Surse de energie regenerabilă [309013]

CAPITOLUL 1

[anonimizat] a energiei și optimizarea consumului acesteia.

Dezvoltarea industrială accelarată a provocat o creștere continuă a consumului de energie și o mare presiune asupra resurselor energetice convenționale fapt care a condus umanitatea spre cautarea unor noi surse de energie dar si dezvoltarea sau imbunatatirea celor deja existente.

[anonimizat].

Emisiile gazoase și solide rezultate în urma arderii combustibililor fosili au dus la o poluare accelerată a mediului având ca efect negativ un fenomen destul de îngrijorător și anume fenomenul încălzirii globale.

Încălzirea globală este o prioritate a [anonimizat] s-au stabilit acorduri privind estimare emisiilor de gaze cu efecte de seră ale țărilor industrializate.

Folosirea surselor regenerabile în obținerea energiei prezintă avantajul lipsei emisiilor de noxe și faptul că sunt inepuizabile. Principalele surse de energie regenerabile (RES) [anonimizat], solară, geotermală și hidroenergia.

Energia eoliană

O sursă de energie regenerabilă este energia eoliană care se folosește de puterea vântului. Această energie a fost utilizată de om pe o durată de aproximativ 3000 [anonimizat], a [anonimizat].

[anonimizat].

Potrivit estimărilor meteorologice aproximativ 1% din radiația solară de intrare este convertită în energie eoliană fapt care dovedește ca resursele eoliene la nivel mondial se găsesc în canități mari dar de asemenea larg răspândite.

Astăzi, [anonimizat] o multitudine de mori de vânt pe întreg mapamond sunt utilizate pentru : [anonimizat] (mecanică) în vederea acționării mecanismelor cu putere scăzută.

Utilizarea sistemelor eoliene a cunoscut o înflorire începând cu Protocolul de la Kyoto unde cicrca 161 de țări au semnat acordul și s-[anonimizat] a celor eoliene.

Sintagma ”utilizarea energiei eoliene” [anonimizat] ”morile de vânt” [anonimizat], utilizate în generarea electricității din dorința de a face o deosebire între vechea și noua lor destinație.

[anonimizat], energia cinetică a vântului.

[anonimizat]:

În funcție de poziția axei de rotație a rotorului:

[anonimizat];

[anonimizat];

[anonimizat] :

Acțiunea vîntului asupra rotorului din față;

Acțiunea vântului asupra rotorului din spate;

Turbine cu o pală, două sau mai multe;

Turbinele cu ax vertical

Darrieus

Savonius

Combinate

În funcție de locul unde sunt montate:

Turbine on-shore(montate pe uscat)

Turbine off-shore (montate în apă)

În funcție de puterea nominal generată:

Turbine eoliene de putere mică(<10kW)

Turbine eoliene de putere medie(>10kW,<100kW)

Turbine eoliene de putere mare(>100kW)

Turbinele eoliene cu capacitate mică sunt întrebuințate în gospodării(cel mult o familie) , cele cu capacitate medie în comunitățile de familii sau pentru întreprinderi mici (cabane, pensiuni) iar cele cu capacitate mare în situația comunităților extinse pe uscat sau ocean.

În zilele noastre, energia vântului este utilizată extensiv ceea ce a determinat construirea și regândirea unor noi tipuri de turbine., aceasta fiind sursa regenerabilă ce a înregistrat o creștere majoră în ultimii ani.

Problema energetică globală se poate soluționa profitând de avantajele energiei eoliene care includ: emisie zero a gazelor cu efect de seră(GES), a substanțelor poluante, lipsa deșeurilor din producerea de energie, costul redus pe unitate de energie produsă și costul redus de scoatere din funcțiune.

Un dezavantaj practic este variația vântului. În multe locuri de pe continent nu se poate produce electricitate folosind puterea vîntului iar din această cauză energia eoliană nu este viabilă în orice locație.

Biomasa

Una dintre cele mai cunoscute și extinse resurse de pe Pământ ca formă de păstrare a energiei Soarelui în forma chimică este biomasa.

