Potentialul de Energie Solara In Romania

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

1.1 Energie si clasificare

Energia reprezinta capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr-o stare in alta stare. Energia se afla in diferite forme in natura, iar prin conversie, fenomenele energetice trec dintr-un sistem in altul. Alte exemple clasice in energetica sunt procesele care seproduc in Soare, fuziune si fisiune , sau energia chimica din lemn si transformarea ei in energie termica si mecanica.

Energia se imparte in doua categorii: Epuizabila si Regenerabila.

O clasificare clasica ar fi urmatoarea:

Resurse clasice reprezentate de lemn, carbuni, hidrocarburi, energia hidraulica si combustibilii nucleari.

Resursele neclasice sau Resurse inepuizabile, cu o pondere inca redusa in balanta energetica: radiatia solara, energia eoliana, energia geotermala, energia oceanelor, etc.

Alte resurse energetice aflate in studii de laborator bazate pe tehnologie fizica si chimica.

Energia regenerabila face referirela formele de energie ce sunt produse prin transferul energetic al energieirezultate din procese naturale regenerabile. Resursele inepuizabile sunt: energia luminii solare,energia eoliana, energia geotermala si energia mareelor.

1.1.1 Energia eoliană 

Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului. La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73 904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1 % din necesarul mondial de energie electrică.

Potential energetic eolian

Cantitatea de energie produsă depinde de mai mulți factori. Viteza vântului, împreună cu diametrul rotorului și densitatea aerului în mișcare sunt printre cei mai importanți. De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că deși o turbină funcționează aproximativ 90% din timp, ea produce energie proporțional cu 25-40% din puterea instalată. Astfel, pentru o turbină de 2,3 MW, producția de energie într-un an va fi între 5500 – 7000 MWh. 

Fig.

România are un potențial eolian important, disponibil pe aproape 2/ 3 din teritoriu; Acest potențial se încadrează în zona de utilizare “bună spre foarte bună”. Cel mai mare potențial eolian îl are Moldova, Dobrogea și o mică parte din Bărăgan.

Fig.

Ore pe an cu viteza vantului mai mare de 4 m/s:

Zona 1: 5000 ore.

Zona 2: 4000 ore.

Zona 3: 3000 ore.

Zona 4: 2500 ore.

Zona 5: 1500 ore.

Avantajele energiei eoliene :

Emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră.

Nu se produc deșeuri.

Costuri reduse pe unitate de energie produsă.

Costuri reduse de scoatere din funcțiune.

Dezavantajele energiei eoliene:

Pretul destul de mare de producere si fiabilitatea relativ redusa a turbinelor.

Poluarea vizuala.

Variatia in viteza vantului.

Fig

Pentru captarea energiei eoliene se folosesc Turbine Eoliene. Aceseta difera in functie de dimensiuni si putere. Din punct de vedere constructiv turbinele eoliene se pot imparti in doua categorii: Turbine cu ax orizontal si turbine cu ax vertical:

Turbinele cu ax orizontal HAWT sunt cele mai raspandite, reprezentand solutia cea mai buna pentru parcurile eoliene de mare putere unde generatoarele au o putere instalata de ordinul megawatilor.

Turbinele cu ax vertical VAWT sunt folosite pentru aplicatii de putere mult mai mica, avand in general o putere de cativa kilowati. In comparatie cu turbinele cu ax orizontal , VAWT prezinta anumite avantaje: nu necesita sistem de orientare, preiau curentii de aer din orice directie, intretinerea este simplu de realizat, durata de viata mai mare, etc.

Turbina eoliana este compusa din:

Palele au rolul esential pentru a asigura forta de rotatie.

Nacela contine generatorul electric asigurand si o protectie mecanica.

Pilonul asigurastructura de sustinere si rezistenta ansamblului superior.

Fundatia asigura rezistenta mecanica a generatorului .

Fig.

Costurile energiei eoliene

1.1.2 Energia geotermala

Energia geotermala reprezinta caldura ce provine din interiorul Pamantului. Se gaseste in zonele cu activitate vulcanica si tectonica si se obtine prin captarea apei fierbinti si a aburilor. Sefoloseste la incalzirea locuintelor si pentru obtinerea curentului electric.

Fig.

Avantajele centralelor geotermale:

Energia geotermala este mai ieftina decat energia rezultata din combustibilii fosili.

Energia rezultata este curata pentru mediul inconjurator si regenerabila.

