Consumul global de energie crește dramatic datorită nivelului tot mai înalt de viață și a [608031]

1
Introducere

Consumul global de energie crește dramatic datorită nivelului tot mai înalt de viață și a
creșterii populației mondiale. Lumea are resurse limitate de combustibili petrolieri și fosili.
În consecință, nevoia de surse regenerabile de energie devine din ce în ce mai urgentă, lucru
care a îndemnat la dezvoltarea tehnologiilor ,,verzi”, precum cele ale panourilor solare.
Conversia energiei solare este unul dintre cele mai abordate subiecte din domeniul energiei
regenerabile. Radiația sol ară este deobicei transformată în două forme de energie: energie
termică și electrică. Electricitatea produsă de către soare are aplicații în multe sisteme, cum ar
fi electricitatea rurală, pomparea apei și comunicațiile prin satelit.
Eficiența sistemului fotovoltaic depinde de condițiile climatice ale radiației solare, de
temperatura ambiantă și de viteza vântului, de potrivirea sistemului cu sarcina și de amplasarea
corespunzătoare a panourilor solare. Majoritatea panourilor solare utilizate astăzi sunt
staționare și, prin urmare, nu furnizează în mod consecvent puterea maximă pe care o pot
produce efectiv.
Această lucrare își propune dezvoltarea unui tracker solar ce va urmări soarele pe tot
parcursul zilei și va ajusta unghiul panoului fotovoltaic pen tru a face ca energia ecologică să
fie normal pe suprafa ța acestuia în orice moment. Orientarea panourilor solare poate crește
eficiența sistemului de conversie de la 30% până la 60%.
Așadar, ansamblul de urmărire a poziției soarelui pe bolta cerească este un sistem
mecatronic care integrează sistemele electrice, mecanice, precum și cele de hardware și
software.

2
Capitolul 1. Resursele energetice ale Pământului. Stadiul actual în
domeniu .
Sursele de energie alternativă sunt acelea care nu au niciun fel de impact negativ asupra
mediului, sunt gratuite și inepuizabile. Implementarea lor în locuințe, în fabrici și uzine sau chiar
în mașini nu necesită costuri exorbitante sau o tehnologie ultra avansată. Oamenii de știință
încearcă în permanență să descopere noi surse alternative de energie sau să le eficientizeze pe cele
deja existente, astfel încât ele să poată susține în viitor nevoile populației. Printre cele mai noi și
popul are tehnologii se numără turbine cu gaze de mare per formanță, turbine eoliene de mare
putere, panourile fotovoltaice și captatoarele solare, prez intă o forță ce amplifică ace st proces.
Chiar dacă factorul energetic ale acestor instalații este produs în cantități mici, există totuși
posiblitatea de realizare la o scară de masă a unor astfel de mijloace, folosite pentru producere a
energie, implementând astfel un sistem mai puțin costisitor și mult mai descentralizat.
Utilizând aceste tipuri de tehnologii, din ce în ce mai frecvent, poate avea un impact
benefic asupra modului de gestionare și valorificare a resurselor ecologice de energie, întrucât
acestea sunt disponibile oriunde, îndeosebi energia solară.
Aceste lucruri fiind creionate, putem spune că omenirea benficiază de trei categorii de
surse de energie, bizuite pe:
• exploatarea și arderea combustibililor fosili (cărbune, țiței, gaze naturale, etc.)
• fabricarea energiei prin pr ocesul de fisiune nucleară
• captarea și conversia energiilor regenerabile (energia vântului, energia solară,
energia potențială a apelor din râuri, energia termică a apelor subterane, energia
valurilor etc).
Ultima categorie se deosebește de restul din mai multe puncte de vedere printre care:
• capacitatea de a fabrica energie în diferite cantități, funcție de momentul zilei sau
anotimp
• costul energiei produse
• consecințe asupra mediului.
Concluzionând, sursele de energie primare sunt epuizabile și nocive, astfel, punându -se
accent pe exploatarea energiilor verzi.