Procesul prin care plantele convertesc energia solară în una chimică se numește fotosinteza.

Biomasa este definită în literatura de specialitate ca ”fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultura, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale.”

Din definiția enunțată se evidențiază faptul că biomasa proaspăt recoltată poate să fie transformată în produse similare cu gazul natural sau cu combustibili lichizi și sau solizi prin procese de transformare precum arderea,gazeificarea, piroliza,fermentarea anaerobă sau fermentația alcoolică,

Arderea directă a diferitelor tipuri de biomasă duc la obținerea de gaze fierbinți ce se utilizează pentru încălzirea sau producerea aburului care antrenează un mecanism de turbină-generator ce va produce energie electrică.

Piroliza este procesul de descompunere termochimică a biomasei la o temperatură cuprinsă între 300 și 800°C, în lipsa oxigenului. Căldura, bio-uleiul, cărbunele și diferite tipuri de substante gazoase cum ar fi:monoxidul de carbon ,hidrogenul și metanul sunt rezultatul acestui proces.

Gazeificarea este procesul termochimic prin care biomasa (solidă) este transformată în substanță gazoasă la temperaturi cuprinse între 800 și 1300°C. Ca rezultat al acestui proces ia naștere un gaz denumit gaz de sinteză/ singaz care reprezintă amestecul combustibilului de hidrogen, monoxidului de carbon, a metanului ,azotului, bioxidului de carbon, a sulfului, a compușilor alcalini și gudroanelor.

În zilele de azi, hidrogenul este privit ca un combustibil alternative pentru mașinile electrice care funcționează cu pile de combustie.

Gunoiul de grajd, deșeurile alimentare, produsele agricole cât și nămolurile rezultate din tratarea apelor uzate, amestecate cu apa sau aflate la o anumită umiditate se descompun microbian într-un spațiu închis,fără aer. Aceasta degradare poartă denumirea de fermentare anaerobă în urma căreia rezultă un amestec din metan și bioxid de carbon.

Administratorii fermelor agro-zootehnice se folosesc de fermentarea anaerobă pentru obținerea energie electrică cât și a îngrășământului bogat în azot, fosfor, potasiu și micronutrienți.

O altă metodă de valorificare a biomasei o reprezintă fermentația alcoolică. Cu toți stim că majoritatea cerealelor,hârtiei reziduale, a cartofilor și a rumegușului conțin unele zaharuri, amidon respectiv celuloză. Fermentarea acestor tipuri de zaharuri cu diverse specii de drojdii duc la obținerea etanolului care este întrebuințat în diferite procedeuri industriale în deosebi în înlocuirea benzinei.

Biodiesel-ul ,combustibilul biodegradabil și atoxic se obține prin transesterificarea uleiului vegetal sau a grăsimilor de origine animală. Acest combustibil se poate folosi și în combinație cu motorina pentru alimentarea motoarelor cu aprindere.

Energia solară

Unul alt obiectiv important ale strategiilor energetice din lume o reprezintă conversia energiei solare. Aceasta formă de energie constituie o alternativă privind asigurarea necesarului de energie pe termen lung fiind superioară față de cele actuale datorită efectelor minime negative pe care le are asupra mediului.

Potențialul energetic instantaneu total teoretic al soarelui măsoara 105TW. Ținând cont de faptul că ionosfera captează și reflectă o cantitate ridicată a aceastei energii ca eficiență conversia directă a energiei solare în electrică este mică, deoarece doar un procent al iradiației emise de 1% este absorbită la nivel terestru astfel încât potențialul total ajunge la o valoare cuprinsă între 25 și 30 TW.

Energia solară prezintă o serie de avantaje fapt ce îi confer un statut prioritar și anume: energia solară este o resursă inepuizabilă, este disponibilă tuturor zonelor populate deoarece este sursa de energie repartizată cea mai uniform pe Pământ și este o resursă accesibilă fără costuri.