Centralele geotermale nu sunt afectate de conditii meteorologice si ciclul noapte / zi

Dezavantajele centralelor geotermale:

Zonele cu activitate geotermala se racesc dupa cateva decenii de utilizare.

Cresterea instabilitatii solului din zona, putand fi cauzate chiar si cutremure de intensitate redusa.

Fig.

1.1.3 Energia mareelor (Energia valurilor)

Energia mareelor este energia ce poate fi captată prin exploatarea energiei potențiale rezultate din deplasarea pe verticală a masei de apă la diferite niveluri sau a energiei cinetice datorate curenților de maree. Energia mareelor rezultă din forțele gravitaționale ale Soarelui și Lunii, precum și ca urmare a rotației terestre.

Sistemele de captare a energiei valurilor sunt de trei tipuri:

Sistemul de conducte sub presiune.

Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului.

Sistemul pistonului lichid.

Centralele mareomotrice sunt de doua tipuri:

Centrale fara baraj

Centrale cu baraj

Fig.

Conceptul de bază al centralelor electrice ce valorifică energia mareelor este acumularea unor volume mari de apă într-o zonă în care să se poată crea o anumită presiune, urmând apoi, ca apa să curgă în, sau din această incintă prin turbine hidroelectrice de cădere joasă. Centralele pot fi operate la flux, la reflux, sau în ambele situații. Cea mai des utilizată metodă este generarea la reflux.

1.1.4 Energia Solara

Energia solara este energia radianta produsa in Soare ca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara. Ea este transmisa pe Pamant prin spatiu in cuante de energie numite fotoni, care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamantului.

Fig.

Energia solară poate fi folosită să:

genereze electricitate prin celule solare.

genereze electricitate prin centrale termice solare.

încălzească clădiri, direct.

încălzească clădiri, prin pompe de căldură.

încălzească clădiri și să producă apă caldă de consum prin panouri solare termice.

1.2 Strategia energetica a Romaniei

Într-un context din ce în ce mai globalizat, politica energetică a României se realizează în cadrul schimbărilor și evoluțiilor ce au loc pe plan național și european. În acest context politica energetică a României trebuie să fie corelată cu documentele similare existente la nivel european pentru a asigura convergența politicii țării noastre cu politica Uniunii Europene în domeniu.

Strategia energetica urmareste ducerea la bun sfarsit a principalelor obiective ale politicii „energie-mediu” ale Uniunii Europene, obiective asumate si de Romania.

Siguranta energetica

Protectia infrastructurii critice;

Diversificarea surselor de import, a resurselor energetice si a rutelor de transport a acestora;

Cresterea sigurantei energetice prin asigurarea necesarului de resurse energetice si limitarea dependentei de resursele energetice de import;

Dezvolare durabila

Cresterea eficienței energetice;

Promovarea producerii de energie electrica si termica in centrale cu cogenerare, in special in instalatii de cogenerare de inalta eficienta;

Promovarea producerii energiei pe bază de resurse regenerabile;

Utilizarea rationala si eficienta a resurselor energetice primare;

Reducerea impactului negativ al sectorului energetic asupra mediului înconjurător.

Competitivitate:

liberalizarea tranzitului de energie și asigurarea accesului permanent și nediscriminatoriu al participanților la piață la rețelele de transport, distribuție și interconexiunile internaționale,

dezvoltarea piețelor concurențiale de energie electrică, gaze naturale, petrol, uraniu, certificate verzi, certificate de emisii a gazelor cu efect de sera și servicii energetice;

continuarea procesului de restructurare și privatizare, în special pe bursă, în sectoarele energiei electrice, termice și gazelor naturale.

1.3.Situatia actuala a sectorului energetic din zona surselor energetice regenerabile.

Sursele regenerabile de energie din România au un potențial important. Potențialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și a restricțiilor de mediu. Cu excepția centralelor hidroelectrice mari, costurile de producere a energiei electrice în unități ce utilizează surse regenerabile sunt în prezent superioare celor aferente utilizării combustibililor fosili și nuclear. Stimularea utilizării acestor surse și atragerea investițiilor în unități energetice ce utilizează surse regenerabile se realizează prin mecanisme de susținere, în conformitate cu practica europeană, mecanisme ce duc și la creșterea prețului energiei electrice la consumatorul final.

1.4.Harta surselor regenerabile de energie, disponibile pe regiuni

Cu excepția centralelor hidroelectrice mari, costurile de producere a energiei electrice în unități ce utilizează surse regenerabile sunt în prezent superioare celor aferente utilizării combustibililor fosili și nuclear. Stimularea utilizării acestor surse și atragerea investițiilor în unități energetice ce utilizează surse regenerabile se realizează prin mecanisme de susținere, în conformitate cu practica europeană, mecanisme ce duc și la creșterea prețului energiei electrice la consumatorul final.

