ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE „GEORGE EMIL PALADE” DIN TÂRGU -MUREȘ FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI DEPARTAMENTUL: Inginerie Industrial ă… [620675]
UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FAR MACIE ,
ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE „GEORGE EMIL
PALADE” DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA
INFORMAȚIEI
DEPARTAMENTUL: Inginerie Industrial ă și Management
SPECIALIZAREA : Inginerie Economică Industrială
PROIECT DE DIPLOMĂ
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC ABSOLVENT: [anonimizat]
2020
UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FAR MACIE ,
ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE „GEORGE EMIL
PALADE ” DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA
INFORMAȚIEI
DEPARTAMENTUL: Inginerie Industrial ă și Management
SPECIALIZAREA : Inginerie Economică Industrială
PROIECT DE DIPLOMĂ
Optimizarea captatoarelor solare și eficientizarea lor
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC ABSOLVENT: [anonimizat]
2020
UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FARMACIE, ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE "GEORGE EMIL
PALADE" DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
Specializarea: Inginerie economică industrială
Optimizarea captatoarelor solare și eficienti zarea lor
Coordonator științific : Candidat: [anonimizat]: 2020
Tema lucrării de diplomă: Optimizarea captatoarelor solare și eficientizarea lor
Problemele principale care vor fi tratate:
Aspecte teoretice cu privire la energia electrică
Aspecte teoretice cu privire la producerea energiei electrice cu ajutorul panourilor solare
Analiză privind instalarea unui sistem fotovoltaic
Analiză privind finanțarea și amortizarea
Bibliografie recomandată:
Modrea Arina, Fizică pentru specializări inginerești, 2013
Scott Bennett, Encyclopedia of Energy , Global Media Education Fr Everyone, First Edition, 2007
Daniel Chiras , Solar Electricity Basics: A Green Energy Guide, New Society Publisher s, 2010
Klaus Jäger , Arno Smets , René van Swaaij , Olindo Isabella , Miro Zeman , Solar energy: The physics and
engineering of photovoltaic conversion, technologies and systems , UIT Cambridge England, 2016
Rik DeGunther , Solar Power Your Home For Dummies , Wiley Publishing, Inc. 2007
Sean White, Solar Photovoltaic Basics: A Study Guide for the NABCEP Associate Exam , Earthscan from
Routledge, 2018
Ryan Mayfield, Photovoltaic Design and Installation For Dummies , Wiley Publishing, Inc. 2010
Alma Cota , Robert Foster , Majid Ghassemi , Solar Energy, Renewable Energy and the Environment, CRC
Press, 2009
Michael Boxwell , Solar Electricity Handbook – A simple, practical guide to solar energy – designing and
installing solar photovoltaic systems , Greenstream Publishing, 2019
James P. Dunlop, Photovoltaic System, ATP , 2007
Termene obligatorii de consultații : Săptămânal
Locul practicii: Laboratorul de fizică al facultății, sala A108; conferințe on -line
Primit la data de: Mai 2019
Termen de predare: 15 iulie 2020
Semnătura director departament Semnătura conducătorului
Semnătura candidat: [anonimizat]
1
Cuprins
Cuprins ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 1
Abstract ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 3
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 4
Capitolul 1 – Energia electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 6
1.1 Istoric ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 6
1.2 Surse de energie ………………………….. ………………………….. …………………….. 8
1.2.1 Combustibilii fosili ………………………….. ………………………….. ……. 9
1.2.2 Energia Nucleară ………………………….. ………………………….. ………… 12
1.2.3 Energia Hidroelectrică ………………………….. ………………………….. …. 14
1.2.4 Energia Eoliană ………………………….. ………………………….. ………….. 16
1.2.5 Energia Geotermală ………………………….. ………………………….. …….. 18
1.2.6 Energia Mareelor ………………………….. ………………………….. ………… 20
1.2.7 Energia de biomasă ………………………….. ………………………….. ……… 21
1.2.8 Hidrogen ………………………….. ………………………….. ……………………. 23
1.3 Energia electrică în România ………………………….. ………………………….. …. 24
Capitolul 2 – Energia solară ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 26
2.1 Panouri fotovoltaice ………………………….. ………………………….. ……………… 26
2.2 Istoric ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 27
2.3 Funcționarea panourilor solare ………………………….. ………………………….. . 27
2.4 Clasificarea materialelor semiconductoare ………………………….. …………… 32
2.5 Clasificarea panourilor solare ………………………….. ………………………….. … 35
2.5.1 Panouri fotovoltaice monocristaline ………………………….. ……………. 35
2.5.2 Panouri fotovoltaice policristaline ………………………….. ………………. 36
2.5.3 Panouri fotovoltaice Amorfe/ tip „film” ………………………….. ………. 37
2.5.4 Panouri fotovoltaice hibride ………………………….. ……………………….. 38
2.6 Evoluția panourilor solare în timp ………………………….. ………………………. 38
2.6.1 Evoluția prețului în timp ………………………….. ………………………….. .. 39
2.6.2 Evoluția eficienței în timp ………………………….. ………………………….. 40
2.7 Straturile unei celulei solare ………………………….. ………………………….. ….. 41
2.8 Nomenclatorul de funcții ………………………….. ………………………….. ………. 43
2.9 Dimensionarea tehnică a funcțiilor ………………………….. ……………………… 43
Capitolul 3 – Dimensionarea unui sistem fotovoltaic pentru o loc uință ………………………….. . 44
3.1 Nevoile consumatorului ………………………….. ………………………….. ………… 44
3.1.1 Condiții de amplasare ………………………….. ………………………….. ……. 44
3.1.2 Caracteristici tehnice de performanță ………………………….. …………… 44
2
3.1.3 Calculul necesarului de energie electrică ………………………….. ……… 46
3.2 Dimensionarea sistemului fotovoltaic ………………………….. …………………. 46
3.2.1 Alegerea tipului de panou ………………………….. ………………………….. 46
3.2.2 Alegerea invertorului ………………………….. ………………………….. ……. 50
3.2.3 Elemente de fixare și conectare ………………………….. …………………… 50
3.3 Rezultatul final al întregului sistem fotovoltaic ………………………….. …….. 52
Capitolul 4 – Finanțarea și amortizarea investiției. ………………………….. ………………………….. . 53
4.1 Finanțare personală și amortizare ………………………….. ……………………….. 53
4.2 Finanțare stat și amortizare ………………………….. ………………………….. ……. 54
Capitolul 5 – Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 56
Capitolul 6 – Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 57
6.1 Cărți ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 57
6.2 Surse electronice ………………………….. ………………………….. ………………….. 57
3
Abstract
This paper aims to optimize a photovoltaic system for home, it`s sizing and the
payback period of the investment. In order to go through the above, it is necessary to
understand certain aspects related to electricity, both technical and economic characteristics
of photovoltaic panels and how they work.
In the first Chapter, presents aspects related to electricity. More precisely, a short
history is presented for the beginning about the appearance of the electricity phenomeno n
and it`s evolution in time. Then are presented the sources of electricity production, namely:
fossil fuels, coal compounds, oil and natural gas, nuclear energy, hydropower, wind,
geothermal, tidal biomass and hydrogen energy. Also in this chapter are pre sented statistics
on electricity production in Romania.
The second chapter presents data on solar energy, more precisely on it`s use in terms
of photovoltaic panels. A historical shield is presented about the appearance of the
photovoltaic effect and the a ppearance of the first panels. In this chapter we also find out
how solar panels work, their classification (monocrystalline, polycrystalline, amorphous
and hybrid) and the classification of semiconductor materials. Also here are presented
statistics both in terms of evolution of their appearance, price and efficiency over time and
the components of photovoltaic panel, the nomenclature of functions and the technical
sizing of functions.
Chapter three presents the sizing of a photovoltaic system for a home. More
precisely, aspects are presented regarding the needs of the consumer which consist in the
location conditions, the technical characteristics of performance and last but not least the
finding of necessary electricity consumed by the customer in one day . This also includes
performing calculations to find out the total cost of a photovoltaic system, thus reaching a
final version.
Chapter four presents the important data for finding the most suitable investment. It
was analyzed, through calculations, which of the tow options, personal financing and state
financing, is more profitable to choose in terms of return on investment.
Chapter five presents the conclusion and objectives for the future, and this chapter
six is follower by bibliography of the paper is presented.
4
Introduce re
Lumea se îndreaptă spre un viitor „ verde ”. Uniunea Europeană își propune ca până
în anul 2050, energia electrică furnizată să fie produsă în proporție de 55 – 75 % din surse
regenerabile. În această categorie se încadrează și energia solară, care are un viitor
promițător, fiind tot mai accesibilă pentru fiecare dintre noi.
Chiar dacă costul petrolului este relativ redus, reprezentând o piedică în dezvoltarea
energiei din surse regenerabile, pe termen lung perspect ivele sunt bine definite în ceea ce
privește energia „ verde ”.
Lucrarea de față își propune optimizarea unui sistem fotovoltaic pentru o locuință,
dimensionarea acestuia precum și durata de amortizare a investiției. Pentru a parcurge cele
menționate mai sus, este nevoie să înțelegem anumite aspecte referitoare la energia
electrică, caracteristicile atât tehnice cât și economice privind panourile fotovoltaice
precum și modul de funcționare a l acestora.
În primul Capitol sunt prezentate aspecte referitoare la energia electrică. Mai exact ,
este prezentat pentru început un scurt istoric despre apariția fenomenului de electricitate și
evoluția în timp a acestuia. Apoi sunt prezentate și sursele de producere a energiei electrice,
și anume: combustibilii fosili, compuși din cărbune, petrol și gaze naturale, energie
nucleară, hidroenergetică, eoliană, geotermală, mareelor, energie din biomasă și hidrogen.
Tot în acest capitol sunt prezentate statistici cu privire la producerea energiei electrice în
România.
În cel de-al doilea Capitol sunt prezentate date despre energia solară, mai precis
despre folosirea ei în ceea ce privește panourile fotovoltaice. Este prezentat un scut istoric
despre apariția efectului fotovoltaic și apariția primelor panouri. În acest capitol mai aflăm
cum funcționează panourile solare, clasificarea acestora ( monocristaline, policristaline,
amorfe și hibride ) și clasificarea materialelor semiconductoare. Tot aici sunt prezentate și
statistici atât în ceea ce privește evoluția aspectului, preț ului și eficienței în timp a acestora
cât și componentele unui panou fotovoltaic, nomenclatorul de funcții și dimensionarea
tehnică a funcțiilor.
În Capitolul trei este prezentată dimensionare a unui sistem fotovoltaic pentru o
locuință. Mai precis, sunt pr ezentate aspecte cu privire la nevoile consumatorului care
constau în condițiile de amplasare, caracteristicile tehnice de performanță și nu în ultimul
rând aflare necesarului de energie electrică consumat de către client într -o zi. Tot aici intră
și efect uarea unor calcule pentru a afla costul total al unui sistem fotovoltaic , ajungând
astfel la o variantă finală.
5
Capitolul patru prezintă datele importante pentru aflarea celei mai potrivite investiții .
S-a analizat, prin calcule, care dintre cele două opțiuni, adică finanțarea personală respectiv
finanțarea cu ajutorul statului, este mai rentabilă de ales în ceea ce privește amortizarea
investiției.
În Capitolul cinci sunt prezentate concluziile și obiectivele pentru viitor, iar acest
capitol este urmat de Capitolul șase unde găsim bibliografia luc rării.
6
Capitolul 1 – Energia electrică
Fig.1.1 Energie electrică.
