționarea stabilă a generatorului. Frecvența rețelei impune viteza de rotație a mașinii.

Generatorul cu viteză fixă, conectat direct la rețea, trebuie prevăzut cu un multiplicator de viteză. Generatorul eolian funcționează la o anumită viteză de rotație, pentru un domeniu restrâns de viteze ale vântului. Din acest motiv, aplicațiile sunt limitate.

Conectarea la rețeaua electrică a unei eoliene cu o astfel de structură presupune două etape:

Prima etapă constă în conectarea înfășurării statorice la rețea cu rezistente înseriate, pentru a se reduce curenții statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel încât cuplul dezvoltat să fie nul.

A doua etapă presupune ca după câteva secunde, rezistențele din circuitul statoric sunt scurcircuitate, apoi sistemul de reglare comandă, orientează palele în scopul creșterii puterii.

Regimul tranzitoriu la conectare determină apariția unor curenți importanți, ce sunt limitați de către rezistente. Rezistențele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativă (VTA), prin modificarea unghiului de comandă al tiristoarelor din structura variatorului reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu atingă valori periculoase pe durata etapei de conectare.

Fig.2.5. Schema de conectare directă la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit

Mașina asincronă cu stator dublu

Această configurație oferă posibilitatea funcționarii eolienei cu două viteze.
Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli și deci domenii diferite de viteză. Se pot impune două viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.

Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.

Puterea debitată în rețea este:

Ptr =m Ωs  (2.1)

unde:

Ptr- puterea transmisă de generator în rețea;

m- cuplul electromagnetic;

Ωs – este viteza de sincronism.

Ωs = ω/p (2.2)

cu ω pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli.

La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli, și viteza de sincronism este mică, așa cum evidențiază relația de mai sus.

Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfășurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca și viteza turbinei sunt mai mari.

Fig.2.6.Schema de conectare la rețea a unei eoliene mașina asincronă cu stator dublu

2.1.2.Turbine eoliene cu viteză variabilă

Fig.2.7.Model de generator eolian cu viteză variabilă

Pentru optimizarea puterii debitate în rețea, în funcție de viteza vântului, este necesar reglarea vitezei de rotație a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvență fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcționarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantități mai mari din energia vântului, reducând în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat, astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcționeze la puterea maximă. Este ceea ce se numește Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotație a eolienei, puterea maximă se obține în concordanță cu caracteristica eolienei P(Ω).(fig.2.5)

Fig.2.8.Puterea în funcție de viteza de rotație a arborelui mașinii

Sistemele eoliene cu viteză variabilă conectate la rețea, utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF).

1.Convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF)

Prin modificarea vitezei, frecvența și amplitudinea tensiunii la ieșirea generatorului sunt variabile. Pentru conectarea la rețea, energia electrică trebuie transformată și adusă la parametrii constanți ai rețelei. În acest scop, se utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență, interpuse între generator (sincron sau asincron) și rețea. Generatoarele echipate în acest mod, pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice. Lanțul de conversie va cuprinde:

generatorul;

convertorul static de tensiune și frecvență, compus din:

a).convertor c.a.-c.c. (redresor) (1)

Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirecționale. În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza și energia reactivă necesară magnetizării;

b).convertor c.c.-c.a. (invertor) (2)

Prin comanda acestuia, se poate regla frecvența și valoarea energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la rețea. Se utilizează invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună.

Fig. 2.9. Schema unui convertor static de tensiune și frecvență

Comanda acestor convertoare se realizează cu ajutorul unor sisteme de comandă bazate pe microprocesoare avansate. Controlul transferului de putere între redresorul cu modulație în durată și invertor, se realizează prin controlul circuitului intermediar de c.c.. Acesta conține un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât și caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar.

2.Sisteme electrice cu viteză variabilă

a)Montarea a două generatoare

Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic. Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone.

b)Generator cu număr variabil de poli

Se poate modifica conectarea înfășurărilor statorice ale generatoarelor sincrone și asincrone, pentru a obține diferite numere de perechi de poli și diferite viteze de rotație, în funcție de condițiile de vânt. Aceasta soluție se bazează pe expresia vitezei de sincronism Ωs:

Ωs = ω/p (2.3)

în care ω este pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli, care se modifică.

Soluția nu permite decât modificarea în trepte, numărul de viteze  fiind limitat.

c)În cazul generatoarelor asincrone, datorită alunecării, există posibilitatea funcționării acestora cu ușoare variații de viteză.

Sunt posibile mai multe configurații:

mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric;

mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) și convertor dublu cu modulație în durată;

mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit.

1. Mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric

Această soluție exploatează faptul că alunecarea s depinde de rezistența rotorică, evidențiată în schema echivalentă prin Rr / s. Prin adăugarea de rezistențe suplimentare în circuitul rotoric, se poate regla alunecarea, și deci viteza rotorului, în funcție de codițiile de vânt.

În consecință, pulsația rotorică ωr este dată de :

ωr = |s| ω (2.4)

în care ω este pulsația fixă a rețelei, iar s alunecarea. Pulsația rotorică se poate exprima și ca:

ωr = p/ωs-ω ‌ (2.5)

în care ωs este viteza de sincronism. Rezultă:

ω = ωs+ ωr/p (2.6)

dacă s < 0.

Generatorul utilizat este MADA (Mașina Asincronă cu Dublă Alimentare), sau MAS cu rotor bobinat. Schema de principiu a acestui tip de sistem este prezentată în figura de mai jos.

Fig.2.10.  Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașină asincronă și reostat în circuitul rotoric

2. Mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) – (Mașina asincronă cu rotor bobinat, asociată cu un convertor indirect de tensiune și frecvență cu modulație în durată (structura Scherbius) cu tranzistoare IGBT).

Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecvență. Acest tip de structură se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica într-o gamă destul de mare (de la simplu la dublu). Convertorul static de tensiune și frecvență este bidirecțional, deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor. Prin comanda acestuia se realizează reglajul de viteză și controlul puterilor activă și reactivă vehiculate între mașină și rețea.

Fig. 2.11. Schema de reglare a vitezei și controlul puterilor active și reactive între mașină și rețea

În principiu, viteza se reglează prin intermediul frecvenței de alimentare a înfășurărilor statorice. Bidirecționalitatea CSTF-ului asigură funcționarea atât în zona hiposincronă (sub caracteristica mecanică naturală), cât și în cea hipersincronă (deasupra caracteristicii mecanice naturale) și controlul energiei reactive vehiculate cu rețeaua de distribuție.

3. Mașina asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect.

Fig. 2.12.. Schema unei MAS cu rotor în scurtcircuit asociată cu un CSTF

d)În cazul generatoarelor sincrone, mașina sincronă (MS) cu multiplicator și convertor în stator.

Se renunță la multiplicatorul mecanic, dacă se utilizează un generator sincron cu număr mare de poli (turație mică de sincronism). În cazul mașinii sincrone, amplitudinea și frecvența tensiunii la borne, depind de viteză.

Din acest motiv, conectarea la rețea trebuie să se realizeze prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect, compus dintr-un redresor, un circuit intermediar de c.c. și un invertor.

Fig.2.13. Schema unei MS cu multiplicator și convertor în stator

Sunt posibile două soluții, ambele referitoare la tehnologia de realizare a rotorului:

rotorul bobinat

rotorul cu magneți permanenți

1.Mașina sincronă cu rotorul bobinat

O mașina cu număr mare de poli (turație de sincronism redusă) implică un stator cu gabarit mare. În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distribuție.

2.Mașina sincronă cu rotor cu magneți permanenți

Rotorul este realizat cu magneți permanenți cu flux axial, rezultând o mașină compactă – Mașina Sincronă cu Magneți Permanenți (MSMP). În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distribuție. Materialele cu magneți permanenți au fost îmbunatățite și ca urmare a rezultat o mai mare eficiență a generatoarelor cu magneți permanenți decât acea a generatoarelor cu câmp învârtitor. Fluxul de excitație este prevăzut cu magneți permanenți având capacitatea să funcționeze la temperaturi de peste 260oC.

Aplicând o viteză ridicată generatorului cu magneți permanenți (PMG), magnetul se menține între temperaturile limită, având și posibilitatea de răcire a sistemului, identificarea pierderilor, menținerea și repararea componentelor, reglarea tensiunii și a frecvenței care va fi transformată în putere de curent alternativ (AC). În general trecerea de la un sistem de curent continuu (DC) la un sistem de curent alternativ (AC) are o eficiență de 95% la generatoarele cu magneți permanenți de mică putere.

Fig. 2.14. Schema generală a unei eoliene cu viteză variabilă cu magneți permanenți

O eoliana cu viteză variabilă este caracterizată de patru faze de funcționare:

– prima fază este cea de pornire – producerea de energie electrică începe atunci când viteza mecanică atinge aproximativ 70% din viteza de sincronism a generatorului. Puterea electrică este însă mică.

– a doua fază este de extragere a puterii maxime – în această zonă, viteza mecanică variază și poate atinge valori apropiate de viteză nominală. Puterea electrică crește rapid.

– a treia fază este viteza mecanică cvasi-constantă – unghiul de orientare a palelor β se modifică pentru obținerea puterii electrice maxime, pentru diferite valori ale vitezei vântului. Puterea electrică crește foarte repede, până atinge valoarea nominală.

– ultima fază este puterea constantă – în cazul în care viteza vântului crește în continuare, unghiul de orientate a palelor devine important, în scopul conservării puterii electrice constante, la valoarea nominală.

Din motive de siguranță, dacă viteza vântului devine prea mare și riscă să avarieze eoliana, unghiul de orientare a palelor este fixat la 90°. Este ceea ce se numește punerea în drapel, ce determină oprirea eolienei până când viteza vântului se reduce.

2.2 Energia solară

Fig.2.15. Prezentare unei surse regenerabile de tip panou fotovoltaic în funcțiune

Energia solară se referă la o sursă de energie reînnoibilă care este direct produsă prin lumina și radiația solară. Aceasta poate fi folosită să:

• genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice)

• genereze electricitate prin centrale electrice termale

• genereze electricitate prin turnuri solare

• încălzească blocuri, direct

• încălzească blocuri, prin pompe de căldură

• încălzeasca blocuri, prin cuptoare solare

Producerea energiei electrice prin conversia fotovoltaică a energiei solare este cea mai atrăgatoare, datorită avantajelor pe care le prezintă, procesul fiind direct, fără verigi intermediare.

Conversia fotovoltaică se poate realiza cu ajutorul dispozitivelor fotovoltaice cunoscute sub denumirea de celule solare. Prin montarea și conectarea în serie și în paralel a mai multor celule solare de același tip pe panouri fotovoltaice se realizează bateriile solare sau sisteme de conversie fotovoltaică a energiei solare. Puterea electrică a acestor baterii solare variazaă între 5 W și 200 W și uneori și până la 300 W.

Bateria solară este carămidă de construcție a unui sistem fotovoltaic pentru a obține puterea dorită. Sistemul fotovoltaic mai dispune și de alte componente, iar cele mai importante sunt acumulatorii și invertoarele. Energia produsă de bateriile solare este stocată în acumulatoare, iar de acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu –curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220 V. Conceptul de energie solară se referă la energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri.

Avantaje:

Celulele fotovoltaice sunt fiabile, nu au piese în mișcare, și costurile cu privire la funcționarea și întreținerea sunt scăzute. Funcționarea celulei fotovoltaice este silențioasă și nu poluează.

Cantitatea de radiații care ajunge pe pământ este, bineînțeles, variabilă. Această cantitate depinde pe de o parte de variațiile regulate determinate de zile și ani cauzate de mișcarea aparentă a Soarelui, cât și de variații aleatoare determinate de condițiile climatice (prezența norilor), precum și de compoziția generală a atmosferei. Din aceste motive, sistemele de conversie fotovoltaică se construiesc pe baza datelor provenite din măsurători realizate în apropierea zonei instalate.

Dezavantaje:

Dezavantajul principal este că Soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pământ. 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. 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 reînnoibilă.Panourile solare produc energie electrică în medie 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore). Ziua, timp de 9 ore, aceste panouri solare produc energie electrică și în același timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea.

2.2.1. Principalele tehnologii folosite în producția de energie electrică fotovoltaică

a) Potențialul radiațiilor solare

Soarele este la originea tuturor formelor de energie pe care le-au descoperit și de care s-au servit oamenii. Energia solară se poate transforma în alte forme de energie: mecanică, termică sau electrică. Particularitățile și dificultățile de folosire a acestei energii sunt:

resursă inepuizabilă, nepoluantă și disponibilă pe tot globul;

resursă difuză, variabilă după anotimp și nebulozitate și intermitentă (cu alternanțe noapte/zi);

decalajul între însorire (cea mai puternică în timpul verii) și cererea de căldură pentru încălzire (cea mai puternică în timpul iernii);

slaba densitate energetică (900 kWh/m2 la nord – 1600 kWh/m2 la sud)

b) Captarea și concentrarea radiației solare

Energia solară este valorificată prin colectarea acestei energii cu ajutorul captatoarelor solare și prin utilizarea celulelor solare. Captatorul solar este un convertor heliotermic, al cărui scop este convertirea energiei solare în căldură.

Captatoarele solare pot fi utilizate cu concentrarea sau fără concentrarea radiației solare.

Captatoarele fără concentrarea radiației au ca domeniu de aplicație instalațiile cu temperaturi moderate (sub 1000 C peste temperatura ambiantă), cum sunt:

instalații solare de încălzire a apei menajere;

instalații de încălzire și climatizare a clădirilor;

instalații de uscare;

instalații de distilare a apei.

Fig.2.16. Schema unui captator plan tipic

Părțile sale principale sunt:

suprafața neagră absorbantă a radiației solare, înzestrată cu mijloace de transfer a energiei absorbite către un fluid purtător de căldură;

una sau mai multe suprafețe transparente pentru radiația solară, așezate deasupra suprafeței absorbante, care are rolul de a reduce pierderile de căldură prin convecție și radiație către mediul ambiant;

izolația termică a suprafeței absorbante, prevăzută pentru a reduce pierderile de căldură prin conducție;

carcasa.

În esență, funcționarea captatorului plan se realizează pe încălzirea suprafeței absorbante sub acțiunea radiației solare directe sau difuze. Căldura se transmite fluidului aflat în contact termic – direct sau indirect – cu suprafața absorbantă; apoi, prin circularea acestui fluid, căldura este transportată spre alte elemente ale instalației în care este integrat captatorul. Drept fluid purtător de căldură se folosește, în mod curent, apa sau aerul.

Captatoarele cu concentrarea radiației utilizează sisteme optice bazate pe reflexie sau refracție pentru a mării densitatea fluxului de radiație care cade pe suprafața de captare a receptorului. Concentratoarele de radiație sunt oglinzile concave (sferice sau parabolice) și lentilele convergente.

Oglinzile concentratoare se realizează din aluminiu sau sticlă metalizată, dintr-o singură piesă, sau din mai multe oglinzi plane orientate corespunzător. De exemplu, cu oglinzile cilindro-parabolice (fig.2.17.) se obțin concentrări de până la 10.

Fig.2.17.

Schimbarea înclinării captatorului se face periodic, chiar numai odată pe lună. Domeniul lui de temperaturi este de 100 – , putând fi folosit pentru condiționarea aerului, producerea aburului tehnologic, pomparea apei, producerea de energie electrică prin ciclu termodinamic cu vapori de apă.

Concentratorul sferic fix cu receptor mobil este format dintr-o parte a unei oglinzi sferice plasată în poziție staționară în fața soarelui și dintr-un colector liniar care urmărește soarele printr-o mișcare de pivotare (fig.2.18.).

Fig.2.18. Concentratorul sferic fix cu receptor mobil

c) Conversia energiei solare în energie termică destinată încălzirii

Încălzirea solară a apei la temperaturi relativ scăzute (sub ), constituie un domeniu în care energia solară a cunoscut cea mai extinsă utilizare în ultimii 35 de ani. Actualmente, mai multe milioane de încălzitoare solare de apă funcționează în peste 12 țări: Japonia, Australia, Israel, Franța, SUA, Maroc.

Fig.2.19.

Fig.2.20. Sistem pasiv de încălzire solară

Elementele de bază al instalației solare de încălzire a apei (fig.2.19.) sunt captatorul solar 1 și unitatea (rezervorul) de stocare termică 2. Circulația apei între captator și rezervorul de stocare se realizază fie natural (fără pompă), prin termosifon, fie forțat, cu o pompă de circulație 3. Climatizarea locuințelor cu ajutorul energiei solare se poate realiza în sistem pasiv sau activ.

În fig.2.20. se prezintă schița unui sistem pasiv de încălzire solară experimentat la Odeillo (Franța). Sistemul utilizează un perete vertical masiv de beton 1, orientat spre sud, care este vopsit în negru și este acoperit cu două geamuri 2. Grosimea peretelui este de cca. ., iar spațiul dintre geamuri și perete este de 10-20 cm. Peretele îndeplinește atât funcțiunile captatorului, cât și pe cele ale unității de stocare. Orificiile practicate în partea inferioară și cea superioară a peretelui permit circulația aerului prin spațiul dintre geamuri și perete, și prin încăpere. Această circulație are loc prin convecție naturală (termosifon), nefiind necesare ventilatoare. Energia auxiliară este asigurată cu ajutorul unor încălzitoare electrice montate în încăpere. În timpul sezonului cald, sistemul poate fi modificat pentru a permite climatizarea încăperii. Pentru aceasta se obturează orificiul din partea superioară a peretelui; aerul cald din interior este trimis spre exterior, realizându-se o ventilație naturală prin admisia în încăpere a aerului rece.

Există și aplicații industriale ale energiei termice obținute prin conversia energiei solare, cum sunt:

cuptoarele solare;

pompe solare;

instalații frigorifice solare;

instalații solare de uscare.

d) Centrale electrice solare

Centralele electrice solare se bazează pe conversia energiei solare în energie termică, care este utilizată într-un ciclu termodinamic.

În fig.2.21. se prezintă schema unei centrale electrice solare cu captatoare (oglinzi) cilindro-parabolice. Ceea ce în figură apare schematizat ca o singură oglindă 1, reprezintă de fapt un câmp de oglinzi cilindro-parabolice, care pot fi distribuite cu diverse orientări și diverse mișcări (E-V, N-S, etc.). Factorul de concentrare al radiației solare, realizat în receptoarele concentratoare de radiație 2, este de 25-30, agentul termic primar 3 având o temperatură medie de 200-. Transferul căldurii între fluidul primar și cel secundar (apă – abur) se realizează în cazanul acumulator de căldură 4.

Fig.2.21. Schema unei centrale electrice solare cu captatoare (oglinzi) cilindro-parabolice

e) Energia solară fotovoltaică

Conversia directă a energiei solare în energie electrică bazată pe efectul fotovoltaic constituie unul din mijloacele cele mai atractive de a utiliza energia solară, datorită valorilor ridicate ale puterii specifice produse, siguranței în funcționare și întreținerii ușoare. Utilizări cunoscute sunt ceasurile, radiourile și unele calculatoare de buzunar fotovoltaice. Dezavantajele actuale ale sistemului sunt costul ridicat și dificultatea de a stoca mari cantități de energie electrică în scopul utilizării ulterioare, în comparație cu relativa ușurință de a stoca căldură.

Celulele solare – celule fotovoltaice, au fost utilizate până nu demult ca surse de energie doar în aplicațiile spațiale. Pentru aplicații terestre singurele sisteme de putere, de conversie directă, sunt cele bazate pe celule cu siliciu monocristalin și pe celule cu sulfură de cadmiu.

Sistemele fotovoltaice pot fi autonome, sau conectate la rețeaua electrică. Un modul de celule fotovoltaice se compune din 40 de celule; 10 astfel de module sunt montate pe panouri fotovoltaice, care pot măsura câțiva metri lățime. Pentru a asigura alimentarea cu energie electrică a unei case sunt necesare 10-20 de module, care pot fi amplasate pe acoperiș.

Racordând sistemul de captatori solari la rețeaua locală de electricitate, este posibil să se vândă energia electrică excedentară societății publice de distribuție. Noaptea sistemul se alimentează din rețeaua locală de electricitate. În locurile izolate, unde nu este posibil un sistem racordat la rețea, se pot utiliza baterii de acumulatoare pentru stocarea curentului. În acest caz este necesară supradimensionarea instalației solare fotovoltaice în scopul obținerii unei cantități suficiente de electricitate în perioadele însorite, atât pentru alimentare a consumatorilor casnici, cât și pentru stocarea unei părți în bateriile de acumulatoare. Noaptea sistemul se comută pe baterii.

2.3 Energia geotermală

Energie geotermala este căldura stocată în partea accesibilă a scoarței terestre. Structura geotermală a pământului arată diferența de temperatură între nucleul planetei și suprafața sa și transmiterea energiei termice sub formă de caldură de la nucleu la suprafață.