Fig 1.4

Legenda:

Delta Dunării (energie solară);

Dobrogea (energie solară și eoliană);

Moldova (câmpie si podiș – microhidro, energie eoliană și biomasă);

Munții Carpați ( biomasă, microhidro);

Podișul Transilvaniei (microhidro);

Câmpia de Vest (energie geotermală);

Subcarpații(biomasă, microhidro);

Câmpia de Sud (biomasă, energie geotermală și solară).

Capitolul II

Energia Solara

2.1 Generalizare

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. Producerea de energie electrică din energie solară se bazează pe instalatii termice și pe panourile fotovoltaice.

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 regenrabile disponibile pe pământ. Din energia solară se utilizează numai o foarte mică parte.

Fig.

Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de obicei panourile solare. Tehnologiile solare pot fi, în general, pasive sau active în funcție de modul în care energia solară este captată, convertită și and distribuită. Tehnicile solar active includ 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.

Aplicatii tehnice ale energiei solare:

Panourile solare care generează căldură.

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

Deșeurile din plante pot fi procesate pentru a produce sau gaze ce se pot utiliza apoi în scopuri energetice.

Centralele eoliane și hidro generează electricitate.

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

Celulele solare care produc direct curent electric.

2.2. Potentialul de energie solara in Romania

România este localizată într-o zonă cu potențial solar bun, beneficiind de 210 zile însorite pe an și un flux anual de energie solară cuprins între 1000 kWh/mp/an și 1300kWh/mp/an. Din această cantitate doar 600-800 kWh/mp/an sunt utilizabili din punct de vedere tehnic. Potențialul energetic solar s-a reflectat în ultimii ani în creșterea investițiilor în centrale solare: în 2007 centralele solare din România aveau o capacitate de producție de 0.30 MW, crescând în 2011 la 2.9 MW și ajungând la 5 MW în 2012. România se află pe locul 13 între cele mai atractive țari din lume în ceea ce privește investițiile în acest domeniu

Fig 2.1

Regiunea de sud-est a României, vestul, centrul dar și estul țării sunt cele mai bune locuri pentru a amplasa un parc solar, arată harta potențialului solar al României publicată pe site-ul Asociației Române a Industriei Fotovoltaice – RPIA. Comparativ cu energia eoliană, unde potențialul de vânt este concentrat cu precădere în zona Dobrogei și a Moldovei, potențialul solar al României este răspândit aproape pe întreg teritoriul țării.

2.3. Factorii ce influienteaza radiatia solara

Din cauza distanței mari dintre Soare și Pământ (150×106 km) și a razei terestre relativ mici (6.370 km), doar a întâia miliarda parte din energia totală emisă de Soare ajunge la partea superioară a atmosferei (1368 Wm2), cantitate suficientă însă pentru a asigura baza resurselor energie terestră. Luând în considerare faptul că 30% din radiația incidentă este reflectată înapoi în spațiu (albedou), energia totală primită de către Terra reprezintă aproximativ 10^17 W. Străbătând atmosfera terestră, radiațiile solare suferă influența acesteia, iar rezultatul acestei influențe îl constituie reducerea energiei solare care ajunge la suprafața scoarței terestre.

Un factor important îl reprezintă masa atmosferei străbătute, care diferă foarte mult în funcție de înălțimea Soarelui deasupra orizontului. Străbătând atmosfera, anumite radiații solare sunt absorbite în mod selectiv de diferite gaze și elemente ale acesteia (O2, CO2, O3, H2O) sau global de particulele aflate în suspensie. Alte radiații sunt difuzate în masa atmosferei sau reflectate de aceasta.

Fig

Pornind de la datele disponibile s-a alcătuit o hartă ce schematizează distribuția radiației solare pe teritoriul României. Harta a fost realizată prin analizarea si prelucrarea datelor furnizate de către ANM, Nasa, JRC si Meteotest.

Fig

Pe hartă există 3 zone de interes:

Prima zona: include suprafețele cu cel mai ridicat potențial și acoperă Dobrogea și o mare parte din Câmpia Română.

A 2-a zona include nordul Câmpiei Române, Podișul Getic, Subcarpații Olteniei  și Munteniei o bună parte din Lunca Dunării,  sudul  și centrul  Podișului Moldovenesc  și Câmpia  și Dealurile Vestice  și vestul Podișului Transilvaniei, unde radiația solară pe suprafață orizontală se situează între 1300 și 1400 MJ / m2.