3
1.1. Utilizarea și producerea energiei. Aspirația global europeană.
Structura consumului mondial de resurse energetice în producerea energiei electrice
este următoarea:

Fig 1.1. Consumul de resurse enrgetice
Pentru producerea energiei electrice, pe plan mondial, se poate observa în fig. 1.1
procentajul necesar de combustibili fosili necesar de 63% din care :
• cărbune 37%
• gaze naturale 16%
• țiței 10%
• apoi energia hidroelectrică și nucleară.
Resurse le globale de țiței, gaze și cărbu ne confirmate actual sunt suficiente de a acoperi
necesitatea de energie până la finele secolului al XXI-lea. În termen scurt, anul 2020, surse le
regenerabile de energie vor putea concura la egal cu combustibilul fosil.
Se presupu ne că la nivelul anului 2020 surse le regenerabile de energie ar putea acoperi
de la 3…4% până la 8-12% din consumul mondial de energie.

4
1.2. Folosirea energiei nepoluante pe plan internațional.
Datorită crizei petrolului din anul 1 972, începând cu cca. 50 de ani în urmă, s -a recurs la
exploatarea energiilor verzi, în deosebi energia solară, eoliană, a apelor geotermale și a mareelor.
De-a lungul anilor, prin această dorință a omen irii de a găsi surse de energie cât mai puțin nocive
a ajuns în prezent să constituie un procent important din balanța de furnizare a energiei în multe
țări ce posedă un potențial în acest domeniu.
Potrivit Agenției Internaționale pentru Energii Regenerabile (IRENA), anul 2 016 s -a
dovedit ca fiind un an record pentru energiile naturale, capacitățile instalate a acestor sisteme
prezentându -se astfel :
Tip energie Capacitate instalată (GW)
1) Centrale solare 71
2) Centrale eoliene 51
3) Hidrocentrale 30
4) Centrale pe biomasă 9
5) Centrale geotermice 1
TOTAL 162
Tabel 1.2.1. Tipurile de energie și capacitatea instalată a acestora
Pe baza tabelului de mai sus se observă cum energia solară a depășit -o pe cea eoliană.
Conform IRENA, în anul 2 016 au fost create la nivel mondial centrale electrice pe baza energiei
curate la o capacitate totală de 161 gigawați (GW). Acesta ar fi echivalentul a 161 de centrale
atomice sau pe bază de cărbuni.
La sfârșitul anului 2 016, capacitatea totală globală a energiilor regenabile folosite la
generarea de curent electric se ridica la 2 006 GW, mai mult decât dublu față de acum zece ani.
Schimbarea de direcție în sectorul energetic este stimulată mai ales de faptul că sistemele solare și
eoliene au devenit rentabile ; cele dou ă reprezintă de altfel 80% din noile centrale pe bază de energii
curate din ultimul deceniu.
Totuși e ste evident că pe termen mediu surse le regen erabile de energie nu pot fi privite ca
alternat ivă totală la surse le convenționale, dar este cert că, în măsura potențialului local, datorită
avantajelor pe care le au (ecologice, ieftine, etc.), trebuie utilizate în paralel cu energia nucleară
și combustibilii fosili.

5
Capitolul 2. Conversia radiației solare în energie electrică.
2.1 Considerații generale privind energia solară

Soarele reprezintă sursa de ener gie a Pământului, contribuind la menținerea tempe raturii
planetei. Fără acesta, P ământul ar avea o temperatură de aproape 0° Kelvin, temperatură la care
încetează orice mișcare (inclusiv a electronilor).
Soarele este o sursă, aproape inepuizabilă, de energie, în sens că radiația soarelui ne va mai
încălzi și oferi energie încă 4 – 5 mil iarde de ani de acum încolo. În tr-un singu r an, el trimite spre
pământ de 20 000 de ori energia necesară întregii populații a globului, mai exact, primim de la
soare anual o cantitate de energie de 1 5177 × 1014 kWh [wiki] . Această resur să este însă distribuită
inegal si fluctuant.