Sursa: https://www.greelane.com/ro/umanistic%C4%83/istorie -%C8%99i -cultur%C4%83/history -of-electricity -1989860/
Un set de fenomene fizice asociate cu prezența și deplasarea sarcinilor electrice
reprezintă ELECTRICITATEA. Energia electrică produce o mare varietate de fenomene
fizice , cum ar fi: fulgerul , care este unul dintre cele mai spectaculoase efecte ale
electri cității , electricitatea statică , inducția electromagnetică și curentul electric.
1.1 Istoric
Electricitatea statică este printre primele fenomene pe care oamenii le -au observat și
descris. În secolul al VI lea î.Hr. un filosof grec a menționat pentru prima dată în scrierile
lui că dacă chihlimbarul este frecat suficient de intens el poate atrage obiecte ușoare cum
ar fi particule de praf sau penele. După aproximativ 300 de ani mai târziu un alt filosof a
constatat apariția unui efect de atracție în urma frecării unor tipuri diferite de piatră. Acești
2 filosofi naturaliști nu au găsit o explicație satisfăcătoare pentru ceea ce au observat .
Termenul de electricitate a apărut după 2.000 de ani și provine de la cuv ântul din latină
„electricus ” care înseamnă chihlimbar.
7
Cel mai cunoscut experiment , realizat pentru a înțelege mecanismul de bază al
electricității , a fost făcut de către Benjamin Franklin în secolul al XVIII lea. El a legat de
parte de jos a unui zmeu umezit o cheie de me tal, după care l -a ridicat în tr-o zi noroasă.
Atunci el a observat o succesiune de scântei sărind de la cheie în palma lui demonstrând că
fulgerul este cu adevărat de natură electrică. Acesta fiind și unul dintre motivele pentru care
Benjamin Franklin ne z âmbește de pe o bancnotă de 100 de dolari americani.
Fig.1.2 Experimentul lui Benjamin Frenklin.
Sursa: http://www.benjamin -franklin -history.org/experiments -with-electricity/
Benjamin Frenklin a descoperit, în urma cercetărilor lui extinse cu privire la
electricitate, că sarcina electric ă poate fi pozitivă și negativă și că sarcina electrică totală se
conservă. Această descoperire a dus la un alt experiment istoric și anume băiatul zburător
al lui Stephen Gray, devenit o demonstrație publică populară. Stephen Gray a folosi t o
butelie Leyda – dispozitiv care permite acumularea sarcinii electrice, pentru a încărca cu
electricitate „ băiatul zburător ”, suspendat de fire de mătase, care astfel putea răsfoi
paginile unei cărți prin intermediul electricității statice sau chiar p utea ridica mici obiecte
folosind doar atracția electrostatică.
8
Fig.1.3 Experimentul băiatului zburător.
Sursa: https://www.stiintaonline.ro/wp -content/uploads/2018/02/Experimentul -baiatului -zburator.jpeg
După cele prezentate mai sus ne dăm seama că fenomenele electrice , care sunt
fenomene de natură fizic ă, au fost studiate încă din antichitate, dar progrese în domeniul
științei nu s -au făcut până în secolul al XVIII lea. Aplicațiile practice au fost puține și nu
au fost exploatate pentru utilizarea industrială de către ingineri până la sfârșitul secolului al
XIX lea care a adus și cel mai mare progres în ingineria electrică. Printr -un grup numeros
de filosofi , electricitatea s -a transformat dintr -o curiozitate ș tiințifică într-un instrument
esențial pentru viața modernă, devenind o forță motorie a celei de -a Doua Revoluții
Industriale. Expansiunea rapidă în domeniul tehnologiei electrice a transformat, din acest
moment, industria și societat e. Electricitatea are o versatil itate extraordinară, în ceea ce
privește mijloacele de furnizare, adică poate fi aplicată într -un număr mare de utilizări
precum: comunicații, transport, încălzire, iluminat, etc. Energia electrică a devenit astfel
coloana vertebrală a societății industria le moderne.
1.2 Surse de energie
Sursele de energie reprezintă materialele și tehnologiile folosite pentru a produce
energia necesară dezvoltării societății. Acestea trebuie să fie exploatabile din punct de
vedere tehnic, economic și al unei perspectiv e durabile și trebuie să se găsească în cantități
corespunzătoare.
9
1.2.1 Combustibilii fosili
Această categorie cuprinde principalii combustibili fosili: cărbunele, gazele și
petrolul. Sunt clasificați în epuizabili deoarece , pentru a produce energ ie aceștia trebuie să
ardă, rezervele existente consumându -se mai repede decât se produc altele noi.
Combustibilii fosili acoperă aproximativ 80 % din consumul de energie.
Fig.1.4 Termocentrală
Sursa: https://www.focus -energetic.ro/wp -content/uploads/2020/06/combustibili -fosili -termo -300×169.jpg
a) Cărbunele
Cărbunele produce 27% din energia lumi nii. Este folosit în centralele electrice și în
industrie. Cărbunele constituie o rocă sedimentară, având o culoare brun -neagră cu
proprietăți combustibile. Această rocă este formată prin carbonizare a resturilor plantelor
din epocile geologice.
10
Fazele pr ocesului de incarbonizare:
– Faza biochimică – bacteriile și ciupercile modifică celuloza și lignina din plante ;
– Faza geochimică – faza de incarbonizare, se realizează la temperaturi și presiuni
ridicate formând astfel după mai mult timp huila și antracitul. Această acțiune are ca
efect o îmbogățire de peste 50% din volum în carbon.
Compoziție:
– Masa organică – include C, H, O, N ș i S din combinațiile organice;
– Masa combustibilă – conține S care arde ( din combinații minerale );
– Masa anhidră – nu conține apă;
– Masa uscata la aer – folosită pentru efectuarea analizelor;
– Masa inițială – include compoziția cărbunelui introdus în focare.
În timpul procesului de încălzire cărbunele degajă gaze combustibile cunoscute și
sub numele de materii volatile . Cărbunele se aprinde mai ușor dacă se degajă mai multe
materii volatile. Atât prin arderea cât și prin aprinderea cărbunelui se degajă căldură. Prin
arderea completă a unui kilogram de cărbune se eliberează o cantitate de căldură care
reprezintă puterea calorifică a combustibilului, exprimată în MJ/kg.
Clasificare:
➢ Turba
Turba este considerat cel mai tânăr cărbune formându -se și în prezent. Are un
conținut de 52 – 62% carbon în masa combustibilă, degajând prin procesul de încălzire
multe materii volatile. Inițial, atunci când se extrage, turba conține 75 – 80% umiditate, în
consecință trebuie uscată, stare în care are o putere calorifică de 12 – 20 MJ/kg. Turba
uscată și brichetată este folosită drept combustibil casnic, dar se poate utiliza și ca filtrant
sau îngrășământ
➢ Cărbunele brun
Aceste tip de cărbune este unul mai vechi care conține 60 – 78% carbon în masa
combustibilă. Are o umiditate de 30 – 45% în momentul extracției având astfel o putere
calorifică de 6 – 18 MJ/kg. Este utilizat mult, mai ales lignitul, care se găsește în cantități
mari. Reprezintă un combustibil clas ic în termocentralele care produc energie electrică cu
ajutorul cărbunelui.
➢ Huila
Este tot un tip de cărbune vechi având un conținut de 75 – 92% carbon în masa
combustibilă și degajă prin încălzire destule materii volatile pentru aprindere. Conține o
11
cantitate mică de umiditate în momentul extracției, de 1 – 5%, și are o putere calorifi că de
20 – 29 MJ/kg. Reprezintă cel mai de preț cărbune datorită proprietăților lui de ardere.
➢ Antracitul
Antracitul este cel mai vechi tip de cărbune și are un conținut de 92 – 98% carbon în
masa combustibilă, însă acest cărbune în timpul încălzirii nu de gajă deloc materii volatile,
astfel este foarte greu de aprins. Este necesară folosirea unui combustibil suport care să -l
ridice la o temperatură de 800 °C. Conține o cantitate de 3 – 12% umiditate și are o putere
calorifică de 20 – 25 MJ/kg. Drept urmare a aprinderii dificile a acestui tip de cărbune, se
folosește foarte puțin în energetică dar are utilitate în industria chimică și în producerea
electrozilor.
b) Petrol și gaze naturale
Odată cu acumularea de sedimente în oceanele pline de viață marină a luat naștere
petrolul și gazele naturale. Îngropate adânc, timp de milioane de ani, ființele marine
microscopice s -au descompus formându -se zăcăminte de țiței și gaze. Nu există surse de
petrol sau gaz mai tân ăr de 1-2 milioane de ani. Marile câmpuri petrolife re se află în
Orientul Mijlociu, SUA, Rusia și Marea Nordului.
Petrolul, înainte de folosirea lui în scopul producerii energiei, trebuie rafinat.
Procesul de rafinare a petrolului are ca scop îmbunătățirea calității acestuia. Petrolul brut
este încălzit la o temperatură de peste 300°C, apoi introdus în tunurile de funcționare, din
gazele de petrol născute, se separă treptat derivatele petroliere, numite și fracțiuni.
Fig.1.5 Platformă petrolieră
Sursa: https://images.rigzone.com/images/news/articles/n_148466.png
12
Dezavantaje:
• În următorii 50 -100 de ani, rezervele de combustibili fosili se vor epuiza ;
• Prețul combustibi lilor fosili crește deoarece au un caracter epuizabil, astfel având un
impact puternic pe plan economic ;
• Producerea de gaze cu efect de seră are influență asupra poluării și încălzirii globale ;
• Costul transportului este ridicat ;
• Reprezintă o sursă neregenerabilă ;
• Cei care lucrează în industria minieră pot avea probleme mari de sănătate ;
• S-a estimat un număr de 2979 de decese pe an în România din cauza poluării produsă
de folosirea cărbunelui, mai multe decât accidentele rutiere ;
• Atât afecțiunile respiratorii cât și cardiovasculare reprezintă principalele boli din
Uniunea Europeană, fiind determinate de poluarea produsă de aceștia ;
• Determină pierderi de 42 de miliarde de euro pe an statelor Uniunii Europene
datorită costurilor pentru tratamente și celor 4 milioane de zile pierdute de către
muncitorii prin concediile medicale ;
• Extragerea gazelor implică modificarea scoarței terestre, introducerea în sol a unor
substanțe chimice, distrugerea vegetației și apariția cutremurelor.
1.2.2 Energia Nucleară
Energia n ucleară provine din uraniu, un element rar care se află în scoarța
Pământului. Este folosit pentru a produce căldură prin fisiune nucleară, mai precis prin
spargerea atomilor din uraniu. Căldura astfel obținută produce aburi care înv ârt turbinele
pentru a obține în final electricitate. În prezent, o mare parte din energia nucleară generată
este produsă prin fisiunea nucleară a uraniului și a plutoniului. Deșeurile rezultate în urma
acestui proces sunt foarte radioactive și trebuie izolate timp de mii de ani. Producătorii
importanți sunt SUA, Franța, Europa de Vest și Japonia.
Acest tip de energie are unul dintre cele mai scăzute niveluri de decese pe unitate de
energie produsă în comparație cu alte surse de energie. Petrolul, cărbunele sau gazele
naturale au provocat un număr mai mare de decese din cauza poluării aerului sau a
accidentelor.
În România, centrala nuclearoelectrică de la Cernavodă produce circa 20% din
consumul zilnic de electricitate al țării. În prezent funcționează două unități, ambele cu o
putere electrică instala tă pe unitate de 706 MW.
13
Fig.1.6 Schema de principiu a unei centrale nucleare.