Energia geotermală stocată până la 400 de metri adâncime poate fi folosită ca sursă de energie pentru încălzirea radiantă și pentru încălzirea apei, dar și ca sursă de energie pentru răcirea radiantă cu costuri de operare foarte reduse.

Fig.2.22. Energia geotermala ca si sursa de energie

Energia geotermală este o energie care nu este dependentă de condițiile climatice și poate fi exploatată pe plan local, fiind pusă la dispoziție oricând și oriunde, indiferent de vreme și climat. Este una din energiile regenerabile cu cel mai scăzut cost de investiție pentru reducerea gazelor cu efect de seră, în comparație cu alte resurse regenerabile.

Energia geotermală poate fi:

a) de înaltă temperatură (caracteristică zonelor vulcanice); pânzele de apa limitrofe ajungând la sute de grade, realizând o vaporizare parțială care se utilizează într-o centrală electrică.

Adâncimea de foraj poate depăși 10 000 metri;

b) de joasă temperatură, accesibilă în orice parte a globului. Temperatura scoarței terestre crește în adâncime cu 3°C la fiecare 100 m. Diferența de temperatură creată ar putea fi aplicată în termoficare prin recircularea fluidului în pompe de căldură, nu în producerea energiei electrice.

Căldura solului poate fi utilizată de la adâncimi începând de la 1,2 metri. La adâncimi mai mari de 1,8 metri solul are o temperatură constantă de 10°C. Acest potențial termic se valorifică cu ajutorul pompelor de căldură.

Deși într-o prima etapă energia geotermală a fost folosită pentru încălzirea locuințelor, în momentul de față oamenii scot energia din adâncurile pământului pentru a o folosi în centrale electrice. Prima centrală de acest tip, cu o putere mică, a fost construită în 1904 în orașul italian Larderello. În timp, puterea instalată a centralei electrice a crescut, au fost adăugate agregate, și în zilele noastre puterea acestor centrale a ajuns la 360MW. În Noua Zelandă, există o centrală electrică în regiunea Vairakei, puterea ei este de 160 000 kW. La 120 km de San-Francisco, SUA, produce energie o centrală geotermală cu puterea de 500 000 kW.

2.3.1. Tipuri de Centrale Geotermale

Fig.2.23. Schema de funcționare a unei centrale geotermale

Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată pe glob pentru transformarea puterii apei geotermale în electricitate: ‘uscat’; ‘flash’ și ‘binar’, depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.

• Centralele ‘Uscate’ au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.

• Centralele ‘Flash’ sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 182°C, injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafață.

• Centralele cu ciclu ‘binar’ diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina, respectiv generatorul electric. Apa folosită atinge temperaturi de până la 200°C.

Din nefericire, potențialul României, în ceea ce privește surse de agent termic geotermal cu potențial de a fi folosit în producerea de energie electrică este mic.

2.4 Energia biomasei

Produsele de prelucrare a biomasei permit obținerea electroenergiei, de asemenea obținerea combustibilului pentru asigurarea mijloacelor de transport.

Pentru România, soluționarea problemei creării surselor alternative energetice sigure necesită, căutarea volumelor de biomasă regenerabilă de scară industrială, prelucrarea cărora permite obținerea cantității necesară de combustibil.

În acest context, cel mai de perspectivă pentru folosirea în calitate de substituient al combustibilului pentru motoare este bioetanolul.

Tehnologia de producere a bioetanolului și a biodieselului într-o oarecare măsură sunt analogice tehnologiilor de producere a alcoolului și a uleiului vegetal, diferențiindu-se prin faptul, că la

producerea bioetanolului lipsește procesul de rafinare și se efectuează deshidratarea până la o concentrație de 99,6-99,8% alcool și se adaugă 1% de benzină cu stabilizator, iar din ulei se extrage glicerina.

a)Biomasa

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultura și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. Biomasa este resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.

Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, reprezentănd procesul chimic de ardere (transformare chimică în prezenț a oxigenului molecular).

Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanți):

• arderea directă cu generare de energie termică.

• arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H).

• fermentarea, cu generare de biogaz (CH4 2) sau bioetanol (CH CH -OH)- în cazul fermentării produselor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzină, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

• transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool

și generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol.

•degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de biodiesel. Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați la etanol.

b)Biocarburanți

Biocarburanții sunt carburanții lichizi sau gazoși utilizați pentru transport, produși din biomasă. Lista produselor considerate biocarburanți cuprinde cel puțin următoarele:

bioetanol – etanol produs din biomasă și/sau fracția biodegradabilă a deseurilor, în vederea utilizării ca biocarburant;

biodisel – ester metilic, de calitatea motorinei, produs din ulei vegetal sau animal, în vederea utilizării ca biocarburant;

biogaz – carburant gazos produs din biomasă și/sau din partea biodegradabilă a deșeurilor, care poate fi purificat până ajunge la calitatea gazului natural, în vederea utilizării ca biocarburant sau gaz de lemn;

biometanol – metanol extras din biomasă, în vederea utilizării ca biocarburant;

biodimetileter – dimetileter extras din biomasă, în vederea utilizării ca hiocarburant;

bio-eTbe (etil-tert-butil-eter) – ETBE produs pe bază de bioetanol. Procentajul volumic de bio-ETBE, calculat ca biocarburant, este de 47%;

bio-MTbe (metil-tert-butil-eter) – carburant produs pe bază de biometanol. Procentajul volumic de bio-MTBE, calculat ca biocarburant, este de 36%;

biocarburanti sintetici – hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice, care au fost extrase din biomasă;

biohidrogen – hidrogen extras din biomasă și/sau din partea biodegradabilă a deșeurilor, în vederea utilizării ca biocarburant;

ulei vegetal pur – ulei produs din plante oleaginoase prin presare, extracție sau procedee comparabile, brut ori rafinat, dar nemodificat din punct de vedere chimic, în cazul în care utilizarea sa este compatibilă cu un tip de motor și cu cerințele corespunzatoare privind emisiile.

c)Biodiesel

Biodieselul este un biocombustibil sintetic lichid care se obține din lipide naturale, ca uleiuri vegetale sau grăsimi animale, noi sau folosite, prin procese industriale de esterificare și trans-esterificare. Acesta se poate folosi în substituirea totală sau parțială a petrodieselului. Biodieselul poate să se amestece cu motorina care provine din rafinarea petrolului în diferite cantități. Se folosesc abrevieri potrivit procentajului de biodiesel din amestec: B100 în cazul folosirii de 100% biodiesel, sau notații ca B5, B15 sau B30 unde numărul indică procentajul de volum biodiesel din amestec.

Proprietăți.

Biodieselul se descrie ca un compus organic din acizi grași de lanț lung sau scurt.

Materii prime.

Sursa de ulei vegetal în mod normal este uleiul de rapiță, este o specie cu un înalt conținut de ulei și se adaptează bine la climele reci. Totuși există și alte varietăți cu randament mai mare cum ar fi palmierul de ulei, jatropha curcas etc. Deasemenea, se pot folosi și uleiuri folosite (uleiul uzat la bucătărie), în cazul lui materia este ieftină, în plus în acest mod se reciclează cea ce altfel ar fi fost reziduu. În plus există și alte materii prime din care se pot extrage uleiuri.

Procese industriale. În ziua de azi există diverse procese industriale cu ajutorul cărora se poate obține biodiesel. Cele mai împortante sunt:

1. Procesul bază-bază. Prin care se folosește un catalizator, hidroxidul. Acest hidroxid poate fi hidroxid de sodiu (soda caustică) sau hidroxid de potasiu.

2. Procesul acid-bază. Este procesul în care se face prima dată o esterificare acidă și apoi continuă cu procesul normal bază-bază, se folosesc în general acizi cu un înalt grad de aciditate.

3. Procese supercritice. În acest proces nu este nevoie prezența unui catalizator, se face la temperaturi înalte în care uleiul și alcolul reacționează fără necesitatea ca un agent extern ca hidroxidul să acționeze în reacție.

4. Procese enzimatice. În ziua de azi se cercetează unele enzime care pot să fie folosite ca acceleratori de reacție ulei-alcool. Acest proces nu se folosește în actualitate datorită înaltului cost, cea ce împiedică să se producă biodiesel în mari cantități. Creșterea prețului combustibililor convenționali îl face mai competitiv. Biogazul este termenul folosit pentru amestecul de gaze (metan, hidrogen și bioxid de carbon) de origine biogenă, care iau naștere prin procesele de fermentație a diferitor substanțe organice. Aceste gaze servind prin ardere ca sursă energetică (energie biogenă).

2.5 Energia hidraulică

Energia hidraulică reprezintă capacitatea unui sistem fizic (apă) de a efectua un lucru mecanic la trecerea dintr-o poziție dată în altă poziție (curgere).

Datorită circuitului apei în natură, întreținut automat de energia Soarelui, energia hidraulică este o formă de energie regenerabilă.

Energia hidraulică este o energie mecanică alcătuită din energia potențială a apei dată de diferența de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mișcare. Exploatarea acestei energii se realizează în hidrocentrale, care transformă energia potențială a apei în energie cinetică. Aceasta e apoi captată cu ajutorul unor turbine hidraulice care acționează generatoare electrice care în final o transformă în energie electrică.

Tot forme de energie hidraulică sunt și energia cinetică a valurilor și mareelor.

Moduri de exploatare a energie apei

a) Roata hidraulică

O roată hidraulică utilizează energia râurilor pentru a produce direct lucru mecanic. La debite mici se exploatează în principal energia potențială a apei. În acest scop se folosesc roți pe care sunt montate cupe, iar aducțiunea apei se face în partea de sus a roții, apa umplând cupele.

Greutatea apei din cupe este forța care acționează roata. În acest caz, căderea corespunde diferenței de nivel între punctele în care apa este admisă în cupe, respectiv evacuată și este cu atât mai mare cu cât diametrul roții este mai mare.

Fig.2.24. Moara din Ciocman

b) Hidrocentrale

O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul producerii energiei electrice. Potențialul unei exploatări hidroelectrice depinde atât de cădere, cât și de debitul de apă disponibil. Cu cât căderea și debitul disponibile sunt mai mari, cu atât se poate obține mai multă energie electrică. Energia hidraulică este captată cu turbine. Potențialul hidroenergetic al României era amenajat în 1994 în proporție de cca. 40 %. Centrale hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW, reprezentând cca. 40% din puterea instalată în România.

Producția efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh, reprezentând cca. 24 % din totalul energiei electrice produse. Actual, puterea instalată depășește 6 GW, iar producția este de cca. 20 TWh pe an. O hidrocentrală este o centrală electrică folosită pentru a transforma energia mecanică produsă de apă în energie electrică.

Funcționare

Printr-un baraj de acumulare a apei pe cursul unui râu, unde poate exista eventual și o cascadă, se realizează acumularea unei energii potențiale, transformată în energie cinetică prin rotirea turbinelor hidrocentralei. Această mișcare de rotație va fi transmisă mai departe printr-un angrenaj de roți dințate generatorului de curent electric, care va transforma energia mecanică în energie electrică.

Sistemele hidroenergetice prezintă următoarele beneficii:

energia hidroelectrică este o sursă de energie electrică regenerabilă continuă;

energia hidroelectrică nu poluează (nu există emisii de căldura și gaze toxice);

energia hidroelectrică nu are costuri de carburant și are costuri de întreținere mici.

Tabel 2.5.1. Principalele hidrocentrale din România

2.6 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 epuizării 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 cât mai sus în aer, iar o altă placă se îngroapă 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 pământ și o conectează de cealaltă latură 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 cât de ridicat este potențialul electric al particulelor, această încarcare poate continua la nesfârșit, chiar până la punctul străpungerii dielectricului.

Condensatorul se încarcă cu energie emisă de razele solare. Pe acest condensator se poate conecta un 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 României.

Patentul lui Tesla ne arată cât de ușor se poate obține energie electrică. Cu cât este mai mare suprafața plăcii izolate, cu atât mai multă energie se obține. Aceasta este mai mult decât 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.

Funcționalitatea 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 pentru diferite utilități fără a consuma altă energie, dar s-a constata în decursul timpului că există o parte dintre companiile producatoare de energie convențională care se opun descoperii acestor surse inepuizabile de energie.

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

Fig.2.25. Instalație de captare a energiei libere

Capitolul III

Sisteme fotovoltaice pentru producerea de energie electrică

3.1 Energia solară

Conversia fotovoltaică este puțin răspândită, industria de profil înregistrează creșteri anuale de aproximativ 25%, în unele țări ca Japonia, atingând chiar valori de ordinul 63%. Prin urmare, este foarte clar că energia solară nu este valorificată la întregul potențial. Unele din motivele utilizării încă reduse a panourilor fotoelectrice și a răspândirii reduse a centralelor fotoelectrice sunt:

principalul motiv al slabei exploatări este cel economic. Pentru ca acest tip de conversie să capete o largă răspândire, trebuie ca să devină avantajoasă din punct de vedere economic. Pentru aceasta, prețul de producție (a energiei) trebuie să scadă, iar randamentul instalațiilor să crească. Tehnologia nu este încă maturizată suficient, eficiența nu este suficient de mare.

absența unei cereri masive pe piață a acestei tehnologii este o cauză ascunsă. Dacă cererea ar fi masivă, atunci și numărul producătorilor ar crește și ar putea livra echipamentele la un preț acceptabil. Dacă cererea ar fi mai mare, tehnologiile fotovoltaice s-ar dezvolta și exploata mai rapid, devenind astfel eficiente. În ciuda absenței unor reale investiții masive, atât din partea consumatorilor, cât și a guvernelor (în comparație cu investițiile alocate producerii energiei din surse convenționale), randamentul panourilor solare continuă să se îmbunătățească.

alte motive care ar putea duce la creșterea producției de energie fotovoltaică stau în promovarea fiscală, fiabilitatea fluctuantă a capacităților clasice de producție, conștientizarea pericolelor efectelor negative ale utilizării combustibililor fosili. Aceste evoluții pot fi observate deja pe piața de echipamente fotovoltaice. În SUA, spre exemplu, piața a crescut într-un an (1999 față de 1998) cu 52%. Se estimează, până în 2020, o creștere anuală cu 25 %.

Energia solară este o opțiune foarte bună în țările în curs de dezvoltare, datorită costurilor mari pe care le presupune electrificarea (linii de transport a energiei, transportul combustibilului). O treime din populația globului (majoritatea în țările în curs de dezvoltare) nu beneficiază încă de energie electrică. Utilizarea tehnologiei fotovoltaice ar putea fi o rezolvare la cererea din ce în ce mai mare de energie electrică în astfel de zone. Firma BPSolar (fosta Solarex) a încheiat două proiecte de câte 30 milioane $, unul în Filipine, altul în Indonezia și derulează un altul de 48 milioane $, care va asigura alimentarea cu energie electrică a 114 sate.

Exemplele de aplicații nu se limitează doar la țările în curs de dezvoltare. De exemplu, în Spania, la Murcia, firma AstroSolar construiește o centrală fotovoltaică cu puterea de 13 MW.

Panourile vor ocupa o suprafață de dimensiunea a 57 de terenuri de fotbal.

Producția de energie fotoelectrică este dependentă de expunerea la Soare a locației și de temperatură, deci de situare geografică, de anotimp și de ora zilei: producția este maximă la amiază (ora solară), cu cer senin. Valoarea maximă înregistrată este de aproximativ 1000 W/m2 (valoare, numită "de referință"). Aceasta înseamnă că pentru o instalație de 20 m2, se poate obține o producție zilnică de aproximativ 2,8 kWv, respectiv 5 – 8 kWh, ceea ce ar putea acoperi nevoile unei locuințe de patru persoane.

Pe parcursul anilor 1980, tehnologia fotoelectrică terestră a progresat cu regularitate, prin punerea în funcțiune a mai multor centrale de câțiva megawați și prin foarte familiarele produse cu consum redus, cum ar fi ceasuri, calculatoare de buzunar, balize radio și meteo, pompe și frigidere solare. Au contribuit și evenimente cum ar fi cursele de vehicule solare, care oferă imaginea înaltei tehnologii ecologice a viitorului.

Evoluția tehnologiei și a pieței de produse fotoelectrice este în general pozitivă. Ameliorarea metodelor de fabricație, ca și creșterea volumului de producție, au condus la reducerea costurilor.

Producția mondială de module fotoelectrice a crescut de la 5 MW-vârf (MWv) în 1982 la 60 MWv în 1992.

În prezent, 90% din producția mondială de module se realizează în Japonia, Statele Unite și Europa, în special de mari companii ca Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex și BP Solar, care dețin 50% din piața mondială. Restul de 10% al producției mondiale este realizat în Brazilia, India și China, care sunt principalii producători de module fotoelectrice din țările în curs de dezvoltare. Exceptând sursele nucleare de energie, toate celelalte surse de energie de pe planeta noastră își au originea în energia solară. Centralele termice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice, generatoarele eoliene și centralele utilizând energia mărilor și oceanelor convertesc indirect energia solară în energie electrică.

Lumina directă a soarelui este cea mai abundentă sursă de energie de pe glob. O parte este absorbită de atmosferă și se regăsește sub forma energiei eoliene, dar în medie 1.353 kW/m2 din această energie cade pe suprafața pământului, bineînțeles cu valori mai mari la ecuator și în zone deșertice.

Utilizarea directă a energiei solare (a acestui kilowat) se face de mult timp folosind captatoare solare cu sau fără concentratoare pentru încălzirea apei, pentru încălzirea aerului, pentru topirea metalelor, pentru uscarea diferitelor produse agricole sau industriale și pentru producerea de energie electrică în centrale termice solare. Este cunoscută legenda cu oglinzile lui Arhimede, cu care ar fi incendiat corăbiile inamice.

Există state, Israelul, SUA, Australia și Japonia, care au montate milioane de captatoare solare fiecare, pentru producerea apei calde. Există multe centrale termice solare care produc energie electrică, cu puteri de sute de MW fiecare, dar costul energiei electrice produse nu a putut fi scăzut sub 10 cenți pe kWh față de 5 cenți în centralele electrice clasice

Dar cea mai interesantă cale de utilizare a energiei solare este conversia ei directă în energie electrică. Există mai multe modalități de utilizare directă a energiei solare: conversia fotovoltaică, conversia termoelectrică și conversia termoionică. Dintre acestea, conversia fotovoltaică se pare că are cele mai mari posibilități de a deveni o tehnologie alternativă la modul clasic de producere a energiei electrice în condițiile actualei crize energetice. Principiul de funcționare, efectul fotovoltaic, a fost descoperit de savantul francez Becquerel încă din 1839.

Această nouă tehnologie a fost inventată la laboratoarele Bell din New Jersey în 1954, căutând o sursă de electricitate pentru telefoanele din zonele izolate. Au realizat celule fotovoltaice cu randamente de 4-6%, dar din cauza costurilor mari a energiei produse au renunțat la această tehnologie.

Celula fotovoltaică a fost salvată de la obscuritate de cursa spațială Statele Unite – Uniunea Sovietică din anii ’60. În scopul găsirii unui mod practic de alimentare cu energie electrică a sateliților, s-au alocat fonduri importante de cercetare și firme ca: Texas Instruments, RCA și Heliotek au reușit să scadă prețul acestor celule fotovoltaice de peste 10 ori.

Criza energetică din anii ’70 a adus multe miliarde de dolari în progresul acestei tehnologii fotovoltaice (FV), pentru a o folosi și în aplicații terestre.

În anii ’80 erau larg răspândite în stații ți relee telefonice, în faruri izolate și cabine telefonice rutiere etc., deși costul unui kWh produs încă nu a scăzut sub 20 cenți. Au crescut vânzările de celule fotovoltaice de la 6 MW în 1980 la 29 MW în 1987 și 60 MW în 1983. În prezent marea majoritate a ceasurilor de mână și a calculatoarelor de buzunar din lume au o astfel de sursă de energie.

Un nou avânt al acestei industrii este iminent: electrificarea rurală în țările lumii a treia. La Congresul Mondial al Energiei din 1995 de la Tokio s-a afirmat că 40% din populația actuală a lumii nu are nici un acces la o energie comercială, populație aflată în țările subdezvoltate ale lumii a treia.

Guvernele acestor țări în loc să subvenționeze extinderea rețelelor electrice clasice spre zonele rurale, industria lor energetică nefiind competitivă cu a țărilor dezvoltate, ar putea găsi mai eficientă tehnologia FV, ceea ce ar echivala cu o revoluție în domeniul energetic.

Există lanterne solare care folosesc un panou solar de 2.6 W pentru încărcarea unei baterii pe timpul zilei și care poate aprinde două lămpi fluorescente pe timpul nopții. Acest produs este accesibil ca preț și familiilor cele mai sărace.

