Casa Solara

STRUCTURA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ

Pagina de titlu

Foaia de capăt 3

Cuprins 5

Introducere 6

Motivația și importanța subiectului ales

Obiectivele cercetării

Analiza soluțiilor existente în literatura de specialitate consultată

Prezentarea strategiei de lucru

Prezentarea studiului teoretic (cu titlul adecvat)

Rezultate și interpretarea lor

Concluzii și autoevaluarea contribuțiilor originale

Anexe

Bibliografie

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

1.1. Motivația și importanța subiectului ales

Soarele se numără printre cele mai importante resurse energetice ale viitorului, deoarece apartine resurselor energetice cu adevarat regenerabile. Energia solara ne sta la dispozitie în cantitati practic nelimitate, prin utilizarea acesteia nu rezulta deseuri care sa afecteze mediul înconjurator.

Energia solară are unele avantaje în raport cu energia eoliană și energia hidraulică, fiind mult mai uniform distribuită. Astfel față de energia eoliană nu are un caracter așa de variabil, existând doar variații importante noapte-zi. Energia solară este considerată energia viitorului. Radiția solară poate fi transformată în energie electrică si în energie termică, prin intermediul instalațiilor specifice.

Soarele este singura stea aflată din sistemul nostru solar, aflată în centrul acestuia. Pamântul si 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 si a stărilor atmosferice.

La origine, toate formele de energie cunoscute de către oameni în ziua de astăzi sunt de origine solară. Petrolul, cărbunele, gazele naturale și lemnul sunt produse originare ale fotonsitezei, urmate de un proces complex de reacții chimice, în care descompunerea vegetației este datorată unor temperaturi și presiuni foarte ridicate de-a lungul unei perioade îndelungate de timp.

Cel mai mare avantaj al folosirii de energie solară, în comparație cu alte forme de energie constă în faptul că aceasta poate fi produsă fără a afecta mediul înconjurător prin poluare. De-a lungul ultimilor o sută de ani, combustibilii fosili au produs cea mai mare parte a energiei, deoarece erau mult mai ieftini si mai convenabili în comparație cu sursele alternative de energie, însă doar recent poluarea mediului înconjurător a devenit o problemă de interes global.

Într-o lume în care economia se dezvoltă pentru a satisface așteptările țărilor de pe glob, cererea de energie este de asemenea așteptată să crească, chiar dacă sunt depuse eforturi pentru creșterea eficientizării consumului de energie. În clipa de față există o părere relativ unanim acceptată, cum că tehnologia de producere a energiei regenerabile poate îndeplini cerințele de creștere ale prețului care sunt egale sau chiar mai mici decât previziunile de preț pentru energia convențională. Până la mijlocul secolului 21, sursele de energie regenerabilă ar putea cântări trei cincimi din piața mondială de electricitate (conform unui scenariu optimistic în care cererea de energie continuă să crească în ciuda creșterii rapide în eficiența producerii energiei).

Dintre avantajele folosirii energiei solare amintim: este gratuită, este autonomă, este inepuizabilă, este ecologică (nepoluantă), instalația nu necesită practic nici un fel de întreținere si nu este influențată de creșteri de preț.

Utilizarea de panouri solare aduce multe imbunătățiri pozitive pentru zonele îndepărtate unde furnizarea serviciilor de electricitate de bază este aproape imposibilă. Energia solară poate fi transportată în satele îndepărtate și o dată instalată, panourile solare pot fi lăsate să funcționeze ani de zile, cu puține întrețineri sau chiar deloc deoarece au o durată de viață lungă. Comunitățile din țările asiatice și-au instalat cu succes panouri solare în comunitatea lor și se bucura de avantajele folosirii unei energii regenerabile pentru mulți ani de acum înainte. Pentru o țară săracă, producerea de energie electrică cu ajutorul energiei solare poate duce la independența lor față de țările producătoare de petrol care în momentul de față controlează prețul și aprovizionarea petrolului. Dacă avem o astfel de independență vor apărea de asemenea și noi politici în materie de energie care ar putea împiedica livrarea de combustibili.

Deși se știe de mai bine de un secol despre tehnologiile utilizate pentru captarea și convertirea radiației solare, acestea au început să ajungă în prim planul industriei energetice și în atenția consumatorilor, abia în ultimele decenii după ce petrolul și gazele naturale au cunoscut o creștere substantială la nivel mondial. Astfel s-a ajuns la alocarea unor fonduri importante din partea marilor companii energetice și a organizațiilor pentru cercetarea amănunțită în acest domeniu. Acestea au dus la perfecționarea tehnologiilor alternative, între care, cele bazate pe captarea și convertirea radiației solare, fie în energie termică, fie în energie electrică.

Pe termen lung, energia solară economisește bani. Costurile necesare pentru instalare și operațiunile pot fi mai scumpe decat alte forme de energie, dar, după soluționarea cheltuielilor, se dispune de o resursă de energie gratuită. Nu se platesc taxe pentru utilizare luminei soarelui, amortizarea investiților poate fi realizată intr-un timp mai scurt în funcție de cât de multă energie este folosită. Celule fotovoltaice pot dura de la 15 la 20 de ani, nu există componente mecanice sau care se deplasează ce trebuiesc impregnate cu ulei, și nici nu există piese care să trebuiască să fie înlocuite anual.

Energia solară este o alternativă curată la combustibilii fosili și energia nucleara, iar aceasta niciodată nu se va epuiza. Energia solară poate fi capturată de oriunde, fără a crea poluare sonoră care ar putea altfel deranja vecinii sau fauna sălbăticiei. Ea functionează ori de câte ori străluceste soarele. Nu contează distanta, panourile solare pot genera energie în locuri în care nici o altă formă de energie nu poate fi obținută. Astfel, nu există nici un pericol de a deteriora în continuare mediul deja deteriorat în care trăim. Un lucru este sigur, energia solară poate fi una dintre cele mai vechi și una dintre cele mai eficiente surse de energie.

Prezenta lucrare își propune să studieze din punct de vedere economic oportunitatea utilizării energiei solare pentru generarea de electricitate și reducerea costului cu energiei electrică la o casă proiectată din județul Cluj.

1.2.Obiectul proiectului

Se va proiecta o instalație fotovoltaică pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor de la o locuintă privată amplasată într-o zonă unde nu este acces la rețeaua publică de electricitate.

Se vor prevedea sisteme de stocare a energiei fotovoltaice produse ziua pentru a fi folosită noaptea când energia solară lipsește.

Se vor indica sursele de aprovizionare cu elementele componente a instalației fotovoltaice.

Se va realiza o cercetare bibliografică pentru a afla stadiul actual al tehnologiei sistemelor fotovoltaice accesibile comercial în lume.

1.2. Analiza soluțiilor existente

O "casă pasivă" este o locuință foarte bine termoizolată și fără un sistem de încălzire clasic. Aceasta conține o anvelopă exterioară a casei foarte bine izolată termic, ferestre termopan și tâmplărie lemn stratificat termoizolat (sau PVC) și un sistem de ventilație integrat, care elimină aerul viciat din clădire și îl trece printr-un schimbător de căldură; acesta recuperează o parte a energiei termice transferând-o către aerul proaspăt ce intră de afară în locuință. 

O astfel de casă poate fi construită oriunde în lume deoarece conceptul este foarte simplu dar, în același timp, inteligent. Conform statisticilor Passivhaus Institut din Germania există câteva mii de case pasive construite în Europa, în mod special în Germania (peste 3500), Austria (peste1000), Elveția și Suedia.
Există o tendință de dezvoltare rapidă a caselor pasive și în alte țări europene datorită faptului că guvernele acestora oferă recompense serioase celor ce construiesc energetic inteligent, dar mai ales pentru faptul că aceste locuințe sunt deosebit de sănătoase și ecologice.
Uniunea Europeană a elaborat câteva directive, printre care și „The Energy Performance Directive” (Directiva Performanței Energetice) la care fiecare membru trebuie să adere, deci și România. În aceste directive sunt prevăzute obligații pentru o mai bună termoizolare a clădirilor vechi și noi, iar tendința constructorilor este de a adopta tehnologii noi și construirea de case pasive, în locul construcțiilor clasice. În concluzie, a construi o casă pasivă acum este mai mult decât un vis, este o realitate socială vitală de care poate avea parte fiecare cetățean.

Conceptul de casă independent energetic, care produce cel puțin cantitatea de energie pe care o consumă, este relativ nou în țara noastră.
În România, domeniul este exploatat în momentul de față mai mult de universități, spre deosebire de vestul Europei, unde conceptul este considerat viitorul industriei construcțiilor și unde proiecte îndraznețe își demonstrează beneficiile.