Sursa: https://www.sciencefriction.ro/wp -content/uploads/2011/03/BWR -BBC.jpg
Avantaje:
• Densitatea mare de energie – Uraniul este elementul care are capacități enorme de
a stoca energie de aceea este utilizat în fabricile nucleare pentru producerea energie
electrice. Un gram de uraniu este echivalent cu 18 litri de benzină, iar un kilogram
de uraniu poate produce cam aceiași energie ca și 100 de tone de cărbune ;
• Mai ieftin decât combustibilii fosili – Costul uraniului este mai ridicat decât cel al
combustibililor fosili , însă o cantitate mică din acest element poate produce mult mai
multă energie electrică astfel prețul devine mai mic ;
• Disponibilitatea – O centrală nucleară se realimentează o dată sau de două ori pe an,
în funcție de instalație , pe când o centrală electri că pe bază de cărbune trebuie
alimentată constant iar energia produsă din surse regenerabile este intermitentă și
limitată de climă ;
• Emite mai puține gaze cu efect de seră decât combustibilii fosili ;
• Spațiu mai puțin – În comparație cu alte tipuri de acti vități energetice o instalație
nucleară necesită mai puțin spațiu ;
• Generează deșeuri puține – Cantitatea de deșeuri este relativ mică în comparație cu
alte activități și se folosesc măsuri de siguranță adecvate, pentru a rămâne izolate de
mediul înconjurăt or fără a prezenta vreun risc ;
14
• Tehnologia este încă în curs de dezvoltare – Există un proces, numit fuziune
nucleară, care are scopul de a combina doi atomi de hidrogen pentru a for ma unul
de heliu . Această fuziune nucleară prezintă dificultăți tehnice și se află în faza de
dezvoltare deoarece necesită temperaturi foarte ridicate și un sistem de răcire
puternic.
Dezavantaje:
• Uraniul reprezintă o sursă neregenerabilă;
• Exploatarea uraniului este dăunătoare mediul ui;
• Reziduurile sunt persistente – Este necesar un proces de demolare a fabricii după
încheierea activității ei, pentru a se asigura ca terenul folosit nu presupune riscuri
radiologice atât pentru mediu cât și pentru populație;
• Dezastre nucleare .
1.2.3 Energia Hidr oelectrică
Un curent puternic și rapid de apa și o înălțime semnificativă de la care apa să cadă,
formează condițiile ideale pentru energia hidroelectrică. Forța apei în cădere pune în
mișcare turbinele care produc electricitate. Apa este o sursă regenera bilă datorită ciclului
global de evaporare și precipitații. Căldura soarelui face ca apa din lacuri și oceane să se
evapore și astfel se formează nori. Apa curge înapoi pe pământ sub formă de ploaie sau
zăpadă în râuri care apoi curg în oceane. Această ene rgie potențială stocată este eliberată
ca muncă, deoarece apa se află în mișcare. Cel mai bun mod de a pune în mișcare cantități
mari de apă este de a lăsa gravitația să funcționeze. Practic cel mai bun mod de a produce
„hidroenergie ” nu este apa în sine, deoarece s -ar pute a folosi ori alt lichid, ci „ gravitația ”
pentru ca ea face ca apa să se miște. Astfel putem afirma c ă este corect să spunem că energia
hidroenergetică este energia alimentată cu ajutorul gravitației, întrucât gener ăm electricitate
prin gravitație. Pe scară largă, hidroenergia poate avea o amprentă ecologică mare. În
Norvegia și Brazilia, hidroenergia depășește 90% din consumul de energie electrică,
clasând astfel aceste țări în topul utilizatorilor.
15
Surse hidroenergetice:
• Viteza râurilor – este cea mai ieftină și mai simplă formă de hidroenergie. O roată
de apă este plasată în fluxul natural al unui rău sau al unui curent de curgere rapidă;
• Diversiunea apei – aceasta este o schemă care canalizează apa unui rău într -un canal .
Fluxul de apă poate fi reglat cu ajutorul unei supape de apă;
• Acumularea apei – este un sistem mare creat de om, care folosește un baraj pentru a
stoca volumele mari de apă. Este folosit pentru a genera energie electrică . Aceste
sisteme sunt hidrocentral ele clasice pe care le vedem în zonele muntoase unde sunt
construite baraje înalte și pot fi menținute baraje adânci;
• Depozitare pompată – instalații de stocare hidro -pompate care stochează energia
prin pomparea apei dintr -un rezervor inferior către un alt rezervor superior. Această
metodă este folosita atunci când este nevoie de o energie electrică mai scăzută, de
exemplu în timpul nopții. Atunci când energia electrică are o cerere ridicată, apa este
eliberată înapoi în rezervorul inferior prin intermediul generatoarelor de turbină care
ajută la generarea electricității.
Fig.1.7 Schema de principiu a unei hidrocentrale .
Sursa: https://www.arablog.co/wp -content/uploads/2019/05/central_hidraulica.png
Avantaje:
• Este o sursă regenerabilă – Cantitatea apei nu se reduce;
• Se poate utiliza cu alte su rse regenerabile;
• Atât prețul cât și energia sunt stabile;
16
• Stochează apa – Aceste centrale reduc inundațiile și seceta. Colectează apa de ploaie
care este folosită pentru consum și irigații;
• Introducerea rapidă a energiei în sistem;
• Emite puține gaze de seră;
• Aerul rămâne curat;
• Sursă de energie cunoscută de mult timp;
• Energi a este ieftină.
Dezavantaje:
• Costurile pentru a construi centrale hidroelectrice sunt ridicate;
• Produce schimbări ecosistemului natural;
• Locuitorii aflați în apropierea hidrocentralelor trebuie mutați.
1.2.4 Energia Eoliană
Căldura soarelui este împărțită inegal pe suprafața pământului, ceea ce face ca aerul
să se încălzească în jurului ecuatorului, deoarece absoarbe mai multă energie , și mai rece
în apropierea polilor. Când este răcit aerul se contractă iar atunci când aerul este încălzit se
extinde. Aceste diferențe de temperatură provoacă curgerea curenților de convecție pe glob,
pe măsură ce aerul mai dens din regiunile mai reci se deplasează în regiunile mai calde, cu
atât aerul este mai ușor. Această mișcare a aerului în atmosfera pământului este ceea ce
numim „ vânt” și care poate fi slabă sau puternică în funcție de energia solară care lovește
pământul în acel timp. Am putea con sidera vântul ca „ aer în mișcare ” care variază de la
viteza zero la anumite rafale mari. Astfel avem o sursă inepuizabilă de energie eoliană liberă
pentru că fiecare colț al lumii primește efectele vântului la un moment dat. Mulțumită
variaților anuale, de exemplu ora de vară sau iarnă, locațiile geografice, deșertul plat sau
lanțurile montane, unele locații ale pământului primesc mai multă energie a vântului decât
celelalte.
Energia vântului a fost folosită de secole pentru a naviga și pentru a mișca mo rile de
vânt care măcinau cerealele. Morile de vânt valorifică energia aerului în mișcare pentru a
produce putere mecanică, fiind utilizată direct pentru pomparea apei sau pentru măcinarea
cerealelor. Aceste pot fi modificate pentru a genera energie electr ică, pentru încălzire și
iluminare, prin amplasarea unui generator electric la arborele rotativ conectat la pânzele
morilor de vânt. Astăzi, vântul acționează cu putere asupra morilor de vânt sau a turbinelor
producând în acest mod energie. O fermă eoliană trebuie construită după un anumit criteriu,
17
și anume , trebuie să se afle într -o zonă în care vântul bate constant și dintr -o direcție stabilă.
În prezent există multe configurații diverse de turbine eoliene, însă cele mai multe dintre
ele se pot clasific a drept „ turbine eoliene cu axa verticală ” sau „ turbine eoliene cu axa
orizontală ”. Aceste a pot genera energie electrică de câteva sute de wați la mai multe mii
de wați.
Componente majore:
• Un mecanism de susținere , care acceptă rotiri, cutie de viteze, generator și
echipamente auxiliare;
• Turbină eoliană cu două sau mai multe lame rotor care captează energia
vântului;
• O cutie de viteze mecanică pentru a crește viteza de rotație a generatorului;
• Un generator electric pentru a produce energie electrică;
• Senzori de viteză și electronice de control pentru monitorizarea vitezei și
reglarea ei;
• Cabluri electrice care conectează turbina eoliană la rețea.
Fig.1.8 Turbine eoliene.
Sursa: https://www.alternative -energy -tutorials.com/images/stories/wind/alt48.gif
Avantaje:
• Emisia gazelor de seră și de substanțe poluante este zero;
• Nu se produc deșeuri;
18
• Pe unitate de energie produsă costurile sunt reduse – costul energiei produse a
scăzut ajungând în ultimii ani să fie mai mică comparativ cu energia generată din
combustibili fosili;
• Scoaterea din funcțiune a acestor centrale se face cu costuri reduse comparativ cu
centralele nucleare de exemplu.
Dezavantaje:
• Sursă energetică relativ limitată – Variația vitezei vântului nu este constantă;
• Amplasamente reduse – Puține locuri oferă posibilitatea producerii suficiente de
electricitate folosind energia vântului;
• „Poluarea vizibilă”;
• „Poluare sonoră”;
• Afectează mediul și ecosistemele;
• Risc mare de distrugere.
1.2.5 Energia Geotermală
Cuvântul „ geotermală ” provine din combinarea a două cuvinte grecești „ geo ” care
înseamnă pământ și „ therme ” care însemnă căldură. Rezultatul acestei c ombinări este „
geotermă ” care înseamnă de fapt „ căldura generată de pământ ” de unde și expresia energie
geotermală , însemnând „ energie termică generată de pământ ”.
Această energie necesită o sursă naturală de căldură, o cameră magmatică, izvoare
subterane și pereți din rocă prin care apa și aburii să poată trece. Aburii sunt folosiți atât
pentru încălzire cât și pentru producerea energiei. În Islanda, 45% din energie țării provine
din resurse geotermale, clasându -se astfel pe primul loc în topul uti lizatorilor de acest tip
energie.
Tipuri de energie geotermală:
• Energia geotermală directă – reprezintă locul din apropierea suprafeței pământului
unde apa caldă este disponibilă pentru a fi utilizată direct;
19
• Sursa de sol geotermală – în această situație apa caldă se află sub pământ, dar nu
prea adânc, astfel permite accesul ușor la resursa geotermală cu ajutorul țevilor și al
alezajelor;
• Centrale electrice geotermale – se realizează niște găuri în subteran, găuri de foraj
verticale, iar cu ajutorul aburului geotermic disponibil se generează energie
electrică.
Fig.1.9 Schema de principiu a unei centrale geoterma le.
Sursa: https://www.ziaruldeiasi.ro/app/gethumb.details.php?id=357804&w=800&h=600
Avantaje:
• Rezultă o energie regenerabilă și curată pentru mediul înconjurător ;
• Condițiile meteorologice nu afectează aceste centrale ;
• Nu sunt afectate nici de ciclul noapte/zi ;
• Este o energie mai ieftină decât energia rezultată din combustibili fosi li.
Dezavantaje:
• Instabilitatea solului din zonă crește ;
• Pot apărea cutremure de intensitate mică ;
• Nu este o sursă de energie infinită deoarece zonele cu activitate geotermală se răcesc
după foarte mulți ani de utilizare.
20
Energia geotermală este utilizată și în România, mai exact în Sâncraiul de Mureș.
Acolo a fost construit un bloc după o tehnologie nouă care pentru încălzire se folosesc
instalații de pompe geotermale. Aceste instalații utilizează căldura solului și nu pol uează.
1.2.6 Energia Mareelor
Oceanul oferă mai multe forme de energie regenerabilă. Energia provenită din
valurile mării și maree po ate fi valorificat ă pentru a produce energie electrică. Diferența de
minim 8 metrii între flux și reflux, un golf î ngust care să mărească forța apei, reprezintă
elementele necesare pentru ca puterea mareelor să genereze electricitate. Curentul puternic
al mareelor pune în mișcare turbinele montate într -un baraj ridicat de -a curmezișul golfului.