Utilizarea sistemelor electrice solare în gospodăriile rurale crește și în țările industriale. Astfel un sistem FV de 2500W – suficient pentru a alimenta iluminatul, mașina de spălat, frigiderul, radioul, televizorul și computerul unei locuințe costă mai puțin de 15000 de dolari, inclusiv panoul fotovoltaic, becuri, cabluri, baterie de înmagazinare a energiei și instalația de reglare.

Norvegia avea în 1993 peste 50000 de case rurale alimentate cu celule fotovoltaice și o situație similară se întâlnește în Japonia, Spania, Elveția și SUA. În Germania se derulează programul celor 100000 de acoperișuri solare.

În Israel pot fi văzuți stâlpi de iluminat stradal echipați cu mici panouri solare, care ziua acumulează energie electrică și noaptea asigură iluminatul stradal.

Japonia intenționează să asigure 30% din consumul rezidențial de instalații fotovoltaice (250 MW în anul 2000 și 4600MW în anul 2010), Germania 10% până în anul 2010, SUA 15% din consumul rezidențial până în 2010 și 100% în următorii 25-40 de ani după 2010.

Reducerea costurilor celulelor fotovoltaice este așteptată în continuare și ca urmare o mai largă utilizare a acestei tehnologii.

Există mulți producători de celule fotovoltaice, care este totuși o tehnologie de vârf, ca: AMOCO Solarex Corp din SUA, BP Solar din Marea Britanie, NAPS din Franța, Sanyo, Kyocera și Sharp din Japonia etc., dar cel mai mare producător de fotovoltaice din lume în 1993 era gigantul german Siemens care cumpărase ARCO Solars din California în 1990.

3.2 Conversia fotovoltaică

Termenul „fotovoltaic” derivă din combinația cuvântului grec photos ceea ce înseamnă lumină și numele unității de măsură a forței electromotoare – volt. Astfel, tehnologia fotovoltaică (PV) descrie generarea electricității cu ajutorul luminii.

Descoperirea efectului fotovoltaic este atribuită lui fizicianului francez Edmond Becquerel, care în anul 1839, efectuând experimente cu „bateria umedă” a observat că tensiunea generată de baterie crește dacă placa de argint este expusă radiației solare.

Primul raport asupra efectului fotovoltaic sau fotoelectric, cum era numit la timpul respectiv, a fost făcut de savanții din Cambridge W.Adams și R. Day în 1877 unde sunt descrise schimbările care au loc într-o placă de selenium expusă luminii.

În experiențele sale Heinrich Hertz a observat în anul 1887, că o placă din zinc se încarcă cu sarcină pozitivă dacă este expusă unei radiații ultraviolete. Fenomenul se datorează aceluiași efect fotoelectric: sub acțiunea razelor ultraviolete din metal sunt dezbătuți electroni, ca rezultat metalul se încarcă pozitiv.

Prima celulă PV a fost construită de electricianul american Charles Fritts în 1883 pe bază de selenium. Construcția celulei a fost patentată în anul 1884. Trebuie de menționat, că construcția celulei era foarte asemănătoare cu celulele de astăzi. Dar eficiența celulei era mai mică de un procent și nu a obținut o utilizare industrială.

La mijlocul secolului XX savanții și inginerii au revenit asupra studiului efectului fotovoltaic care are loc în semiconductoare. În anul 1953 echipa de ingineri de la Telephone Laboratories (Bell Labs) D. Chapin, C. Fuller și G. Pearson creează celula PV din siliciu dopat cu o eficiență cu mult mai mare decât celula din selenium. În următorul an aceiași echipă construiesc o celulă din siliciu cu un randament de 6 %. În același timp apar și primii consumatori de energie fotovoltaică – sateliții artificiali. În anul 1958 celulele PV au fost instalate la bordul satelitului american Vanguard 1 și serveau pentru alimentarea unui emițător radio. Până în prezent celulele PV sunt cele mai indicate surse de energie pentru tehnica spațială.

Competiția între SUA și ex-URSS din anii ’60 ai secolului trecut în domeniul surselor de alimentare cu energie electrică a sateliților a condus la o dezvoltare spectaculoasă a tehnologiei PV și s-a produs o ruptură în dependența rigidă a energeticii descentralizate de sursele tradiționale: grupuri electrogene, baterii de acumulatoare sau baterii uscate.

S-a început o nouă competiție – pentru aducerea generatorului PV înapoi pe pământ. Guvernele țărilor industrializate și numeroase companii particulare au investit miliarde de dolari în progresul tehnologiei PV. În figura 4.1 se prezintă evoluția producerii mondiale de celule și module PV și a costului unui watt în perioada 1990 – 2004.

După anul 1996 constatăm o creștere extraordinară a producției mondiale de panouri fotovoltaice. În ultimii trei ani, 2002 – 2004, creșterea în raport cu anul precedent a fost, respectiv egală cu 28.2, 79 și 60,5 %. Pe o perioadă de 15 ani capacitatea mondială de producere a modulelor PV a crescut de circa 25 ori. Această tendință se va amplifica în anii următori deoarece în noile programe naționale se implică din ce în ce mai mult marile companii petroliere (Shell, British Petroleum).

Concomitent cu creșterea volumului de producere are loc scăderea costurilor celulelor fotovoltaice. Pe o perioadă de 10 ani costul unui watt a scăzut de 2,35 ori.

După anul 2000 se constată o creștere a costului unui watt ce se explică prin formarea unui decalaj dintre capacitățile mondiale de producere a celulelor și de asamblare a modulelor PV și producerea de materie primă – a siliciului pur. În prezent, la nivel mondial, se atestă o penurie de materie primă. Principalul material semiconductor care se folosește pentru producerea celulelor PV este siliciul. În prezent tehnologia siliciului policristalin și cristalin este cea mai avansată, asigură producerea de module PV la scară industrială cu un randament de 14 –17 % și cu o durată de viață a modulelor de 30 de ani. Dar această tehnologie are un dezavantaj esențial – potențial limitat de scădere în viitor a costurilor de producere a celulelor PV. Experți în domeniu consideră, că costul unui watt nu va scădea mai jos de 2 Euro. Din acest punct de vedere, tehnologia siliciului amorf și a siliciului în starturi subțiri are o perspectivă mai promițătoare. Costurile unui watt produs cu aceste tehnologii va scădea până la 1 W – cost limită la care energia electrică PV devine mai ieftină decât energia electrică produsă din surse fosile. Presupunem, că din aceste motive în ultimii ani se constată o redistribuire a pieței mondiale în favoarea tehnologiei siliciului amorf și în straturi subțiri.

Domeniile de utilizare în țările dezvoltate și în țările în curs de dezvoltare sunt diferite. De exemplu, în țările UE se evidențiază sistemele conectate la rețea cu 68 %, iar în țările în curs de dezvoltare – pot fi evidențiate trei domenii principale de utilizare a energiei electrice PV: electrificarea rurală, ocrotirea sănătății și pomparea apei, Toate aceste sisteme funcționează în regim autonom, altfel spus, sunt sisteme descentralizate și dispersate teritorial.

Puterea instalată la nivel mondial a constituit în anul 2004 circa 1194 MWc, primele trei locuri fiind ocupate de Japonia cu 51,8 %, urmată de UE cu 25,8 % și SUA cu 11,5 % . Energia electrică PV este cu mult mai scumpă și în majoritatea cazurilor nu concurează cu energia obținută din surse fosile. Excepție fac sistemele PV de pompare și cele destinate alimentării consumatorilor mici și dispersați teritorial, în caz, dacă le comparăm cu grupurile electrogene sau cu extinderea rețelelor electrice publice. Din această cauză în diferite țări ale lumii, în cadrul programelor naționale de promovare a energiei PV, au fost elaborate diferite metode de susținere și subvenționare a energiei electrice PV.

3.3.Principiul conversiei fotoelectrice a energiei

Conversia radiației solare în energie electrică prin efect fotovoltaic se realizează în celule solare.

Celula solară este un dispozitiv realizat cu materiale semiconductoare, în care prin absorbția luminii se generează perechi de electroni și goluri libere, iar aceștia sunt separați spațial datorită unei discontinuități interne ce formează o barieră de potențial, electronii fiind antrenați în sens opus golurilor. Prin separarea purtătorilor de sarcină ia naștere o tensiune la bornele celulei și un curent printr-o rezistență de sarcină, astfel încât celula iluminată funcționează ca un generator de putere electrică.

Din punct de vedere structural, celulele fotovoltaice sunt formate din două zone, realizând o joncțiune, care poate fi de mai multe tipuri:

homojoncțiune, în care cele două zone sunt formate din același material semiconductor, având tipuri de conducția diferite;

heterojoncțiune, în care cele două zone sunt formate din materiale semiconductoare diferite, având de asemenea tipuri de conducție diferită;

joncțiune metal – semiconductor (celula Schotky);

joncțiune electrolit – semiconductor

celule electrochimice pe bază de pigmenți;

celule din compuși organici;

celule bazate pe fluorescență.

Principalele fenomene care formează conversia fotoelectrică se pot explica pornind de la cazul cel mai simplu: homojoncțiunea semiconductoare.

3.3.1 Efectul fotoelectric în joncțiunea p-n

Fie o homojoncțiune p-n (fig. 2.1) neiluminată. Presupunem cunoscute noțiunile generale de fizica semiconductoarelor. Această homojoncțiune poate fi realizată prin impurificarea diferită cu impurități donoare și acceptoare a cristalului semiconductor, aplicând metode ca difuzia și alierea sau implantare ionică.

Deși ambele zone sunt neutre din punct de vedere electric, ele conțin purtători de sarcină liberi, de ambele semne, dar în proporții diferite, purtătorii majoritari atribuind și denumirea zonei respective (electronii pentru zona n și golurile pentru zona p).

Fig.3. 1 Structura, circulația de curent și benzile energetice pentru homojoncțiunea p-n

La contactul între regiunea p și regiunea n, realizat în joncțiune, densitatea electronilor liberi fiind mai mare în regiunea n decât în regiunea p , electronii dintr-un strat din regiunea n difuzează în regiunea p unde se recombină cu golurile. La fel se întâmplă și cu golurile din regiunea p. La echilibru, de o parte și alta a joncțiunii se formează două regiuni înguste sărăcite în purtători mobili. Datorită donorilor ionizați rămași necompensați după plecarea electronilor, regiunea din zona n se încarcă pozitiv. Regiunea din zona p rămâne încărcată negativ prin plecarea golurilor, datorită acceptorilor ionizați. Astfel se formează un strat dublu de sarcină spațială fixă care va împiedica difuzia în continuare a purtătorilor majoritari de sarcină, numit strat de baraj. Acestuia îi corespunde și o barieră de potențial de contact Ei. și un câmp electric intern orientat de la n spre p. Acest câmp electric frânează difuzia în continuare a purtătorilor majoritari și favorizează circulația purtătorilor minoritari.

În prezența barierei de potențial, intensitățile curenților care circulă prin joncțiune se pot exprima, în principiu:

curentul de electroni din zona p către zona n

(3.1)

curentul de goluri din zona n către zona p

(3.2)

curentul de electroni din zona n către zona p

(3.3)

curentul de goluri din zona p către zona n

(3.4)

în care k1 – k4 reprezintă constante, iar n1 – n4 sunt concentrațiile purtătorilor de sarcină respectivi.

Curentul total prin joncțiune va fi:

(3.5)

și care la echilibru va trebui să fie nul. Deci

(3.6)

Când joncțiunii i se aplică o tensiune exterioară în sens direct (+ la p și – la n) , înălțimea barierei de potențial scade cu mărimea tensiunii aplicate, ceea ce favorizează circulația purtătorilor majoritari fără a afecta circulația purtătorilor minoritari. Curentul prin joncțiune în cazul polarizării directe se poate scrie.

(3.7)

În cazul polarizării inverse, înălțimea barierei de potențial crește, ceea ce împiedică circulația purtătorilor de sarcină majoritari și de asemenea nu afectează circulația purtătorilor minoritari de sarcină. Pentru polarizări inverse mari, circulația purtătorilor majoritari încetează, rămânând numai un curent invers al purtătorilor minoritari

(3.8)

Ținând cont de relația (2.7) , curentul prin joncțiune în cazul polarizării directe devine:

(3.9)

a cărei reprezentare grafică este prezentată în figura 3.2 (curba 1).

Fig. 3.2 Caracteristicile externe pentru homojoncțiunea p-n

polarizată direct (1) și luminată (2).

În continuare, considerând joncțiunea nepolarizată, dar supusă unei radiații monocromatice, având cuanta de energie a fotonilor mai mare decât lățimea zonei interzise Eg, în celulă se generează perechi de purtători de sarcină liberi, electron-gol. Dacă acestea sunt generate în zona de influență a câmpului electric intern sau la o distanță cel mult egală cu lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină, ei vor putea fi dirijați de către câmpul electric intern astfel:

golurile către regiunea p;

electronii către regiunea n.

Prezența electronilor suplimentari în regiunea n și a golurilor suplimentare în regiunea p produce o micșorare a barierei de potențial cu o cantitate egală cu tensiunea fotoelectrică, analog polarizării directe a joncțiunii aflate la întuneric.

Ca urmare, prin joncțiune va trece curentul de diodă într-un sens și curentul de iluminare în sens contrar, astfel încât curentul total în acest regim va fi:

(3.10)

În această expresie, U este tensiunea fotoelectrică, care se stabilește la bornele celulei, polarizând-o în sens direct. În cazul ideal, valoarea maximă a acesteia (la mersul în gol) ar corespunde dispariției totale a barierei de potențial, iar tensiunea de mers în gol ar fi cu atât mai mare cu cât doparea semiconductorului ar fi mai mare. În realitate, în toate cazurile U0<Eg și în cele mai bune situații U0=2/3Eg. Aceasta se întâmplă din cauză că, la dopări prea mari, curentul invers crește pe seama efectului tunel.

Din expresia curentului (2.10) rezultă că , în regim de iluminare, caracteristica I-U a fotocelulei se obține deplasând în jos caracteristica diodei polarizate direct la întuneric cu mărimea IL (fig. 3.2 curba 2).

Apare astfel în cadranul IV o porțiune a caracteristicii pentru care P=U·I<0 ceea ce, conform convenției din termodinamică, înseamnă că celula este generatoare de energie.

Pe baza expresiei (2.10) se poate stabili schema echivalentă a unei fotocelule, ca în figura 3.3.

Fig. 3.3 Schema echivalentă a unei fotocelule

Schema cuprinde o sursă de curent constant IL (pentru o iluminare constantă), care debitează pe rezistența neliniară a joncțiunii p-n , polarizată direct și pe rezistența de sarcină R.

Se poate observa că la scurtcircuit (U=0)

(3.11)

De obicei acest curent este direct proporțional cu intensitatea radiației incidente.

Tensiunea de mers în gol (pentru It=0), se poate calcula din relația (3.10):

(3.12)

Această relație ne arată că tensiunea de mers în gol variază logaritmic cu intensitatea radiației incidente, având o tendință de saturare. Puterea debitată de celulă se exprimă prin aria dreptunghiului hașurat din figura 2.2, corespunzător punctului de funcționare. Există un punct unde această arie este maximă.

3.3.2 Efectul fotoelectric în heterojoncțiunea semiconductoare

Heterojoncțiunile se formează prin contactul a două materiale semiconductoare diferite atât ca natură cât și prin tipul de conducție. Datorită materialelor diferite diferă lărgimile zonelor interzise în cele două materiale ca și alți parametrii fizici precum constantele rețelelor cristaline, coeficienții de dilatare termică, afinitățile electronice etc.

Datorită lărgimilor diferite a zonelor interzise, în zona de contact apar discontinuități ale benzilor energetice de conducție și de valență. Aceste discontinuități se adaugă zonei interzise, mărind bariera de potențial și deci tensiunea de mers în gol, ceea ce constitue un mare avantaj.

De asemenea, în acest caz, bariera de potențial pentru goluri va fi diferită de cea pentru electroni, predominând curentul datorat unui singur tip de purtători.

Cele mai mari randamente teoretice și practice s-au obținut cu acest tip de joncțiuni.

3.3.3 Joncțiuni metal-semiconductor

Formarea stratului de baraj, care imprimă comportamentul de diodă redresoare acestei joncțiuni se datorează, în acest caz, efectului de emisie termoelectrică a celor două materiale. Pentru a se realiza acest strat, trebuie îndeplinite anumite condiții cu privire la mărimea lucrului de ieșire al electronului din metal (Lm), respectiv din semiconductor (Ls). Astfel:

în cazul joncțiunii metal-semiconductor (n), trebuie ca

(3.13)

astfel încât unii electroni să treacă din semiconductor în metal, formându-se în semiconductor un strat cu sarcină legată pozitivă, iar metalul încărcându-se negativ;

în cazul joncțiunii metal-semiconductor (p), se cere ca

(3.14)

astfel că prin trecerea unor electroni din metal în semiconductor se formează în acesta un strat de sarcini spațiale negative, metalul rămânând cu sarcină rezultantă pozitivă. De asemenea are loc apariția câmpului electric intern, care se opune trecerii în continuare a electronilor spre semiconductor.

În regimul de iluminare a unei asemenea fotocelule, rolul principal îl are zona semiconductoare, deoarece stratul de metal depus pe suprafața semiconductorului trebuie să fie atât de subțire încât să permită trecerea luminii prin el. Eficiența de colectare a purtătorilor în stratul de baraj este foarte mare astfel încât curentul de scurtcircuit rezultă mai mare decât la alte fotocelule, dar tensiunile de mers în gol vor fi mai reduse.

Mărirea tensiunii de mers în gol se poate realiza prin intercalarea între metal și semiconductor a unui strat foarte subțire de material izolant sau de oxid, realizând structuri MIS sau MOS.

3.4 Tipuri de fotocelule

3.4.1Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin

Germaniul nu se folosește la realizarea fotocelulelor din cauza slabei sale rezistențe la temperaturi ridicate.

Siliciul domină piața mondială a celulelor fotovoltaice ( peste 50%), din cel puțin trei motive: stabilitate funcțională și randamente bune, tehnologii bine puse la punct în alte domenii ale electronicii, el fiind și unul din cele mai abundente materiale din natură. Tehnologiile actuale utilizează siliciul sub trei forme: monocristal, policristalin și amorf hidrogenat. Dezavantajul major al acestor tipuri de fotocelule este costul încă ridicat.

Tehnologia cu siliciu monocristalin tipică are trei etape distincte: producerea plachetei (40% din cost), producerea celulei (40% din cost), asamblarea și încapsularea (20%).

În prima etapă, nisipul sau cuarțul este transformat în siliciu de grad metalurgic (99% puritate). Materialul este purificat în continuare în siliciu de grad semiconductor. După purificare siliciul este topit, se dopează corespunzător și este tras apoi în monocristal. Materialul este tăiat apoi în plachete de 0.3 mm grosime, ce se polizează pentru îndepărtarea defectelor de tăiere.

In etapa de producere a celulei, placheta se dopează din nou pentru a forma o pătură superficială de conductivitate opusă plachetei de bază. Se atașează apoi contactele metalice pe cele două fețe și adăugarea unui strat antireflectant pe fața luminată definitivează celula. Celulele sunt apoi interconectate și încapsulate transparent sticlă sau plastic.

Pentru reducerea costurilor se admite un nivel de purificare intermediar între siliciul metalurgic și cel semiconductor și anume siliciul de tip solar, nivel care nu afectează semnificativ randamentul celulei solare.

S-a dezvoltat o tehnologie de producere a unei panglici de siliciu monocristalin, obținându-se siliciu de grad solar, eliminând etapele de tăiere și polizare. Panglica se obține prin ridicarea siliciului în stare topită prin efect capilar într-o matriță din grafit cu fantă dreptunghiulară (firma Mobile Tyco-SUA).

Renunțarea completă la siliciul monocristalin în favoarea celui policristalin antrenează o scădere considerabilă a prețurilor, deși randamentul este mai slab. Această soluție a găsit cea mai mare răspândire în momentul de față, mari producători ca ARCO-SUA, AEG-Germania, Kyocera-Japonia utilizând-o exclusiv. Siliciul de grad solar se toarnă în lingouri paralelipipedice urmată de tăierea și prelucrarea mecanică. Doparea finală a plachetelor se face prin difuzie din fază gazoasă sau solidă și prin implantare ionică cu atomi de fosfor (placheta fiind de tip p).

Difuzia din stare gazoasă nu este recomandată deoarece se dopează plachetele pe ambele fețe și o joncțiune va trebui înlăturată. Difuzia din stare solidă se face prin depunere chimică din stare de vapori (CVD), pulverizare și serigrafiere.