Ca majoritatea resurselor și energia solară are anumite puncte slabe dintre care amintim: influența condițiilor meteorologice, variația periodică a potențialului (datorată mișcărilor de rotație și revoluție a planetei), densitate de putere redusă a radiației solare incidente și utilizarea accelerată în viitor a radiației solare pentru consum poate duce la perturbarea bilanțului energetic al planetei.

Conversia energiei solare se poate realiza prin mai multe procedee, însă în prezent cel mai frecvent utilizată este conversia termică. Viitorul va aparține cu siguranță conversiei foloelectrice . Alte forme mai puțin cunoscute și utilizate a conversiei în sectorul energetic sunt conversia fotochimică și conversia mecanică.

Producerea de apă caldă folosită în obținerea electricității prin acționarea turbinelor sau în uz casnic are ca bază energia solară(termică) și înregistrează un randament net de 15%.

Energia solară difuză, o energie inepuizabilă și accesiblă tuturor, reprezintă sursa panourilor solare. Necesarul apei calde menajere anuală a populației pământului poate fi soluționată într-un procent aproximativ de 70% prin folosirea panourilor solare pe toată durata anului.

O categorie a sistemelelor solare ce se bazează pe colectoare gravitaționale(solare) ce funcționează primăvara și var au ajuns să fie foarte răspândite.

Panourile solare au ca element de bază un tub captator din sticlă, de formă cilindrică, cu rolul de a transforma energia solară în căldura și de a o transmite la nivelul unui schimbător de căldură în care se găsește apa.

O inovație în captarea energiei solare o constituie panourile solare alcătuite din tuburi termice ce reușește să absoarbă din lumină energia infra roșie. Datorită proprietății de conductibilitate ridicată a tuburilor , acestea reușesc să absoarbe energia infra-roșie a luminii difuze chiar și în condiții meteorologice nefavorabile (nori,ceață).

Sistemele solare de furnizare de căldură se pot încadra în două mari categorii: active și pasive.

Sisteme solare active directe- pompează apa către colectorul solar. Acest tip de sistem este recomandat petru utilizarea în zonele geografice în care nu există pericol de îngheț. În caz contrat se impune golirea sistemului înainte de sezonul rece

Sisteme solare active indirect, care dispun de un circuit închis prin care circulă un agent termic (apă, de obicei în amestec cu un antigel), din care face parte și colectorul solar.

Energia solară fotovoltaică are la bază producerea directă de electricitate cu ajutorul celulelor cu siliciu. În condiții climatice favorabile, soarele furnizează o putere de 1kW/mp, panourile fotovoltaice reușind convertirea direct în electricitate a 10-15% din această putere.

Efectul fotoelectric implică o transformare a energiei solare (foton) în energie electrică (volt) fiind descoperit în anul 1839 de fizicianul A. Becquerel. Fenomenele ce stau la baza acestui efect sunt strâns legate între ele și acestea sunt: absorbția luminii de către material, transferul energiei de la fotoni la sarcinile electrice și colectarea sarcinilor.

Energia geotermală

Energia geotermală este energia termică generată și stocată în pământ. Termenul geotermal provine din greacă: geo(pământ) și thermos (cald).

Energia geotermală se datorează radioactivității naturale a solului sau prezenței unor roci fierbinți în apropierea unor pungi de lavă. Resursele energetice geotermale cuprind apa fierbinte , vapori supraîncălziți, pietre uscate fierbinți, magma fierbinte și zone încălzite din suprafața pământului.

Acest tip de energie a fost folosită de către strămoșii noștrii încă din era paleolitică unde izvoarele cu apă termale erau folosite pnetru îmbăiere. Romanii s-au folosit și ei de izvoarele calde pentru alimentarea băilor publice și încălzirea construcțiilor prin pardoseală. Locuitorii din Islanda au folosit aburul și apa caldă de la gheizere pentru a-și încălzi casele și exemplele pot continua pentru a evidenția avantajele care se obțin din folosirea acesui tip de energie regenerabilă.

Energia geotermală este consideraă a fi rentabilă, fiabilă ecologică și duralibilă însă limitată ca utilizare numai pentru zonele de îmbinare între plăcile tectonice.