Datorită tehnologiilor a ctuale, această sursă de energie nu este atât de rentabilă în
comparație cu alte surse de energie regenerabile, însă oceanul rămâne o sursă importantă
de energie potențială pentru viitor. Cea mai mare centrală bazată pe maree se află pe râul
Rance , din Fra nța.
Fig.1.10 Producerea energie electrice cu ajutorul mareelor.
Sursa: https://3.bp.blogspot.com/ -vaK-gT9uKrM/VhkNf8SMrTI/AAAAAAAAFaY/Wke –
2MI0ZLM/s1600/20%2BEnergia%2Bmareelor%2Bin%2Bd ublu%2Bsens.png
Avantaje:
• Este o energie care nu poluează;
• Nu produce deșeuri;
• Mentenanța este ieftină.
Dezavantaje:
• Costurile inițiale de construcție sunt ridicate;
• Nu se găsesc multe locuri potrivite pentru a amplasa aceste centrale;
• Este necesară o suprafață foarte largă pentru a fi eficientă financiar;
21
• Distruge ecosistemul oceanelor;
• Doar 10 ore pe zi produce energie;
• Întinderile de noroi sunt i nundate astfel habitatul unor pasări și animale este distrus.
1.2.7 Energia de biomasă
Încă de la început, lemnul a fost o sursă de energie. Oamenii l -au folosit pentru a
prepara mâncarea sau pentru a se încălzi în anotimpurile reci. Lemnul a rămas în continuare
cea mai importantă sursă de energie de biomasă. Pe lângă lemn, această sursă include și
culturi alimentare, cum ar fi ierburile și alte plante, deșeuri agricole forestiere și reziduare,
componente organice din deșeuri menajere și industriale. Poate include chiar și gaz metan
recoltat din depozitele de deșeuri comunitare. Biom asa poate fi utilizată atât pentru
producerea de energie electrică cât și d rept combustibil pentru transport sau pentru
fabricarea produselor care altfel ar fi necesitat utilizarea unor comb ustibili nerege nerabili.
Fig.1.11 Surse de proveniență a biomase i
Sursa: http://www.elnetinstal.ro/project/centrala -electrica -biomasa/
➢ Combustia termică a biomasei
Arderea materialelor solide din biomasă, numită și incinerare, este o metodă utilizată
frecvent în ziua de azi. Bioenergia generată din acest proces este folosită direct pentru
încălzirea spațiului și a apei, precum și pentru gătit și pentru spălare. Bioco mbustibilii sunt
22
disponibili la prețuri economice, iar în zonele izola te sau rurale, biocombustibilul poate fi
disponibil pentru colectarea de către consumatorii locali.
➢ Generarea electrică folosind biomasă
Biomasa folosește căldura și/sau aburul produs prin arderea materiei prime, pentru
a genera energie electrică. Prin amestecarea prealabilă a cărbunelui cu materie primă de
biomasă solidă, se poate realiza un tip nou de combustibil. Acest combustibil mixt poate fi
măcinat și ars în continuare prin acele ași sisteme de manipulare a cărbunelui ca și până
acum, avantajul constând în faptul că, co-arderea biomasei solide ameliorează dependența
instalațiilor generatoare doar de combustibili fosili, reducând conținutul de cenușă și sulf
nociv și emisiile ca dioxid de carbon. Un avantaj principal al acestor centrale este prețul
biomasei, fiind mult ma i ieftină decât cărbunele.
➢ Gazificarea biomasei
Biogazul reprezintă o subcategorie a biomasei și este un gaz produs natural generat
din surse biologice cum ar fi gunoiul de grajd, deșeurile putrezite și algele. Biogazul este
un amestec de gaze produse p rin fermentarea deșeurilor în condiții anaerobe. Acesta
produce diverse gaze : metan, dioxid de carbon, azot și hidrogen. O alta formă utilă de
bioenergie este gazeificarea biomasei într -un combustibil care poate fi folosit direct sau
transportat c ătre cons umatorul final, pentru încălzire sau generare de energie. Energie
biogazului oferă mai multe avantaje comparativ cu gazul natural convenționa l. Centralele
electrice cu biogaz pot fi construite rapid, simplu și cu mai puțini bani pe kilowatt dec ât
centralel e de cărbune, petrol sau nucleare.
➢ Conversia lichidă a biomasei
Biocombustibilul este o alta energie alternativă interesantă și este un combustibil
lichid produs din biomasă, de obicei materie vegetală. Biocombustibilii pot oferi mai multe
avantaje comparativ cu uleiul convențional pe bază de carbon și combustibili, iar un mare
avantaj al biocombustibilului îl reprezintă faptul ca e regenerabil .
Avantaje:
• Poate produce energie electrică și se folosește și în calitate de combustibil;
23
• Este ieftină;
• Este o metodă rațională de a folosi deșeurile;
• Reducerea dependenței de petrol;
• Reducerea semnificativă a emisiei de gaze cu efect de seră.
Dezavantaje:
• Este dificil ca colectezi cantitatea suficientă de deșeuri;
• Atunci când se arde biomasa în calitate de combustibil se creează într -o măsură mică
efect de seră;
• Indisponibilitatea anumitor materiale
1.2.8 Hidrogen
Deși nu este prea cunoscut în ziua de azi, hidrogenul are un real potențial ca sursă
de energie și combu stibil. Hidrogenul este cel mai comun element existent pe Pământ, se
găsește în apă dar și în natură în combinație cu alte elemente. Odată separat de alte
elemente, hidrogenul poate înlocui gazele naturale folosite pentru încălzire și prepararea
alimentelor , poate fi utilizat pentru vehiculele electrice și nu în ultimul rând pentru a
produce energie electrică. Hidrogenul are șanse mari să devina combustibilul viitorului,
considerându -se un salva tor de mediu, pentru ca are puterea de a înlocui combustibili fo sili
responsabili cu încălzirea globală și diverse forme de poluare.
Fig.1.12 Hidrogen
Sursa: https://d1lvg32zsrb40h.cloudfront.net/wp -content/uploads/2020/02/Hydrogen -Molecule -e1581085860319.jpg
24
Dezavantaje:
• Se bazează pe combustibili fosili;
• Emite CO 2.
Producerea hidrogenului devine sustenabilă atunci când se folosesc hidrocarburi
regenerabile, de exemplu bio-gazul, astfel se asigură recircularea CO 2.
1.3 Energia electrică în România
Datorită faptului că se investește fo arte puțin în producția de energie electrică, am
rămas în urmă, raportat la alte țări europene, însă face excepție industria regenerabilelor
care a luat un mare avânt în perioada 2012 -2016, atunci când au fost instalați aproximativ
5.000 MW în eolian și fo tovoltaic.
La momentul de față, structura sectorului de generare a energiei electrice din
România este alcătuită din toate tipurile de producție: nuclear, cărbune, hidro , termic și
regenerabile. Toate aceste formează un mix energetic de excepție, totuși ac esta se pierde
din cauza lipsei de investiție în acest domeniu.
O falsă iluzie este aceea că România are o putere instalată de 24.000 MW. În
realitate , are o putere funcțională instalată de 14.000 MW . Această iluzie aduce și
consecințe pe plan internaționa l atunci când vorbim de capacitatea de interconexiune a
României, care nu este raportată la capacitatea de producție reală.
➢ Hidroelectrica – reprezintă o companie performantă din piața de energie
electrică, având o capacitate instalată de 6.382 MW. Aceasta poate atinge un
vârf de producție de 3.500 – 4.000 MW, la momentul perfect când nivelul
hidraulici tății este cel precizat pe Dunăre și pe la curile de acumulare ori râurile
interioare. De fapt , hidroelectrica poate produce doar 2.000 – 2.500 MW, având
rolul de asigurare a serviciilor de sistem.
➢ Nuclearelectrica – are o putere instalată de 1.400 MW, în cele două unități
nucleare, fiind un producător constant. Există însă perioade de pauză al unuia
dintre reactoare pentru revizii sau în cazul unor incidente. Faptul că această
centrală nu este in fluențat ă de factorii externi constituie un avantaj. Un alt
avantaj ar fi acela că centrala nuclea ră de la Cernavodă produce cantitatea de
energie pentru care a fost proiectată.
25
➢ Energia eoliană – a fost acceptată foarte greu în sistemul energetic chiar dacă,
din punct de vedere al capacității instalate de aproximativ 5.000 MW, este rivală
marilor producători. Unul dintre dezavantaje îl reprezintă faptul că această
energie este dependentă de factorii meteorologici . Incluzând aici și
fotovoltaicele, energia regenerabilă are anumite zile în care depășește producția
de 2.000 MW și chiar zile în care produce zeci de MW. Totuși în totalul energiei
electrice produse în România, energia regenerabilă are o medie anuală de 10 –
15 % ori peste.
➢ Termocentralele – în România există doi mai producători de gaze, Romgaz și
Petrom, având centrale la Iernut și la Brazi, contribuind și acestea cu
aproximativ 400 MW, respectiv 800 MW la sistemul energetic. Se mai adaugă
aici încă 2.000 MW de la centralele râmase în funcțiune.
În concluzie, după această prezentare a capacităților de producție funcționale,
ajung em la o valoare aproximativă de 9.000 – 9.500 MW.
În figura de mai jos este reprezentată producția de energie electrică la nivel național
din diferite surse:
Fig.1.13 Producția de energie electrică în România la data de 04.07.2020
Sursa: http://www.transelectrica.ro/web/tel/home
26
Capitolul 2 – Energia solară
Astăzi, se pune un mare accent pe sursele de energie regenerabile deoarece aceste
nu sunt atât de agresive cu mediul înconjurător. Încălzirea globală și alte forme ale poluării
ne afectează mult, iar pentru a evita acest lucru, sursele de energie regenerabile vin în
ajutorul nostru. Mă bucur să văd că din ce în ce mai mulți oameni încep să utilizeze aceste
surse de energ ie și nu se mai feresc de ele. De aceea, am ales și eu să studiez o sursă de
energie verde, energia solară, fiind baza acestui proiect.
Energia solară este căldura rapidă și radiată de soare. Din cele mai vechi timpuri,
oamenii au valorificat această energ ie prin diferite tehnologii în curs de dezvoltare.
Împreună, radiațiile solare și resursele solare secundare constituie cea mai mare parte dintr –
o energie regenerabilă disponibilă pentru pământ.
2.1 Panouri fotovoltaice
Fig.2.1 Sistem fotovoltaic.
Sursa: https://www.capital.ro/wp -content/uploads/ss_11.jpg
Panourile fotovoltaice sunt considerate ca fiind generatorul de energie în cadrul unui
sistem fotovoltaic. Acestea au misiunea de conversie a energiei fotonilor în energie electrică
produsă cu ajutorul mai multor celule fotovoltaice. Un panou fotovoltaic e ste format din
mai multe celule fotovoltaice conectate electric și laminate între folii de acetat de vinil cu
27
transparență ridicată, acoperite cu sticlă fiind puternic la intemperii. Panoul fotovoltaic mai
este numit și modul fotovoltaic sau panou solar fo tovoltaic.
Randamentul panourilor solare fotovoltaice a crescut în ultima perioadă, ajungând
la un procent de 20% , iar durata de viață este de peste 25 de ani fiind determinată în cea
mai mare parte de proveniența și calitatea celulelor fotovoltaice, tehno logia de lipire a
acestora, transparența foliilor de acetat de vinil în care sunt amplasate, transparența sticlei
și tehnologia de vidare. Performanțele inițiale ale panourilor solare fotovoltaice scad în timp
ca și cauză a îmbătrânirii materialelor din ca re sunt produse, calitatea foliilor și a sticlei
fiind necesară pentru evoluția în timp a puterii de ieșire.
2.2 Istoric
Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare,
denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fi zicianul 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.