Orașul austriac Gussing reprezintă unul din cele mai ecologice orase din Europa: nu doar ca își acoperă aproape integral necesarul energetic, dar poate face profit din surplusul de energie.
Gussing produce 99% din necesarul de energie de încălzire (pentru casnici și industrie), 150% din necesarul energiei electrice (pentru casnici și industrie), și vinde surplusul de energie în valoare de 13 milioane de euro/an, în timp ce a redus emisiuniile CO2 cu 93%.
Astfel de exemple continuă în lume, în timp ce oamenii aleg într-o proporție tot mai mare să locuiască în case cu eficiență energetică ridicată sau chiar independente din punct de vedere energetic.
Un proiect îndrazneț este disponibil de asemenea și în România. Este vorba despre casa Prispa, care a fost elaborat de o echipa formata din 45 de studenti ai mai multor universitati românești, care a participat la cel mai titrat concurs internațional de case solare – Solar Decathlon. Prototipul care a participat la concurs a fost cumpărat de un cuplu din Bacău și a fost amplasat în localitatea Margineni.

În contextul climatic din zona Bucurestiului, casa Prispa consuma 7508 kWh/an și produce 9501 kWh/an. Cu o amprentă la sol de 113,30 mp și o suprafata utilă totală de 74,80 mp casa Prispa are avantajul de a putea fi amplasata oriunde, inclusiv pe un teren fara acces la utilitați. Pe acoperiș sunt montate 32 de panouri fotovoltaice, cu o suprafață totală de aproximativ 70 de metri patrați, care ar produce, în condiții optime, 8 kWh, o cantitate de energie mai mult decât suficientă pentru a alimenta toată aparatura electrică din casă. Principalul atu al casei PRISPA este faptul că toate spațiile locuibile – livingul, locul de luat masa, bucătăria, baia, dormitorul, zona de studiu, supanta – sunt iluminate natural. Pe fațadele de est și de vest, ferestrele cu triplu vitraj au fost  tratate Low-E (sticlă cu emisivitate redusă), astfel că permit doar pătrunderea luminii în interior, nu și a căldurii, evitând efectul de seră. Aceste ferestre sunt prevăzute cu sisteme de protecție împotriva însoririi excesive – obloane glisante de lemn – ce oferă posibilitatea de a obtura complet pătrunderea luminii în timpul verii. Mai mult decât atât, pentru a evita lumina foarte puternică de la apus, geamul de pe vest are un tratament adițional cu folie metalică.

În anul 2014 au debutat 2 proiecte sustenabile uriașe, cu impact semnificativ asupra comunitaților care le-au promovat: Blackfriars Bridge din Londra si Turnul Federatiei Industriilor Coreene din Seul. Pe planșele arhitectilor sau în stadiu de fundație, se află alte proiecte spectaculoase, cu ținte îndraznețe: zero consum de combustibili fosili, zero emisii de carbon, zero deseuri. Plus punerea în practica a unor concepte îndraznețe, cu originea în carțil uriașe, cu impact semnificativ asupra comunitaților care le-au promovat: Blackfriars Bridge din Londra si Turnul Federatiei Industriilor Coreene din Seul. Pe planșele arhitectilor sau în stadiu de fundație, se află alte proiecte spectaculoase, cu ținte îndraznețe: zero consum de combustibili fosili, zero emisii de carbon, zero deseuri. Plus punerea în practica a unor concepte îndraznețe, cu originea în carțile SF ale deceniilor trecute.

Blackfriars Bridge este cel mai mare pod solar din lume, traverseaza Tamisa și este parte a stației de tren Blackfriars Station. A fost inaugurat anul acesta, după ce i-au fost montate 4400 panouri solare, acestea asigurând jumătate din energia necesară funcționării gării și reducând semnificativ amprenta de carbon. La aceste beneficii se adaugă faptul că podul va deveni un nou punct de referință al Londrei, oraș care depune eforturi susținute și constante pentru a asigura locuitorilor săi un mediu curat și sustenabil.

Dat in folosinta la inceputul acestui an, Turnul Federatiei Industriilor Coreene integreaza un nou sistem de pereti-cortina, compus din panouri solare, pozitionate astfel incat sa capteze cat mai mult din energia solara de peste zi si panouri de sticla inclinate spre interiorul cladirii, astfel incat sa reflecte cat mai mult din lumina primita din exterior, contribuind astfel la reducerea temperaturii interioare a cladirii.

CAPITOLUL II

ENERGIA SOLARĂ

2.1.Introducere

Expresia "energie solară” este folosită pentru energia care este produsă direct prin transferul energiei luminoase radiate de soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energia electrică și termică care este necesară pentru diferite utilități, de obicei folosită pentru climatizarea aerului din interiorul clădirilor. Energia solara este inepuizabilă, nepoluantă, regenerabilă, gratuită și ușor de produs.

Soarele se numără printre cele mai importante resurse energetice ale viitorului, deoarece apartine resurselor energetice cu adevărat regenarabile. Energia solară ne stă la dispozitie în cantități practice nelimitate, prin utilizarea acesteia nu rezultă deșeuri care să afecteze mediul înconjurător. Prețul purtătorilor conventionali de energie ( țiței, gaze naturale, energie electrică) crește continuu, iar valorificarea energiei solare poate fi o alternativă în utilizările domestice.

Energia solară reprezintă energia electromagnetică transmisă de soare generată prin fuziune nucleară. Ea stă la baza întregii vieți de pe pământ și reprezintă aproximativ 420 trilioane kWh. Aceasta cantitate de energie generată de soare este de câteva mii de ori mai mare decât cantitatea totală de energie utilizată de toți oamenii.

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. [dizertatia aia]

Lumina și căldura radiate de soare au fost utilizate de oameni încă din antichitate cu ajutorul unei serii de tehnologii îmbunătățite permanent. Radiația solară, împreună cu celelalte surse secundare de energie în afară de energia solară, cum ar fi energia vântului și energia valurilor, electricitatea hidro și biomasa, reprezintă cea mai mare parte din energia provenită din sursele regenerabile disponibile pe pământ. Din energia solară se utilizează numai o foarte mică parte.

Producerea de energie electrică din energie solară se bazează pe instalatii termice și pe panourile fotovoltaice. Modalitățile în care se utilizează energia solară sunt limitate numai de imaginația omului. O listă parțială a aplicațiilor energiei solare cuprinde încălzirea și răcirea spațiului cu ajutorul arhitecturii solare, furnizarea de apă potabilă prin distilare și dezinfecție, iluminatul, producerea de apă caldă, gătitul cu ajutorul energiei solare și căldura de proces de înaltă temperatură utilizată în scopuri industriale. Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de obicei panourile solare.

Fig2.1. Radiatii solare

Concentrarea luminii solare pe discuri închise la culoare ar putea furniza energie lumii întregi: dacă se instalează în zonele marcate cu cele șase puncte de pe hartă, celulele solare cu o eficiență de conversie de numai 8 % ar putea produce, în medie, 18 TW energie electrică. Aceasta este mai mult decât puterea instalata actuala a

tuturor centralelor electrice care utilizeaza toate celelalte surse de energie primara: cărbune, petrol, gaz, energie nucleară și hidro. Culorile indică media pe trei ani a

radiației solare, inclusiv în timpul nopții și pe vreme noroasă. [http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy]

Energia regenerabilă este captată din fluxuri de energie produse de diferitele procese naturale cum ar fi lumina soarelui, vânt, ape curgătoare, procese biologice sau fluxuri de energie geotermală. Aceste fluxuri naturale de energie sunt reîmprospătate rapid de catre procesele naturale care le generează.[1]

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.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliană;

energia solară;

energia apei;

energia hidraulică;

energia mareelor;

energia geotermică;

energie derivată din biomasă: biodiesel, bioetanol, biogaz.

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc.

Folosirea surselor de energie regenerabilă, este impusă de mai multe motive:

epuizarea rezervelor de combustibili convenționali;

poluarea efect de seră încalzire globală;

creșterea consumului de energie.

Scopul omului contemporan este atingerea unui confort personal din ce în ce mai ridicat. În condițiile tehnicii contemporane, pentru a crește confortul, recurgem la creșterea exagerată a consumului de energie.

În ritmul actual, cu aproximativ 400 de ani după începuturile industrializării, omenirea va epuiza aproape în totalitate combustibilii fosili acumulați in 400 de milioane de ani. Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internațional au fost create numeroase organizații pentru studierea fenomenelor legate de evoluția consumurilor și rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizație de acest tip este The Association For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO) Asociația pentru Studiul Deficitului de Petrol și Gaze Naturale.

Figura 2.2. Cererea de energie la nivel mondial, pe regiuni

În anul 1975, producția energetică mondială a fost de cca. 8,5 TWan/an, iar în prezent nivelul producției energetice este de cca. 10 TWan/an. Pentru anul 2030, ținând seama de ritmul creșterii populației, se estimează că producția de energie va ajunge la 22 TWan/an și ținând seama de ritmul creșterii economice, în 2050 se va ajunge la 36 TWan/an.