A treia zona dispune de mai puțin de 1300 MJ/m2și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și Rama Carpatică.

Zona de interes deosebit pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare in țara noastră este cea ce acoperă Dobrogea și o mare parte din Câmpia Română. În concluzie nivelul de radiații din România este foarte bun comparativ cu cel al altor țări cu climat temperat, iar diferențele, in funcție de zona geografică, sunt foarte mici.Din acest motiv țara noastră se situează în zona europeană B de însorire, ceea ce ofera avantaje reale pentru exploatarea energiei solare.

2.4.Conversia energiei solare

Pentru a putea utiliza energia solara este nevoie de o conversie a acesteia în alte forme de energie.

Tipuri de conversie :

conversia fototermicã.

conversia fotomecanicã.

conversia fotochimicã.

conversia fotoelectricã.

2.4.1.Conversia fototermicã

Conversia fototermica presupune transferul energetic de la razele soarelui la apa, abur, aer cald, alte medii. Caldura astfel obtinuta poate fi folosita direct sau convertita în energie electrica, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic. Conversia fototermica prezintã o mare importanta în aplicatiile industriale, încalzirea cladirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.

Fig.

2.4.2.Conversia fotomecanica

Conversia fotomecanica este importanta în energetica spatiala, unde, conversia bazata pe presiunea luminii da nastere la motorul tip "vela solara", utilizat la zborurile navelor cosmice. Conversia fotomecanica se refera la echiparea navelor cosmice destinate calatoriilor lungi, interplanetare, cu asa-zisele "pânze solare", la care, datorita interactiunii dintre fotoni si mari suprafete reflectante, desfasurate dupa ce nava a ajuns în vidul cosmic, se produce propulsarea navei prin impulsul cedat de fotoni la interactiune.

Fig.

2.4.2.Conversia fotochimica

Conversia fotochimica se împarte în doua categorii: una presupune utilizarea directa a Soarelui prin excitarea luminoasa a moleculelor unui corp, iar cealalta utilizarea indirecta prin intermediul plantelor (fotosinteza) sau a transformãrii produselor de dejectie a animalelor. Conversia fotochimica se utilizeaza la obtinerea pilelor de combustie prin procesele amintite mai sus.

2.5.Harta solara a Romaniei

Fig.

Cu 210 zile insorite pe an, Romania poate beneficia de un flux anual de energie situat intra 1000 si 1.300 kWh/mp/an.

Nivelul de radiatii din Romania este foarte bun comparativ cu cel al altor tari cu climat temperat, iar diferentele, in functie de zona geografica, sunt foarte mici. Radiatia solara pe teritoriul Romaniei atinge valorile maxime in iunie, 1,49 kWh/ m2/zi, minimele fiind inregistrate in luna februarie, 0,34 kWh/ m2/zi.

Romania se imparte in trei zone principale de insorire: zona rosie, aproximativ 1.650 kWh/mp/an, corespunde Olteniei, Munteniei, Dobrogei si sudului Moldovei, zona galbena, 1.300-1.450 kWh/mp/an, include regiunile carpatice si subcarpatice ale Munteniei, toata Transilvania, partea de mijloc si de nord a Moldovei, Banatul, iar zona albastra, 1.150-1.300 kWh/mp/an, regiunile de munte.

2.6. Potentialul solar al Romaniei

In privința radiației solare, ecartul lunar al valorilor de pe teritoriul României atinge valori maxime în luna iunie (1.49 kWh/ m2/zi) și valori minime în luna februarie ( 0.34 kWh/ m2/zi).

2.6.1.Potential solar-termal

Sistemele solar-termale sunt realizate, in principal, cu captatoare solare plane sau cu tuburi vidate, in special pentru zonele cu radiatia solara mai redusa din Europa.

2.6.2. Potential solar-fotovoltaic

2.7. Temperatura medie anuala a Romaniei

2.8. Potentialul de energie solara la nivel global

Date de radiații utilizate în această lucrare se bazează pe DLR-ISIS (Irradiance at the Surface derived from International Satellite Cloud Climatology Project (ISccp) data) al centrului aerospatial german (DLR).