Sistemele de captare și conversie a energiei geotermale se diferențiază în funcție de natura, temperatura, debitul și presiunea fluidului existent în sursa geotermală.

În prezent există trei tipuri de centrale electrice geotermale:

Pe bază de abur uscat

Pe baza de vapori de apă

Pe bază de ciclu binar

Centrala pe bază de abur uscat utilizează aburul necesar rotirii turbine, abur ce provine din puțuri subterane (Gheizerele) care activează un generator ce produce electricitate.

Centralele pe bază de vapori de apă sunt cele mai cunoscute tipuri de centrale geotermale și se folosesc de vaporii de apă din apa a căror temperatură este mai mare de 182°C . Apa caldă care curge prin puțuri până în pământ , prin scăderea presiunii, ajută la transformarea în aburi a unei părți din apa fierbinte. Aburul se utilizează pentru alimentarea unui generator iar restul de apă și abur condensate se întoarce în rezervor.

Centralele pe bază de ciclu binar folosesc energia termică ce provine din rezervoare cu temperaturi mici (107°C -182°C) . Apa fierbinte își cedează energia termică unui fluid secundar a cărui punct de fierbere este scăzut, cu ajutorul unui schimbător de căldură. Fluidul secundar se evaporă și determină mișcarea turbinelor, iar apoi este condensate și readus într-un rezervor.

Datorită progreselor tehnologie ale ultimilor ani s-a putut extinde utilizarea acestei resurse și în alte zone funcționale de exemplu încălzirea locuințelor sau pentru diferite procese industriale, obținerea energiei electrice, încălzirea apei în crescătorii de pești, uscarea recoltelor, creșterea plantelor în seră, etc.

Principalul avantaj al centralelor geotermale este faptul că energia rezultată este curată pentru mediul înconjurător și regenerabilă. În plus acestea nu sunt afectate de condițiile meteorologie și ciclu noapte/zi. Energia geotermală prezintă și avantajul unui cost mai mic decât cea rezultată din combustibili fosili.

Folosirea în mod abuziv a uzinelor de producție a electricității din energia geotermală poate avea însă și efecte negative asupra stabilității solului cât și a resurselor locale. Există situații în care cantitatea de aburi s-a redus de-a lungul producției, straturile de adâncime au fost afectate mărindu-și volumul datorită contactului cu apa sau în zonă au apărut cutremure ca răspuns la fracturarea hidraulică.

Hidroenergia

Cea mai veche utilizare e energiei apelor este atribuită populației din China și Egiptul Antic unde au apărut roțile de apă. Aceștia foloseau morile de apă cu roțile hidraulice pentru măcinatul grânelor.

Energia hidraulică a avut un rol important în perioada revoluției industriale în special în industriile textile și a pielăritului. Renașterea energiei hidraulice s-a produs odata cu dezvoltarea electricității și a generatoarelor.

Resursele de energie hidraulică reprezintă o parte important din resursele mondiale de energie primară.

Aceasta energie este disponibilă în natură sub forma energiei asociată curgerii râurilor și a fluviilor, cunoscute și sub denumirea de hidro convenționale și ca energie a valurilor, curenților marini și a oscilațiilor periodice ale mareelor, cunoscute ca și energii hidro neconvenționale.

Amenajările hidroenergetice convenționale cuprind lacuri de acumulare, lacuri create prin bararea cursurilor de apă, canale, conducte sau galerii de derivare a apei spre central hidroeletrică unde sunt amplasate turbinele și generatoarele.

Amenajările neconvenționale cuprind instalațăii și mecanisme specifice de convertire a energiei valurilor și mareelor în energie mencanică și apoi electrică.

Energia debitelor râurilor și a fluviilor este o energie convențională.

Măsura energiei potențiale o reprezintă diferența de nivel între cota unei secțiuni de la care curge apa și cota secțiunii la care ajunge apa. În natură acest tip de energie se transformă în energie cinetică, regăsită sub forma curgerii apei între cele două cote.