În jurul anului 1883 a fost construită prima celula solară, conform Enciclopediei
Britanice. Celulele solare aveau totuși o capacitate de transformare a energiei de sub un
procent, astfel în anul 1941 a fost inventată celula solară de siliciu.
Trei cercetători din America au pr oiectat în anul 1954 o celulă solară de siliciu care
avea o eficienț ă de șase procente în conversia energiei. Ei au format o serie de benzi de
siliciu , de mărimea unei lame de ras , care intrând în contact cu lumina soarelui au capturat
electronii liberi și i-au transformat în curent electric. Astfel au apărut primele panouri
solare, finanțate de niște laboratoare de specialitate din New York , care au anunțat
fabricarea unui nou tip de acumulator solar.
2.3 Funcționarea panourilor solare
Panourile solare sunt făcute din unități mici numite celule 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 acesta, deci este disponibil în
cantități suficiente, fiind astfel și ieftin.
28
Fig.2.2 Structura energetică a materialelor semiconductoare
Sursa: http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf
Explicarea acestei scheme energetice este necesară în vederea înțelegerii condițiilor
în care semiconductorii se pot transforma în materiale con ductoare de curent electric. În
circumstanțe normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv,
diverse nivele energetice numite și straturi sau benzi energetice. Nivelele acestea energetice
accesibile pentru electroni, sunt sep arate de benzi electrice interzise, reprezentând
adevărate „ bariere energetice ” pentru electroni. Cel mai mare nivel energetic dintre cele
ocupate de electroni, este numit și bandă energetică de valență . Banda energetică de
conducție reprezintă următorul nivel energetic accesibil electronilor, însă acest nivel este
neoc upat de aceștia. Siliciul este materialul semiconductor care prin supunerea la radiația
solară, fotonii, sau cuantele de lumină așa cum mai sunt denumiți aceștia, sunt capabili să
transmită electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depăși „ bariera
energetică ” și a trece pe banda de conducție. Tot acest proces se produce în celulele
fotovoltaice.
În fabricarea celulelor fotovoltaice, siliciul este dopat cu diverse eleme nte chimice,
pentru a obține un surplus de sarcini electrice negative sau pozitive. Se obțin astfel staturi
de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice
predominante. Alăturarea a două straturi asemănăto are de material semiconductor,
caracterizate prin predominanța diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, duce la
obținerea la o așa anumită joncțiune de tip p -n.
Fig.2.3 Joncțiunea p -n
Sursa: : http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf
29
Sub activitatea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact,
electronii din stratul n prezintă inițiativa de migra re în stratul p, lipsit de electroni.
Asemănător, golurile din stratul p, prezintă intenția de a migra în stratul n, lipsit se sarcină
electrică pozitivă.
Fig.2.4 Intenția de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii p -n
Sursa: : http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf
Mărirea tendinței sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii p -n este
limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Cu alte
cuvinte, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare al nivelului sarcinilor electrice în t oată
profunzimea celor două straturi, o suprafață superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini
electrice negative, adică de electroni, iar o suprafață superficială din stratul n, va fi ocupat ă
de sarcini electrice pozitive, adică de goluri. C a rezul tat, se va produce o redistribuire a
sarcinilor electrice în zona joncțiunii p -n.
Fig.2.5 Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p -n
Sursa: http://www.termo.utclu j.ro/regenerabile/5_1.pdf
Se observă că rezultatul acestei redistribuiri const ituie apariția unei diferențe de
potențial locale, la nivelul joncțiunii. Această diferență interioară de potențial constituie o
barieră care împiedică o eventuală deplasare posterioară a sarcinilor electrice negative din
stratul n spre stratul p și a c elor pozitive din stratul p spre st ratul n.
Se cunoaște faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât caracteristici de
undă, potrivit teoriei ondulatorii a luminii, cât și caracteristici corpusculare, potrivit teoriei
30
corpusculare, sau fotonice a luminii. În vederea efectului fot ovoltaic este necesar ca lumina
să fie considerată ca având caracter corpuscular.
Fiindcă joncțiunea p -n este supusă radiației solare, fotonii având un nivel energetic
suficient de mare, cu atât mai mare cu cât radiația solară constituie o intensitate mai ridicată,
sunt capa bili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale
atomilor, pentru a trece pe starturile de conducție și să devină electroni liberi. Orice atom
liber, în momentul trecerii sale pe startul de conducție, lasă în urmă un gol în structura
atomului pe care l -a părăsit, astfel sub efectul radiației solare nu apar numai electroni liberi
ci și perechi de sarcini electrice negative și pozitive.
Datorită mișcării sarcinilor electrice în cele două straturi și în z ona joncțiunii p -n,
potrivit mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor
exterioare ale joncțiunii p -n.
Fig.2.6 Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii p -n
Sursa: : http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf
Deoarece suprafețele exterioare ale joncțiunii p -n sunt acoperite cu câte un strat
metalic și reprezintă fiecare câte u n electrod, între aceștia se va face cunoscută o diferență
de p otențial, care într -un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric.
Joncțiunea p -n, alături de cei doi electrozi, constituie o celulă fotovoltaică sau o celulă
electrică solară.
Într-o celulă solară, siliciul cristalin e ste pus între două straturi conductive. Fiecare
atom de siliciu e conectat la vecini săi cu patru legături puternice care țin electronii pe loc
astfel încât să nu poată trece niciun curent electric.
31
Iată cum funcționează : o celulă solară este alcătuită din două straturi diferite de
silicon. Un silicon de tip N are electroni în plus, și un silicon de tip P are spații pentru
electroni, numite găuri. În locul în care cele două tipuri de silicon se întâlnesc, electronii
pot trece prin joncțiunea P/N, lăsând o încărcare pozitivă pe o parte și creând o încărcare
negativă în cealaltă. Ne putem gândi la lumină ca la niște mici particule zbură toare numite
fotoni, propulsate din Soare. Când unul dintre acești fotoni lovește o celulă silicon cu
destulă energie, poat e să scoată un electron de la locul lui, lăsând un loc liber. Electronul
încărcat negativ și spațiul electronului ce e încărcat pozitiv sunt liberi să se miște. Dar din
cauza câmpului electric al joncțiunii P/N, vor merge într -un singur sens. Electronul es te
atras spre partea N, în timp ce spațiul liber spre partea P. Electronii mobili sunt adunați de
un metal subțire din vârful celulei. De acolo, merg într -un circuit exterior, făcând muncă
electrică, ca de exemplu, alimentând un bec, înainte de a se întoar ce printr -o folie de
aluminiu prin spate.
Fiecare celulă de silicon are capacitatea de jumate de volt, dar le poți cupla în module
pentru mai multă energie. 12 celule fotovoltaice sunt suficiente pentru a alimenta un telefon
mobil, pe când e nevoie de mai multe module pentru a alimenta o casă. Electronii sunt
singurul element care se mișcă într -o celulă solară și toți se întorc în locul din care au plecat.
Nu e nimic care se uzează sau se pierde, deci panourile solare pot funcționa timp de decenii.
Fig.2.7 Schema de principiu al unui panou solar.
Sursa: https://add -energy.ro/wp -content/uploads/2014/01/SOLARE -PE-CASA -02.jpg
Grosimea totală a unui celule fotovoltaice este de circa 0,3 mm. Grosimea stratului
n, este de circa 0,002 mm. În mod obișnuit, deasupra electro nului negativ al celulei
fotovoltaice, se plasează un strat anti -reflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radi ației
32
solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, în acest mod o cantitate cât mai mare
de energie sa fie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare.
Eficiența acestor celule fotovoltaice depind de doi factori:
➢ Intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei;
➢ Eficiența procesului de conversie a energiei radiației solare în energie electrică.
2.4 Clasificarea materialelor semiconductoare
Există diverse tipuri de celule fotovoltaice disponibile pen tru a fi comercializate,
însă în principiu sunt fabricate din siliciu, același material din care este fabricat nisipul.
Doar siliciul folosit singur nu este foarte pur, astfel trebuie rafinat pentru a produce o
puritate de până 99,99% înainte de a putea fi folosit ca material semiconductor în multe
tipuri diferite de celule fotovoltaice. Folosirea siliciului la fabricarea celulelor fotovoltaice
produce o celulă stereotipă uniformă, de culoare albastră, pe care o vedem pe acoperișurile
clădirilor. Siliciul cristalin și depozitele de peliculă subțire sunt cele două tipuri majore de
materiale celulare fotovoltaice utilizate, care variază unul de celălalt în ceea ce privește
eficiența absorbției luminii, eficiența conversiei energiei, tehnologia de fabri cație și costul
producției. Cel mai frecvent tip de celule fotovoltaice utilizate astăzi sunt celulele
fotovoltaice din siliciu cristalin și sunt și cele mai vechi dispozitive fotovoltaice de succes.
Tehnologia folosită pentru producerea celulelor fotovolt aice este cea mai comună și
reprezintă aproape 90% din piață în prezent. Procesul de fabricare a celulelor fotovoltaice
cristaline este următorul: siliciul este mai întâi topit apoi cristalizat în lingouri din siliciu
pur. Napolitanele sunt acele felii sub țiri de siliciu care sunt tăiate într -un singur cristal de
siliciu ( monocristalin ) sau dintr -un bloc de cristale de siliciu ( policristalin ) pentru a face
celulele individuale. Eficiența de conversie variază între 10 – 20 % pentru aceste tipuri de
celul e fotovoltaice.
Cele trei tipuri generale de celule fotovoltaice fabricate din siliciu:
• Siliciu monocristalin;
• Siliciu policristalin denumit și siliciu multicristal ;
• Silicon cu film subțire.
33
➢ Siliciul monocristalin
Acesta este un tip de material celular fotovoltaic produs dintr -o structură de siliciu
monocristal, având o formă uniformă, pentru că întreaga structură este fabricată din același
cristal. Siliciul de înaltă puritate este topit într -un creuzet.
O bucată mică de siliciu monocris tal este scufundată în acest siliciu topit și este
extrasă încet din lichid, formând un lingou de un singur cristal. Lingoul este apoi tăiat în
felii foarte subțiri, adică în napolitane, apoi sunt șlefuite, dopate, acoperite, interconectate
și amplasate în module și tablouri. Pe scară largă aceste tipuri de celule fotovoltaice sunt
utilizate în construcția panoului fotovoltaic. Eficiența de conversie variază între 15 – 20 %
pentru o celulă monocristalină.
În comparație cu alte celule ne -cristaline, structur a moleculară uniformă a plafonului
de siliciu o face ideală pentru transferul electronilor liberi prin material, ducând la o
eficiență ridicată a conversiei energetice.
Celule fotovoltaice monocristaline sunt atât eficiente din punct de vedere energetic
cât și extrem de fiabile pentru aplicațiile de energie exterioară pentru că au o grosime mare.
Pentru a face o celula fotovoltaică eficientă este necesar ca silic iul să fie „ dopat ” cu alte
elemente pentru a crea straturile conductoare necesare de tip n și p.
➢ Siliconul policristalin
Cunoscut și sub denumirea de siliciu multicristal , este turnat pentru a produce un
lingou de siliciu. Structura moleculară a siliciului constă din mai multe grupuri mai mici,
care introduc granițe între ele. Aceste celule fotovoltaice policristaline sunt mai puțin
eficiente din punct de vedere energetic decât celulele fotovoltaice monocristaline din
siliciu, pentru că aceste limite oprește fluxul de electroni prin el, încurajând electronii
negativi să se recombine cu orificiile pozitive reducând puterea de ieșire a celulei.