Datele provenite de la DLR-ISIS sunt impartite in 280 km x 280 km grilă zona egal la doze de distribuție de 72 de pași de 2,5 ° latitudine.Setul de date utilizat pentru iradierea normală directă cuprinde valori lunare pentru anul 2004. Anual valoarea medie pentru fiecare cutie de grilă este rafinat la un 1 ° grilă prin aplicarea la distanta valori medii ponderate ale DLR-ISIS pentru a permite o corelare a densității populației.Hărți de resurse solare pentru evaluare CSP sunt vizualizate prin iradiere normală directă (DNI) pe suprafata si an, in mod normal in unitati de kWh/m²/y care sunt adecvate pentru cerintele CSP.

CAPITOLUL III

SISTEMUL FOTOVOLTAIC

3.1. Generalizare

Un sistem fotovoltaic converteste in mod direct energia solara in energie electrica pe baza efectului fotovoltaic si o aduce la parametrii electrici ceruti de consumator.

Fig.3.1

3.1.1 Generatorul Fotovoltaic

Generatorul Fotovoltaic este format din una sau mai multe celule fotovoltaice interconectate

Fig.

Schema bloc generala a unui SFV

Fig.

GFV -generatorul fotovoltaic

USE -unitatea de stocare a energiei generate fotovoltaic

BPE -blocul de procesare al energiei electrice

Cel mai adesea GFV este format din unul sau mai multe module fotovoltaice.

Printr-un modul fotovoltaic se intelege cel mai mic ansamblu de celule fotovoltaice interconectate, complet protejate fata de mediul ambient.

Fig.

EVA – Ethylene Vinyl Acetate

GFV de mare putere se realizeaza interconectind mai multe panourifotovoltaice. Un panou fotovoltaic este format dintr-un grup de module fixate impreuna, preasamblate si cablate electric.

Fig.

GFV de mare putere (sute kW sau zeci MW) se realizeaza interconectand un numar suficient de mare de module sau panouri fotovoltaice. O denumire alternativa pentru aceste GFV este aceea de array (lb. engleza) sau de matrice fotovoltaica.

Array reprezinta un ansamblu integrat mecanic de module sau panouri, impreuna custructura suport, exclusiv fundatia, sistemele de urmarire a soarelui, etc.

Fig.

Caracteristicile unui panou fotovoltaic sunt:

Tensiuneade mersingolUOC, respectiv, tensiunea la bornele celulei, atunci cand curentul debitat este nul.

Curent de scurtcircuit ISC, respectiv curentul debitat de celula, atunci cand tensiunea la bornele sale este nula

Tensiunea in punctual optim de functionare UMPP

CurentulinpunctualdeputeremaximaIMPP

PuteremaximaPMPP

Factor de umplere FF

Coeficient de modificare a puterii cu temperature celulei

Randamentul celulei solare η

3.2. Principiul de baza al conversiei energiei

Fotonii compun lumina. Acestia pot penetra anumite materiale, sau chiar sa le traverseze. In general, o razade luminacare atinge suprafata unui mediu, poate suporta treifenomene optice:

Reflexia: lumina este intoarsa de catre suprafata;

Transmisia: lumina traverseaza obiectul;

Absorbtia: lumina penetreazaobiectulsi nuil mai paraseste, energia fiind restituitaintr-o altaforma.

Intr-un material fotoelectric, o parte a energiei fluxului luminos va fi restituita sub forma de energie electrica. Trebuie deci ca materialul sa aiba capacitatea de a absorbi lumina vizibila, aceasta fiind ceea ce se doreste a se converti: lumina solarasau a altor surse artificiale.

Sarcinile elementare ce vor determina aparitia unui curent electric in urma iluminarii, sunt electroni. Fotonii vor ceda energia lor, electronilor periferici, ceea ce le va permite sa se elibereze de atractia exercitata de nucleu. Acesti electroni eliberati vor putea forma un curent electric, daca sunt extrasi din material.

Pentru ca sarcinile eliberate prin iluminare sa genereze energie, trebuie ca acestea sa circule. Trebuie deci extrase din materialul semiconductor si creat un circuit electric.Aceastaextractie a sarcinilor se realizeaza prin intermediul unei jonctiuni create special in semiconductor. Scopul este de a crea un camp electric in interiorul materialului, care va antrena sarcinile negative intr-un sens, iar pe cele pozitive in celalalt sens. Aceasta se realizeaza prindoparea semiconductorului.

Fig.

Jonctiunea unei fotocelule cu siliciu este constituita dintr-o parte dopata cu fosfor (P), numita de tip "n", alipita unei parti dopate cu bor (B), numita de tip "p". La frontiera celor doua parti se creaza campul electric care separa sarcinile pozitivesi cele negative.