Cea mai utilizată este tehnologia prin serigrafiere. O pastă cu fosfor este întinde pe plachetă printr-o sită serigrafică. apoi plachetele sunt arse la 900șC într-un cuptor tunel, sunt corodate și se obține joncțiunea.

Implantarea ionică produce o dopare foarte bine controlată, dar echipamentul este cam scump și nu se justifică pentru celule solare, care nu au cerințe deosebite privind controlul dopării.

În figura 3.4 este prezentată structura unei celule fotoelectrice normale cu siliciu cristalin.

Există un mare număr de variante constructive, descrise în [2].

Fig. 3.4 Structura unei celule normale cu siliciu.

Materialul cel mai utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este Siliciul. Dacă la început pentru producerea celulelor solare se utilizau deșeuri rezultate din alte procese tehnologice pe bază de semiconductori, astăzi se apelează la materiale speciale în acest scop fabricate. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal.

Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, și se poate

impurifica(dota) în semiconductor de tip n sau p. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri. Totuși lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puțin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puțin 100 µm sau mai mult pentru a putea absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat subțire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalină puternic perturbată (vezi mai jos), sunt suficiente 10 µm.

În funcție de starea cristalină a Siliciului se deosebesc următoarele tipuri de celule:

1. Monocristaline: Celulele rezultă din așa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr-un cristal).

Eficiență: Între 15% și 18% (Siliciu Czochralski);

Formă: Depinde de marimea mono-cristalului care a fost tăiat celulele. Pot fi rotunde, semi-rotunde sau pătrate. Cele rotunde sunt mai ieftine decăt cele semi-rotunde sau pătrate datorită

faptului că este risipită o cantitate mai mică de material în timpul producției. Cu toate acestea sunt rar utilizate în modulele standard deoarece când sunt așezate una lângă alta în module nu ocupă eficient spațiul disponibil. Însă pentru module speciale destinate clădirilor unde este dorită parțial transparența sau pentru sisteme destinate consumului casnic, celulele rotunde sunt alternativa viabilă perfectă.

Dimensiuni uzuale: 10cm2 x 10cm2 ; 12.5cm2 x 12.5cm2 sau 15cm2 x15cm2; 0:12.5cm sau 15cm.

Grosime: 0.2mm până la 0.3mm.

Aspect: uniform;

Culoare: albastru închis până la negru; gri.

Fig.3.5 Celulă solară pe bază de siliciu monocristalin..

Fig.3.6 Panou solar cu celule din siliciu monocristalin

2. Policristaline: Celulele sunt din plăci care conțin zone cu cristale ce au orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline.

Eficiență: 13% până la 16%;

Formă: Pătrată;

Dimensiuni uzuale: 10cm2 x 10cm2; 12.5cm2 x 12.5cm2; 15cm2 x 15cm2; 15.6cm2 x15.6cm2 și 21cm2 x 21cm2.

Grosime: 0.24mm până la 0.3mm.

Aspect: Din cauză că lumina este reflectată diferit, cristalele individuale pot fi observate foarte clar pe suprafață.

Culoare: albastru; gri-albăstrui.

Fig.3.7 Celula solară policristalină.

4. Microcristaline Acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parțial la fabricarea depanouri voltaice, dar nu sunt atât de răspândite.

5. Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, deobicei o combinație de straturi policristaline și amorfe. Straturile sunt din materiale diferite și astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare decât celulele solare simple. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obține prin utilizarea în combinație cu sisteme de lentile, așa numitele sisteme de concentrare.

6. Back-Contacted Aceste celule au contactele situate pe spatele celulei. În afară de faptul că evită umbrirea cauzată de contactele montate pe partea orientată către soare facilitează crearea ulterioară a unor siruri de celule într-un modul de celule solare și permite aspectul uniform.

Eficiență: 20.8 %.

Formă: semi-rotundă.

Dimensiuni: 12.5cm x 12.5cm.

Grosime: 0.27mm.

Aspect: uniform.

Culoare: negru purpuriu.

3.4.2 Celule solare cu strat subțire

Celulele solare cu strat subțire se găsesc în diferite variante după substrat și materialul condensat având o varietate a proprietăților fizice și a randamentului pe măsură. Celulele solare cu strat subțire se deosebesc de celulele tradiționale (celule solare cristaline bazate pe plăci de siliciu) înainte de toate în tehnologia de fabricație și grosimea stratului materialului întrebuințat. Proprietățile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului cristalin determină proprietățile celulelor solare. Anumite proprietăți nu sunt încă pe deplin clarificate din punct de vedere teoretic.

Chiar și la celulele solare cristaline lumina este absorbită deja într-un strat superficial (de o adâncime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat să se fabrice celulele solare cu un strat foarte subțire. În comparație cu celulele din plăci de siliciu cristalin celule cu strat subțire sunt de 100 de ori mai subțiri. Celulele cu strat subțire se obțin de cele mai multe ori prin condensarea din fază gazoasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material sintetic, sau alt material.

Cel mai întrebuințat material pentru celulele cu strat foarte subțire este siliciul amorf (a-Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durată de viață lungă. Testele confirmă un randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani. Alte materiale ce se mai pot întrebuința sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de galiu (GaAs), teluriura de cadmiu(CdTe) sau legături cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, așa numitele celule CIS, respective celule CIGS unde în funcție de tip S poate însemna sulf sau seleniu.Modulele pe bază de celule cu strat subțire CIS au atins deja un randament de 11-12  % egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu.

Pentru producerea de curent electric este de dorit un randament mai mare, pe care parțial îl pot oferi și celulele cu strat subțire. Se pot atinge randamente în jur de 20 % (de exemplu 19,2  % cu celule CIS). Totuși randamentul nu este singurul criteriu în alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de procedeul de fabricație utilizat și de prețul materiei prime.

Una din proprietățile avantajoase a celulelor cu strat subțire constă în fapul că nu necesită un substrat rigid ca de exemplu sticlă sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se acceptă un randament mai scăzut deoarece factorul greutate este mai important decât transformarea optimă a luminii în energie electrică. O altă proprietate avantajoasă a celulelor cu strat subțire, mai ales al celor din siliciu amorf este că ele au un mod de fabricație mai simplu și pot avea o suprafață efectivă mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piață semnificativ.

Utilajele de fabricație parțial sunt identice cu cele utilizate în fabricarea de ecrane plate, și se pot obține straturi cu o suprafață de peste 5 m². Cu procedeul de fabricație bazat pe siliciu amorf se pot produce și straturi subțiri din siliciu cristalin, așa numitul siliciu microcristalin combinînd proprietățile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu avantajele metodelor utilizate în tehnica filmului subțire. Prin combinarea siliciului amorf și a celui microcristalin au fost obținute măriri substanțiale de randament în ultimul timp.

Fig.3.8 Celule solarecu strat subțire.

3.4.3 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H)

Celulele solare constau dintr-un strat subțire de siliciu amorf (fără cristalizare) și din această cauză se numesc celule cu strat subțire. Se pot produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu și sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar și ceasuri.

Din cauza ordinii structurale, siliciul monocristalin (c-Si), are benzi de conducție și de valență clar delimitate, în care purtătorii de sarcină au mobilități mari, deci este un semiconductor cu proprietăți controlabile prin dopare controlată.

Nu același lucru se poate spune despre siliciul amorf pur (a-Si). Acesta, din cauza dezordinii structurale, are mulți atomi cu legături rupte. Acestea fac ca să existe un număr mare de stări energetice, iar purtătorii de sarcină să posede mobilități scăzute. Toate acestea fac imposibilă controlarea prin dopare a tipului de conducție și în final conduc la o fotoconducție neglijabilă.

Dacă, prin procesul de preparare al siliciului amorf, în acesta se incorporează și hidrogen, rezultă siliciul amorf hidrogenat (a-Si:H), care este de fapt un aliaj siliciu-hidrogen cu hidrogen în proporție de până la 30%. Circa 1% din acest hidrogen compensează majoritatea legăturilor rupte din atomii de siliciu ai rețelei dezordonate, iar restul hidrogenului realizează legături siliciu-hidrogen care relaxează în continuare tensiunile și abaterile de la ordinea locală, impuse de necesitatea interconectării atomilor într-o rețea care rămâne totuși dezordonată. În final, numărul de stări energetice se reduce și se obține un semiconductor amorf cu proprietăți asemănătoare celui cristalin și care are proprietăți fotovoltaice controlabile prin dopare controlată.

Cea mai utilizată metodă de preparare a a-Si:H este metoda descărcării luminescente sau GD (glow discharge) într-o atmosferă de silan-SiH4, un compus gazos al siliciului (fig. 3.9).

Stratul de a-Si:H se depune pe un suport din sticlă, metal sau chiar plastic, plasat într-un reactor de depunere. În reactor, racordat la o instalație de vidare, se introduce un debit controlat de SiH4, în care se amorsează o descărcare electrică luminescentă prin aplicarea unei tensiuni de radiofrecvență. În plasma descărcării , SiH4 se descompune în grupuri SiH3 , SiH2 , SiH, pe suport depunându-se în final un strat de a-Si:H.

Acesta este un semiconductor cvasi intrinsec cu un slab caracter n. Proprietățile stratului se controlează prin temperatura suportului, debitul și presiunea gazului și tensiunea de radiofrecvență aplicată.

Fig. 3.9 Instalație de depunere a siliciului amorf hidrogenat (a-Si:H) prin descărcare luminescentă în plasmă de silan

Straturi de a-Si:H cu dopare controlată se obțin cu mici adaosuri de fosfină (PH3-dopare n) sau diboran (B2H7-dopare p), procente de debit în general sub 1% din debitul de silan.

Avantajele tehnologice și economice sunt evidente: prin controlul simplu al duratei de depunere și al debitelor se pot realiza în mod controlat, pe suporți ieftini, structuri complexe p-n, p-i-n, p-p+ etc., din compuși gazoși ai siliciului și la temperaturi scăzute (300C).

În figura 3.10 se prezintă structura unei fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat. Aceste celule au lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină foarte redusă și efectul fotovoltaic ar fi neglijabil dacă siliciul amorf nu ar avea un coeficient de absorbție a radiațiilor solare mult mai bun (cu un ordin de mărime) decât cel cristalin. Rezultă că sunt necesare grosimi de câțiva microni față de sute de microni la cele cu siliciu cristalin . Din acest motiv un strat suplimentar de circa 0.7 m de tip i, adică cu conducție intrinsecă, este binevenit, această regiune devenind regiune de barieră cu câmp electric ridicat.

Fig. 3.10 Celulă fotovoltaică cu siliciu amorf hidrogenat și structură p – i –n.

Firma Sanyo a introdus două inovații importante:

realizarea stratului frontal p sub formă de fereastră din a-SiC:H (prin introducerea de metan în reactor), joncțiunea p-i-n devenind o heterojoncțiune;

depunerea diverselor straturi ale structurii p-i-n se efectuează în reactoare cu camere diferite pentru evitarea contaminării, în special contaminarea cu bor a stratului intrinsec.

Se realizează astăzi celule solare cu structuri de homo și heterojoncțiune p-i-n , pe suport de sticlă cu electrod transparent conductor de SnO (oxid de staniu), sau ITO (indium tin oxide), oțel inoxidabil sau chiar plastic, care alimentează de la lumină ceasuri electronice, calculatoare portabile, radiouri și televizoare.

Între firmele implicate se citează: Sanyo, Sharp, Mitsubishi, Fuji Electric în Japonia, ECD, RCA în SUA și Siemens în Germania. Și în România s-au realizat astfel de celule solare la IFTM și ICCE București începând din 1980.

3.4.4 Celule solare pe bază de CdS

Aceste celule solare sunt de tipul heterojoncțiune obținute în tehnologie cu straturi subțiri policristaline. Stratul de bază (stratul n) este întotdeauna sulfura de cadmiu CdS, dar stratul p poate fi realizat în mai multe moduri: din sulfură de cupru Cu2S, telurură de cadmiu CdTe sau CuInSe2.

Există mai multe tehnologii de realizare a acestor celule solare: metoda pulverizării pirolitice din soluție (spray), metoda evaporării termice în vid și metoda serigrafică. Metoda evaporării în vid, se pare că este cea mai folosită și va fi prezentată în continuare.

Tehnologia evaporării în vid este bine cunoscută, fiind folosită pe scară largă în industria dispozitivelor semiconductoare, deci este accesibilă întreaga gamă de utilaje necesare.

Celulele CdS-Cu2S au intrat în atenția cercetătorilor deoarece pot fi obținute cu straturi subțiri policristaline, deci consum redus de materiale semiconductoare și cu tehnologii de mare serie.

O asemenea asociere a fost determinată de doi factori:

sulfura cuproasă, care este semiconductorul cu banda interzisă îngustă și în care are loc absorbția celei mai mari părți din lumina spectrului solar, nu poate fi obținută decât sub formă de semiconductor de tip p, și ca atare s-a ales un alt semiconductor de tip n având proprietăți ale rețelei potrivite cu ale ei;

sulfura cuproasă poate fi obținută printr-o reacție chimică direct pe stratul de CdS.

Există două tipuri posibile de structuri: cu iluminarea joncțiunii dinspre partea de CdS și cu iluminarea dinspre partea de Cu2S. Ultima soluție este cea mai folosită deoarece permite folosirea unor benzi metalice netransparente în calitate de contacte la stratul de CdS.

O asemenea structură este prezentată în figura 3.11. În calitate de substraturi se folosesc în special plăci de sticlă ordinară sau folii subțiri de cupru (0.035 mm). În primul caz, în calitate de contact reflectant se utilizează un strat de argint obținut prin evaporare în vid. În al doilea caz folia de cupru este zincată și ca urmare a tratamentelor termice rezultă un strat de alamă care este reflectant, zincul din compoziția ei asigurând contactul ohmic la CdS.

Pulberea presată de CdS este încălzită indirect într-un creuzet de cuarț, în vid, de la un încălzitor de grafit. Substratul este încălzit tot indirect în aceeași incintă vidată până la 200C. Viteza de evaporare asigură o depunere de circa 1m/min. Se depune un strat de 15-30m.

Fig. 3.11 Celulă solară CdS-Cu2S obținută prin metoda evaporării în vid.

Stratul de Cu2S se obține prin reacția chimică a sulfurii de cadmiu cu o clorură cuproasă în așa fel încât atomii de Cu îi înlocuiesc pe cei de Cd în matricea cristalină a sulfurii de cadmiu. Acest proces poartă denumirea de topotaxie. El se realizează fie prin scufundarea (dipping) stratului de CdS într-o soluție de CuCl la 99C fie prin depunerea în vid a unui strat de CuCl urmată de un tratament termic de reacție.

3.4.5 Celule solare din GaAs

Utilizarea acestui tip de semiconductor la realizarea celulelor solare ar avea , în raport cu siliciul, următoarele avantaje:

este cel mai eficient material semiconductor în conversia energiei solare în energie electrică prin fenomene fotovoltaice (eficiență maximă 26%);

poate funcționa la temperaturi superioare siliciului, permițând realizarea de celule solare cu concentrarea 1000 față de concentrarea 100 cât permit cele de siliciu;

coeficient de absorbție mai ridicat, ceea ce permite folosirea structurilor foarte subțiri.

Ele au și dezavantaje, din care cauză încă nu au cunoscut o mare răspândire. Astfel, acest material semiconductor este mai scump de vreo 10 ori decât siliciul. Tehnologia de realizare a acestor fotocelule este cea a creșterii epitaxiale, care de asemenea este mai scumpă de circa 10 ori decât celelalte tehnologii utilizate în cazul siliciului. Ținând cont și de avantaje și de dezavantaje, cele două direcții sunt comparabile între ele, așa că multe firme din lume produc astfel de celule. O structură tipică este prezentată în figura 3.12.

Straturile se obțin prin creștere epitaxială. Stratul p are trei substraturi. Stratul AlGaAs-p acționează ca un contact aproape transparent pentru stratul p, iar ultimul strat GaAs-p are rolul de a asigura valori reduse pentru rezistența de contact metal-semiconductor.

Fig. 3.12 Structura tipică a unei celule cu strat fereastră din AlGaAs.

Și în România s-au realizat astfel de celule la IFTM București, încapsulate în capsule de tranzistoare de putere tip TO3, capabile să producă 3.4 W la o concentrare a radiației solare de 500.

3.4.6. Celule Transparente

Eficiență: 10 % sau 13.8 (cele cu tăiere laser).

Forma: pătrată.

Dimensiuni: 10cm2 x 10cm2; 12.5cm2 x 12.5cm2.

Grosime: 0.3mm.

Aspect: Depinde în funcție de modelul policristalin

Culoare: depinde de tip.

3.4.7 Celule solare electrochimice pe bază de pigmenți

Acest tip ce celule se mai numesc și celule Grätzel. Spre deosebire de celulele prezentate până acum la celule Grätzel curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenți se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza și pigmenți organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viață foarte redusă). Modul de funcționare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat; este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producție nu este pusă la punct.

3.4.8 Celule solare din compuși organici

Celule solare din compuși organici utilizează legături carbon-hidrogen care au proprietăți semiconductoare. În acești semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de valență, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puțin diferite pentru a împiedica dispariția acestor purtători. Randamentul pe o suprafață de 1cm² se cifrează la maximal 5 % (situația la nivel de ianuarie 2007).

3.4.9 Celule bazate pe fluorescență

Este vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă mai mare prin fenomenul de fluorescență, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.

3.5 Panoul fotovoltaic

Un panou solar fotovoltaic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar sunt celulele solare. Având în vedere faptul că un singur panou poate produce o cantitate limitată de putere, multe instalații conțin mai multe panouri. Un sistem fotovoltaic poate să conțină de obicei o serie de panouri fotovoltaice, un invertor, poate să conțină și un sistem de baterii și cablurile de interconectare. Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici, cum ar fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condițiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

•protecție transparentă împotriva radiațiilor și intemperiilor

•legături electrice robuste

•protecția celulelor solare rigide de acțiuni mecanice

•protecția celulelor solare și a legăturilor electrice de umiditate

•asigurarea unei răciri corespunzătoare a celulelor solare

•protecția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate

•posibilitatea manipulării și montării ușoare

Se cunosc diferite variante de construcție a modelelor existente de panouri solare.

3.5.1 Elementele constructive ale unui panou solar

Elementele constructive ale unui panou sunt următoarele:

• Un geam de protecție pe fața expusă la soare. Acesta este un geam securizat monostrat.

• Un strat transparent din material plastic în care se fixează celulele solare.

• Celule solare monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi de cositor;

• Caserarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic rezistent la

Intemperii.

• Priză de conectare prevăzută cu diodă de protecție, respectiv diodă de scurtcircuitare și racord.

• O ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare și montare, pentru fixare și rigidizarea legăturii.

3.5.2 Procesul de fabricație a panoului solar

Fabricarea începe întotdeauna de pe partea activă expusă la soare. La început se pregătește și se curăță un geam de mărime corespunzătoare. Pe acesta se așează un strat de folie de etilen vinil acetat (EVA) adaptat profilului celulelor solare utilizate.

Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe care mai apoi se așează pe folia de EVA după care se face conectarea grupelor între ele și racordarea la priza de legătură prin lipire. În final, totul se acoperă din nou cu o folie EVA și peste aceasta o folie tedlar. Pasul următor constă în laminarea panoului în vacuum la 150 °C. În urma laminării din folia EVA plastifiată, prin polimerizare, se va obține un strat de material plastic ce nu se va mai topi și în care celulele solare sunt bine încastrate și lipite strâns de geam și folia de tedlar. După procesul de laminare, marginile se vor debavura și se va fixa priza de conectare în care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ramă metalică, se măsoară caracteristicile și se sortează după parametrii electrici după care se împachetează.

3.5.3 Rolul diodei by-pass

În momentul în care o parte dintr-un modul fotovoltaic este umbrită, celelalte celule acoperite nu vor putea produce la fel de mult curent ca celulele neacoperite. Având în vedere că toate celulele sunt conectate în serie, aceeași cantitate de curent trebuie să curgă prin fiecare celulă.

Celulele neacoperite vor forța celulele acoperite să permită trecerea unui curent mai mare decât noul lor curent de scurtcircuit. Singura cale în care celulele acoperite pot opera la un curent mai mare decât curentul de scurtcircuit este să opereze într-o regiune de voltaj negativ care duce la o pierdere netă de tensiune în sistem. Curentul înmulțit cu această tensiune negativă dă puterea negativă produsă de celulele umbrite. În cele din urmă celulele umbrite vor disipa puterea prin căldură și vor crea puncte fierbinți, scăzând în același timp randamentul total al grupului de celule. Efectul acestei umbriri este dependent și de felul în care modulul este umbrit. În momentul în care un panou este acoperit în proporție de 75% este mult m-ai rău decât dacă acesta este acoperit în proporție de 25% din suprafață panoului. Deci, dacă nu se poate evita umbrirea trebuie încercată o împrăștiere pe un număr mai mare de celule. O metodă de a minimiza efectele acestui fenomen o reprezintă folosirea de diode by-pass în cutia de joncțiune. Diodele by-pass permit curentului să treacă pe lângă celulele acoperite reducând astfel pierderile de tensiune prin modul. În momentul în care modulul este acoperit, dioda by-pass intră în polarizare directă și începe să conducă curent. Tot curentul care are o valoare mai mare decât noul curent de scurtcircuit al celulei trece prin diodă, reducând drastic încălzirea locală pe zona acoperită.