Arzând combustibilii fosili din acest imens rezervor, pe langa obținerea energiei, s-a eliberat și se eliberează în continuare o mare cantitate de gaze toxice care vor putea transforma atmosfera în starea în care era cu milioane de ani în urma. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră și la accelerarea modificărilor climatice conexe acestui fenomen. Creșterea efectului de seră ridică temperatura globală a planetei. Datorită activității umane, concentrația de gaz cu efect de seră a crescut începând cu perioada pre-industrială (1750-1800). Concentrația de bioxid de carbon (CO2), gazul de seră cu ponderea cea mai ridicată, a crescut cu 30% încă din era pre-industrială. Reziduurile de CO2 generate de arderea cărbunelui sunt de aproximativ două ori mai mari decât cele datorate gazului natural, cele corespunzătoare petrolului situându-se între cele două. Efectele combinate ale tuturor gazelor cu efect de seră (CO2, metan, ozon,…) sunt echivalente cu o creștere a CO2 cu 50% față de acea perioadă.

În 1997, prin tratatul de la Kyoto s-a fixat ca obiectiv reducerea cu 5,2% a reziduurilor de gaz cu efect de seră pe plan mondial, până în 2010 față de 1990. Uniunea Europeană promite o reducere cu 8% a emisiilor pentru 2010, și fiecare din membrii săi și-au asumat propria cotă a emisiilor, ținând cont de particularitățile fiecărei țări. Uniunea Europeană a introdus directiva INDUSTRIAL EMISSIONS care are ca scop evitarea sau minimizarea emisiilor poluante în atmosferă, apă și sol a instalațiilor industrial si agrare. Ea stabilește o procedură de accept și cerințe care trebuie îndeplinite de activitățile industrial având un potențial major de poluare (industria energetică, producerea și prelucrarea metalelor, industria minieră, gestionarea deșeurilor etc.). Pentru a opri creșterea concentrației de bioxid de carbon prezent în atmosferă până în 2050, trebuie înjumătățite emisiile actuale la nivel planetar și deci reduse de 3 până la 5 ori în țările dezvoltate. De asemenea directiva EMISSION TRADING a fost introdusă în anul 2008 si urmărește reducerea emisiilor de CO2 de către instalațiile industriale mari. Emisiile mai mari decât limitele fixate trebuie evitate sau compensate prin cumpărarea unei permisiuni de pe piață.

Pentru a păstra resursele fosile rămase pe o durata cat mai lungă si pentru păstrarea si refacerea condițiilor vieții umane pe pământ, singura soluție previzibilă este reprezentată de utilizarea surselor de energie regenerabile.

Anul 1986 este anul în care s-a definit conceptul de dezvoltare durabilă după cum urmează: "Satisfacerea necesităților prezentului fără a ipoteca capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile necesități". Acest concept implică interesul dezvoltării a noi surse de energie și minimizarea reziduurilor care afectează mediul. Un sistem energetic durabil trebuie să integreze surse de energie regenerabile și lanțuri de ardere cu emisii reduse, accesibile la costuri acceptabile. Din fericire, faptul că stabilizarea noilor infrastructuri energetice durează decenii, un număr din ce în ce mai mare de mari companii se implică în dezvoltarea și comercializarea acestor noi tehnologii. Dezvoltarea durabilă necesită generarea echilibrului între dezvoltarea economică, echitatea socială și protecția mediului, în toate regiunile planetei. Dezvoltarea durabilă urmărește simultan trei obiective principale (economic, social, ecologic) si integrează următoarele preocupări: eficiența activității economice, reducerea sărăciei si redistribuirea veniturilor, asistență direcționlă, evaluare ambientală, poluare, stabilitate economică și socială, participare și consultare publică, pluralism.În 1995, Administrația SUA a adoptat “Planul politicii energetice naționale” bazat pe conceptual dezvoltării durabile și care identifică trei obiective strategice:

Maximizare productivității energetice în scopul consolidării economiei naționale și al îmbunătățirii standardelor de viață.

Prevenirea poluării în scopul reducerii impactului nefavorabil asupra mediului ambiant asociat producerii, distribuției și utilizării energiei electrice.

Păstrarea securității naționale prin reducerea vulnerabilității la șocurile pieței internaționale a energiei.

În acest context a apărut noțiunea de dezolvate energetică durabilă care pornește de la premiza că satisfacerea creșterii solicitărilor de energie trebuie să se realizeze nu prin creșterea furnizărilor, cu excepția utlizării energiilor regenerabile, ci prin reducerea consumurilor. Această reducere se realizează prin utilizarea unor tehnologii îmbunătățite, restructurarea economiei (cu un apel cât mai redus la industria grea), modificarea stilului de viață și folosirea materiilor prime mai puțin energointensive. Pentru atingerea acestor obiective, principalele componente strategice ale politicii energetice durabile sunt: creșterea eficienței în utlizarea energiei în scopul folosirii eficiente a resurselor, dezvoltarea unui portofoliu echilibrat de resurse energetice interne, investiții în știință și în tehnologii avansate, protecția mediului ambiant în scopul reducerii efectelor negative asupra acestuia, angajarea pieții internaționale prin progresele interne de dezvoltare și tehnologice, prin participare la activități multilaterale, prin susținerea privatizării și a piețelor competitive.[2]

La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a făcut din dezvoltarea energiilor regenerabile o prioritate politică scrisă în Cartea Albă "Energie pentru viitor: sursele de energie regenerabilă" și Cartea Verde "Spre o strategie europeană de securitate a aprovizionării energetice". Comisia și-a fixat ca obiectiv dublarea ponderii energiilor regenerabile în consumul global de energie de la 6% în 1997 la 12% în 2010. Acest obiectiv este inserat într-o strategie de securitate a aprovizionării și dezvoltare durabilă. Un efort semnificativ trebuie realizat în domeniul electric. În cadrul Uniunii Europene, partea de electricitate produsă pe baza surselor de energie regenerabilă trebuie să ajungă la 22,1% în 2010 față de 14,2% în 1999. Acest obiectiv definit pentru Europa celor 15 în acel moment a fost revăzut sensibil, pentru Europa celor 25, ponderea electricității produse pe baza surselor de energie regenerabilă trebuind să atingă 21%.[3]Politica energetică europeană urmărește implementarea a trei principii generale, respectiv securitatea alimentării cu energie, sustenabilitatea sectorului energetic și realizarea unei pieți energetice eficiente; în acest scop, documentul „ EU Energy and Climate Package” stabilește următoarele obiective până in anul 2020:

Reducerea cu 20 % a emisiilor de gaze cu efect de seră;

Reducerea cu 20% a consumului de energie primară (o economie de 13% fațăde anul 2006);

20% din energia consumată la nivelul EU 27 va fi asigurată din resurse regenerabile

Pentru a acoperi cererea de energie în secolul 21, în contextul dezvoltării durabile WEC (Consiliul Mondial al Energiei) a formulat trei principii care ar trebui avute în vedere la stabilirea politicilor energetice. Cele trei principii energetice sunt: accesibilitatea, disponibilitatea, acceptabilitate.INTRODUCERE CAP 1

Accesibilitatea presupune asigurarea unor servicii energetice moderne și fiabile, care sunt plătite corespunzător. Cea mai bună cale pentru a asigura accesul populației la piața de energie este accelerarea creșterii economice și urmărirea unei mai echitabile distribuții a veniturilor. Este necesar un tarif pentru energie care să reflecte costurile precum emisiile sau managementul deșeurilor, pentru a garanta investițiile și a încuraja eficiența energetică ca și tehnologiile adecvate pentru mediu. Un tarif subvenționat la un nivel acceptabil social nu va atrage investiții suficiente, pe termen lung acesta sa actioneze împotriva celor care au nevoie de infrastructură energetică. In unele situații se subvenționează tehnologiile energetice și livrarea energiei pentru o perioadă de timp, fără creșterea prețurilor sau păstrarea prețului minim.În prețul energiei se reflectă costurile variabile pentru intreținere și dezvoltare. Energia solară este puțin accesibilă în momentul de față, deși costurile sunt în scădere acestea rămân mult mai mari decât ale altor surse, fiind o barieră în calea accesării. Energia solară concentrată poate fi mai scumpă decât electricitatea convențională. Utilizarea radiației solare în sisteme casnice passive poate fi mai eficae în ceea ce privește costurile.