Fig.

3.2.1. Variatia puterii in functie de temperatura

Temperatura este un parametru important, deoarece celulele sunt expuse radiatiei solare, fiind posibila incalzirea lor. In plus, o parte din energia absorbita nu este convertita in energie electrica: se disipa sub forma de caldura. Din aceste motive, temperatura celulelor este intotdeauna mai ridicata decat a mediului ambiant.

Fig.

3.3. Efectul fotovoltaic

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume.

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.

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

Fig.

3.3.1.Determinarea eficientei panourilor solare

Eficiența panourilor solare fotovoltaice reprezintă capacitatea acestora de a converti lumina solară în energie electrică folosită pentru consum.

Să considerăm mai întâi că puterea maximă, Pmax, a unui panou de 200W este de 200W indiferent care este eficiența panoului. Suprafața pe care o ocupă aceste panouri pentru a strânge acei 200W este cea care dă eficiența acelui sistem. Eficiența panoului determină, deci, puterea furnizată pe unitatea de suprafață.

ηmax (eficiența maximă) = Pmax (puterea maximă de ieșire) / (ES, γsw (fluxul de radiație incidentă) * Ac (aria colectoare)).

3.4. Celula fotovoltaica

  O celulă solară constă din două sau mai multe straturi dematerial semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și suntdopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni„p” și „n”.

Această structură e similară cu a unei diode. Cândstratul de siliciu este expus la lumină se va produce o„agitație” a electronilor din material și va fi generat un curentelectric.Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafațăfoarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curențisuficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentruaceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii.

Fig.

3.4.1. Caracteristica tensiune-curent a celulei fotovoltaice

Fig.

Imp este curentul la puterea maxima a celulei, Vmp este voltajul la putere maxima al celulei, Pmp este puterea maxima a celulei, iarV0C este tensiunea de mersingol a celulei.

Caracteristica tensiune-curent (U-I) a unui modul fotovoltaic depinde in principal de intensitatea radiatiei solare si de temperatura celulelor. Astfel pentru diferiti parametri meteorologici exista o caracteristica de functionare a generatorului fotovoltaic. La intersectia caracteristicii U-I cu caracteristica sarcinii de la bornele generatorului fotovoltaicse gaseste punctul de functionare Pmp.

3.5. Tipuri de celule fotovoltaice

În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora (de regulă siliciul, așa cum s-a arătat anterior), se disting trei tipuri de celule fotovoltaice:

monocristaline;

policristaline;

amorfe

Monocristalele se obțin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subțiri care se utilizează la fabricația celulelor fotovoltaice. Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficiență a conversiei fotoelectrice, dar este și cel mai costisitor.

Policristalele se obțin în urma unui proces de producție mai puțin ieftin, constând din turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri. În procesul de solidificare, se formează cristale de diferite dimensiuni și forme, iar la marginea acestor cristale apar și unele defecte de structură. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puțin eficiente.

Structura amorfă se ob ține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu pe o suprafață de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei rețele atomice cu dispunere neregulată, denumită structură amorfă. În această rețea atomică apar și numeroase defecte, care diminuează performanțele electrice ale materialului. Grosimea stratului amorf de siliciu, obținut prin această metodă este mai mică de1µm.

3.5.1. Performanțele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice

Fig.

3.5.2. Materiale și tehnologii pentru producerea celulelor fotovoltaice

Foarte multe celule solare compuse din diverse materiale au fost dezvoltate in ultimii ani. Marea majoritate a celulelor sunt fabricate din siliciu. Celulele sunt clasificate ca si cristaline sau thin film.

Celulele cristaline sunt „felii taiate” din lingouri sau „piesa turnata” de cristale din siliciu, iar celulele thin-film contin straturi foarte subtiri din material ieftin ( sticla, inox sau plastic).

Fig.

Celule pe bază de siliciu sunt de doua feluri:

Strat gros: Celule monocristaline (c-Si) si Celule policristaline (mc-Si).

Strat subtire: Celule cu siliciu amorf (a-Si) si Celule pe bază de siliciu cristalin.

Materiale pentru producerea modulelor cu peliculă subțire de siliciu

În prezent, pentru fabricarea celulelor solare sunt folosite materiale precum siliconul monocristalin, siliconul policristalin, siliconul amorf, cadmiu-teluriu și seleniura de cupru-indiu.