Dioda de asemenea menține întregul modul umbrit sau grupul de celule la o tensiune negativă mică.

3.6 Tipuri de instalații fotovoltaice

3.6.1 Componentele unui sistem fotovoltaic

Instalațiile fotovoltaice sunt proiectate pentru funcționarea în exterior, în condiții aspre cum ar fi cel marin, la tropice, cel arctic sau deșert. Instalația fotovoltaică constă într-un număr de module fotovoltaice individuale, interconectate în module, iar acestea la rândul lor se interconectează în panouri fotovoltaice, pentru producerea unui current și voltaj corespunzător. (fig. 3.13)

Fig. 3.13 Celule, module și panouri fotovoltaice.

Cele mai multe module de putere livrează curent continuu la 12V, pe când cele mai multe aplicații casnice și procese industriale operează cu un curent alternativ la 240V sau 400V. De aceea este utilizat un invertor pentru conversia curentului continuu cu tensiuni joase în curent alternativ de tesiuni ridicate.

Electricitatea generată poate fi stocată, folosită direct sau transmisă către rețeaua globală de energie electrică. În funcție de tipul aplicației, restul sistemului (BOS-Balance of system) conține diferite componente. BOS-înglobează toate celelalte componente ale unui sistem fotovoltaic cu excepția panourilor solare.

Principiul de bază al sistemelor fotovoltaice este prezentat în Fig. 2.14. Așa cum se poate observa dispunerea PV produce electricitate care poate fi direcționată din controler fie spre baterie sau direct către consumator. În lipsa luminii solare, bateria poate alimenta consumatorul, dacă are o capacitate suficientă.

Fig.3.14 Schema de bază a instalațiilor PV.

3.6.2. Sisteme PV cuplate direct la consummator de c.c.

În cazul unui sistem PV cuplat direct, modulul fotovoltaic este conectat direct la sarcină. Așadar, consumatorul operează doar atunci când există radiație solară, un asemenea sistem având aplicațtii foarte limitate.

Fig.3.15 Schema pentru sisteme PV cuplate direct.

O aplicație tipică pentru acest caz o reprezintă sistemul pentru pomparea apei. Sistemul operează cât timp lumina solară este disponibilă, și în loc de stocarea energiei electrice, este stocată apa.

3.6.3 Sisteme PV independente

Sistemele PV independente sunt utilizate în zonele care nu sunt foarte ușor accesibile sau nu au acces la rețeaua de electricitate. Un asemenea sistem este independent față de rețea iar energia produsă este în mod normal stocată în baterii. Un sistem independent tipic constă în modulele fotovoltaice, baterii și un controler de încărcare. Un invertor poate de asemenea să fie adăugat sistemului, pentru conversia curentului continuu produs de fotovoltaice în curent alternativ necesar aplicațiilor normale.

Fig 3.16. Schema pentru sisteme PV independente.

3.6.4. Sisteme PV conectate la rețea

Actualmente, cel mai des întâlnit sistem este cel conectat la rețea. În timpul zilei, electricitatea generată de către panorile fotovoltaice poate fi utilizată imediat (o practică normală pentru sitemele instalate în birouri, clădiri comerciale și aplicații industriale) sau poate fi vândută către una din companiile furnizoare de energie electrică. Seara, când sistemul solar nu este capabil să producă electricitatea necesară puterea poate fi luată din rețea. În concluzie, rețeaua se comportă ca un acumulator de energie , ceea ce înseamnă că sistemul nu mai trebuie să includă o baterie. O schemă este prezentată în fig. 3.17.

Fig 3.17. Schemă pentru sistmele PV conectate la rețea

3.7 Aplicații ale energiei solare

Unele dintre cele mai comune aplicații ale sistemelor fotovoltaice sunt prezentate în continuare.

3.7.1 Sistemele fotovoltaice pentru alimentarea zonelor greu accesibile.

Sistemele fotovoltaice pot asigura consumul de energie electrică pe termen lung pentru zonele aflate la distanțe considerabile față de rețeaua electrică. Consumatorii pot fi reprezentați de sistemele de iluminat, aplicațiile electrice de mici dimensiuni, pompele de apă și echipamentele de comunicație. În cazul acestor aplicații, cererea de consum poate varia de la câțiva wați până la la zeci de kilowați. În general sistemele PV sunt preferate în defavoarea generatoarelor pe bază de combustibili tradiționali deoarece nu depind de furnizorii de combustibil, fapt ce poate creea diverse probleme. De asemenea, nu necesită întreținere și nu pot creea probleme în ceea ce privește poluarea mediului înconjurător.

3.7.2 Reducerea facturii la consumul casnic de energie electrică

Fig. 3.18 Sistem fotovoltaic conectat la rețea.

În figura 3.18 se prezintă modul de interconectare a unui sistem fotovoltaic la rețeaua electrică din locuință.

3.7.3 Aplicații în comunicații

Fotovoltaicele pot constitui o sursă de putere sigură pentru sistemele de telecomunicație, în special în zonele izolate, la distanțe mari de rețea. Exemple în acest sens sunt turnurile de telecomunicație, transmițătoarele de informații pentru călători, transmițătoarele telefonice mobile, stațiile radio, unitățile pentru apeluri de urgență și instalațiile de comunicație militare. Aceste sisteme pot varia în dimensiuni de la câțiva wați, pentru sistemele de alertă în caz de pericol până la câțiva kilowați în cazul stațiilor radio. Desigur aceste sisteme sunt unități independente, în care bateriile furnizează o tensiune alternativă ce întrunește cererile de curent. Practica a demonstrat că astfel de sisteme PV pot funcționa pentru o largă periuadă de timp fără lucrări de mentenanță complexe.

3.7.4 Aplicații PV pentru monitorizarea la distanță

Datorită simplicității, siguranței și a capacității de funcționare fără supraveghere, modulele fotovoltaice sunt preferate în alimentarea senzorilor de distanță, înregistraoarelor automate de date și transmițătoarelor de monitorizare meteorologice asociate, controlul irigațiilor, monitorizarea traficului rutier pe autostrăzi. Cele mai multe aplicașii necesită mai puțin de 150W și pot fi alimentate printr-un singur panou solar. Bateriile necesare sunt de cele mai multe ori plasate în zone ferite de temperaturi extreme asemeni echipamentelor necesare achizițiilor de date și monitorizării. Vandalismul poate constitui o problemă în aceste cazuri de aceea montarea modulelor se face la mare înălțime.

3.7.5 Aplicații PV pentru pompare apă

Sistemele fotovoltaice independente pot întruni cerereile pentru aplicațiile de pompare a apei de la cele mai mici până la cele medii. Acestea pot fi siteme de irigare, consum domestic, alimentare cu apă pentru mediul rural și rezerve de apă. Avantajele utilizării sistemelor fotovoltaice sunt reprezentate de întreținerea redusă, instalarea simplă și siguranță. Cele mai multe sisteme de pompare a apei nu folosesc baterii dar stochează apa pompată în rezervoare.

În figura 3.19 și 3.20 se prezintă scheme respectiv exemplu de utilizarea energiei fotovoltaice la pomparea apei pentru fermele de animale.

Fig. 3.19 Schemă pentru utilizarea panourilor fotovolataice la pomparea apei.

Fig. 3.20 Sistem de pompare apă pentru animale alimentat cu energie solară.

3.7.6 Fotovoltaice integrate în structura clădirilor

Aceste sisteme sunt instalate fie pe fațada clădirii sau pe acoperișul acesteia constituind o parte integrantă a clădirii ce înlocuiește în fiecare caz în parte o componentă a construcției.

Pentru a se evita încălzirea excesivă a clădirii, de obicei este creeat un spațiu între elementul de construcție(cărămidă, placă) aflat în spatele panoului solar și acesta, astfel încât aerul să poată circula și îndepărta căldura produsă. În timpul iernii acest aer este orientat către clădire pentru a acoperi necesarul de căldură. Pe timpul verii, aerul este pur și simplu evacuat în mediul ambient. Un exemplu tipic în acest caz îl constituie așa numitele case de energie zero, unde clădirea este o unitate de producție pentru energie ce satisface integral toate cererile energetice.

În figura 3.21 se prezintă o instalație fotovoltaică integrată în acoperișul clădirii, adică chiar panourile fotovoltaice sunt utilizate ca elemente de construcție pentru acoperiș.

Fig. 3.21 Instalație fotovoltaică integrată în construcția clădirii.

În cazul altor aplicații legate de clădiri, Sistemele PV pot fi utilizate efectiv ca dispozitive pentru umbrire.

În figura 3.22 se prezintă un exemplu tipic de montare a panourilor fotovoltaice pe acoperiș.

Fig. 3.22 Montarea panourilor fotovoltaice pe acoperiș.

3.7.7 Încărcarea bateriilor de mașină

Când nu sunt utilizate, bateriile pentru autovehicule se descarcă în timp. Aceasta poate reprezenta o problemă majoră pentru organizațiile ce dețin un număr mare de mașini cum ar fi spre exemplu serviciile de pompieri. Încărcătoarele de baterie fotovoltaice pot ajuta la rezolvarea problemei, prin menținerea bateriilor la un nivel ridicat de încărcare. Pentru aceste aplicații modulele pot fi instalate pe acoperișul parcărilor sau clădirilor din apropiere fie chiar pe vehicul. O altă aplicație importantă din această arie o reprezintă folosirea modulelor PV pentru încărcarea bateriilor autovehiculelor electrice.

3.7.8 Iluminat stradal

În figura 3.23 se prezintă o lampă de iluminat stradală alimentată cu energie solară.

Fig. 3.23 Lampă solară stradală.

Caracteristici tehnice:

Lampa:

putere consumata: 5W – 18W;

funcṭionare: 2 – 4 ani, în functie de operare.

Modul fotovoltaic:

putere maxima: 25 – 100W;

timp de viaṭặ: 15 – 20 ani.

Baterie acumulatori:

plumb-acid, 25 – 150Ah/12V;

timp de viata: 3 – 5ani.

Controler funcṭii:

praguri de funcṭionare sistem la încarcare si descặrcare;

start/stop lampa automat;

Montare modul fotovoltaic: suport pentru module cu înclinare la unghi solar variabil.

Capitolul IV

Sisteme de stocare a energiei electrice

4.1. Necesitatea stocării energiei electrice

Stocarea eficientă a energiei a devenit unul din cele mai sensibile domenii de activitate și inițiativa, dezvoltarea procedeelor, a echipamentelor și a tehnologiilor de conversie și stocare fiind o condiție exclusivă pentru utilizarea competitivă a tuturor surselor regenerabile de energie.

Necesitatea conceperii și realizării unor sisteme performante pentru stocarea energiei este impusă de discrepanța dintre momentul și locul producerii energiei și momentul și locul consumării acesteia.

Fluctuațiile de consum pot fi: diurne, săptămânale, sezoniere. După cum se știe, fluctuațiile diurne prezintă amplitudini mari, cererea din orele mici ale dimineții situându-se la cca. 1/3 din cea care corespunde perioadei de vârf.

În țările în care încălzirea electrică este larg răspândită, solicitarea centralelor electrice în timpul iernii este de două ori mai mare decât vara, iar în țări cu clima toridă, unde climatizarea este utilizată frecvent, vârful de consum înregistrat vara este maxim în cursul unui an. Este evident că funcționarea centralelor electrice la capacitate mare și constantă depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare.

Dezvoltarea energeticii solare este influențată de perfecționarea sistemelor de stocare, folosirea eficientă a energiei captate depinzând de evoluția sistemelor de stocare diurnă.

De altfel, în general, atragerea în circuitul economic competitiv a surselor alternative de energie este în funcție de costul și fiabilitatea tehnologiilor de stocare. Tehnologiile și echipamentele de stocare a energiei, folosind parțial sau integral procese electrochimice, pot fi împărțite în:

tehnologii și echipamente pentru stocare de scurtă durată și cu capacități mici (sub 0,5 Wh);

tehnologii și echipamente pentru stocare medie (12-60 ore) și cu capacități până la câteva sute de MWh;

tehnologii și echipamente pentru stocare de lungă durată (10-300 zile) și cu capacități mai mari decât 1000 MWh.

Stocarea energiei este o metoda prin care energia poate fi utilizata atunci când ete nevoie.

Stocarea energiei a devenit un factor dominant în dezvoltarea economică, odata cu introducerea pe scară largă a energiei electrice și a combustibililor chimici rafinați, cum ar fi benzina, kerosenul și gazul natural la sfârșitul anilor 1800. Energia electrică trebuie să fie utilizată odată ce este generată. Electricitatea este transmisă într-un circuit închis, pentru orice scop, în esență, practic nu poate fi stocata ca energie electrică.

Consumul de energie electrică reprezintă valoarea totală a energiei electrice absorbite de la rețea de diverși beneficiari, într-un timp specificat (consum zilnic, lunar, anual).

Consumatorul final de energie este orice persoană fizică sau juridică, care cumpără și consumă energie electrică pentru uzul propriu și eventual, pentru un alt consumator racordat la instalațiile sale.

Din punct de vedere al modului în care efectuează consumul de energie, consumatorii pot fi:

constanți care asigură o cerere constantă de energie într-un an (marii consumatori industriali);

sezonieri – cererea se face în anumite perioade ale anului (irigațiile și alți consumatori agricoli);

variabili – cererea de energie electrică există pe parcursul întregului an, dar este variabilă sau apare în perioade scurte de timp (iluminatul urban, încălzirea electrică, transportul în comun).

Curba de sarcină este variația sarcinii electrice într-un timp specificat, de obicei o zi (24 ore). Sarcina electrică reprezintă energia necesară a fi alocată către consumatorii sistemului energetic. Consumatorii legați la rețea au nevoie de energie electrică pentru a putea funcționa în condiții optime. Problema reprezintă cantitatea de energie momentană necesar a fi produsă pentru a satisface în orice moment cererea. În cazul în care cantitatea de energie cerută de consumatori este mai mare sau mai mică decât cantitatea de energie livrată de producători, în rețea apar perturbații de tensiune și de frecvență, care pun în pericol funcționarea consumatorilor, ducând la avarii grave ale acestora.

Cantitatea de putere livrată (energie produsă) trebuie să fie egală, în orice moment cu cantitatea de putere consumată (energie consumată). Pentru a se putea realiza acest lucru, curba de sarcină a fost împărțită în mai multe zone de consum:

zonă de bază – este zonă care trebuie asigurată în permanență; aici producătorii de energie sunt centralele termoelectrice și nuclearelectrice (centrale cu flexibilitate scăzută în pornire/oprire, care au o funcționare continuă, de obicei cu o putere constant–CNE, CTE, centrale de cogenerare, CTE cu grupuri de condensație, CHE pe firul apei);

zona puterilor variabile – centralele au o funcționare intermitentă (cu întreruperi) și chiar în timpul funcționării puterea poate fi variabilă. Cu cât zona de încadrare se deplasează spre vârf, cu atât se reduce durata de funcționare zilnică. În zona puterilor variabile avem două subzone: zona de semivârf – funcționarea se întrerupe o singură dată și zona de vârf – avem două întreruperi. Acoperirea zonei puterilor variabile de către alte centrale în afară de CHE se poate face: în zona de semivârf cu centrale termice în condensație și în zona de vârf cu ajutorul centralelor cu turbine cu gaze.

4.2. Stocarea energiei electrice

Soluțiile tehnico-științifice elaborate de cercetătorii români, atât pentru stocarea energiei pe durată medie, cât și pentru stocarea de lungă durată, sunt centrate pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice și a unor noi materiale și componente pentru reactoarele de sinteză electrochimică și pentru pilele generatoare de curent continuu.

4.2.1 Stocarea de durată medie a energiei

Pilele secundare sunt sisteme electrochimice de stocare (acumulare) a energiei electrice sub formă de energie chimică, ale căror procese se bazează pe reacții electromotrice active (REMA) reversibile, de tip redox, între două specii chimice electroactive. În spațiile anodice și catodice se găsesc specii electroactive (elemente chimice sau combinații ) capabile să participe la procese de transfer de sarcină la electrozii pilei galvanice, în urma unor reacții active (RPA).

Procesul spontan a reacției electrochimice corespunde transformării energiei chimice în energie electrică (descărcarea acumulatorului) cu generare de curent electric. În cursul procesului de încărcare, în urma trecerii curentului electric se reformează speciile electroactive inițiale.

REMA se desfășoară în sens invers. Din punct de vedere constructiv, acumulatorul presupune o celulă de reacție echipată cu doi electrozi colectori (inerți, de cele mai multe ori).

Anolitul și catolitul sunt separați prin membrane, schimbătoare de ioni, semipermeabile.

Soluțiile epuizate de anolit și catolit sunt stocate în rezervoare separate și sunt recirculate în sens invers la încărcare.

Printre avantajele sistemelor redox se pot enumera :

funcționarea la temperatura ambiantă;

absența unor limitări la descărcare și în viața ciclică;

flexibilitate deosebită a capacității și a puterii.

Mărirea capacității se poate realiza prin creșterea numărului sau a capacității rezervoarelor de stocare a soluțiilor de electrolit, în timp ce creșterea puterii este asigurată de viteze mai mari de circulare a electrolitului. Partea esențială a sistemelor redox de tipul descris este membrana schimbătoare de ioni, care determină performanțele sistemului de stocare. Astfel, s-a proiectat acumulatorul redox, al cărui avantaj primordial constă în posibilitatea amplasării reactanților în rezervoare mari, exterioare, la presiunea atmosferică. Unul din cele mai cunoscute cupluri redox este perechea clorurilor de Fe și Cr:

Pentru evitarea amestecării soluțiilor, spațiile anodice și cele catodice sunt separate de membrane schimbătoare de ioni permiselective. Ambele soluții rezultate în urma încărcării acumulatorului, care apoi se pompează în rezervoare separate, unde sunt păstrate sub protecția unui gaz inert, pentru a evita reacțiile parazite de oxidare a speciilor electroactive de către oxigenul din aer. La descărcarea acumulatorului, soluțiile proaspete de anolit și catolit sunt readuse din rezervoarele exterioare și sunt recirculate în spațiile electrodice, unde speciile electroactive participă la reacțiile de electrod, în urma cărora se generează curentul electric continuu.

Astăzi, cele mai multe elemente redox sunt realizate în S.U.A, de către N.A.S.A. Cu câțiva ani în urmă a fost anunțată punerea în funcțiune, în Anglia, la Little Barford, a primei centrale industriale de mare capacitate, pentru stocarea energiei pe durate medii. O linie de stocare are capacitatea de 100 MWh.