Disponibilitatea constă in calitatea si continuitatea energiei livrate. Continuitatea electricității în alimentare este foarte vitală. În unele cazuri sursele cu întreruperi de scurtă durată sunt acceptate atât timp cat condițiile sunt cunoscute, dar întreruperile neașteptate sunt foarte costisitoare și nu pot fi ignorate. Un portofoliu energetic consistent împreuna cu mijloacele de acces la noi surse de energie sunt o necessitate pentru disponibilitatea energetică. Potențialul tehnic al energiei solare este imens acesta fiind de 3000 ori consumul actual de energie. Energia solară poate fi exploatată în mai multe moduri: în formă concentrată pentru obținerea căldurii, pentru conversie directă în electricitate folosind efectul fotoelectric.

Acceptabilitatea se ocupă de problemele de mediu si atitudinile publice. Poluarea locală si schimbarea climatică globala sunt doi factori importanți care afecteaza miliarde de oameni. Țările in curs de dezvoltare sunt preocupate de impactul potențial măsurilor legate de schimbarea climatică asupra economiilor proprii , de asemenea sunt preocupate si de nivelul in creștere al emisiilor consumatorilor casnici care creaează poluare locală si regională (ploile acide care au un impact mare asupra recoltelor). Implementarea noilor tehnologii au dus la reducerea emisiilor și menținerea previziunilor pentru ameliorare în viitor. Tehnologiile ecologice trebuie dezvoltate în toate zonele lumii, sursele de energie trebuie produse și folosite astfel incât să protejeze mediul local și global acum și în viitor. Energia solară are un mare grad de acceptabilitate datorită diversității de tehnologii existente ea poate fi folosită în multe locații.

Tehnologiile solare pot fi, în general, pasive sau active în funcție de modul în care energia solară este captată, convertită și distribuită. Tehnicile solar active include utilizarea panourilor fotovoltaice și a colectoarelor termice pentru captarea energiei. Tehnicile solare pasive includ orientarea unei clădiri spre soare, selectarea materialelor cu o masă termică favorabilă sau cu proprietăți de dispersie a luminii, precum și proiectarea spațiilor în așa fel încât aerul să circule în mod natural.

Aplicații tehnice ale energiei solare:

Cu ajutorul tehnologiilor se poate beneficia de energia solară în mai multe moduri:

• Celulele solare care produc direct curent electric (fotovoltaic)

• Panourile solare care generează căldură (solar termic)

• Centralele solar-termice care produc electricitate prin utilizarea căldurii și aburului

• Deșeurile din plante pot fi procesate pentru a produce lichide (de ex. etanol, ulei ) sau gaze (biogaz) care se pot utiliza apoi în scopuri energetice

•Sobele solare sau cuptoarele solare sunt utilizate la încălzirea hranei sau la sterilizarea produselor medicale

Panourile fotovoltaice realizează conversia directă a luminii în energie electrică la nivel atomic. Unele materiale au proprietatea de a absorbi fotoni de lumina si a elibera electroni. Acest efect poarta numele de efect fotoelectric. Atunci când acești electroni sunt captați rezultă un curent electric care poate fi utilizat ca electricitate. Producția de energie fotoelectrică depinde 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.

Instalațiile fotoelectrice sunt inegal dezvoltate în Europa și, contrar așteptărilor, nu țările care se bucură de cea mai puternică însorire sunt cele mai dezvoltate din acest punct de vedere.

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.

2.2 Conceptul de casă solară

Casa solară este considerată ca având cea mai mare eficiență, investițiile inițiale fiind rapid și sigur amortizate prin economiile ulterioare de energie convențională, dar și cea care are cel mai mic impact asupra mediului.

Concret, este vorba despre utilizarea energiei solare pentru încălzirea și răcirea clădirii, dar și pentru producerea apei menajere și cea necesară instalației de încălzire. Cladirea însăși, construită din materiale care absorb și rețin căldura din mediul ambiant, va funcționa ca un uriaș generator.

Principiile care stau la baza acestui sistem sunt enumerate mai jos.   
    1.Orientarea casei : ideala este orientarea casei pe axa est-vest, iar panta terenului sa fie orientata spre sud. Proiectarea interiorului casei va trebui sa o faceti tinand cont de orientarea fiecarei camere si activitatile specifice pe care le veti desfasura acolo.
    2.Configuratia terenului va trebui sa asigure protectia fata de intemperii, iar daca nu, este recomandata plantarea de perdele de copaci. In caz contrar, expunerea la vanturi reci pe timpul iernii va duce la pierderi de caldura.
    3.Energia solara ajunge pe suprafata terestra indiferent de anotimp sau conditiile vremii, chiar daca o parte din ea este reflectata in spatiu sau absorbita de nori, praf, vapori de apa, etc. Cantitatea de energie care ajunge la casa noastra mai depinde si de anotimp, momentul zilei, de vreme si poluarea din zona in care se afla casa. Energia solara cea mai puternica atinge pamantul la amiaza si in timpul verii, cand razele soarelui cad perpendicular pe pamant si cea mai mica: iarna, dimineata si seara. 
Energia solara este reflectata de culorile deschise, absorbita de cele inchise si trece prin materialele transparente. Densitatea si compozitia materialelor influenteaza si ea aceste trei caracteristici. Energia solara va trece prin sticla, dar va fi mentinuta in interior sub forma de caldura – efect cunoscut sub numele de efect de sera.

2.2 Principiul conversiei fotovoltaice a energiei solare

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.

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

Fie o homojoncțiune p-n (fig. 2.3) 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.

Fig. 2.3. Structura, circulația de curenți și benzile energetice pentru homojoncțiunea p-n.

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).

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 ; (2.1)

curentul de goluri din zona n către zona p ; (2.2)

curentul de electroni din zona n către zona p ; (2.3)

curentul de goluri din zona p către zona n , (2.4)

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

Curentul total prin joncțiune va fi

, (2.5)

și care la echilibru va trebui să fie nul. Deci

. (2.6)

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

. (2.7)

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

. (2.8)

Ținând cont de relația (7), curentul prin joncțiune în cazul polarizării directe devine:

, (2.9)

a cărei reprezentare grafică este prezentată în figura 2.4 (curba 1).

Fig. 2.4 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:

. (2.10)

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 (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. 2.5 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.

Fig. 2.5 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)

. (2.11)

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

Tensiunea de mers în gol (pentru It=0), se poate calcula din relația (2.10):

. (2.12)

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, corespunzător punctului de funcționare. Există un punct unde această arie este maxim.

2.3 Moduri de utilizare a conversiei fotoelectrice a radiatiei solare

A.Sistem independent

Un sistem independent asigură necesitățile consumatorului fără a fi conectat la rețeaua publica de electricitate. Având in vedere variația disponibilității radiației solare, sistemul trebuie să conțină o componentă de stocare a energiei electrice in timpul cât soarele este aparent pe cer în vederea alimentării consumatorului în absența radiației solare. Cel mai folosit mijloc este acumulatorul Pb-acid.

Un asemenea sistem se potrivește bine pentru consumatori mici, amplasați la distanțe mari de rețelele publice, precum locuințele individuale, cabane montane, case de vacanță fiind util pentru pomparea apei de uz sanitar si menajer, alimentarea aparatelor de radio, tv, telefonoie de telecomunicație, iluminat. Alte destinații posibile sunt semnalizările rutiere sau pentru navigație, stații meteorologice, relee de retransmitere pentru telefonie mobilă etc.

La putere mai mare (zeci de kW ), un sistem independent împreună cu o sursă locală, care nu este influențată de radiația solară ( o microhidrocentrala sau un grup motor-generator electric) poate alimenta o rețea locală de curent alternativ pentru locuințe sau activități agro-zootehnice aflate departe de rețelele publice.

Un sistem autonom este format din:

 panouri fotovoltaice cu puterea între 20 și 200 Wp, orientate către sud sub un unghi, față de planul orizontal local egal cu latitudinea locală;

 invertor având în vedere că cea mai mare parte a consumatorilor necesită curent alternativ, se folosește un invertor pentru transformarea curentului continuu în curent alternativ;

 regulator de tensiune pentru controlul încărcării bateriei de acumulatoare, prevenind astfel deteriorarea prin încărcare în exces și prelungind durata de funcționare a acesteia;

Acumulatoare Pb-acid.

Fig 2.6. Aplicații ale sistemelor solare rezidențiale

B. Sisteme conectate la rețea

Sistemele de producere a energiei fotoelectrice, conectate la rețea, sunt rezultatul tendinței de descentralizare a rețelelor electrice. Energia este produsă mai aproape de locul unde se consumă și nu numai în termocentrale sau hidrocentrale mari.

În timp, sistemele conectate, vor reduce necesitatea creșterii capacității liniilor de transport și distribuție. Un sistem conectat la rețea asigură necesarul local de energie electrică, iar eventualul excedent îl debitează în rețea; acest transfer, elimină necesitatea achiziționării si întreținerea bateriilor de acumulatoare.