Siliconul cristalin este cel mai folosit material compact pentru confecționarea celulelor solare este siliconul cristalin, cunoscut și sub denumirea de “silicon de clasă solară”. Siliconul compact este separat în multiple categorii în funcție de cristalinitatea sa și dimensiunea cristalelor în plăcuțele, blocurile sau benzile rezultate

Celulele solare  în strat subțire.

Tehnologia de producere a celulelor solare în strat subțire reduce cantitatea de material necesară pentru realizarea materialului activ al celulelor fotovoltaice. Majoritatea celulelor confecționate pe baza acestei tehnologii sunt prinse între două straturi de sticlă, rezultând astfel un modul solar.

Deoarece panourile pe bază de silicon folosesc un singur strat de sticlă, panourile în strat subțire sunt de două ori mai grele decât acestea. Majoritatea panourile în strat subțire au o eficiență scăzută și necesită o mai mare suprafață pentru producția unui wat de energie electrică decât cele din silicon.Cele trei tehnologii în strat subțire folosite în fabricarea de celule fotovoltaice sunt cadmiu-teluriu, seleniura de cupru-indiu-galiu și siliconul amorf.

O celulă solară pe bază de cadmiu-teluriu folosește un strat subțire de CdTe, un strat semiconductor care să absoarbă și să convertească lumina în energie electrică. Cadmiul prezent în aceste celule poate fi toxic dacă este eliberat. Din acest motiv, producătorii se asigură că eliberarea accidentală a acestuia, în timpul utilizării sau manipulării este imposibilă. Un metru pătrat de CdTe conține aproximativ aceeași cantitate de cadmiu ca și o baterie Nickel-cadmiu, dar într-o formă mai stabilă și mai puțin solubilă.

Celulele cu joncțiuni multiple sunt extrem de eficiente și au fost dezvoltate pentru aplicații speciale precum sateliții și explorarea spațială, iar, în prezent, folosirea acestora în sisteme terestre ar putea fi cea mai ieftină variantă per wat pentru energie solară.Aceste celule cu joncțiuni multiple sunt formate din mai multe straturi subțiri.

Celulele solare tandem bazate pe joncțiuni monolitice, conectate în serieși realizate din fosfură de galiu-indiu, arseniură de galiu și germaniu cunosc o cerere rapidă.Celulele cu triplă joncțiune pe bază de arseniură de galiu sunt de asemenea folosite în vehicule solare, precum triplul câștigător al Campionatului Mondial solar Nuna3, Solutra, Twenty One sau 21Revolution.

Celulele solare organice reprezintă o tehnologie destul de recentă, care promite reducerea substanțială a prețurilor și o amortizare mai rapidă a investiției. Aceste celule pot fi procesate dintr-o soluție, de aici reieșind și posibilitatea producerii acestora la scară largă la prețuri extrem de reduse.

Celulele fotovoltaice organice și celulele solare pe bază de polimeri sunt realizate din straturi subțiri de semiconductori organici, inclusiv polimeri precum vinilina polifenilenă și componente moleculare. Eficiența conversiei energetice obținută prin utilizarea unor astfel de celule este, la ora actuală, relativ redusă în comparație cu materialele anorganice. Cu toate acestea, tehnologia a cunoscut o creștere remarcabilă, mai ales având în vedere faptul că aceste celule pot fi benefice pentru diverse aplicații în care flexibilitatea mecanică și disponibilitatea sunt cerințe principale.

Celulele solare în strat subțire de silicon sunt obținute prin depunerea chimică a vaporilor de gaz silan și hidrogen. În funcție de parametrii de depunere se poate obține:

Silicon amorf

Silicon protocristalin

Silicon nanocristalin, denumit și silicon microcristalin

3.6.Factori ce infuenteaza performantele sistemelor fotovoltaice

Performanțele sistemelor fotovoltaice sunt influențate de un număr diversificat de factori cum ar fi:

a) Factori meteorologici:

Radiația solară

Temperatura ambiantă

Viteza vântului

Precipitații

Caracteristica I-V pentru câteva valori ale densității de putere radiantă:

Fig.

b) Factori de amplasament:

Orientarea și înclinarea

Umbrirea generatorului solar

Gradul de poluare

Reflexiile locale

c) Factori la nivelul generatorului fotovoltaic:

Performanțele modulelor / dispersia caracteristicilor

Interconectarea modulelor

Elementele de protecție

Modul de integrare

d) Factori la nivelul sistemului de conversie:

Pierderi de adaptarea la sarcină

Pierderi la nivelul sistemului de stocare

Pierderi la nivelul sistemului de condiționare a puterii

Pierderi Joule / Căderi de tensiune

e) Factor de performanță:

EAC energia la consumator (ieșire invertor)

EGS energia solară în planul de captare

ηSTC randamentul modulelor în condiții standard de testare

3.7. Generarea energiei electrice prin sistemul fotovoltaic

Capitolul IV

Exemplu casa de vacanta alimentata prin panouri solare

4.1. Exemplu casa de vacanta alimentata prin panouri solare

Conectata la retea:

Fig.