4.2.1.1  Soluții tehnico-științifice pentru tehnologii și echipamente destinate stocării energiei pentru durate medii

Cercetări desfășurate pe parcursul mai multor ani au permis unui colectiv de cercetători de la fostul Centru de Cercetări Săvinești realizarea unei tehnologii de stocare a energiei pe durată medie, folosind un sistem redox original care permite coborârea semnificativă a costurilor de stocare, atât în etapa de investiție, cât și în etapa de exploatare. Reactanții folosiți sunt ieftini și accesibili. Conceperea și realizarea noului procedeu românesc pentru stocarea energiei pe durată medie și a echipamentelor specifice aferente a fost posibilă în urma valorificării know-how-ului obținut în urma cercetărilor de dezvoltare întreprinse pentru elaborarea unor tehnologii de electoro-sinteză industrială și a rezultatelor obținute prin investigarea proprietăților acido-bazice ale unor combinații complexe, precum și datorită realizării unor noi tipuri de structuri electrodice și de separatori pentru celulele electrochimice – membrane schimbătoare de ioni permselective de tip special. Toate acestea s-au bazat pe realizări și progrese în domeniul tehnologiilor de sinteză și al prelucrării unor produși polimerici specifici. Au fost elaborate tehnologii pentru noi tipuri de produse industriale, cum sunt: firele tehnice cu lumen, membranele schimbătoare de ioni, materialele compozite speciale, adezivii speciali. Aceste produse au permis găsirea unor noi soluții pentru arhitectura pilelor electrochimice de tip redox, de mare putere. Procedeul care stă la baza tehnologiei de stocare a energiei electrice elaborate de cercetătorii români constă în realizarea unui ciclu de transformări electrochimice în circuit închis, în care soluțiile unor electroliți care conțin speciile electroactive specifice participă la generarea de curent continuu într-o baterie de pile redox reversibile – ca urmare a desfășurării unor reacții electromotric active care, după epuizare, sunt reformate și readuse, din nou, la compoziția și starea inițială de parcurgere a ciclului menționat mai sus, prin inversarea sensului de trecere a curentului continuu prin echipamentul electrochimic. Bateria de pile electrochimice redox este constituită din celule electrochimice elementare, montate conform unei arhitecturi interne particulare care determină curgerea specifică a fluidelor de lucru și care asigură un contact potrivit al acestora cu structurile electrodice. Întregul ansamblu funcționează reversibil, ca pilă și ca reactor electrochimic, având roluri diferite în cele două ipostaze de lucru, în funcție de sensul de trecere a curentului electric și de compoziția soluțiilor de electrolit.Electrozii celulelor electrochimice sunt constituiți dintr-un material grafitic special, sub formă de folii. Spațiile anodice și cele catodice sunt separate cu ajutorul unor membrane schimbătoare de ioni permselectivi, cu proprietăți speciale. Circulația soluțiilor de anolit și catolit în pilă se realizează cu ajutorul unor pompe de recirculare exterioare, prin intermediul unor sisteme de irigare și drenare de construcție specială. Construcția bateriei de pile electrochimice redox reversibile se bazează pe realizări relativ recente din tehnica fabricării și prelucrării unor polimeri sintetici, în speță fiind vorba de crearea firelor cu lumen, a fibrelor de carbon, a membranelor schimbătoare de ioni permselectivi, a foliilor din materiale compozite, a unor adezivi. Folosirea acumulatoarelor convenționale cunoscute pentru stocarea energiei pe durate medii și la capacități mari este restricționată de rezervele mondiale de plumb și de nichel, care sunt cu totul insuficiente pentru dezvoltarea aplicației menționate mai sus, chiar la necesarul actual de energie.

4.2.2  Stocarea de lungă durată a energiei

Crizele de energie din secolul trecut, determinate de creșterea consumului energetic și de conștientizarea, la scara întregii societăți, a pericolului epuizării resurselor de combustibili fosili, precum și a impactului negativ asupra mediului al folosirii acestora, au impus accelerarea perfecționării tehnologiilor de utilizare a hidrogenului ca purtător de energie și ca intermediar în procesele de stocare a acesteia. Sursa de hidrogen – apa, practic inepuizabilă pe planetă, presupune dezvoltarea tehnicilor de electroliză și de depozitare. Hidrogenul poate fi stocat prin lichefiere și poate fi ținut în rezervoare criogenice, folosite deja în tehnica spațială. Cel mai mare rezervor de hidrogen lichefiat este cel de la Cap Kennedy și are o capacitate de 4000 de metrii, echivalentul unei energii de 6000 MWh, stocabilă prin pile de combustie. Cheltuielile de stocare a hidrogenului prin lichefiere criogenică și de menținere a acestuia în stare lichidă, sub condițiile critice, sunt atât de mari încât fac ca această cale să nu fie transpusă industrial pe scară largă și să nu devină comercială în viitor. O a doua cale este cea care utilizează un procedeu chimic de fixare a hidrogenului pe un compus chimic, cum ar fi produșii aromatici (benzen, toluen, xileni etc.), și extracția acestuia prin dehidrogenare catalitică. În acest mod, moleculele-suport ale produsului revin, în stare nealterată, la structura aromatică inițială, produsul fiind utilizabil pentru depozitare, iar hidrogenul obținut este trimis la consum. Această variantă de depozitare prin intermediul unor compuși hidro-aromatici este mult mai puțin costisitoare decât depozitarea prin lichefiere și are șanse mari să se dezvolte industrial pe scară mare.

În Quebec, funcționează capacități industriale mari de electroliză a apei și de hidrogenare catalitică a unor produși aromatici. Produsul hidrogenat este încărcat în vase petroliere de mare capacitate și este transportat în Europa, unde este descărcat în portul francez Le Havre. Acolo funcționează mari instalații de dehidrogenare catalitică a compușilor hidro-aromatici, în care se reobține hidrogenul, iar produsul aromatic rezultat este reîncărcat în aceleași vase petroliere care au adus produsul hidrogenat. Vasele petroliere reiau cursa către Quebec, unde produsul aromatic este hidrogenat din nou. Un petrolier de 100 000 tone transportă energie echivalentă cu 82 000 MWh energie electrică.

În Germania, pe valea Ruhr-ului, funcționa încă înainte de 2000 o magistrală de distribuție a hidrogenului, care alimenta consumatori din Germania, Elveția și Franța. Este evident că micșorarea cheltuielilor de stocare de lungă durată a energiei este determinată de realizarea unor procedee de electroliză a apei cât mai performante și a unor pile de combustie hidrogen-oxigen cu randament cât mai ridicat. Fără îndoială că, de la bateriile cu pile de combustie H-O de 1 kW și în greutate de 30 kg, utilizate în 1965 de americani la capsula Gemini, și până la bateriile industriale de pile de combustie catalitică a hidrogenului, dezvoltate astăzi, comercial, la scară mare, s-a parcurs un drum impresionant. Impulsul dat de cercetările spațiale a fost hotărâtor pentru această industrie. În ceea ce privește fabricarea electrolitică a hidrogenului, trebuie arătat că, în acest domeniu, nivelul tehnologiilor este încă sub posibilitățile pe care le sugerează termodinamica procesului de descompunere a apei.

4.2.2.1  Soluții tehnico-științifice pentru tehnologii și echipamente destinate stocării de lungă durată

Cercetătorii români au elaborat o tehnologie atât pentru fabricarea performantă a hidrogenului prin electroliza apei, cât și pentru fixarea acestuia pe compuși aromatici. În anii ’80 s-au studiat, la scară pilot, mai mulți catalizatori pentru hidrogenarea compușilor aromatici. S-au studiat atât catalizatori fabricați în România, cât și catalizatori din import. În acei ani, pe baza unei colaborări fructuoase cu IFA – filiala din Cluj, s-au studiat mai multe variante de catalizatori pe bază de Ni și Cr, sintetizați în institutul amintit. S-au obținut rezultate bune, reproductibile, care demonstrau că se poate realiza industrial un proces de hidrogenare a produșilor aromatici, la presiune de cca. 18-25 atm și temperaturi de cca. 220 °C.

Rezultate de excepție s-au obținut cu catalizatorul german Leuna Kontakt 6524, lucrându-se la presiuni moderate (în anumite condiții, chiar la presiunea atmosferică) și temperaturi cuprinse între 160 și 190 °C. S-a elaborat un proces tehnologic complet și s-a trecut la scară industrială cu o capacitate de cca. 12 000 an produs aromatic hidrogenat. Aceasta înseamnă că se putea realiza o centrala de depozitare de lungă durată cu o capacitate de introducere și extracție a puterii de cca.2 MW. Aceleași tipuri de catalizatori acționează reversibil, prin ridicarea temperaturii, permițând dehidrogenarea produsului hidro-aromat.

Rezultate importante s-au obținut și în tehnologia de descompunere electrochimică a apei, realizându-se un proces performant de fabricare a hidrogenului prin descompunerea apei, cu consumuri de energie electrică mult reduse. În urma studierii procesului de electroliză a unor topituri alcaline s-au găsit condițiile în care se poate realiza descompunerea electrolitică a apei la tensiuni sub 1,4 V.

4.3. Sisteme de stocare a energiei electrice

În ultimii ani s-a înregistrat o creștere a utilizării surselor de energie regenerabile, iar in viitorii 20-30 de ani majoritatea sistemelor de producere a energiei vor trebui să fie bazate pe exploatarea energiei regenerabile. Aceste surse de energie au un inconvenient, și anume faptul că variază independent de cerere. Deși sunt suficiente, iar sistemele de conversie a acestora din starea în care se găsesc în natură, în energie electrică au devenit tot mai accesibile, vor trebui perfecționate substanțial sistemele de stocare a acestei energii. În prezent cele mai utilizate astfel de surse de energie, sunt turbinele eoliene, dar energia furnizată de acestea este variabilă în funcție de condițiile meteorologice, lucru care îngreunează folosirea acestor turbine în rețelele electrice.

Stabilitatea rețelei se bazează pe echilibrul dintre cerere și ofertă, dacă se introduc astfel de turbine în sistem, odată cu energia introdusă, introduc o nouă variabilă care trebuie luată în calcul. Problemele create însă, vor fi rezolvate de sistemele de stocare a energiei electrice.

Exista la ora actuala diverse sisteme de stocare a energiei, majoritatea necesită conversia energiei electrice în alte forme de energie, acestea fiind enumerate în continuare.

4.3.1 Stocarea energiei sub forma termică

Aceste sisteme folosesc proprietățile materialelor de a-și schimba starea de agregare din lichid in solid, la temperatură constantă. În cadrul procesului de acumulare, materialele trec din stare solidă în stare lichidă, iar în cadrul procesului de recuperare vor trece din nou în stare solidă. Deși, foarte corosiv, hidroxidul de sodiu, este considerat a fi un bun fluid de stocare. Între 120 si 360°C, acesta poate înmagazina în funcție de masă sau volum, 744 MJ/t, sau 1332 MJ/m3.

O alta metodă de stocare a energiei sub același principiu este folosirea altor fluide precum, sodiu, sarea topită sau apa în locul hidroxidului de sodiu, acestea sunt încălzite și stocate, urmând a antrena o turbină cu abur. Folosirea sării topite în centrala de la Themis, Franța, a făcut posibilă stocarea unei energii provenite de la panouri fotovoltaice, echivalente cu o producție dintr-o zi, care este de aproximativ 40 000 kWh, energia fiind stocată în 550 t de electrolit.Folosirea apei este mai puțin practică datorită temperaturilor mari la care aceasta trebuie stocată adică peste 200°C.

O tehnologie care nu a fost încă pusă în practică, presupune încălzirea materialelor refractare, la temperaturi de până la 1400°C, cu rezistențe electrice. Eficiența acestora este în jur de 60 %, iar dimensiunile acestora sunt relativ mici, de exemplu, un echipament ce poate stoca 1000 kWh, va avea un diametru de 20 de metrii și o înălțime de 20 de metrii cu un volum de 5000 metri cubi, cu mult sub volumul necesar stocării aceleiași energii într-o centrală cu acumulare și pompaj de exemplu, și cu un cost de construcție mult mai mic, comparativ cu alte soluții.

4.3.2 Stocarea mecanică a energiei

4.3.2.1 Sisteme de stocare cu aer comprimat

Centralele ce folosesc abur comprimat vor folosii o parte din putere pentru stocarea aerului în peșteri mari din piatră, în rezervoare de gaze naturale, sau în mine dezafectate, care prezintă un volum mare și rezistență mare la presiuni de 40 până la 70 de bari. Densitatea de energie la aceste sisteme este de aproximativ 12 kWh/metri cubi, cu o eficiență de până la 70 %, datorită faptului ca pentru a elibera 1 kWh în rețea, este nevoie de absorbția a 0.7-0.8 kWh, în timpului funcționării în orele cu consum scăzut, precum și 1.22kWh de gaz natural în timpul orelor de vârf, pentru recuperarea acestuia din subteran. Prima stație de acest gen funcționează în Humtorf, Germania, din 1978, iar în 1991 o astfel de instalație a intrat în folosință în MacIntosh, Alabama, generând 100mW în de 266 de ore. Aceasta funcționează prin comprimarea aerului la 40-70 bari și pomparea lui într-o cavernă aflată la 700 de metrii în subteran, cu un volum de 2 555 000 metri cubi.

Fig.4.1 Stație de stocare cu aer comprimat

4.3.2.2 Stocarea energiei cu volant

Un volant este un dispozitiv de stocare a energiei sau un impuls într-o masă de rotație. Sunt dispozitive în care se stochează energie cinetică prin accelerarea foarte rapidă a unui rotor, ideale pentru utilizarea în cazul rețelelor mici sau nelegate la sistemul național pentru netezirea vânturilor intermitente de energie produsă. Timpul de stocare este scurt. Navele spațiale s-au folosit mult timp de stabilitatea giroscopice inerente în volanți pentru a controla altitudinea lor.

Fig.4.2. Schema de principiu a unui volant

4.3.2.3 Stocarea energie prin pompare hidroelectricitate

Principalul avantaj al acestei tehnologii, este accesibilitatea în cantități foarte mari și oricând. La ora actuală cea mai folosită metodă de stocare a energiei electrice în cantități mari.

Principiul de funcționare este unul simplu, în perioadele când cererea este scăzută, energia produsă este stocată sub formă de energie cinetică și potențială, stocarea făcându-se prin consumul de energie în ora de vârf de către un motor electric conectat la o pompă ce urcă apa într-un bazin aflat la înălțime. Când cererea de energie crește, regimul de funcționare al motorului se schimbă din consumator în generator, iar pompa va furniza energia necesară produceri cuplului.

Fig.4.3 Centrală cu acumulare și pompaj

Centralele cu acumulare și pompaj, au o eficiență în momentul de față de 65-80%, în funcție de caracteristicile echipamentelor. Capacitatea de stocare depinde de doi parametri, înălțimea la care apa este pompată și cantitatea de apă, astfel se știe, ca o masă de o tonă de apă căzând de la 100 de metrii, generează 0.272 kWh, pentru a stoca, deci o cantitate mare de energie este necesară pentru construcția unui amplasament ce cuprinde baraje și lacuri artificiale foarte mari, proiecte ce necesita investiții mari.

4.3.3 Stocarea energiei sub formă chimică

Combustibilii chimici au devenit o formă dominantă de stocare a energiei, atât în ​​generarea de energie electrică cât și de transport. Combustibili chimici cei mai utilizați care sunt procesați sunt: cărbunii, benzina, motorina, gaz natural, gaz petrolier lichefiat (GPL), propan, butan, etanol, biodiesel și hidrogen. Toate aceste substanțe chimice sunt ușor transformate în energie mecanică și apoi în energie electrică folosind motoare termice, care sunt utilizate pentru generarea de energie electrică.

Combustibili lichizi de hidrocarburi sunt formele dominante de stocare a energiei pentru utilizarea în transport. Din păcate, aceștia produc gaze cu efect de seră atunci când sunt utilizați la automobile electrice, camioane, trenuri, nave și aeronave

4.3.3.1 Hidrogen

Hidrogenul este un operator de transport de energie chimica, la fel ca benzina, etanol sau gaz natural. Caracteristica unică a hidrogenului este că acesta este singurul fără emisii de carbon sau cu zero emisii de transport de energie chimica. Hidrogenul este un produs chimic utilizat pe scară largă, care poate fi produs din orice sursă de energie primară. Producția de hidrogen în cantități suficiente pentru a înlocui combustibilii de hidrocarburi existente, nu este posibilă. O astfel de producție va necesita mai multă energie decât este utilizată în prezent, și necesită investiții mari de capital în instalațiile de producere a hidrogenului. Din cauza costurilor crescute, hidrogenul nu este încă folosit pe scară largă. În cazul în care costurile de producție pe bază de hidrogen ar fi reduse, combustibili pe bază de hidrogen ar putea deveni mult mai atractiv comercial, furnizarea de energie curată, eficientă pentru casele noastre, întreprinderi și vehicule.

4.3.3.2 Biocombustibilii

Biocombustibili, cum ar fi biodieselul, ulei vegetal drept, combustibili alcool, sau biomasa poate fi utilizat pentru a înlocui combustibilii de hidrocarburi. Diverse procese chimice pot converti carbonul și hidrogenul din cărbune, gaz natural, biomasă de origine animal sau vegetală, precum și deșeuri organice în hidrocarburi, potrivite ca înlocuitori pentru combustibili fosili.

4.3.3.3 Gaz natural sintetic(SNG)

Gazul natural este cel mi popular combustibil gazos ce conține o mare cantitate de metan.

Biogazul, gazul de biomasă SNG și bio-SNG sunt alți combustibili gazoși. Biogazul este realizat prin descompunerea materiilor organice ce conțin metan și dioxid de carbon. Compoziția gazului de biomasă este aseemănătoare. Gazul sintetic natural se realizează prin transformareaa parțială a materiei prime solide cu gazeificare, urmată de condiționarea gazului, sinteza SNG și îmbunătățirea gazului, process similar cu cel al producerii gazului natural.

SNG poate fi realizat și stocat în rezervoare sub presiune, ce sunt plasate sub pământ sau care alimentează direct rețeaua de gaze. Prodeucerea de SNG este preferată în zonele unde atât dioxidul de carbon cât și electricitatea sunt disponibile.Gazeificarea de aburi de oxigen, hidrogazeificrea și gazeificarea catalitică sunt procese diferite care pot converti cărbunele în gaz natural. Biomasa este utilizată de asemenea pentru producerea de SNG. Tehnologia de hidrometanare sau de gazeificare catalitică a aburului sunt metode mai eficiente decât cele tradiționale, precum procesele de metanare.

4.3.4 Stocarea energiei sub formă electrochimică

Sursele electrochimice de energie transformă energia chimică în energie electrică. Există doi reactanți care se supun unui process chimic în timpul acestei operațiuni. Energia acestei reacții se regăsește în formă finală ca energie electrică. Există două ramuri majore ale tehnologiilor de stocare electrochimică, adică baterii electrochimice și condensatoare electrochimice.

Categoriile deja existente de sisteme electrochimice de stocare variază în funcție de natura reacției chimice, a caracteristicilor structural și a design-ului.

Celulele electrochimice și bateriile pot fi clasificate în patru categorii bazate peprincipiul lor de funcționare:

Celule primare (baterii);

Celule secundare;

Celule de rezervă;

Pile de combustie.

O a doua clasificare se referă la adâncimea (timpului) de descărcare: baterii cu ciclu mic și baterii cu ciclu de adâncime. Bateriile cu ciclu de adâncime, adică autonomie mare, au mai puține plăci groaseîn structură și se pretează pe sursele regenerabile.

A treia clasificare se referă la caracteristicile electrolitului din baterie: baterii inundate și baterii sigilate. În cazul bateriilor sigilate, acestea se impart în două categorii: cu gel și sticlă mată absorbită.

Transportul și generarea de putere inclusive utilizraea energiei eoliene și solare sunt printer cele mai importante domenii de aplicabilitate a sistemelor electrochimice de stocare a energiei.

4.3.4.1 Celule primare

Celule primare în generalnu sunt reîncărcabile. Mjoritatea celulelor primare utilizează electrolit.

Electroliții pot fi apoși sau neapoși și pot caracteriza celula. Electroliții apoși conțin soluție de electrolit pe bază de apă.

4.3.4.2 Celule secundare

Celule secundare sunt reîmcărcabile prin trecerea curentuui prin circuit în sens invers curentului de descărcare. Bateriille reîncărcabile pot fi clasificate în funcție de electrolitul conținut în două grupuri: conțin ambele tipuro de electrolit apos și neapos sau conțin numai electrolit apos.

4.3.4.3 Celule de rezervă

Celulele de rezervă sunt asemănătoare cu celulele primare. Ele sunt de obicei folosite pentru stocare îndelungată. Substanțele active dincelule sunt separate și isolate până la utilizare. Celule de rezervă sunt asamblate fără electrolit și sunt depozitate fiabil în anumite condiții pentru a împiedica compromiterea unei performanțe maxime a bateriei. Electrolitul bateriei se adaugă înainte de utilizarea acesteia.

4.3.4.4 Pile de combustie

Pilele de combustie aparțin unei generații de dispositive electrice, ce utilizează energia chimică a hidrogenului sau a altui combustibil cu energie chimică latent ce urmeă a fi convertită în energie electric. Pilele de combustie funcționează precum bateriile, acestea nu se descarcă nefiind nevoie a fi încăcate și produc atât energie cât și căldură cât timp sunt alimentate cu combustibil de hidrogen. O pilă de combustie este compusă din anod, catod și o membrană de electrolit. Aceasta funcționează trecând hidrogenul prin anod și oxigenul prin catod. Moleculele de hydrogen sunt divizate în electroni și protoni pe partea anodică. Protonii trec prin membrane de electrolit, în timp ce electronii sunt angajați într-un circuit pentru a genera un current și o căldură excesivă. Protonii și electronii împreună cu oxigenul produc molecule de apă pe partea catodică a pilei.

4.3.5 Stocarea electrică a energiei

Sistemele de stocare electrică a enegiei pot fi folosite în următoarele situații: condensatoarele sunt folosite pentru curenți mari doar pentru o perioadă scurtă de timp datorită capacității sale relativ scăzute și supercapacitățile pot înlocui un ondensator obișnuit cu excepția faptului că pot oferi capacități mari într-un pachet foarte mic. Sistemele magnetice superconductoare de stocare a energiei sunt folosite la ieșirea din centralele elctrice pentru stabilizarea producerii sau sunt folositeîn zone industrial unde acoperă vârful de cerere al energiei.