În cazul sistemelor fotovoltaice conectate la rețelele de distribuție, energia electrică este convertită integral în curent alternativ. Diferența dintre consumul deținătorului sistemului și energia furnizată de sistemul fotoelectric poate avea ambele sensuri; în caz de deficit se preia energie din rețeaua publică, iar în caz de excedent, se transmite surplusul rețelei publice. Un contor cu dublu sens asigură evidența schimburilor de energie cu rețeaua. Este evident că, în acest caz, componenta pentru acumulare nu mai este necesară deoarece funcția acesteia este

preluată de rețeaua publică de distribuție.

Cea mai mare parte a costului unui sistem conectat la rețea o reprezintă fabricația modulelor fotoelectrice din componența acestuia. Aceste costuri au cunoscut reduceri importante pe parcursul ultimilor ani și este de așteptat ca această tendință să continue.Deci acest tip de sistem devine din ce în ce mai abordabil. În regiunile urbane cu climat cald, costul kWh de electricitate produsă de sistemele fotoelectrice conectate la rețea, este comparabil cu cel produs prin alte metode „clasice”. În regiunile cu radiație solară redusă, acest tip de sistem este mai puțin interesant.

Fig 2.7. Sistem fotovoltaic conectat la rețea

Fig. 2.8. Câmp de panouri fotoelectrice, 40 MW

2.4. Componentele unui sistem fotovoltaic

Componentele unui sistem fotoelectric depind de aplicație: locuință izolată sau în apropierea rețelei, utilizarea unei baterii sau doar a energiei solare, existența convertoarelor statice de putere.

Un sistem fotoelectric cuprinde:

Celule solare

Baterii de acumulatoare

Regulatoare de sarcină

Convertoare statice

Alte componente

Bateriile de acumulatore

În sistemele electrice autonome, stocare energiei este asigurată, în general, de baterii de acumulatoare. Acestea sunt esențiale pentru buna funcționare a sistemelor autonome. Elementele de stocare reprezintă 13 – 15 % din investiția inițială, pentru o durată de exploatare de douăzeci de ani.

Bateriile de acumulatore sunt de tipul plumb – acid. Există doua tipuri de astfel de baterii cu plumb: baterii cu electrolit lichid si baterii cu electrolit stabilizat.

Bateriile cu electrolid lichid sunt constituite dintr-un recipient în care se alternează plăci pozitive și negative, separate de distanțoare izolante. Recipientul este închis cu un dop, pentru a evita corodarea internă și scurgerea electrolitului. Aceste baterii au avantajul că sunt ieftine și au o construcție simplă, iar dezavantajul lor fiind păstrarea si utilizarea acestora în poziție orizontală. Dacă nu sunt utlizate în poziție orizontală electrolitul se scurge prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, plăcile nemaifiind scufundate în electrolit.

Bateriile cu electrolit stabilizat se mai numesc și baterii cu recombinare a gazului. În cazul acestora, electrolitul nu mai este lichid, ci sub formă de gel. Acest tip de baterie nu necesită întreținere, pe toată durata de viață, asigură etanșeitate totală, deci nu există degajări de gaze.Însă acestea sunt mai scumpe având produsul mai tehnic(gelul).

Bateriile se utilizează în cazul în care există un decalaj între perioadele când este solicitată energie și perioadele însorite. Alegerea tipului de baterie se face în funcție de puterea media zilnică și în funcție de timpul necesar de stocare.

Fig 2.9. Caracteristicile generatoarelor fotoelectrice și a bateriei.

După cum se vede din figura de mai sus, caracteristica bateriilor se adaptează destul de bine celor ale generatoarelor fotoelectrice, deoarece ele funcționează la tensiune cvasi-constantă. Este suficient să se dimensioneze bateria pentru a plasa punctul de funcționare în punctul de putere maximă, deoarece tensiunea sa Upmax (tensiunea corespunzătoare puterii maxime) se modifică puțin în funcție de iluminare.

Regulatoare de sarcină

În sistemele fotoelectrice se pot ultiza mai multe tipuri de regulatoare. Acestea controlează fluxul de energie, trebuind să protejeze bateria de supraîncărcare (solară)

și de descărcare gravă (consumatori). De asemenea, regulatoarele asigură supravegherea și siguranța instalației.

Există trei categorii principale de regulatoare:

Regulatoare serie, care conțin un întreruptor între generatorul fotoelectric și bateria de acumulatoare, pentru întreruperea încărcării. Întreruptorul de încărcare este în serie cu bateria. El se deschide când bateria este încărcată. Avantajul regulatoarelor serie o reprezintă tensiunea mică la bornele întreruptorului. De asemenea prezintă și un dezavantaj față de regulatoarele de tip paralel: întreruptorul determină o cădere de tensiune suplimentară între panouri și baterie.

Fig 2.10. Schema de principiu a regulatorului serie.

Regulatoarele paralel, care scurtcircuitează generatorul fotoelectric la finalul încărcării bateriei de acumulatoare.

Fig 2.11. Schema de principiu a regulatorului paralel.

Pe durata încărcării, panourile solare sunt conectate direct la baterii. Când acestea sunt încărcate, panourile sunt scurtcircuitate. Dioda de separare trebuie neapărat să fie prevăzută în schemă, pentru a nu scurtcircuit bateria atunci când întreruptorul este închis. Această diodă asigură și blocare curentului nocturn, ce ar putea să apară între baterie și panou. Regulatoarele paralel au și dezavantaje: întreruptorul este solicitat de întreaga tensiune a panoului, putând deci să apară probleme de protecție la supratensiuni.

Regulatoare ce urmăresc punctul de putere maximă (MPPT – Maximum Powe Point Tracking), care permit extragerea din câmpul de celule, în permanență, a maximului de putere. Regulatoarele MPPT sunt concepute pentru a asigura extragerea puterii maxime din panourile solare. Aceasta permite recuperare maximului de energie, indiferent de temperatură și iluminare. În permanență, tensiunea și curentul sunt măsurate, pentru deducerea puterii extrase din panou. Puterea este comparată cu valoarea anterioară a acesteia, iar în urma comparării, tensiunea la bornele panoului este crescută sau redusă. Aceste regulatoare funcționează într-o plajă foarte largă de temperaturi, ceea ce asigură recuperarea excesului de energie pe durata iernii.

Convertoarele statice

În funcție de aplicație, se utilizează convertoare statice pentru adaptarea puterii generate la necesitățile sarcinii.

În principal, există convertoare c.c. – c.c., care adaptează tensiunea de c.c. furnizată de panourile fotoelectrice la necesitățile sarcinii și convertoare c.c. – c.a., care transformă energia de c.c. în energie de c.a., pentru alimentarea sarcinilor corespunzătoare.

Convertoarele c.c. – c.c. (Variatoare de Tensiune Continuă – VTC) transformă o tensiune continuă (a bateriei), tot în tensiune continuă, cu valoare medie diferită, pentru alimentarea sarcinilor de c.c.

Există două tipuri de astfel de VTC: ridicător și coborâtor.

VTC ridicător:

Fig 2.12 Schema de principiu a unui VTC ridicător.

Pe intervale când întreruptorul este închis, în bobină se înmagazinează energie de la baterie.La deschiderea întreruptorului, tensiunea de autoinducție a bobinei, împreună cu sursa, determină apariția unei supratensiuni, ce este transferată condensatorului și sarcinii. Dioda (numită „de separare “) împiedică descărcarea condensatorului pe intervalele când întreruptorul este inchis. Condesatorul filtrează tensiunea continuă la ieșire, reducându-I pulsațiile.

Randamentul unor astfel de convertoare este de 70 %, putând atinge 85 – 90 % pentru cele mai performante.

VTC coborâtor:

Tensiunea la ieșire este mai mică decât a bateriei, fiind utilizate pentru alimentarea sarcinilor cu tensiunea mai mica decât a bateriei (aparate radio).

Fig 2.13. Schema de principiu a unui VTC coborâtor.

Pe intervalele când întreruptorul este închis, bateria debitează curent sarcinii, ce parcurge bobina. Când întreruptorul este deschis, energia înmagazinată în bobină, asigură menținerea nenulă a curentului, ce se va închide pe aceste intervale, prin diodă (numită „de nul”).

Randamentul acestor convertoare este de 80 – 90 %.

Alte componente:

În această categorie intră elementele conexe, dar care sunt indispensabile bunei funcționări a sistemelor fotoelectrice: protecțiile contra descărcărilor atmosferice, disjunctoare și siguranțe fuzibile.