➢ Celulă solară cu film subțire
Acesta constituie un alt tip de celule fotovoltaice care au fost inițial dezvoltate pentru
aplicațiile spațiale, cu un raport putere – dimensiune și greutate mai bun în paralel cu
dispozitivele anterioare de siliciu cristalin. Aceste celule solare cu film subțire sunt produse
prin imprimarea sau pulverizarea unui strat subțire semiconductor de material fotovoltaic
34
pe un substrat din folie de sticlă, metal sau plastic. Aplicarea acestor materiale în starturi
subțiri face ca grosimea totală a fiecărei celule fotovoltaice să fie substanțial mai mică în
comparație cu o celulă cristalină tăiată echivalent, de unde și denumirea de „ peliculă subțire
”. Căci materialele fotovoltaice folosite în aceste tipuri de celule fotovoltaice sunt
pulverizate direct pe un sup ort de sticlă sau metal, procesul de fabricație este mai rapid și
fac ca tehnologia fotovoltaică c u film subțire s ă fie mai viabilă pentru folosirea într -un
sistem solar acasă . Deși materialele cu peliculă subțire au o absorbție mai mare a luminii în
compa rație cu materialele cristaline echivalente, aceste celule cu film subțire suferă de o
eficiență slabă de conversie a energiei.
Alte tipuri de celule fotovoltaice :
➢ Celulele fotovoltaice multijuncționale
Sunt tipuri de celule fotovoltaice concepute pentru a ridica eficiența generală de
conversie a celulei prin crearea unui desing cu mai multe straturi în care două sau mai multe
joncțiuni fotovoltaice sunt stratificate una peste alta.
Fiecare strat scoate energia din fiecare foton dintr -o anumită bucată din spectrul
luminii care bombardează celula. Acest lucru constituie un avantaj. Stratificarea aceasta a
materialelor fotovoltaice mărește eficiența generală și scade degradarea eficienței care are
loc cu ce lulele de siliciu amorf standard.
➢ Celulele fotovoltaice sensibile la colorant
Un tip de tehnologie care poate fi considerat ă a fi a treia generație de celule solare.
În locul folosirii tehnologiei joncțiunii p-n în stare solidă pentru a converti energia fotonului
în energie electrică, un electrolit, lichid, gel sau solid este folosit pentru a produce o celulă
fotovoltaică fotoelectrochimică . Tipurile aceste de celule fotovoltaice sunt produse folosind
molecule microscopice de colorant fotosensibil pe un f ilm nanocistalin sau polimer.
Energia luminii fotonice captată de colorant eliberează electroni în banda de
conducere provocând un flux de electricitate prin semiconductor. Colorantul poate fi
imprimat pe ecran pe orice bucată producând eficiențe de aproap e 10 % , constituind astfel
un avantaj aceste i celule fotovoltaice fotoelectrochimice nano cristaline sensibile la
colorant.
35
➢ Celule fotovoltaice 3D
Tipul acesta de celule fotovoltaice folosește o structură tridimensională unică pentru
a capta energia luminii fotonului din toate direcțiile și nu doar din partea superioară, ca și
în celulele fotovoltaice convenționale. Celula folosește o serie 3D de structuri moleculare
în miniatură, care absoarbe cât mai multă lumină solară, mărind eficiența și puterea de
tensiune, scăzând în același timp dimensiunea, greutatea și complexitatea.
2.5 Clasificarea panourilor solare
2.5.1 Panouri fotovoltaice monocristaline
Aceste panouri solare monocristaline constituie cea mai bună opțiune dacă suprafața
disponibilă pentru amplasarea lor este limitată, capacitatea instalată fiind mai ridicată cu 3
– 4 % decât în cazul folosirii panourilor fotovoltaice policristaline și cu 10% mai ridicată
în cazul folosirii p anourilor fotovoltaice amorfe.
Avantaje:
→ Au o eficiență de 1 7%
→ Spațiul pentru montare este mai mic datorită eficienței lor
→ Pot produce de 4% mai multă energie decât panourile solare de tip „film”
→ Rezistența lor în timp este mai bună și performează bine ch iar și pe lumină
scăzută
Dezavantaje:
→ Costul mare al investiției
Fig.2.8 Panou fotovoltaic monocristalin .
Sursa: https://www.sistemepanourisolare.ro/images/img/panouri -fotovoltaice.jpg
36
2.5.2 Panouri fotovoltaice policristaline
Aceste panouri fotovoltaice policristaline sunt cele ma i folosite ca urmare a prețului
mai mic și a performanțelor asemănătoare panourilor fotovoltaice monocristaline deși
randamentul lor este mai mic decât cel al panourilor solare monocristaline . Panourile
fotovoltaice policristaline sunt produse într -o diversitate mare de puteri de ieșire. Celulele
din siliciu policristalin este compus din atomi de siliciu care nu sunt orientați uniform și
formează mai multe cristale în comparație cu cele din si liciu monocristalin unde siliciul se
cristalizează uniform într -o structura cristalină unică. Ca urmare a acestui efect celulele de
siliciu policristalin au suprafața și culoarea neuniforme. Tehnologia de producție a
panourilor fotovoltaice policristaline a fost dezvoltată continuu astfel eficiența acestora este
în prezent aproape egală cu cea a panourilor fotovoltaice monocristaline standard. Dacă
suprafața de amplasare este fără limite, aceste panouri fotovoltaice policristaline reprezintă
cea mai bună op țiune pentru toate tipurile de aplicații: putere mică, medie și mare,
performanțe aproape egale cu ale panourilor monocristaline, cost mai scăzut și o arie mare
de răspândire.
Avantaje:
→ Au o eficiență de 1 5%
Dezavantaje:
→ Datorită eficienței ușor reduse fa ță de monocristaline , este necesară
instalarea mai multor panouri
Fig.2.9 Panou fotovoltaic policristalin.
Sursa: https://www.sistemepanourisolare.ro/images/img/panouri -fotovoltaice.jpg
37
2.5.3 Panouri fotovoltaice Amorfe/ tip „film”
Aceste panouri fac parte din generația nou ă fiind mai puțin utilizate în comparație
cu celulele din siliciu cristalin. Procesul de fabricație al celulelor presupune depunerea unor
straturi succesive de material semiconductor având grosimea de ordinul nanometrilor ce
ameliorează astfel cantitatea de material necesar la producție și implicit costul celulelor cu
aproape 30% . Cu toate acestea randamentul panourilor solare amorfe este încă mai mic
decât al celor cu celule din siliciu cristalin, variază între 7% pentru panourile cu siliciu
amorf și 13% p entru panourile cu celulele CIS/CIGS.1
Avantaje:
→ Cea mai ieftină opțiune
→ Sunt eficiente chiar și pe intensitate luminoasă scăzută
Dezavantaje:
→ Eficiența este de 7% ( comparativ cu celelalte tipuri )
→ Nu se prea folosesc pentru locuințe familiale
Fig.2.10 Panou fotovoltaic amorf.
Sursa: https://www.sistemepanourisolare.ro/images/img/panouri -fotovoltaice.jpg
1 Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu și seleniu. Acest material se caracterizează printr -o bună
stabilitate sub acțiunea iluminării. Ele au propri etăți de absorbție excelente.
Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleași materiale ca și cele cu CIS, având ca particularitate alierea indiului cu
galiu. Aceasta permite obținerea unor caracteristici mai bune.
Sursa: http://em.ucv.ro/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/Technologie/autres .htm
38
2.5.4 Panouri fotovoltaice hibride
Avantaje:
→ Au o eficiență de 18% ( sunt cele mai eficiente )
Dezavantaje:
→ Sunt cele mai costisitoare
2.6 Evoluția panourilor solare în timp
În ultimi ani panourile solare fotovoltaice s -au schimbat foarte mult nu doar în ceea
ce privește performanța ci și cea ce privește aspectul și prețul.
Fig.2. 11 Evoluția aspectului în timp.
Sursa: https://www.solarnet.ro/blog/abc -ul/panourile -solare -de-a-lungul -timpului
Diferențele din imaginea de mai sus ne arată o creștere a performanței cu un procent
de 41% pe metru pătrat. Astfel, în loc de 5 kWh instalați pe o suprafață, acum se pot instala
7 kWh pe aceiași suprafață.
Chiar și în cazul celulelor solare se poate vedea o diferență deoarece la vremea aceea,
celulele policristaline erau vizibile în structura lor . În ziua de astăzi, indiferent c ă sunt
panouri policristaline sau monocristaline, au culoarea și textura uniformă.
39
2.6.1 Evoluția prețului în timp
În ziua de azi, un sistem fotovoltaic este de aproximativ 5 ori mai ieftin decât unul
de acum 11 ani, deoarece cererile la nivel global au crescut foarte mult și tehnologia în
domeniu s -a dezvoltat considerabil.
Avantajul acestei scăderi al prețurilor panourilor solare și a altor componente ale
sistemului, este acela c ă energia solară a devenit accesibilă și realizabilă pentru mulți
oameni. De exemplu, în Noua Zeelandă un sistem fotovoltaic cu o putere standard de 3 kW
în anul 2008 avea un preț de aproximativ 9.500 lei, în timp ce în anul 2020 un sistem
fotovoltaic de aceiași putere costă aproximativ 1.900 lei.
Fig.2. 12 Evoluția unui sistem de 3 kW în ultimi 11 ani
Sursa: https://www.mysolarquotes.co.nz/about -solar -power/residential/how -much-does-a-solar -power -system -cost/
40
Tabel.2.1 Prețuri actualizate ultima dat în 08.04.2020
2.6.2 Evoluția eficienței în timp
Cele dintâi celule solare au avut o eficiență de mai puțin de un procent, însă nu a fost
de ajuns pentru a face o sursă de energie utilă. În anul 1954 s -a inventat primul panou solar
de siliciu care avea o eficiență de 6%.
Până în anul 1960, panourile solare au atins o eficiență de aproape 14% iar în anul
2012 a ajuns la o eficiență de 17,8%. În anul 2015, Solar City, Parasoni c și Sun City au
realizat peste 22% eficiență, iar in 2016, Laboratorul Național de Energie Regenerabilă a
anunțat obținerea unei eficiențe de 29,8%. Ace astă creștere a eficienței , dacă continuă , va
asigura reduce costurile și va crește viabilitatea comerc ială a energiei solare.
Tehnologia în ceea ce privește panourile solare s -a dezvoltat foarte mult într -un timp
scurt, astfel s -au fabricat panouri fotovoltaice cu o eficiență de 30%. Datorită eficienței
ridicate, panourile solare pot produce cu 25% mai mul tă energie electrică.
41
Fig.2. 13 Evoluția în timp a eficienței
Sursa: https://graylinegroup.com/solar -power -technology -is-mature/
2.7 Straturile unei celulei solare
➢ Strat protector transparent
Acesta reprezintă primul strat care are rolul de a proteja straturile de siliciu, respectiv
straturile de metal, de factorii externi ai mediului, cum ar fi: ploaie, grindină, zăpadă, vânt.
Acest strat este fabricat de obicei din sticlă sau alt material transparent pentru a permite
luminii să treacă prin el.
➢ Stratul antireflexi e
Stratul antireflexie ameliorează considerabil cantitatea de lumină reflectată. Permite
trecerea luminii sper stratul de siliciu fără ca aceast ă lumină să scape. Acest strat are o
grosime ideală, aleasă astfel încât undele de lumină reflectate de pe orice suprafață să nu se
anuleze reciproc. Anularea luminii depinde de lungimea de undă a luminii. Lumina soarelui
reprezintă un amestec format din m ai multe lungimi de undă, adică culorile curcubeului,
astfel antireflexia nu funcționează perfect. Este necesar ă o optimizare pentru anumite
lungimi de undă. Stratul antireflexie este eficient atunci când reduce reflectarea de la verde
42
prin galben spre reg iunea roșie a spectrului, lăsând albastrul să fie reflectat puțin mai ușor
decât celelalte culori. Acest lucru dovedește de ce celulele solare sunt albastre .