Fig. 2.1 .1. Interacțiunile dintre energia solară, atmosfera și suprafața terestră : Rev.
Tehnic ă Instalațiilor nr. 5/2003
Regiunile din apropierea ecuatorului primesc mult mai multă lumină decât zonele cu latitudine
mai mare, iar norii pot absorbi sau împrăștia energia solară înainte ca aceast a să ajungă pe
Pământ. De aceea , multe aplicații ale energiei solare sunt prac ticabile doar în zone cu lumină
solară puternică.

6
Din punct de vedere al comportamentului radiației solare ajunse pe Pământ :

• 30% este reflectată in spațiu

• 47% este absorbită și remisă spațiului sub formă de radiație în infraroșu

• 23% este folosită în ciclul de evaporare și precipitații ale atmosferei

• 0,5% se regăsește sub formă de fotosinteză în plante.

Soarele ne trimite radiații pe o gamă largă de lungimi de unde cu intensități diferite. Radiația
solară electromagnetică care ajunge la partea superioară a atmosferei se numeste radiație
extraterestră. Integrala medie pentru spectrul complet este 1 367 W/m2 (Const anta solar ă).
În mod obișnuit lungimea de undă a radițiile solare și a celei atmosferice este măsurată în
nanometri (nm, 10-9m), iar pentru radiații infraroșii in micrometri ( µm, 10-6m). Domeniile sunt
prezentate în tabelul de mai jos. În astronomie și în cărțile mai vechi se pot găsi lungimi de undă
exprimate în Angstr öm (Å, 10-10m). [echipot]
Lungimile de undă ale radiațiilor solare și atmosferice pentru aplicații

Unde scurte
UV-C 100 – 280 nm Emise de soare, absorbite în totalitate de atmosferă
Pământului înainte de a ajunge la suprafața sa
UV-B 280 – 315 nm 90% absorbite de atmosfera Pământului, dar foarte active din
punct de vedere biologic, provoacă arsuri ale pielii
UV-A 315 – 400 nm Emise de soare, cele mai multe ajung la suprafața Pământului,
dar nu sunt foarte active din punct de vedere biologic
Vizibile 400 – 780 nm Lumina vizibilă, de la violet la roșu (culorile curcubeului)
Unde lungi
(infraroș ii) NIR 780 nm – 3 µm Radiație termică de la soare
FIR 3 µm – 50 µm Radiație termică de la atmosferă, nori, pământ și mediul
înconjurator
Tabelul 2.1.2. Lungimile de undă ale radiației solare și atmosferice
Pe baza tabelului 2.1.2. putem afirma faptul că fiecarei lungimi de undă îi este asociată o
frecvență și o energie, a cărei exprimare este în electro – volți (eV). Spre deosebire de lumina
roșie, care din punct de vedere vizibil are energia cea mai mică, lumina violet are energia
cea mai mare.
În spect rul invizibil, razele ultraviolete, au o energie mai mare decât spectrul vizibil,
în vreme ce razele infraroșii, pe care le simțim drept căldură, au o energie mai mică decât energia
luminii.
Aceste afirmații sunt indispensabile, întrucât celula solară (unitatea morfofuncțională a
panoului fotovoltaic) se comportă în mod diferit la varietatea lungimilor de undă a luminii, în
funcție de materialul folosit pentru fabricare.