Deoarece panourile solare sunt echipamente scumpe, ele trebuie protejate pentru a evita deteriorarea lor. Pericolele sunt multiple: perturbații induse de comutațiile elementelor din componența convertoarelor statice de putere. Se pot utliza filtre pentru eliminarea armonicilor. Funționarea sarcinii: panourile se deteriorează dacă absorb putere electrică. Se pot utiliza diode care să împiedice circulația curentului în sensul nedorit.

2.4.1. Tipuri de fotocelule solare

2.4.1.1 Celule solare cu siliciu

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. [dizertatie]

Tehnologiile actuale utilizează siliciul în trei forme: monocristalin, policristalin si amorf hidrogenat. Pe lângă avantajul materiei prime disponibile în mari cantități, celulele cu siliciu prezintă stabilitate funcțională deosebită și randamente relativ bune. Randamentul maxim îl prezintă celulele din monocristal, fiind mai redus la celelalte. În aceeași ordine scade și costul fotocelulelor cu siliciu.

Structura monocristalină, având atomii dispuși ordonat în rețeaua cristalină, permite delimitarea clară a benzilor energetice de conducție și de valență, astfel că zona interzisă este, teoretic, lipsită de nivele energetice ocupate de către electroni. În cazul structurii policristaline, fotocelula este formată din numeroase cristale mici orientate diferit, astfel că la suprafața de contact apar discontinuități ale rețelei cristaline și ale benzilor de energie. Aceasta reduce eficiența circulației sarcinilor libere sub influența câmpului electric intern al celulei. În cazul siliciului amorf, ordinea atomilor este aleatoare, astfel că multe legături covalente între atomi sunt rupte, iar benzile de energie se suprapun mai mult sau mai puțin. În aceste condiții, efectul fotoelectric nu se poate manifesta. Adăugarea atomilor de hidrogen permite refacerea unora dintre aceste legături covalente. Astfel, se restabilește în mare măsură ordinea nivelelor energetice și efectul fotoelectric se poate realiza.

Deși randamentul teoretic maxim al fotocelulei cu Si monocristalin atinge 22%, celulele realizate practic, au un randament de cel mult 14%. Posibilitățile de mărire a randamentului în continuare sunt:

– reducerea grosimii stratului n la cca.0,3 μm – randament 16%;

– texturarea suprafeței pentru reducerea pierderilor prin reflexie, randament 17%;

– celule cu straturi multiple, randament până la 19,5%.

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.2.14 Celulă solară pe bază de siliciu monocristali Fig.2.15 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.2.16 Celulă solară monocristalină

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.

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.2.17 Celule cu strat subțire Fig.2.18 Celule cu strat subțire

[dizertatie]

2.4.1.2. Celule solare pe bază de sulfură de cadmiu

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.

Pornind de la materialul de bază, CdS, se pot realiza mai multe tipuri de fotocelule solare: CdS-Cu2S, CdS-CuInSe, CdS-CdTe și altele. În aplicații predomină prima variantă, cea mai ieftină. CdS se folosește sub formă policristalină. Față de Si acest material prezintă o absorbție mai rapidă a radiației solare; totodată lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină liberi este mult mai redusă, astfel încât stratul de bază poate avea o grosime mai mică (numai 25μm în loc de 200μm la Si). Cu2S are banda interzisă mai îngustă; deoarece acest strat absoarbe cea mai mare parte a spectrului solar în grosimi foarte mici, grosimea lui este de numai 0,1μm – 0,27μm. Acest material nu se poate obține decât ca semiconductor de tip „p”.. Cea mai simplă cale de realizare a acestui strat este schimbul de ioni într-o soluție electrolitică cu ioni de Cu.

Tehnologiile de realizare a unor asemenea celule cu straturi subțiri policristaline sunt mai simple decât la siliciu, permițând preturi mult mai reduse. Performantele celulelor cu CdS sunt, în privința eficienței teoretice, de ordinul a 15%, iar în fază industrială, de 6-8%.

2.4.1.3. Celule solare pe bază de GaAs

GaAs este unul dintre materialele cele mai potrivite pentru conversia fotoelectrică a energiei solare datorită faptului că, având o lărgime a benzii interzise de 1,39 eV, se situează pe maximul curbei de eficiență a conversiei în funcție de Eg. Eficiența teoretică prevăzută este de 26%. Față de siliciu, prezintă avantajul de a putea lucra la temperaturi mai înalte, fără a-și reduce simțitor eficiența. Aceste celule se pot utiliza asociate cu sisteme de concentrare a radiației solare, reducând consumul de material semiconductor. Costul acestor fotocelule este de cca. 10 ori mai mare decât a acelora cu Si, datorită materialului de bază ca și tehnologiei de realizare. Ținând seama însă că pot fi utilizate cu factori de concentrare a radiației solare de cca. 10 ori mai mari și că randamentele sunt apropiate, rezultă că cele două tipuri de fotocelule monocristal sunt comparabile.

Fig 2.19 Structura unei fotocelule monojoncțiune

2.4.1.4. Module, panouri, câmpuri de fotocelule solare

O joncțiune semiconductoare furnizează o tensiune continuă a cărei mărime medie este de 0,3-0,4 V. Pentru a obține tensiunea necesară unui consumator, fotocelulele se conectează în serie, iar pentru a obține intensitatea necesară, se grupează în paralel.

Un grup de fotocelule asamblate într-o carcasă unică formează un modul, mai multe module grupate pe un suport plan formează un panou, iar mai multe panouri interconectate formează un câmp.

Fig.2.20 Interconectarea fotocelulelor

Considerând funcționarea unui set de fotocelule înseriate și ținând seama că acestea sunt de fapt diode semiconductoare, dacă una dintre acestea este obturată de un corp străin (de exemplu o frunză) zona neiluminată se va comporta ca o diodă polarizată invers. Prin aceasta se întrerupe furnizarea de curent a întregului set de fotocelule înseriate, iar joncțiunea blocată se poate străpunge electric dacă tensiunea maximă inversă admisibilă este depășită. În acest caz, pe joncțiunea umbrită se va disipa puterea generată de celelalte celule înseriate, ducând la apariția fenomenului de supraîncălzire (“hot spot”), iar joncțiunea se distruge. Pentru evitarea acestei situații, modulele de fotocelule sunt protejate cu diode conectate antiparalel, iar lanțurile de module înseriate se protejează cu diode serie pentru blocarea circulației inverse.

Fig.2.21 Schema electrică de principiu a unui panou fotoelectric

2.5. Aplicații ale energiei solare

În continuare sunt prezentate aplicații ale sistemelor fotovoltaice exitente.

2.5.1. 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.

2.5.2 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. Ca și exemple în acest caz 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 o lucrări mentenanță complexe.

2.5.3 Aplicatii 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.

2.5.4 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 2.22 se prezintă utilizarea energiei fotovoltaice la pomparea apei pentru fermele de animale.

Fig. 2.22 Sistem de pompare apă alimentat cu energie solară.

2.5.5 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 5.2.5 este prezentată o instalație fotovoltaică integrată în acoperișul clădirii, adică chiar panourile fotovoltaice sunt utilizate ca elemente de construcție pentru acoperiș.

Fig. 2.23 Instalație fotovoltaică integrată în construcția clădirii.

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

2.5.6 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.

CAPITOLUL III

STUDIU DE CAZ

3.1. Date de proiectare

Prin acest proiect se urmărește realizarea unui sistem de alimentare cu energie electrică produsă din energie solara cu ajutorul sistemului fotovoltaic conectat la rețeaua de joasă tensiune pentru o casa familială.

Pentru o eficiență cât mai mare panourile fotovoltaice vor fi amplasate pe versantul sudic al acoperișului clădirii(fig 3.1).

Fig.3.1Clădirea

Amplasarea clădirii s-a făcut pe un teren neted care nu dispune de frontiere terestre sau forestiere, nefiind nici un obstacol care să creeze fenomenul de umbră asupra panourilor solare. Încăperile de zi sunt dispuse în partea sudică a clădirii, iar în cele orientate spre nord se află încăperile cu utilizări temporare.

3.2. Calculul necesarului de energie electrică

În etapa de proiectare si dimensionare trebuie ținut cont, în primul rand, de estimarea consumului lunar a consumatorilor: aparate casnice, electrice, electronice si a instalațiilor de iluminat si de asemenea puterea instantanee maxime (puterea exprimata in kW a tuturor consumatorilor ce pot fi folositi in acelasi timp la un moment dat)

Tabelul 3.1 Energia electrica consumata.

Pentru dimensionarea diferitelor componente este necesar să se cunoască atât consumul zilnic de energie electrică, cât și puterea maximă solicitată, care apare atunci când toate sarcinile sunt conectate simultan.

Estimarea necesarului de energie, referitor la locuinta pe care o consideram, pleacă de la evaluarea puterii in regim nominal pentru fiecare sarcină individuală și a duratei de funcționare a acesteia în 24 de ore. Energia necesară zilnic pentru fiecare sarcină se calculează efectuând produsul dintre puterea maximă în regim nominal a sarcinii si numărul de ore de functionare, astfel rezultă consumul total zilnic de energie.