4.3.5.1 Condensatoare

Condensatoarele reprezintă o cale directă de stocare a energiei. Condesatorul este compus din două armături metalice separate printr-un material izolant nimit dielectric. Una din armăuri se încarcă pozitiv, iar cea de-a doua se încarcă negative. Acestea stochează energie în suprafețele metalice sau în electrozi metalici. Din moment ce densitatea de energie a condensatoarelor este scăzută, acestea pot stoca curenți mari pentru scurte perioade de timp.

4.3.5.2 Supercapacitățile

Folosesc un strat subțire de electrolit și o suprafață mare de carbon activ. În comparație cu condensatorii convenționali, capacitatea de stocare a supercapacităților este mult mai mare. Stocarea de energie a supercapacităților este diferită de sistemul electrochimic al bateriei prin intermediul încărcării statice. Față de un aranjament comun al dielectricului solid poziționat între doi electrozi, supercapacitățile stocheză energia prin intermediul unei soluții de electrolit între doi conductor solizi. În plus, aceștia pot oferi o energie la vârf de sarcină, pot fi reîncărcați de milioane de ori fără deteriorare în detrimental bateriilor simple.

Capitolul V

Proiectarea unui sistem de stocare a energiei regenerabile cu aer comprimat

Proiectul își propune să simuleze funcționarea unui generator de energie electrică din surse regenerabile de energie. Schema de principiu este prezentată în figura următoare:

Fig.5.1 Schema sinoptică a generatorului

Sistemul este alcătuit din două părți:

unitatea de comandă și interacțiune cu utilizatorul

dispozitive pentru transformare, înmagazinare și generare de energie electrică.

5.1 Unitatea de comandă și interacțiune cu utilizatorul

La modul general, un controler (controller – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de

astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola).

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate (embedded systems), la care existența unui sistem de calcul încorporat este aproape transparentă pentru utilizator.

Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot menționa: în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă), în așa zisa electronică de consum (sisteme audio, televizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice.), în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale), în industria aerospațială, în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

Ca un exemplu din industria de automobile (automotive industry), unde numai la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrolere. Practic, este foarte greu de găsit un domeniu de aplicații în care să nu se utilizeze microcontrolerele.

Arhitectura unității centrale de calcul (CPU) este unul din elementele cele mai importante care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Principalele concepte luate în considerare și întâlnite aici sunt următoarele:

a)Arhitecturi de tip " Harvard "

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate de adrese și date pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

b) CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

c)RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

d)ARDUINO UNO este o placă de dezvoltare bazată pe microcontrolerul ATmega328, cu o arhitectura de tip RISC. ARDUINO UNO are 14 de intrari digitale / pini de ieșire (din care 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator cu quart de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, o mufă ICSP și un buton de resetare. ARDUINO UNO conține tot ceea ce este necesar pentru a sprijini microcontrolerul pentru ca acesta să funcționeze; pur și simplu conectați la un computer printr-un cablu USB, alimentator AC-la-DC sau baterie pentru a începe.

ARDUINO UNO este diferit față de plăcile precedente, în sensul că nu folosește un chip driver FTDI USB-la-serial. În schimb, acesta are încorporat microcontrolerul Atmega8U2 programat ca un convertor USB-la-serial.

Specificații tehnice:

Fig.5.2 Arduino UNO (Anexa C)

ARDUINO UNO poate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectată automat.

Alimentarea externă (non-USB) poate veni fie de la un adaptor AC-la-DC sau baterie.

Adaptorul poate fi conectat printr-un conector de 2,1 mm cu centru-pozitiv. Conectare de la o baterie poate fi realizată legând la GND și Vin capetele de la conectorii de alimentare.

Placa de dezvoltare poate opera pe o sursă externă de 6-20 volți. Dacă este alimentată la mai puțin de 7V, există posibilitatea, ca pinul de 5V să furnizeze mai puțin de cinci volți și placa să devină instabilă. Dacă se alimentează cu mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi, acest lucru ducând la deteriorarea plăcii. Intervalul de tensiune recomandat de către producator este de 7-12 volți.

Pinii de tensiune și alimentarea sunt după cum urmează:

Vin. Tensiune de intrare pe placă de dezvoltare atunci când este utilizată o sursă de alimentare externă (spre deosebire de 5 volți de la conexiunea USB sau alte surse de energie stabilizată). Putem introduce tensiuni de alimentare prin intermediul acestui pin, sau, în cazul în care tensiunea de alimentare se face prin intermediul conectorului de alimentare externă, o putem accesa prin acest pin.

5V. Regulator de tensiune utilizat pentru alimentarea microcontrolerului și a altor componente de pe placa de dezvoltare. Aceasta poate fi alimentă fie de la Vin printr-un regulator de pe placa de dezvoltare, fie furnizat de catre USB sau de o altă sursă de tensiune de 5V.

3V3. O alimentare de 3,3 volți generat de către regulatorul de tensiune de pe placă. Curentul maxim care îl furnizeaza este de 50 mA.

GND. Pini de împământare.

Memoria

ATmega328 are 32 KB (cu 0,5 KB utilizate pentru bootloader). Ea are, de asemenea, 2 KB SRAM și 1 KB de EEPROM.

Orice sistem cu microcontroler ce intră în interacțiune directă cu omul trebuie să conțină o interfață cu utilizatorul (tastatura, afișaj, semnalizare luminoasă, acustică), unitate de procesare, unitate de adaptare a semnalelor (intrare/ieșire). Unitatea centrală trebuie să lege toate aceste subsisteme și să furnizeze rezultate în funcție de mărimile de intrare.

Interfața cu utilizatorul

Modulul din imagine realizează practic interfațarea cu utilizatorul. Acesta gestionează tastura și afișajul LCD și informează utilizatorul despre starea datelor de ieșire.

Fig. 5.3 Modul de afișare (Anexa D)

Acest bloc conține o tastatură realizată din șase butoane: SELECT, LEFT, UP, DOWN, RIGHT și RESET (Anexa D). Aplicația folosește butonul SELECT pentru activarea/dezactivarea generatorului. Starea curenta este afișată în colțul din dreapta sus al ecranului LCD, utilizând caracterul “G”. Prezența acestuia înseamnă că procesul de generare este activ. Din butoanele UP-DOWN se reglează nivelul tensiunii de ieșire ce este controlat în buclă. Sistemul controlează debitul de aer (se poate observa poziția valvei proporționale) astfel încât să adapteze ieșirea în funcție de consum.

Tastaturile sunt dispozitive mecanice utilizate pentru a executa o întrerupere sau pentru a realiza o conexiune între două puncte. Ele au diferite mărimi și au diferite scopuri. Tastele care sunt utilizate aici sunt denumite taste dip și sunt de tip push. Ele sunt lipite direct pe o placă de circuit și sunt deseori întâlnite în electronică. Au patru pini (câte doi pentru fiecare contact), ceea ce le oferă stabilitate mecanică. În momentul în care apăsăm tasta, două contacte sunt unite și se realizează o conexiune. Problema constă în natura tensiunii ca valoare, și în imperfecțiunea contactelor mecanice.

Înainte ca un contact să fie realizat sau decuplat, există o perioadă scurtă de timp când pot apărea vibrații (oscilații) ca rezultat al imperfecțiunii contactelor mecanice, sau din cauza vitezei diferite de apăsare (acest lucru depinde de persoana care apasă tasta). Termenul atribuit acestui fenomen este denumit switch (contact) debounce. Dacă acest lucru nu este prevăzut în momentul în care un program este conceput, poate apărea o eroare sau programul poate produce mai mult decât un singur impuls la ieșire pentru o singură apăsare de tastă. Pentru a evita acest lucru, putem introduce o mică întârziere când detectăm închiderea unui contact.

Aceasta va asigura faptul că apăsarea unei taste este interpretată ca un singur impuls.

Întârzierea de debounce este produsă în software și durata întârzierii depinde de buton și de scopul butonului. Problema poate fi parțial rezolvată prin adăugarea unui condensator în paralel la tastă, dar un program bine realizat oferă rezultate mai bune. Programul poate fi ajustat până când detecția falsă este complet eliminată.

Fig.5.4. a -Acțiune întrerupător la 4ms/div. Observăm cele 6 ms de comportament instabil de la apăsare până la stabilizare

Fig.5.5.b- Timpi de oscilație a în μs pentru diferite tipuri de întrerupătoare

Soluția este să avem un program care să urmărească apăsarea unei taste, cât și decuplarea unei taste. Butoanele sunt conectate cu ajutorul unei rețele de rezistoare la intrarea analogică A0 și la +5V.

În momentul apăsării unei taste, se formează un divizor rezistiv, iar valoarea tensiunii analogice aplicată pe intrare generează o valoare digitală după conversie, valoare ce indică ce buton a fost apăsat.

Cazul cel mai nefavorabil este atunci când se apăsă butonul RIGHT. Acesta pune intrarea analogică la masa (0). Curentul maxim absorbit este (5.1):

(5.1)

Fig.5.6 Conectarea tastaturii la intrarea analogică A0

Gestiunea ecranului LCD

Pentru o mai bună informare a utilizatorului, prezența unui dispozitiv de afișare tip LCD este foarte utilă. A fost ales un ecran cu 2 linii de câte 16 caractere alfanumerice. Conectarea acestuia cu Arduino se realizează prin intermediul portului digital.

Fig.5.7

Tensiunea de alimentare a ecranului LCD este de 5V, iar curentul ~40mA, ceea ce nu presupune măsuri speciale pentru răcirea acestuia sau a circuitelor de alimentare.

Fig.5.8 TC 1602A dimensiuni exterioare și configurația pinilor

Fig.5.9 Conectarea ecranului LCD la Arduino

Este necesară tensiunea VO pentru stabilirea contrastului. Soluția este utilizarea unui divizor rezistiv RP1 pentru conectarea acestui pin la VCC. Curentul nu depășește 0,5 mA, în consecință nu sunt probleme speciale pentru răcire.

Datele ajung în pachete pe 4 biți alcătuite din ieșirile D4, D5, D6, D7. Informația afișată necesită actualizări dese, astfel încât aceasta să poată fi citită cât mai ușor fără a observa efectul de clipire. Operația de scriere se realizează din comenzile apărute pe intrările RS, E, RW.

Protocolul de comunicare este descris în fișierul sursa de comandă afișaje LCD alfanumerice, pus la dispoziție de Arduino.cc. (Vezi Anexa A).

Dispozitivele de avertizare optică realizează o semnalizare silențioasă folosind mesajele:

“Incarcare ON/OFF”;

“Generare ON/OFF”;

“Nivel incarcare baterie – Ubat=xxx%”;

“Valoare tensiune panou – Upan=xxV”;

“Nivel butelie – Nbut= xxx%”;

“Valoare tensiune iesire – Nout=xx%”;

“Nivel impus tensiune de iesire – Prag=xx%.

Starea de încărcare/generare este semnalizată cu două leduri: starea ON este semnalizată de ledul verde aprins și semnifică faptul că bateria este în proces de încărcare și ledul roșu semnifică faptul ca procesul de generare este activ. Ledurile sunt conectate direct pe porturile de ieșire ale Arduino Uno, pe pinii digitali D12, respectiv D13. Aceștia furnizează un curent de până la 10 mA, 5V. Considerăm că pentru deschiderea ledului sunt necesari 2,5V pentru ledul roșu și 3V pentru ledul verde. Restul tensiunii va fi pe rezistor.

(5.2)

(5.3)

Fig. 5.10 Conectarea Ledurilor de avertizare

5.2 Dispozitive pentru transformare, înmagazinare și generare energie electrică

5.2.1 Fucționare

Panourile solare transformă energia primită de la sursa de lumina în energie electrică. Pentru că lumina nu este constantă, se impune existența unui circuit de adaptare și încărcare baterie. Acestă gestionează bateriile din sistem, optimizând ciclii de încărcare pentru a obține un randament cât mai bun al transformării.

Circuitul de acționare compresor urmărește dacă bateria este încărcată (peste o valoare minimă impusă 10%) și dacă am butelia de aer încărcată. Încărcarea se realizeaza cu un compresor mecanic.

Pentru a ușura simularea, senzorul de presiune a fost înlocuit cu un buton de reglaj (potențiometru). Se consideră că butelia este descarcată când presiunea este sub 10% din maximul admis, respectiv încărcată la peste 90% din maximul admis.

Procesul de generare este inițiat de operator prin apăsarea butonului SELECT. Dacă am condiția de generare activă (butelie încărcată), valva proporțională se deschide, aerul acționând grupul turbină-generator. Tensiunea de ieșire a generatorului intră în bucla de reacție ce comandă nivelul de deschidere al valvei proporționale.

5.2.2 Comanda servo motorului (valva proporțională)

Motorul simulează o valva proporțională pentru comanda turbinei. Poziția este reglată în buclă în funcție de necesitatea furnizării unui debit corespunzator de aer către turbină.

Fig.5.11 Motor servo SG-90

Generarea impulsurilor se realizează cu ajutorul Arduino Uno, pe una din ieșirile PWM dedicate. Astfel se poate defini clar timpul unui impuls și factorul de umplere al acestuia.

Timpul ton reprezintă timpul în care impulsul se află în starea 1 logic, iar toff timpul de 0 logic.

Raportul dintre acești doi timpi generează valoarea factorului de umplere. T=20ms (F=50Hz). Factorul de umplere seteaza poziția motorașului între 0-180 °C. Pentru detalii, vezi Anexa E.

5.2.3 Comanda motorului pentru generare (turbină)

Simularea turbinei se realizează cu un motor electric, comandat la 12V, folosind pentru comanda impulsuri PWM. În funcție de valoare tensiunii de ieșire, motorul este comandat în sensul creșterii, respectiv micșorării turației, astfel, realizându-se reglajul ieșirii față de o valoare impusă.

Regulatorul este de tip liniar, crescând factorul de umplere când tensiunea de ieșire este sub prag, respectiv, micșorându-l când tensiunea este mai mare decât pragul setat.

Rezistența R5 limitează curentul de pe portul digital la 1mA. Pentru comandă se folosește un etaj de preamplificare al tensiunii de ieșire din portul digital, prin ridicare la 12V și un etaj final realizat cu circuit MOS.

Circuitul de preamplificare folosește două structuri inversoare cu tranzistoare în configurație DARLINGTON (ULN2003). Acestea realizează ridicarea nivelului logic de la 5V la 12V, asigurând tranzistorului MOS tensiunea necesara deschiderii canalului în regim PWM, cu pierderi minime la comutație. Etajele de preamplificare inversează nivelul logic prezent la intrare.

La deschidere completă, tranzistorul MOS are o rezistenta RDS=40mOhmi, rezistență mult mai mică decât rezistența echivalentă a motorului comandat.

Curentul absorbit de motor în sarcina maxima este de 1A. Pierderea de putere pe tranzistor este foarte mică, acesta jucând rolul unui întrerupător foarte eficient. Nu necesită răcire suplimentară.

Fig.5.14.Schema de comandă a motorului penntru generare turbină

Circuitul de adaptare realizează o stabilizare a tensiunii generatorului la valori impuse, în funcție de sarcina conectată. Acest bloc nu există fizic în aplicația simulată, fiind necesar doar în cazul unui circuit real. Tensiunea de ieșire este adaptată și măsurată și intervine în bucla de reacție a valvei proporționale, respectiv în turația grupului turbină-generator.

5.2.4 Achiziția de date

Achiziția de date se realizează utilizând modulele de conversie analog-numerice înglobate în Arduino Uno. Aceste module operează la o rezoluție de 10 biți și măsoară tensiuni de până la 5V aplicate la borne. Pentru extinderea domeniului se pot folosi divizoare de tensiune.

În invertor se măsoară tensiunea de baterie, tensiunea de ieșire, tensiunea de la panourile fotovoltaice și nivelul presiunii din butelie.

Divizoarele de tensiune, utilizate la măsurarea tensiunilor continue, alternative și de impuls, sunt dispozitive de raport cu două perechi de borne (tip diport), care stabilesc o relație de dependență liniară, pe un anumit interval, între mărimea de măsurat electrică și mărimea electrică ce acționează asupra convertoarelor intermediare de prelucrare.

Fig.5.15 Divizor rezistiv de tensiune

În fig.5.15, mărimea de măsurat este tensiunea continuă , iar mărimea de ieșire este tensiunea continuă . Considerând funcționarea divizorului în gol rezultă tensiunea de ieșire:

(5.4)

și raportul de divizare:

(5.5)

Tensiunea de baterie este o tensiune maximă de de până la 17V. Pentru aducerea acesteia în zona de măsură a modulului digital-numeric se folosește un divizor rezistiv. În cazul măsurării tensiunii de ieșire din generator, aceasta nu se măsoară direct, ci după anumite operații de reducere a acesteia și protejare la tensiuni negative.

Fig.5.16 Schema modulelor de reducere a tensiunilor măsurate și a protecțiilor intrărilor analogice

Diodele D1 și D2 protejează intrarea împotriva tensiunilor negative. Diodele D3 și D4 limitează tensiunea la maxim 5,1V. Rezistoarele R1 și R2 limitează curentul prin circuitul de protecție, respectiv în zona de măsură. Divizarea tensiunii de intrare se face cu ajutorul potențiometrelor PV1 și PV2.

5.3 Aplicația Software

Fig.5.17 Schema logică a programului

“Program_principal.c”

#include <LiquidCrystal.h>

#include <Servo.h>

#define Buttons A0

#define Upanou A4 //tensiune panouri

#define Ubaterie A1 //tensiune baterie

#define Uiesire A3 //nivel butelie

#define Ubutelie A2 //tensiune iesire

#define Releu1 A5 //comanda Compresor

#define Led1 13

#define Led2 12

#define servo1 3 //-servo comanda turbina

#define servo2 11 // -servo valva proportionala

#define backlight 10 //comanda iluminare LCD

Servo myservo; //initializare modul servo

long timpDeAfisat;

int meniu;int nrmeniu=7;

const int prag_minim_panou_solar=10;int incarcareBaterie=0;

const int prag_minim_baterie=10;const int prag_maxim_baterie=99;

const int prag_minim_butelie=10;const int prag_maxim_butelie=90;int incarcareButelie=0;

int prag_minim_tensiune_iesire=50;

int generare=0; int validareGen=0;int comandaGenerare=0;

//const int prag_maxim_circuit_incarcare=98;

//const int prag_minim_circuit_generare=15;const int prag_maxim_circuit_generare=98;int generare=0; int validareGen=0;

int ser2;int ser1;

int valPwm=0;

LiquidCrystal lcd(8,9,4,5,6,7);

void setup() {

pinMode(Upanou, INPUT);pinMode(Ubaterie, INPUT); pinMode(Uiesire, INPUT);pinMode(Ubutelie, INPUT);

pinMode(Led1, OUTPUT);pinMode(Led2, OUTPUT);digitalWrite(Led1, LOW);digitalWrite(Led2, LOW);

pinMode(backlight, OUTPUT);digitalWrite(backlight, HIGH);pinMode(Releu1, OUTPUT);digitalWrite(Releu1, HIGH);

myservo.attach(servo2); //Conectare cu motorasul servo

myservo.write(0); //aducere servo in pozitia de 0 grade

analogWrite(servo1, 0); //seteaza 0 comanda turbina

Serial.begin(9600); //initializeaza comunicatiile seriale

lcd.begin(16, 2); // initializare display LCD

lcd.display();

delay(500);

timpDeAfisat=millis();

}

void loop() { //bucla programului pricipal

if (millis()-timpDeAfisat>3000) {timpDeAfisat=millis();meniu++;meniu=meniu%nrmeniu;}

//achizitie date si transformarea acestora in procente

long ub = analogRead (Ubaterie);

long up = analogRead (Upanou);

long ui = analogRead (Uiesire);

long nb = analogRead (Ubutelie);

long nivelButelie=nb*100/1023;

long nivelBaterie=ub*100/1023;

long upanou=up*100/1023;

long uiesire=ui*100/1023;

//**************conditie incarcare baterie

if (upanou>=prag_minim_panou_solar)

if (nivelBaterie<=prag_maxim_baterie)

{incarcareBaterie=1; digitalWrite(Led1, HIGH);}

else

{incarcareBaterie=0; digitalWrite(Led1, LOW);}

else

{incarcareBaterie=0; digitalWrite(Led1, LOW);}

//**************conditie pornire compresor

if (nivelBaterie>=prag_minim_baterie && nivelButelie<prag_maxim_butelie)