➢ Stratul de siliciu
Datorită siliconilor de tip p și de tip n, magia se întâmplă. Lumina împarte electronii
și generează curentul electric.
➢ Contacte metalice
După ce electronii au fost înmagazinați în siliciu, aceștia sunt extrași prin
conductoare metalice. Contactul inferior este o simplă placă metalică care acoperă în
totalitate zona celulei solare. Contactul frontal al celulei este o grilă. Datorită acestui lucru
cantitatea de lumină care ajunge în siliciu este mai mare, reducând în același timp lungimea
pe care trebuie să o parcurgă electronii prin siliciu pentru a aj unge în metal.
Fig.2.14 Straturile celulei
Sursa: https://i0.wp.com/matmatch.com/blog/wp -content/uploads/2019/09/Layers -of-Solar-Cells.png?resize=768%2C432&ssl=1
43
2.8 Nomenclatorul de funcții
Totalitatea funcțiilor unui produs care este analizat din punct de vedere al satisfacerii
cerințelor sociale, formează nomenclatorul de funcții al produsului.
Tab. 2.2 Nomenclatorul de funcții
2.9 Dimensionarea tehnică a funcțiilor
Determinarea nivelului de realizare a unei funcții, care se exprimă prin
dimensionarea tehnică, se face cu ajutorul unei unități de măsură sau mai multor unități de
măsură și se numește di mensionarea tehnică a funcțiilor. Orice dimensiune tehnică este
exprimată prin numele caracteristicii, valoare și unitate de măsură.
Tab. 2.3 Determinarea tehnică a funcțiilor
44
Capitolul 3 – Dimensionarea unui sistem fotovoltaic pentru o locuință
3.1 Nevoile consumatorului
Pentru a dimensiona un sistem fotovoltaic cât mai corect, este nevoie să se efectueze
un calcul în ceea ce privește necesarul de energie al beneficiarului, dar totodată și cerințele
acestuia .
3.1.1 Condiții de amplasare
Sistemul fotovoltaic va fi amplasat pe acoperișul locuinței, orientat spre sud. Acesta
va reprezenta una din sursele de alimentare cu energie electrică a casei . Cantitatea de
energie produsă fotovoltaic, este limitată de suprafața de expunere a panourilor solare,
putere de maxim 5 kW, reprezintă aproximativ 100% din necesarul casei. Această energie
va fi destinată consumului propriu al locuinței.
3.1.2 Caracteristici tehnice de performanță
Sistem de panouri fotovoltaice cu montare pe acoperiș – compus din
subansamblurile următoare:
• Panouri fotovoltaice
• Suporți pentru montarea panourilor fotovoltaice
• Inventor monofazat
• Cabluri și conectori de legătură
a. Panouri fotovoltaice
45
Tab.3.1 Caracteristici minime ale panourilor solare
b. Suporți pentru montarea panourilor fotovoltaice
• Construcție: structură metalică din aliaj de aluminiu
• Suporții trebuie să asigure protejarea la smulgere a panourilor, generată
prin vânt.
• Suporții trebuie sa asigure o posibilitate de înclinare față de ori zontală
a panourilor solare cuprinsă între 10 – 30 °.
c. Invertor monofazat
Tab.3.2 Caracteristici minime al invertorului monofazat
d. Cabluri și conectori de legătură
Cablurile de legătură asigură:
• Conexiunile pentru curentul continuu a panourilor fotovoltaice între ele
și cu intrarea invertorului monofazat;
• Conexiunile pentru curentul alternativ monofazat de la invertor la
panoul general electric al casei;
• Pământarea de la toate componentele la centura de pământare a casei:
se utilizează cablu din cupru unifilar cu secțiune minimă de 1 2 mm2,
rezistenț ă maximă de 0,1 Ω.
Conectorii de legătură sunt necesar i să fie adecvați pentru cablurile folosite.
46
3.1.3 Calculul necesarului de energie electrică
Tab.3. 3 Calculul necesarului de energie electrică consumată
În urma analizei efectuate mai sus, rezultă un sistem fotovoltaic cu o putere de minim
5 kW, suficient pentru a satisface nevoile clientului, cel puțin pe timpul zile.
3.2 Dimensionarea sistemului fot ovoltaic
3.2.1 Alegerea tipului de panou
Se realizează o comparație între două tipuri de panouri fotovoltaice, monocristalin
respectiv policristalin, cu o putere de 300 W. Această putere a fost aleasă deoarece se
încadrează în caracteristicile din tabelul 3.1, eficiența lor fiind mai mare decât cea a
panourilor cu o putere mai mică.
47
Panourile fotovoltaice amorfe au fost excluse datorită faptului că au puteri mai mici
de 250 W, astfel încât ele nu se încadrează în caracteristic ile din tabelul 3.1.
Tab. 3.4 Panou Monocristalin vs. Policristalin
a. Prețurile panourilor fotovoltaice cu TVA per unitate
𝑋+𝑋∗𝑇𝑉𝐴 ( 3.1 )
Unde: X – reprezintă valoare fără TVA
TVA = 19 %
Preț panou monocristalin :
496 ,16+496 ,16 ∗𝑇𝑉𝐴 =590 ,43 𝑙𝑒𝑖/𝑏𝑢𝑐 ( 3.2 )
Preț panou policristalin:
595 ,9+595 ,9 ∗𝑇𝑉𝐴 =709 ,12 𝑙𝑒𝑖/𝑏𝑢𝑐 ( 3.3 )
48
b. Necesarul de panouri
Din tabelul 3 .3 reiese că, consumatorul are nevoie de un sistem fotovoltaic de minim
4,881 kW. Pentru a putea calcula necesarul de panouri este nevoie de o transformare din
kW în W, deoarece puterea panourilor fotovoltaice este exprimată în W. Acest lucru se
realizează î nmulțind cu 1 000 valoarea puterii exprimată în kW.
4,881 𝑘𝑊 ∗1 000 =4881 𝑊 ( 3.4 )
Pentru a afla numărul necesar de panouri fotovoltaice, se împarte puterea electrică
totală consumată, exprimată în W, la puterea panourilor fotovoltaice.
4 881 𝑊∶300 𝑊=16,27 𝑏𝑢𝑐. ( 3.5 )
Din relația ( 3.5 ) rezultă un necesar de 16,27 bucăți de panouri fotovoltaice. Datorită
faptului că numărul nu este întreg, numărul de bucăți se rotunjește la o valoare imediat
superioară, adică 17 panouri fotovoltaice.
Având un număr de 17 panouri, se optează pentru montarea lor pe două rânduri,
primul cu 9 panouri iar cel de -al doilea cu 8. Legarea acestora se face în serie și paralel.
În urma rotunjirii, mărindu -se numărul de panouri, se recalculează pute rea
sistemului fotovoltaic. Acest calcul reiese din înmulțirea numărului actual de panouri
fotovoltaice cu puterea unui panou fotovoltaic.
17 𝑏𝑢𝑐. ∗ 300 𝑊=5 100 𝑊 ( 3.6 )
Pentru a obține o valoare simplificată, se face din nou o transformare, de data aceasta
din W în kW. Această transformare reiese din împărțirea valorii rezultate din relația ( 3.6 )
la 1 000.
5 100 ∶ 1 000 =5,1 𝑘𝑊 ( 3.7 )
După calculele efectuate mai sus s -a ajuns la concluzia finală că sunt necesare 17
panouri fotovoltaice a câte 300 W fiecare, însumând o putere electrică totală instalată de
5,1 kW.
49
c. Prețul pentru 17 panouri fotovoltaice monocristaline
Acest preț reiese din înmulțirea valorii cu TVA a unui panou fotovoltaic
monocristalin cu numărul actual de panouri.
590 ,43 𝑙𝑒𝑖 ∗ 17 𝑝𝑎𝑛𝑜𝑢𝑟𝑖 =10 037 ,31 𝑙𝑒𝑖 ( 3.8 )
d. Prețul pentru 17 panouri fotovoltaice policristaline
Acest preț reiese din înmulțirea valorii cu TVA a unui panou fotovoltaic policristalin
cu numărul actual de panouri.
709 ,12 𝑙𝑒𝑖 ∗ 17 𝑝𝑎𝑛𝑜𝑢𝑟𝑖 =12 055 ,04 𝑙𝑒𝑖 ( 3.9 )
e. Raport calitate – preț
Din relațiile ( 3.8 ) și ( 3.9 ) rezultă că prețul pentru un număr de 17 panouri
fotovoltaice monocristaline este mai mic decât prețul aceluiași număr de panourilor
fotovoltaice policristaline.
10 037 ,31 𝑙𝑒𝑖 < 12 055 ,04 𝑙𝑒𝑖 ( 3.10 )
În ceea ce privește calitatea, lucrurile sunt favorabile tot pentru panourile monocristaline
deoarece caracteristicile acestuia, care se regăsesc în tabelul 3.4 , sunt mult mai bune decât
în cazul panourilor policristaline.
f. Raport eficiență – preț
În tabelul 3. 4 observăm că eficiența unui panou fotovoltaic monocristalin este mai
ridicată decât cea a unui panou fotovoltaic policristalin. Prețul panourilor solare
monocristaline este mai mic decât cel al panourilor policristaline. Prin urmare , rezultă că
raportul eficiență – preț este favorabil panourilor fotovoltaice monocristaline .
50
Din subpunctele ( e ) și ( f ), ajungem la o concluzie finală alegând panourile
fotovoltaice monocristaline , deoarece atât raportul calitate – preț cât și raportul eficiență –
preț este mai bun în ambele cazuri și favorabil pentru acestea.
3.2.2 Alegerea invertorului
În urma studierii invertoarelor aflate la momentul actual pe piață, am ales modelul
SMA SB 5000 TL care corespunde din punct de vedere al caracteristicilor din tabelul 3.2.
Principalul criteriu de alegere a fost puterea , urmat ă de eficiența acestuia care este 97 %.
Fig. 3.1 Invertor SMA SB 5000TL
Sursa: https://www.envisiontechgroup.com/wp -content/uploads/2014/02/Sunny -Boy-3000TL -Inverter_1.jpg
3.2.3 Elemente de fixare și conectare
a. Elemente de fixare
În tabelul de mai jos se calculează costul elementelor de fixare. Acest calcul se
realizează conform numărului de bucăți, care a fost ales pentru fiecare element în parte în
funcție de asamblarea panourilor.
51
Tab.3.5 Costul elementelo r de fixare
b. Elemente de conectare
În tabelul de mai jos se calculează costul elementelor de conectare. Acest calcul se
realizează conform modului de conectare al panourilor fotovoltaice.
Tab.3.6 Costul elementelor de conectare
c. Schemă logică
Fig.3.2 Principiul de funcționare al sistemului
52
3.3 Rezultatul final al întregului sistem fotovoltaic
Un sistem fotovoltaic este alcătuit din două mari componente, și anume: panouri
fotovoltaice și invertor , iar pe lângă acestea se mai enumeră și elemente le auxiliare de fixare
și conectare.
În tabelul de mai jos este reprezentat prețul întregului sistem, fără manoperă.
Tab.3.7 Costul sistemului fotovoltaic
53
Capitolul 4 – Finanțarea și amortizarea investiției.