Consumul total de energie electrică zilnic se calculează prin sumarea tuturor consumurilor individuale:

[kWh]; (3.1)

Puterea maximă instantanee apare atunci cand toti consumatorii sunt conectati simultan:

[W] (3.2)

Puterea maximă instantanee este utilizată la determinarea dimensiunii invertorului. Sarcina poate varia de la un anotimp la altul.În acest fel se poate determina necesarul de energie pentru diferite anotimpuri.

3.3. Dimensionare panouri fotovoltaice

Pentru dimensionarea panourilor fotovoltaice am folosit programul RETScreen Software 4 produs de Natural Resources Canada. RETScreen pentru proiectele de energie curată constituie liderul mondial în luarea de decizii privind energia curată. Din punct de vedere financiar și temporal, RETScreen reduce semnificativ costurile asociate identificării și evaluării proiectelor energetice potențiale. Aceste costuri, care apar în etapele pre-fezabilității, fezabilității, dezvoltării și fabricării, pot constitui obstacole substanțiale în implementarea tehnologiilor de energie regenerabilă și de eficiență energetică. Prin aportul adus la depășirea acestor obstacole, RETScreen reduce costul punerii în practică a proiectelor și al desfășurării afacerilor cu energie curată.
RETScreen permite factorilor de decizie și experților în domeniu să decidă dacă un proiect de cogenerare, de eficiență energetică sau energie regenerabilă este coerent din punct de vedere financiar. În cazul în care un proiect este sau nu viabil, RETScreen va ajuta factorul de decizie să înțeleagă următoarele: rapid, clar, în format ușor de utilizat și la un preț aproape minim.

Fig.3.2. Softul RETScreen

Cu ajutorul programului aflăm radiația solară zilnică care este de 3.57 kWh/m²/zi , de asemenea și temperatura aerului, umiditatea relativă:

Fig.3.3. Radiația solară

La alegerea elementelor de instalație am luat in considerare mai multe criterii legate de calitate, preț și eficacitate.

În ziua de azi avem o gamă numeroasă de celule fotovoltaice de unde putem alege. În funcție de tehnologia de fabricație, panourile fotovoltaice pot fi realizate din celule de siliciu monocristalin, celule de siliciu policristalin și celule amorfe. Panourile fotovoltaice pot fi montate în funcție de condițiile specifice fiecărui proiect, pe acoperișul și fațadele clădirilor, pe terase, la sol, cu sistem de urmărire a poziției soarelui sau fără, integrate în alte produse, etc. Sunt realizate cu ramă de aluminiu, fără ramă sau laminate pe un substrat flexibil și sunt disponibile într-o gamă variată de mărimi și valori ale puterii nominale de ieșire, de la câțiva wați până la sute de wați.

Înca un aspect important îl reprezintă rezistența mecanică a panourilor cu acest tip de celule și etanșeitatea lor. Cum în regiunile montane, umiditatea relativă a aerului și cantitatea anuală de precipitații sunt relativ ridicate, infiltrația apei poate conducela o diminuare puternică a randamentului, iar în plus, cauzează apariția coroziunii. Un anumit grad de infiltrație este inevitabil, însă dacă aceasta se manifestă în cantități mici, se poate contracara cu fenomenul de evaporare din panouri.

Având in vedere criteriile enumerate mai sus, am ales utilizarea panourilor CS6P produse de Canadian Solar. Panoul ales in funcție de necesarul de energie electrică este CS6P 240 W.

În imaginile de mai jos se pot vedea caracteristicile electrice a întregului sistem fotovoltaic ales:

Fig.3.4. Sistemul fotovoltaic ales

Fig.3.5. Panoul CS6P-200W ales in RETScreen

Panoul CS6P 200W are o suprafață de 1.6 m² , iar fața sudică a acoperișului pe care va fi amplasate panourile are o suprafață de 23.5 m². Fețele vestice și estice ale acoperișului nu sunt favorabile amplasării, deoarece nu asigură o iluminare solară pe toată durata zilei.

Numărul de module fotovoltaice necesare rezultă din formula:

(3.3)

unde S este suprafața acoperișului – 23.5 m², iar Ap fiind suprafața panoului 1.6 m².

(3.4)

Fig.3.6. Panourile asamblate pe casă

Fig.3.7. Acoperiș (vedere de sus)

3.4. Dimensionare baterii de acumulator

Sistemele fotovoltaice necesită dispozitive speciale pentru stocarea energiei care să fie folosita atunci cand generatorul produce sub nivelul consumului sau nu produce deloc. Cele mai la indemana dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori care au rolul de a inmagazina energia electrica produsa atunci cand sursa de energie a generatorului este disponibilă si de a o reda pentru functionare in timpul noptii sau cand generatorul produce sub nivelul consumului.Pentru dimensionarea bateriei de acumulatori trebuia parcusi următorii pasi:

1.Consumul zilnic de energie electrică in Wh este impartit la randamentul invertorului ηi, pentru a produce energia furnizată acumulatorului:

(3.5)

Pentru randament avem valoarea ηi= 85%;

Wh (3.6)

2.Urmatorul pas consta in selectarea tensiunii sistemului. Tensiunea poate fi: 12, 24, 48, 110 sau 240 V. Criteriul de selectie este ca tensiunea acumulatorului să fie suficient de mare, astfel incat curentul total de descarcare sa nu depasească cu mult 100 A. In acest caz valoarea tensiunii va fi 24 V.

3.Consumul zilnic de Ah de la acumulator se obtine impărtind energia furnizată zilnic de acumulator cu tensiunea aleasă adica 24 V.

(3.7)

4. Capacitatea acumulatorilor se obtine impărtind Ah/zi cu adancimea zilnică de descărcare, considerata 0.5.Adancimea de descărcare Dd, este un parametru de proiectare si reprezintă fractia din energia maximă inmagazinată ce poate fi retrasă.

Se alege Dd = 0.5 in mod frecvent, asigurand un timp de viată mai lung pentru acumulatori.

Ah (3.8)

Numărul de zile de stocare a acumulatorului se obtine considerand adancimea permisă de descărcar, capacittea in Ah a acumulatorului si consumul estimat in Ah:

zi (3.9)

3.5. Dimensionare regulator de incărcare

Regulatorul de incărcare are rolul de a mentine bateria incărcată la capacitatea maximă si să o protejeze impotriva descărcarii, darn u poate gestiona si problemele de descărcare accidentală. In cazul aplicatiilor casnice, de cele mai multe ori este necesar un regulator de incărcare-descărcare, pentru ca utilizatorii pot frecvent depăsi consumul prevăzut. Regulatorul de incărcare va fi dimensionat in functie de urmatorii parametric : – tensiunea nominala

curentul de intrare: este curentul de Incărcare maxim, pe care modulele il pot debita la un moment dat.

Curentul de incărcare maxim se calculeaza impărtind capacitatea in Ah a bateriei cu timpul de descărcare maxim in ore pentru accumulator:

A (3.10)

Se selectează un regulator, care poate furniza curenti pana la 60 A. Valoarea maximă a puterii de iesire pentru regulator este :

W (3.11)

Randamentul regulatorului de incărcare este de 0.9 pentru conversia de la current alternative la curent continuu. Puterea de intrare la incărcatorul bateriei este :

W (3.12)

3.6. Dimensionare invertor

Conversia energiei electrice de current continuu nestabilizată generată de panourile fotovoltaice în energie electrică de current alternativă, se realizeaza cu invertoare de rețea. Energia obținută la ieșirea lor este injectată integral în sistemul energetic sau în magistrala de curent alternativă a sistemelor fotovoltaice independente. Cele mai performante invertoare sunt invertoarele on grid sau de rețea, au o eficiență de până la 98%, sunt construite fără transformatoare și sunt prevăzute cu algoritm de determinare și urmărire a punctului de putere maximă. Invertoarele de rețea se sincronizează la frecvența rețelei și nu funcționează decât dacă sunt conectate la un sistem energetic național.

Dimensionarea invertorului este determinată de puterea maximă. Puterea maxima solicitată o consideram ca jumatate din puterea totala a instalatiilor electrice.

W (3.13)

Invertorul necesar are o putere de 5 kw.

Am ales invertorul SG 1K5TL conectat la rețea fără transformator SG5KTL-D prezentat în imaginile de mai jos:

Fig.3.8. Invertorul SG5KTL-D

Fig.3.9. Diagrama invertorului

3.7. Dimensionare generator

Generatorul converteste puterea mecanica furnizata de motorul cu petrol sau diesel in energie electrica. Selectarea generatorului trebuie sa se bazeze pe puterea maxima acceptabila de intrare in acumulatori si pe puterea totala instalata a sarcinii electrice. La P.intr = 1600 W se va selecta un generator de 2 kW la 50 Hz si 240 V , puterea de iesire nominala a motorului fiind 3000 W.