{incarcareButelie=1; digitalWrite(Led2, HIGH);digitalWrite(Releu1, LOW);}

else

{incarcareButelie=0; digitalWrite(Led2, LOW);digitalWrite(Releu1, HIGH);}

//****************conditie pornire generare

if (nivelButelie<prag_minim_butelie)

{generare=0;valPwm=0;comandaGenerare=0;validareGen=0;}

else

{generare=1;}

if (comandaGenerare==1 && generare==1)

{validareGen=1;

if (uiesire<=prag_minim_tensiune_iesire)

{valPwm++;valPwm++;if (valPwm>=254) valPwm=254;}

else

{valPwm–;valPwm–;if (valPwm<=0) valPwm=0;}

}

else

{ valPwm=0;validareGen=0;}

//trimitere date pe portul seriale

Serial.print ("NBat: ");

Serial.print (nivelBaterie);

Serial.print (" upanou: ");

Serial.print (upanou );

Serial.print (" nbut: ");

Serial.print (nivelButelie );

Serial.print (" uiesire: ");

Serial.print (uiesire );

Serial.print (" Servo1: ");

Serial.print (valPwm );

Serial.print (" Servo2: ");

Serial.print (ser2 );

Serial.print (" buttons: ");

Serial.println (analogRead (Buttons) );

//detect button pressing button left

if ((analogRead (Buttons) > 350 && analogRead (Buttons) < 450)) {

delay(50);

if((analogRead (Buttons) > 350 && analogRead (Buttons) < 450)) {

}}

//detect button pressing button down

if((analogRead (Buttons) > 200 && analogRead (Buttons) < 300)) {

delay(25);

if((analogRead (Buttons) > 200 && analogRead (Buttons) < 300)) {

prag_minim_tensiune_iesire = prag_minim_tensiune_iesire-2;prag_minim_tensiune_iesire=prag_minim_tensiune_iesire%100;if (prag_minim_tensiune_iesire<0) prag_minim_tensiune_iesire=0;

}}

//detect button pressing button up

if((analogRead (Buttons) > 50 && analogRead (Buttons) < 150)) {

delay(50);

if((analogRead (Buttons) > 50 && analogRead (Buttons) < 150)) {

prag_minim_tensiune_iesire = prag_minim_tensiune_iesire+2;prag_minim_tensiune_iesire=prag_minim_tensiune_iesire%100;

}}

//detect button pressing button select

if((analogRead (Buttons) > 600 && analogRead (Buttons) < 700)) {

delay(150);

if((analogRead (Buttons) > 600 && analogRead (Buttons) < 700)){

if (comandaGenerare==0 )

{comandaGenerare=1;}

else

{comandaGenerare=0;}

}}

//detect button pressing button right

if((analogRead (Buttons) < 20)) {

delay(50);

if((analogRead (Buttons) <20 )){

meniu = meniu+1;meniu=meniu%nrmeniu;

}}

lcd.setCursor(0,0);

//lcd.print("T");lcd.print(traseu);lcd.print(" ramas=");lcd.print(timpDeAfisat);lcd.print ("s ");

lcd.setCursor(0,1);

switch(meniu){

case 0:{

lcd.setCursor(0,0);lcd.print("IncarcareB");if (incarcareBaterie==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");}

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Vbat=");lcd.print (nivelBaterie);lcd.print ("% ");break;}

case 1:{

lcd.setCursor(0,0);lcd.print("IncarcareB");if (incarcareBaterie==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");}

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Vpan=");lcd.print (upanou);lcd.print ("% ");break;}

case 2:{

lcd.setCursor(0,0);lcd.print(" Generare ");if (validareGen==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");};

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Nbut=");lcd.print (nivelButelie);lcd.print ("% ");break;}

case 3:{

lcd.setCursor(0,0);lcd.print(" Generare ");if (validareGen==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");};

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Uout=");lcd.print (uiesire);lcd.print (" ");break;}

case 4:{

lcd.setCursor(0,0);lcd.print(" Generare ");if (validareGen==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");};

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Prag=");lcd.print (prag_minim_tensiune_iesire);lcd.print (" ");break;}

case 5:{lcd.setCursor(0,0);lcd.print("IncarcareB");if (incarcareBaterie==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");}

lcd.setCursor(0,1);lcd.print("Licenta2016-EM12");break;}

case 6:{lcd.setCursor(0,0);lcd.print(" Generare ");if (validareGen==0) {lcd.print (" OFF ");}else {lcd.print (" ON ");};

lcd.setCursor(0,1);lcd.print(" Irina Gheorghe ");break;}

delay(5);

}

lcd.setCursor(14,0);if (comandaGenerare==0) {lcd.print (" ");}else {lcd.print (" G");}

ser2 = map(valPwm, 0, 255, 0, 90);

myservo.write(ser2);

analogWrite(servo1, valPwm);

}

Progrmul “LiquidCrystal.c”

#include "LiquidCrystal.h"

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <inttypes.h>

#include "Arduino.h"

// When the display powers up, it is configured as follows:

//

// 1. Display clear

// 2. Function set:

// DL = 1; 8-bit interface data

// N = 0; 1-line display

// F = 0; 5×8 dot character font

// 3. Display on/off control:

// D = 0; Display off

// C = 0; Cursor off

// B = 0; Blinking off

// 4. Entry mode set:

// I/D = 1; Increment by 1

// S = 0; No shift

//

// Note, however, that resetting the Arduino doesn't reset the LCD, so we

// can't assume that its in that state when a sketch starts (and the

// LiquidCrystal constructor is called).

LiquidCrystal::LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7)

{

init(0, rs, rw, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7);

}

LiquidCrystal::LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7)

{

init(0, rs, 255, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7);

}

LiquidCrystal::LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3)

{

init(1, rs, rw, enable, d0, d1, d2, d3, 0, 0, 0, 0);

}

LiquidCrystal::LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3)

{

init(1, rs, 255, enable, d0, d1, d2, d3, 0, 0, 0, 0);

}

void LiquidCrystal::init(uint8_t fourbitmode, uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7)

{

_rs_pin = rs;

_rw_pin = rw;

_enable_pin = enable;

_data_pins[0] = d0;

_data_pins[1] = d1;

_data_pins[2] = d2;

_data_pins[3] = d3;

_data_pins[4] = d4;

_data_pins[5] = d5;

_data_pins[6] = d6;

_data_pins[7] = d7;

if (fourbitmode)

_displayfunction = LCD_4BITMODE | LCD_1LINE | LCD_5x8DOTS;

else

_displayfunction = LCD_8BITMODE | LCD_1LINE | LCD_5x8DOTS;

begin(16, 1);

}

void LiquidCrystal::begin(uint8_t cols, uint8_t lines, uint8_t dotsize) {

if (lines > 1) {

_displayfunction |= LCD_2LINE;

}

_numlines = lines;

setRowOffsets(0x00, 0x40, 0x00 + cols, 0x40 + cols);

// for some 1 line displays you can select a 10 pixel high font

if ((dotsize != LCD_5x8DOTS) && (lines == 1)) {

_displayfunction |= LCD_5x10DOTS;

}

pinMode(_rs_pin, OUTPUT);

// we can save 1 pin by not using RW. Indicate by passing 255 instead of pin#

if (_rw_pin != 255) {

pinMode(_rw_pin, OUTPUT);

}

pinMode(_enable_pin, OUTPUT);

// Do these once, instead of every time a character is drawn for speed reasons.

for (int i=0; i<((_displayfunction & LCD_8BITMODE) ? 8 : 4); ++i)

{

pinMode(_data_pins[i], OUTPUT);

}

// SEE PAGE 45/46 FOR INITIALIZATION SPECIFICATION!

// according to datasheet, we need at least 40ms after power rises above 2.7V

// before sending commands. Arduino can turn on way before 4.5V so we'll wait 50

delayMicroseconds(50000);

// Now we pull both RS and R/W low to begin commands

digitalWrite(_rs_pin, LOW);

digitalWrite(_enable_pin, LOW);

if (_rw_pin != 255) {

digitalWrite(_rw_pin, LOW);

}

//put the LCD into 4 bit or 8 bit mode

if (! (_displayfunction & LCD_8BITMODE)) {

// this is according to the hitachi HD44780 datasheet

// figure 24, pg 46

// we start in 8bit mode, try to set 4 bit mode

write4bits(0x03);

delayMicroseconds(4500); // wait min 4.1ms

// second try

write4bits(0x03);

delayMicroseconds(4500); // wait min 4.1ms

// third go!

write4bits(0x03);

delayMicroseconds(150);

// finally, set to 4-bit interface

write4bits(0x02);

} else {

// this is according to the hitachi HD44780 datasheet

// page 45 figure 23

// Send function set command sequence

command(LCD_FUNCTIONSET | _displayfunction);

delayMicroseconds(4500); // wait more than 4.1ms

// second try

command(LCD_FUNCTIONSET | _displayfunction);

delayMicroseconds(150);

// third go

command(LCD_FUNCTIONSET | _displayfunction);

}

// finally, set # lines, font size, etc.

command(LCD_FUNCTIONSET | _displayfunction);

// turn the display on with no cursor or blinking default

_displaycontrol = LCD_DISPLAYON | LCD_CURSOROFF | LCD_BLINKOFF;

display();

// clear it off

clear();

// Initialize to default text direction (for romance languages)

_displaymode = LCD_ENTRYLEFT | LCD_ENTRYSHIFTDECREMENT;

// set the entry mode

command(LCD_ENTRYMODESET | _displaymode);

}

void LiquidCrystal::setRowOffsets(int row0, int row1, int row2, int row3)

{

_row_offsets[0] = row0;

_row_offsets[1] = row1;

_row_offsets[2] = row2;

_row_offsets[3] = row3;

}

/********** high level commands, for the user! */

void LiquidCrystal::clear()

{

command(LCD_CLEARDISPLAY); // clear display, set cursor position to zero

delayMicroseconds(2000); // this command takes a long time!

}

void LiquidCrystal::home()

{

command(LCD_RETURNHOME); // set cursor position to zero

delayMicroseconds(2000); // this command takes a long time!

}

void LiquidCrystal::setCursor(uint8_t col, uint8_t row)

{

const size_t max_lines = sizeof(_row_offsets) / sizeof(*_row_offsets);

if ( row >= max_lines ) {

row = max_lines – 1; // we count rows starting w/0

}

if ( row >= _numlines ) {

row = _numlines – 1; // we count rows starting w/0

}

command(LCD_SETDDRAMADDR | (col + _row_offsets[row]));

}

// Turn the display on/off (quickly)

void LiquidCrystal::noDisplay() {

_displaycontrol &= ~LCD_DISPLAYON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

void LiquidCrystal::display() {

_displaycontrol |= LCD_DISPLAYON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

// Turns the underline cursor on/off

void LiquidCrystal::noCursor() {

_displaycontrol &= ~LCD_CURSORON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

void LiquidCrystal::cursor() {

_displaycontrol |= LCD_CURSORON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

// Turn on and off the blinking cursor

void LiquidCrystal::noBlink() {

_displaycontrol &= ~LCD_BLINKON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

void LiquidCrystal::blink() {

_displaycontrol |= LCD_BLINKON;

command(LCD_DISPLAYCONTROL | _displaycontrol);

}

// These commands scroll the display without changing the RAM

void LiquidCrystal::scrollDisplayLeft(void) {

command(LCD_CURSORSHIFT | LCD_DISPLAYMOVE | LCD_MOVELEFT);

}

void LiquidCrystal::scrollDisplayRight(void) {

command(LCD_CURSORSHIFT | LCD_DISPLAYMOVE | LCD_MOVERIGHT);

}

// This is for text that flows Left to Right

void LiquidCrystal::leftToRight(void) {

_displaymode |= LCD_ENTRYLEFT;

command(LCD_ENTRYMODESET | _displaymode);

}

// This is for text that flows Right to Left

void LiquidCrystal::rightToLeft(void) {

_displaymode &= ~LCD_ENTRYLEFT;

command(LCD_ENTRYMODESET | _displaymode);

}

// This will 'right justify' text from the cursor

void LiquidCrystal::autoscroll(void) {

_displaymode |= LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT;

command(LCD_ENTRYMODESET | _displaymode);

}

// This will 'left justify' text from the cursor

void LiquidCrystal::noAutoscroll(void) {

_displaymode &= ~LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT;

command(LCD_ENTRYMODESET | _displaymode);

}

// Allows us to fill the first 8 CGRAM locations

// with custom characters

void LiquidCrystal::createChar(uint8_t location, uint8_t charmap[]) {

location &= 0x7; // we only have 8 locations 0-7

command(LCD_SETCGRAMADDR | (location << 3));

for (int i=0; i<8; i++) {

write(charmap[i]);

}

}

/*********** mid level commands, for sending data/cmds */

inline void LiquidCrystal::command(uint8_t value) {

send(value, LOW);

}

inline size_t LiquidCrystal::write(uint8_t value) {

send(value, HIGH);

return 1; // assume sucess

}

/************ low level data pushing commands **********/

// write either command or data, with automatic 4/8-bit selection

void LiquidCrystal::send(uint8_t value, uint8_t mode) {

digitalWrite(_rs_pin, mode);

// if there is a RW pin indicated, set it low to Write

if (_rw_pin != 255) {

digitalWrite(_rw_pin, LOW);

}

if (_displayfunction & LCD_8BITMODE) {

write8bits(value);

} else {

write4bits(value>>4);

write4bits(value);

}

}

void LiquidCrystal::pulseEnable(void) {

digitalWrite(_enable_pin, LOW);

delayMicroseconds(1);

digitalWrite(_enable_pin, HIGH);

delayMicroseconds(1); // enable pulse must be >450ns

digitalWrite(_enable_pin, LOW);

delayMicroseconds(100); // commands need > 37us to settle

}

void LiquidCrystal::write4bits(uint8_t value) {

for (int i = 0; i < 4; i++) {

digitalWrite(_data_pins[i], (value >> i) & 0x01);

}

pulseEnable();

}

void LiquidCrystal::write8bits(uint8_t value) {

for (int i = 0; i < 8; i++) {

digitalWrite(_data_pins[i], (value >> i) & 0x01);

}

pulseEnable();

}

Progrsmul “LiquidCrystal_h”

#ifndef LiquidCrystal_h

#define LiquidCrystal_h

#include <inttypes.h>

#include "Print.h"

// commands

#define LCD_CLEARDISPLAY 0x01

#define LCD_RETURNHOME 0x02

#define LCD_ENTRYMODESET 0x04

#define LCD_DISPLAYCONTROL 0x08

#define LCD_CURSORSHIFT 0x10

#define LCD_FUNCTIONSET 0x20

#define LCD_SETCGRAMADDR 0x40

#define LCD_SETDDRAMADDR 0x80

// flags for display entry mode

#define LCD_ENTRYRIGHT 0x00

#define LCD_ENTRYLEFT 0x02

#define LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT 0x01

#define LCD_ENTRYSHIFTDECREMENT 0x00

// flags for display on/off control

#define LCD_DISPLAYON 0x04

#define LCD_DISPLAYOFF 0x00

#define LCD_CURSORON 0x02

#define LCD_CURSOROFF 0x00

#define LCD_BLINKON 0x01

#define LCD_BLINKOFF 0x00

// flags for display/cursor shift

#define LCD_DISPLAYMOVE 0x08

#define LCD_CURSORMOVE 0x00

#define LCD_MOVERIGHT 0x04

#define LCD_MOVELEFT 0x00

// flags for function set

#define LCD_8BITMODE 0x10

#define LCD_4BITMODE 0x00

#define LCD_2LINE 0x08

#define LCD_1LINE 0x00

#define LCD_5x10DOTS 0x04

#define LCD_5x8DOTS 0x00

class LiquidCrystal : public Print {

public:

LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7);

LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7);

LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3);

LiquidCrystal(uint8_t rs, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3);

void init(uint8_t fourbitmode, uint8_t rs, uint8_t rw, uint8_t enable,

uint8_t d0, uint8_t d1, uint8_t d2, uint8_t d3,

uint8_t d4, uint8_t d5, uint8_t d6, uint8_t d7);

void begin(uint8_t cols, uint8_t rows, uint8_t charsize = LCD_5x8DOTS);

void clear();

void home();

void noDisplay();

void display();

void noBlink();

void blink();

void noCursor();

void cursor();

void scrollDisplayLeft();

void scrollDisplayRight();

void leftToRight();

void rightToLeft();

void autoscroll();

void noAutoscroll();

void setRowOffsets(int row1, int row2, int row3, int row4);

void createChar(uint8_t, uint8_t[]);

void setCursor(uint8_t, uint8_t);

virtual size_t write(uint8_t);

void command(uint8_t);

using Print::write;

private:

void send(uint8_t, uint8_t);

void write4bits(uint8_t);

void write8bits(uint8_t);

void pulseEnable();

uint8_t _rs_pin; // LOW: command. HIGH: character.

uint8_t _rw_pin; // LOW: write to LCD. HIGH: read from LCD.

uint8_t _enable_pin; // activated by a HIGH pulse.

uint8_t _data_pins[8];

uint8_t _displayfunction;

uint8_t _displaycontrol;

uint8_t _displaymode;

uint8_t _initialized;

uint8_t _numlines;

uint8_t _row_offsets[4];

};

#endif

Concluzii

Omenirea se confruntă în acest secol cu câteva probleme majore cum sunt cele ale energiei, apei și alimentației, rezolvarea corectă a lor fiind esența preocupărilor pentru o dezvoltare durabilă. O dezbatere despre energiile regenerabile trebuie să pornească de la problemele schimbărilor climatice și disponibilității resurselor, în condițiile unei importante creșteri demografice și a necesității de a permite accesul la energie a miliarde de persoane care în prezent sunt privați de acesta. Studiile oamenilor de știință au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2-6oC, până la sfârșitul acestui secol, cu efecte dezastroase. Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă și oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de dioxid de carbon, ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de dioxdid de carbon din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent.
Utilizarea surselor de energie regenerabile au avantajul perenității lor și a impactului neglijabil asupra mediului ambiant, ele ne emițând gaze cu efect de seră. Chiar dacă prin ardere biomasa elimină o cantitate de dioxdid de carbon, această cantitate este absorbită pe durata creșterii sale, bilanțul fiind nul. În același timp aceste tehnologii nu produc deșeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârșitul vieții, spre deosebire de instalațiile nucleare, este relativ simplă. Ca orice tehnologie energetică și utilizarea surselor de energie regenerabile prezintă unele inconveniente. Impactul instalațiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului și al scăpărilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate inconveniente sunt însă cele legate de suprafața de teren necesară și de intermitența și disponibilitatea lor. Este cunoscut faptul că pentru producerea unei puteri de 8 MW în instalații eoliene este necesară o suprafața de km2, însă din aceasta numai 1% este efectiv ocupată de instalații, restul putând fi utilizată în continuare pentru agricultură. Și pentru producerea de energie fotovoltaică sunt necesare suprafețe importante. Astfel pentru o putere de 1 kW și o energie anuală de 1000 kWh sunt necesari 10 m2, dar suprafața acoperișelor locuințelor ar permite instalarea câtorva mii de MW. Intermitența energiei solare și eoliene poate fi compensată prin instalații de acumulare a energiei electrice sau termice sau prin producerea unor vectori energetici intermediari, cum este hidrogenul obținut prin electroliză . Pentru energia hidraulică stocarea este mai facilă prin crearea unor lacuri de acumulare, iar pentru biomasă aceasta poate fi stocată atât înaintea recoltării cât și după aceasta în depozite sau sub formă de biocarburanți.
Utilizarea surselor de energie regenerabile a cunoscut un prim avânt după crizele petroliere din 1973 si 1980, dar a cunoscut o stagnare de circa 12 ani după contra șocul petrolier din 1986. Abia după încheierea protocolului de la Kyoto din 1998, țările dezvoltate au început să-și propună programe extrem de ambițioase. Astfel la Sumitul de la Johannesburg țările Uniunii Europene și-au propus o creștere anuală de 1% pentru ponderea surselor de energie regenerabile în balanța energetică până în anul 2020 și o creștere a ponderii biocarburanților până la 5,75 % în același an. Aceste obiective nu pot fi atinse fără dezvoltarea cercetării și colaborării internaționale în două direcții principale:

Reducerea costurilor (eolian în largul marilor, fotovoltaic) și a fezabilității industriale (geotermia de mare adâncime , biocarburanți de sinteză);

Stocajul energiei electrice (centrale de pompare acumulare, producere de hidrogen) și termice (acumulatoare la temperatură înaltă) precum și ameliorarea prognozei pentru aceste energii și multiplicarea numărului de unități distribuite în teritoriu pentru echilibrarea sistemului electroenergetic. În paralel cu acestea sunt posibile sisteme de gestiune a cererii, de exemplul la nivelul „imobilelor inteligente”, care produc, stochează și utilizează energia.