4.1 Finanțare personală și amortizare
Plecând un consum de 4,9 kW/zi, avem într-un an consumul este de :
4,9 𝑘𝑊 ∗ 365 𝑧𝑖𝑙𝑒 = 1 788 ,5 𝑘𝑊 ( 4.1 )
Costul unui kW este de aproximativ 0,65 lei, astfel într -un an se plătește furnizorului
de energie electrică suma de:
1 788 ,5 𝑘𝑊 ∗ 0,65 𝑙𝑒𝑖= 1 162 ,52 𝑙𝑒𝑖 ( 4.2 )
În 25 de ani, suma plătită furnizorului va fi de:
1 162 ,52 𝑙𝑒𝑖 ∗ 25 𝑎𝑛𝑖 = 29 063 ,12 𝑙𝑒𝑖 ( 4.3 )
La prima vedere, instalarea unui sistem fotovoltaic pare rentabilă, datorită faptului
că suma plătită pe 25 de ani la furnizorul de energie electrică este mai mare decât costul
sistemului, adică 29 063,12 > 22 429,66 .
Însă trebuie luat în considerare faptu l că în acel cost al sistemului nu este inclusă
montarea acestuia și nici eventualele cheltuieli privind birocrația efectuată înaintea
instalării propriu -zise.
Manopera reprezintă aproximativ 15 % din prețul total al sistemului :
22 429 ,66 𝑙𝑒𝑖∗ 15% = 3 365 𝑙𝑒𝑖 ( 4.4 )
Astfel, suma plătită cu manopera ar fi de:
22 429 ,66 𝑙𝑒𝑖 + 3 365 𝑙𝑒𝑖= 25 794 ,66 𝑙𝑒𝑖 ( 4.5 )
Având costul total al sistemului, putem afla în cât timp se amortizează investiția.
Astfel trebuie calc ulat numărul de kW cuprinși în această sumă:
25 794 ,66 𝑙𝑒𝑖 ∶ 0,65 𝑙𝑒𝑖= 39 684 ,09 𝑘𝑊 ( 4.6 )
54
Apoi calculăm numărul de zile în care se consumă kW obținuți din relația ( 4.6 ):
39 684 ,09 𝑘𝑊 ∶ 4,9 𝑘𝑊 = 8 098 ,79 𝑧𝑖𝑙𝑒 ( 4.7 )
Prin urmare, aflăm numărul de ani în care se amortizează investiția:
8 098 ,79 𝑧𝑖𝑙𝑒 ∶ 365 𝑧𝑖𝑙𝑒 = 22,18 𝑎𝑛𝑖 ( 22 𝑎𝑛𝑖 ș𝑖 65 𝑑𝑒 𝑧𝑖𝑙𝑒 ) ( 4.8 )
4.2 Finanțare stat și amortizare
Finanțarea primită de la stat se acordă printr -un program privind instalarea
sistemelor de panouri fotovoltaice pentru producerea energiei electrice, în vederea acoperii
necesarului de consum și introducerea surplusului în rețeaua națională.
Finanțarea se opțiune din veniturile Fondului de mediu și din sumele virate prin
Programul Operațional Regional ( POR ).
Acesta se acordă într -un procent de 90 % din valoarea totala a cheltuielilor, în limita
unui sume de 20 000 de lei.
Pentru aprobarea proiectului se cere o putere minimă instalată de 3 kW, așadar
sistemul fotovoltaic ales pentru o putere de 4,9 kW poate fi finanțat.
Prin urmare, dacă acest program finanțează cu 20 000 lei, suma care urmează a fi
plătită de către c onsum ator este de:
25 794 ,66 𝑙𝑒𝑖 − 20 000 𝑙𝑒𝑖=5 794 ,66 𝑙𝑒𝑖 ( 4.9 )
Aflăm câți kW se pot cumpăra cu suma plătită de consumator:
5 794 ,66 𝑙𝑒𝑖 ∶ 0,65 𝑙𝑒𝑖= 8 914 ,86 𝑘𝑊 ( 4.10 )
Consumul de energie într -o zi este de 4,9 kW, astfel calculăm în câte zile se consumă
kW obținuți din relația ( 4. 10 ):
8 914 ,86 𝑘𝑊 ∶ 4,9 𝑘𝑊 = 1 819 ,35 𝑧𝑖𝑙𝑒 ( 4.11 )
Având numărul de zile, aflăm anii în care am cheltui suma obținută în relația ( 4. 11)
la furnizorul de energie electrică:
1 819 ,35 𝑧𝑖𝑙𝑒 ∶ 365 𝑧𝑖𝑙𝑒 = 4,98 𝑎𝑛𝑖 ( 4 𝑎𝑛𝑖 ș𝑖 358 𝑧𝑖𝑙𝑒 ) ( 4.12 )
55
Tab.4.1 Amortizarea investiției
Prin urmare, investiția cu ajutorul statului este mult mai rentabilă decât investiția
personală, datorită faptului că amortizarea investiției se face mult mai repede în acest caz.
56
Capitolul 5 – Concluzii
Lucrarea a avut ca și scop efectuarea unui studiu tehnico -economic privind instalarea
unui sistem fotovoltaic pentru o locuință.
Obiectivul a fost atins prin parcurgerea următoarelor analize:
➢ Analiza privind producerea de energie electrică în România ;
➢ Analiza privind funcționarea unui panou solar ;
➢ Analiza cu privire la componentele care alcătuiesc panoul fotovoltaic ;
➢ Analiza cu pri vire la clasificarea panourilor solare ;
➢ Analiza referitoare la evoluția aspectul în timp al panourilor fotovoltaice ;
➢ Analiza referitoare la evoluția prețului în timp al panourilor fotovoltaice ;
➢ Analiza referitoare la evoluția eficienței în timp a panourilor fotovoltaice ;
➢ Analiza cu privire la funcțiile panoului fotovoltaic și dimensionarea lor
tehnică;
➢ Analiza privind nevoile consumatorului;
➢ Analiza cu privire la alegerea tipului de panouri
➢ Analiza privind finanțarea și amortizarea investiției.
Ca și obiective pentru viitor, proiectul poate fi dezvoltat, deoarece tehnologia este în
continuă evoluție iar piața este în creștere.
Investiția în acest domeniu este una rentabilă pentru că se pot construi locuințe care
în timp produc bani, mai exact se po t plăti singure fără a mai fi nevoie ca și consumator să
plătești toată viața facturi.
Pe lângă acest lucru, se poate trăi într -o casă modernă și prietenoasă cu mediul
înconjurător, sursele regenerabile înlocuind combustibilii convenționali, astfel reducându –
se poluarea.
Lumea nu ar mai trebui să se ferească de aceste sisteme fotovoltaice pentru că ar
avea un aspect neplăcut, ar fi grele sau voluminoase, deoarece așa cum am precizat mai sus,
tehnologia a evoluat, în ziua de azi fabricându -se atât pan ouri clasice cât și panouri având
celule flexibile cu film subțire, fiind ușor de integrat în fațada caselor sau în ferestrele
acestora, economisind astfel spațiu. Totodată, prețul acestei tehnologi este în continuă
scădere datorită cererilor mari apărute pe piață, oferindu -se astfel oportunitatea tuturor de
a beneficia de ea.
Odată cu montarea sistemului solar, ai posibilitatea să devii prosumator . Deoarece
nu ai întotdeauna nevoie de toată puterea electrică produsă, surplusul se poate introduce în
rețea, astfel, investiția se poate amortiza mult mai repede.
57
Capitolul 6 – Bibliografie
6.1 Cărți
[1] Modrea Arina, Fizică pentru specializări inginerești, 2013
[2] Scott Bennett, Encyclopedia of Energy , Global Media Education Fr Everyone, First
Edition, 2007
[3] Daniel Chiras , Solar Electricity Basics: A Green Energy Guide, New Society
Publishers, 2010
[4] Klaus Jäger , Arno Smets , René van Swaaij , Olindo Isabella , Miro Zeman , Solar energy:
The physics and engineering of photovoltaic conversion, technologies and systems , UIT
Cambridge England, 2016
[5] Rik DeGunther , Solar Power Your Home For Dummies , Wiley Publishing, Inc. 2007
[6] Sean White, Solar Photovoltaic Basics: A Study Guide for the NABCEP Associate
Exam , Earthscan from Routledge, 2018
[7] Ryan Mayfield, Photovoltaic Design and Installation For Dummies , Wiley Publishing,
Inc. 2010
[8] Alma Cota , Robert Foster , Majid Ghassemi , Solar Energy, Renewable Energy and the
Environment, CRC Press, 2009
[9] Michael Boxwell, Solar Electricity Handbook – A simp le, practical guide to solar
energy – designing and installing solar photovoltaic systems , Greenstream Publishing,
2019
[10] James P. Dunlop, Photovoltaic System, ATP , 2007
6.2 Surse electronice
[1] https://ro.wikipedia.org/wiki/Electricitate
[2] https://www.g reelane.com/ro/%C8%99tiin%C8%9B%C4%83 -tehnologie –
math/stiinte -sociale/top -renewable -energy -sources -1204190/
[3] https://www.greelane.co m/ro/umanistic%C4%83/istorie -%C8%99i –
cultur%C4%83/history -of-solar -cells-1992435/
58
[4] https://www.greelane.com/ro/%C8%99tiin%C8%9B%C4%83 -tehnologie –
math/stiinte -sociale/is -hydrogen -the-fuel-of-the-future-1203801/
[5] https://ro.wikipedia.org/wiki/Surs%C4%83_de_energie
[6] https://ro.wikipedia.org/wiki/Rafinare
[7] http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf
[8] https://solarcenter.ro/tipuri -de-panouri -solare -fotovoltaice -si-eficienta -lor/
[9] http://www.greensource.ro/avantaje&dezavantaje.html
[10] https://ro.thpanorama.com/blog/medio -ambiente/14 -ventajas -y-desventajas -de-la-
energa -nuclear.html
[11] http://www.enciclopedie.info/energia -mareelor/
[12] http://www.enciclopedie.info/energie -hidroelectrica/
[13] http://www.enciclopedie.info/energia -biomasei/
[14] https://ro.scribd.com/doc/240355679/Dezavantajele -combustibililor -fosili
[15] https://l abo-energetic.eu/ro/a_telecharger/Copac/egeotermala.html
[16] https://www.scienceinschool.org/ro/2012/issue22/hydrogen
[17] https://www.solar -depot.ro/Articole/7/Panouri -fotovoltaice -_-informatii -generale
[18] https://www.solarnet.ro/blog/abc -ul/panour ile-solare -de-a-lungul -timpului
[19] https://www.mysolarquotes.co.nz/about -solar -power/residential/how -much -does-a-
solar -power -system -cost/
[20] https://graylinegroup.com/solar -power -technology -is-mature/
[21] https://news.energysage.com/solar -panel -efficiency -cost-over-time/
[22] https://energy -center.ro/piata -energiei -din-romania/cata -energie -electrica -poate –
produce -romania -in-2020 -la-modul -real/
[22]http://retele.elth.ucv.ro/Stan%20%28Ivan%29%20Felicia/Analiza%20si%20ingineria
%20valorii/Seminarii/Proiect%20AIV.pdf
[24] https://matmatch.com/blog/what -are-solar -panels -and-how-do-they-produce –
electricity/
[25] https://shop.ecosolaris.ro/configurator -sistem -fotovoltaic
59
[26] https://www.itim -cj.ro/doc_atribuire/Caiet%20sarcini%20 –
%20Sistem%20Fotovoltaic.pdf
[27] https://shop.ecosolaris.ro/transport -montaj -sistem -fotovoltaic -1kwp -on-grid ????
[28] https://www.e -solare.com/produs/panou -fotovoltaic -ges-m-310-perc-monocristalin –
tehnologia -perc
[29] https://www.e -solare.com/produs/panou -fotovoltaic -kdm-solar -300-w-policristalin –
72-celule
[30] https://afm.ro/main/programe/sisteme_fotovoltaice/2019/ordin_1287 -2018 –
2019_09_04.pdf
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE „GEORGE EMIL PALADE” DIN TÂRGU -MUREȘ FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI DEPARTAMENTUL: Inginerie Industrial ă… [620675] (ID: 620675)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.