7
De exemplu , siliciul monocristalin poate procesa întregul spect ru vizibil, plus o parte a
spect rului infraroșu. Lungimea de und ă prea mare a radiațiilor sunt caracterizate printr -o energie
mică, fi ind prea slabe energetic vorbind, pentru a produce curent electric.
Aidomă radiațiile ale căror energie este prea mare, pot fi convertite în curent electric, dar
mare parte din impetuozitatea lor nu este utilizată.
Ca atare, datorită alternanței sinusoidale energetice a luminii , celulele solare nu reusesc să
o transforme pe aceasta în enegie electric ă, ci o preschimbă în enegie calorică.
În estimarea posibilităților de utilizare a energiei solare în aplicațiile terestre trebuie avute
în vedere atât avantajel e, cât și dezavantajele energiei solare.
Principalele avantaje sunt următoarele:
• energia solară este practic inepuizabilă;
• este o formă de energie nepoluantă;
• este disponibilă practic pretutindeni;
• ,,combustibilul” solar este gratuit.
Dezavantajele energiei solare sunt:
• radiația solară incidentă pe Pământ este variabilă, depinzând de: ciclul zi/noapte,
ciclul
• anotimpurior și condițiile meteorologice locale;
• energia solară la suprafața Pământului este dispersată, atingând la amiază, în c ele
mai bune condiții cca. 1 kW/m2.
Aceste însușiri, ale energiei solare, au făcut ca omenirea, confrunta ta cu o criza
energetică serioasă, să se Întoarcă la surse le primare, să recons idere utilizările posibile si
rentabile ale energiei solare.

2.2 Efectul fotovoltaic
Descoperirile care au condus la dezvoltarea tehnologiilor celulelor fotovoltaice, au început
în urmă cu 200 de ani. Aceste descoperiri legate de proprietățile luminii au făcut din energia
solară ceea ce este astăzi.
În anul 1 839, a fost descoperit efectul fotovoltaic de către omul de știință francez Edmond
Becquerel, acesta fiind pricipalul proces fizic care stă la baza tehnologiilor de construcție a
celulelor solare ce convertesc radiația luminoasă în energie electrică .

8
După efectuarea unei cercetări folosind o celulă electrolitică, făcută din 2 electrozi de metal , a
concluzionat faptul că anumite materiale pot produce mici cantități de energie electrică atunci
când sunt expuse la lumină.
Între anii 1 873 – 1 876, fotoconductivitatea seleniului este descoperită de către inginerul
englez Willoughby Smith , ceea ce înseamnă că seleniul devine conductiv electric atunci când
absoarbe lumina. Trei ani mai târziu, William Grylls Adams și Richard Evans au aflat că seleniul
ar putea produce energie electrică din lumină , fără căldură sau părți în mișcare care ar putea să se
descompună. Această descoperire a demonstrat că energia solară a fost ușor de recoltat și
menținută .
În perioada 1 953 – 1 956, fizicienii de la Bell Laborato ries au descoperit că siliciul este
mai eficient decât seleniul, creând prima celulă solar ă practică , cu o eficien ță de 6% . Pe baza acestei
descoperiri celulele solare erau capabile să alimenteze echipamentele electronice. Cele mai multe
celule solare mode rne, în zilele noastre, folosesc cristale de siliciu .
În concluzie , din anul 1 958, an în care energia solară a fost folosită pentru prima dată în
spațiu și până în prezent, radiația luminoasă a parcurs un drum lung de la observarea proprietăților
sale până la găsirea de noi modalități pentru a o transforma în putere. Această tehnologie nu
prezintă semne de încetinire – dacă nu, progresează cu o rată fără precedent.
Def.: Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare într -un mat erial solid aflat sub
acțiunea luminii este denumit efect fotovoltaic [bal07]. Energia electrică poate fi obținută prin
convertirea directă a energiei solare, pe baza acestui efect.
Generatoarele fotovoltaice (FV), numite și celule fotovoltaice sau fot ocelule, sunt
dispozitivele la nivelul cărora se produce fenomenul de convertire a energiei luminii solare în
energie electrică prin efect fotovoltaic.
Anumite materiale, în timpul expunerii la lumină, generează current electric la nivel atomic.
Când lumina strălucește pe o fotocelulă , ea poate fi reflectată, absorbită, sau să treacă
direct prin material. Însă numai lumina absorbită generează electricitate.
Pentru a înțelege cât mai bine acest proces, este necesar să cunoaștem fenomenele care au
loc în joncțiunea p – n a 2 materiale semiconductoare de tip p și de tip n.
În cele ce urmează vom nuanța elementele de bază necesare pentru explicarea și înțelegerea
principiuui de funcționare a generatoarelor eletrice.

9

10

11

12