Auto-sustinere:

Fig.

4.2. Dispozitive folosit pentru alimentarea cu panouri solare

4.2.1. Panouri solare pentru incalzirea apei menajere

Fig.

Componente:

1 – Cadru de aluminiu

2- Izolatie cu spuma poliuretanica

3- Izolatie cu vata de sticla

4- Izolatie cu spuma poliuretanica

5 – Foaie de cupru sudata cu ajutorul tehnologiei ultrasunetelor

6 – Sticla tratata, calita, facuta sa reziste in conditii extreme si sa creasca mult capacitatea de absortie a razelor solare

7 – Exterior din inox

8- Izolatie cu spuma poliuretanica

9 – Exterior din inox

10 – Sistem cu circuit inchis presurizat care permite transferul rapid si fara pierderi a energiei termice

11 – Energie suplimentara care se face printr-o rezistenta electrica. O solutie suplimentara numai pentru zile fara soare.

12 – Sistem de protectie realizat cu ajutorul unei baghete de magneziu, marind durata de viata a rezervorului de apa

4.2.2. Panouri Fotovoltaice pentru alimentare electrica

Fig.

4.3.Tipuri de invertoare folosite

4.3.1. Model: SSW-350-12A

Fig.

4.3.2. Model: PST-1000-24

Fig.

4.3.3. PST-1500-24

Fig.

4.3.4. PST-100S-24E

Fig.

4.4. Tipuri de controlere de sarcina folosite

4.4.1. BlueSolar 12/24-PWM

Fig.

4.4.2. BlueSolar PWM-Pro

Fig.

4.4.3. BlueSolar MPPT 150/35

Fig

4.5. Baterii de acumulatoare

4.6.1. Lynx Ion – Lithium-ion 24V 180Ah

2

Fig.

4.6.2. Baterii Telecom Battery AGM 12V 200Ah-i

Seria de baterii AGM telecom pentru regim greu a fost creata pentru sistemele telecom. Avand terminale frontale de dimensiune mica, bateriile sunt ideale pentru sistemele tip rastel. In mod similar, aceste baterii sunt utile in rezolvarea problemelor legate de spatiu si a celor de la bordul navelor si vehiculelor.

4V 180Ah Lithium-ion

Fig.

Capitolul V

Simulare Homer

5.1. Homer software

HOMER este un software de modelare fiind utilizat pentru proiectare și analiza a sistemelor hibride, ce conțin un amestec de generatoare convenționale, turbine eoliene,panouri fotovoltaice, dispozitive din domeniul hidroelectric, baterii, celule de combustibil, biomasa etc. Instrumentul poate analiza, fie grilă legat sau sisteme independente și poate efectua, de asemenea, calcule de gaze cu efect de seră pentru măsurile luate în considerare. HOMER permite utilizatorului să introducă un profil de consum de energie pe oră și se potrivesc producerea de energie din surse regenerabile pentru sarcina necesară. Aceasta este permite unui utilizator sa analizeze potențialul de micro-grilă, vârf de penetrare a surselor regenerabile de energie, raportul de surse regenerabile de energie totală, și stabilitate grilă, în special pentru mediu a proiectelor de mare amploare. În plus, Homer conține o funcție de optimizare puternic, ce este utilă în determinarea costului de diferite scenarii de proiecte de energie. Această funcționalitate permite reducerea la minimum a costurilor și optimizarea de scenarii bazate pe diverși factori.

Tehnologii convenționale de energie și surse regenerabile:

Surse de alimentare:

Panouri solare

Turbine Eoliene

Hidroenergetic

Generatoare: diesel, benzina, biogaz, combustibili alternativi

Grilă de utilitate electric

Microturbină

Celule de combustibil

Depozitare:

Bancă acumulator

Hidrogen

Baterii de curgere

Volant

Loturi:

Profile de zi cu zi cu variație sezonieră

Pomparea apei,refrigerare

Termic (încălzirea spațiului, uscare cultură)

Măsuri de eficiență

5.2. Dispozitive folosite si date