Generatorul trebuie cuplat atunci cand starea de incarcare a acumulatorului a fost redusa la adancimea de descarcare zilnica proiectata. Daca adancimea de descarcare zilnica este de 0.5, atunci generatorul trebuie cuplat cand starea de incarcare a bateriilor estede 50%. Generatorul trebuie decuplat atunci cand starea de incarcare a bateriilor este 100%. Curentul mediu de incarcare se calculeaza ca medie intre curentul de iesire pentru cuplare si cel pentru decuplare.

GRAFIC PAGINA 98

Punctul de conectare al generatorului este atunci cand starea de incarcare a bateriilor este de 50 %. Din figura rezulta ca in acest punct, curentul de iesire al generatorului este de 60% din valoarea nominala maxima. Punctul de deconectare al generatorului, cand starea de incarcare a bateriilor este 100%, corespunde unui current de iesire al generatorului de 15 % din valoarea nominala maxima.Curentul de iesire mediu este :

(3.14)

Curentul maxim de iesire pentru regulatorul de incarcare este de 60 A. Deci curentul de

incarcare mediu la iesire este:

60 * 0.375 = 22.5 A

Timpul mediu de functionare al generatorului se calculeaza ca raport intre consumul zilnic de Ah de la acumulator si curentul de incarcare mediu la iesire:

133.02 / 22.5 = 6 h/zi

3.8. Calculul tehnico- economic

Listă de materiale

Tabel 3.2 Fișa de materiale

Fișa de manoperă directă

Tabel 5.2 Fișa de manoperă directă

Casa metrii patrati: 163m2 parter , etaj 100m2. Proiectant 1380 dolari.

5.3 Deviz estimativ

CONCLUZII

Energia de natură fotovoltaică (PV) pare a fi în viitor una dintre cele mai promițătoare surse de energie. Piața mondială în domeniul fotovoltaic crește rapid, cu o medie anuală de aproximativ 30% ăn ultimii 5 ani. Acest succes a fost obținut în principal prin simularea pieței și printr-o intensă activitate de cercetare-dezvoltare ăn ultimii ani ăn Japonia, SUA și UE, determinând o reducere a prețului de 3 ori față de 1990. Cu toate acestea se estimează ca ăn 2020 contribuția generatoarelor PV la producția de energie din Europa nu va depîși 2.4%. Este necesară o nouă reducere a prețului energiei electrice produse de sistemele PV de 3 până la 5 ori pentru ca aceasta să devină competitivă pe piață.

Cartea Albă a Comisiei Europene are drept țintă, ca sursele de energie regenerabilă, incluzând PV, să atingă 12% în ceea ce priveștegenerarea de electricitate în UE, la nivelul anului 2012. Aceste ținte sunt deosebit de ambițioase. Pentru atingerea lor sunt necesari pași foarte importanți, în fiecare stat membru al UE, privind: crearea cadrului legislativ favorabil dezvoltării sistemelor fotovoltaice, atragerea mai multor investiții, convingerea virtualilor clienți să investească în sisteme fotovoltaice.

Lucrarea de față încearcă să întărească politica europeană relativ la utilizarea energiei solare. Deși cu o putere relativ mică de 2.7kW instalația proiecată poate să asigure consumul unei părți din utilizatorii de energie electrică ai clădirii UTCN, asigurând astfel reducerea facturii la energia electrică. Cu o amortizare a investiției de 5 până la 7 ani și avantajul că nu reprezintă un pericol pentru mediul înconjurător, proiectarea unor astfel de sisteme poate constitui o soluție viabilă pentru viitor.

BIBLIOGRAFIE

M. Benghanem, A. Maafi, Performance of stand-alone photovoltaic systems using Measured meteorological data for , Renewable Energy, 1998.

T. Bhattacharya, Text Book of Terrestrial Solar Photovoltaics, Narosa Publishing House, New Delhi, India, 1998.

Chel, G.N. Tiwari, A. Chandra, Sizing and cost estimation methodology for stand-alone residential PV power system, International Journal of Agile Systems and Management , 2009.

Arvind Chel, G.N. Tiwari, Avinash Chandra, Simplified method of sizing and life cycle cost assessment of building integrated photovoltaic system, 2009.

L.Fara, E.Paulescu, M. Paulescu, Sisteme fotovoltaice, Matrix ROM, București, 2005.

The German Energy Society (Deutsche Gesellshaft fur Sonnenenergie (DGS LV Berlin BRB), Planning and Installing Photovoltaic Systems, A guide for installers, architects and engineers, second edition, 2008.

Gronbeck, C., Wind power economics: cost of remote power using PV stand alone System, 1994.

S. Habali, M. Taani, Renewable energy application in , in: The twentieth European PV conference at , June 5–10, 2005.

J. Kalogirou, Solar Energy Engineering – Processes and Systems, Academic Press Elsevier 2009.

L. Recio Maillo, Optimal cable sizing in PV sytems, Leonardo Energy, 2009.

R. Messenger, J. Ventre, Photovoltaics Systems Engineering, CRC Press LLC, , 2000.

J.D. Mondol, Y.G. Yohanis, B. Norton, Optimal sizing of array and inverter for grid connected photovoltaic systems, Solar Energy 80 (2006).

*** AFFORDABLE SOLAR, www.affordable-solar.com

*** Institutul pentru Energie al Comisiei Europene, ie.jrc.ec.europa.eu

*** IRONRIDGE, www.ironridge.com

*** Operatorul pieței de echilibrare, www.ope.ro

*** OUTBACK Power Systems, www.outbackpower.com

*** Pvresources, www.pvresources.com

*** PVSYST Project design, www.pvsyst.com

*** Renewable Energy, www.infinitepower.org

*** SolarBuzz, Portal to the solar energy, www.solarbuzz.com

*** Solar Photovoltaic Projects www.builditsolar.com

*** SUNTECH Power, www.suntech-power.com

*** WIKIPEDIA, The free Encyclopedia, www.wikipedia.org

*** org.ntnu.no/solarcells

*** solar.physics.uvt.ro

BIBLIOGRAFIE

M. Benghanem, A. Maafi, Performance of stand-alone photovoltaic systems using Measured meteorological data for , Renewable Energy, 1998.

T. Bhattacharya, Text Book of Terrestrial Solar Photovoltaics, Narosa Publishing House, New Delhi, India, 1998.

Chel, G.N. Tiwari, A. Chandra, Sizing and cost estimation methodology for stand-alone residential PV power system, International Journal of Agile Systems and Management , 2009.

Arvind Chel, G.N. Tiwari, Avinash Chandra, Simplified method of sizing and life cycle cost assessment of building integrated photovoltaic system, 2009.

L.Fara, E.Paulescu, M. Paulescu, Sisteme fotovoltaice, Matrix ROM, București, 2005.

The German Energy Society (Deutsche Gesellshaft fur Sonnenenergie (DGS LV Berlin BRB), Planning and Installing Photovoltaic Systems, A guide for installers, architects and engineers, second edition, 2008.

Gronbeck, C., Wind power economics: cost of remote power using PV stand alone System, 1994.

S. Habali, M. Taani, Renewable energy application in , in: The twentieth European PV conference at , June 5–10, 2005.

J. Kalogirou, Solar Energy Engineering – Processes and Systems, Academic Press Elsevier 2009.

L. Recio Maillo, Optimal cable sizing in PV sytems, Leonardo Energy, 2009.

R. Messenger, J. Ventre, Photovoltaics Systems Engineering, CRC Press LLC, , 2000.

J.D. Mondol, Y.G. Yohanis, B. Norton, Optimal sizing of array and inverter for grid connected photovoltaic systems, Solar Energy 80 (2006).

*** AFFORDABLE SOLAR, www.affordable-solar.com

*** Institutul pentru Energie al Comisiei Europene, ie.jrc.ec.europa.eu

*** IRONRIDGE, www.ironridge.com

*** Operatorul pieței de echilibrare, www.ope.ro

*** OUTBACK Power Systems, www.outbackpower.com

*** Pvresources, www.pvresources.com

*** PVSYST Project design, www.pvsyst.com

*** Renewable Energy, www.infinitepower.org

*** SolarBuzz, Portal to the solar energy, www.solarbuzz.com

*** Solar Photovoltaic Projects www.builditsolar.com

*** SUNTECH Power, www.suntech-power.com

*** WIKIPEDIA, The free Encyclopedia, www.wikipedia.org

*** org.ntnu.no/solarcells

*** solar.physics.uvt.ro