Resursele hidraulice se regenereză continuu prin transformarea și acumularea naturală a energiei solare. Sursa primară a energiei hidraulice este radiația solară și circuitul apei în natură. Cea dintâi produce evaporarea, norii încărcați cu vapori de apă se deplasează către uscat, în anumite condiții condensează, precipitațiile cad pe suprafața uscatului și o parte din volumul de apă formează scurgerea de suprafață.

Valorificarea energiei hidraulice primare se face prin intermediul turbinelor hidraulice și a generatoarelor electrice. Apa trece prin palele turbine și o pune în mișcarea de rotație, energie hidraulică devenind energie mecanică. Turbina rotește rotorul generatorului și astfel energia mecanică se convertește în energie electrică.

Transformarea energiei hidraulice în electrică se face cu randamente bune, fapt ce contribuie la eficiența economică a utilizării sale

Ansamblul construcțiilor și instalațiilor care asigură transformarea energiei hidraulice în energie electriăc poartă denumirea de uzină hidroelectrică (UHE).

.

Energia oscilațiilor periodice ale mareelor este numită o energie

neconvențională deoarece regenerarea acesteia nu are legătură cu circuitul apei în natura ci se realizează datorită energiei solare.

Ridicarea și coborârea regulată a nivelului mărilor sau oceanelor poartă denumirea de fenomenul de maree. Acest fenomen se produce ca urmare a forțelor de atracție exercitate de soare și mai ales de lună.

Datorită rotației Pământului frontal de undă creată de ridicarea sau coborârea de nivel se deplasează spre vest cu o înălțime mai mică de 1 m și o perioadă de 12 ore și 25 de minute, adică intervalul de timp dintre flux și reflux.

Fazele lunii fac ca diferența de nivel dintre flux și reflux să varieze în timp între un minim și un maxim cu perioada de 14 zile.

Datorită dimensiunilor diferite ale mărilor și oceanelor există trei tipuri de maree:

Maree mari, cu diferențe de nivel de peste 4m

Maree medii,diferena de nivel între 2 și 4 m

Maree mici, diferența sub 2 m

Potențialul global al energiei mareelor este estimat la 200TWh/an. Amplasamentele favorabile precum strâmtorile, estuarele și golfurile ating o densitate de energie de circa 500-1000W/m2

Populația secolului 11 din țări precum Franța și Marea Britanie s-au folosit de avantajele energiei mareelor si au transformat-o în energie mecanică , energie folosită la morile de cereale. Aceștia s-au folosit de principiul cum accesul apei în incinta închisa,a golfului, estuarului barat sau incinta creată prin diguri depozitează apa la flux și o redă oceanului la reflux. Schimbul de apă dintre incinta și mare se realizează prin turbine care fructifică diferențele de nivel create între incintă și larg.

.

Energia curenților asociați mareelor este o a doua mare resursă în vederea valorificării energetic.

Fructificarea acesteia se face prin elice submarine, organizate în ferme similar cu cele eoliene. Fermele sunt amplasate în zone din apropierea insulelor sau coastelor unde vitezele curenților mareici sunt mai mari.

Tehnologiile de preluare a energiei curenților sunt relative simple și verificate la nivel de prototip. În viitorul apropiat se apreciază că acest tip de energie regenerabilă, în locațiile favorabile, va devni o sursă important de energie.

Energia valurilor și a curenților marini.

Valurile marine sunt o sursă de energie regenerabilă promițătoare datorită cantității semnificative existente și a accesibilității în numeroase zone ale Pământului.

Valurile marine sunt rezultatul combinației dintre acțiunea vânturilor, a gravitației și a tensiunii superficiale a suprafaței mării.

Mărimea valurilor este determinată de viteza vântului și de fetch dar și de adâncimea și relieful fundului mării, care pot disipa sau concentra energia valurilor. Valurile transportă energie mecanică.

Un impediment semnificativ în valorificarea energiei valurilor este dat de faptul ca în multe zone ale țărmurilor energia valurilor este difuză existând puține locații cu nivele semnificative de energie.

Există un număr destul de mare de mecanisme propuse pentru a valorifica energia valurilor însă numai o parte din ele sunt funcționale. Aceste mecanisme se diferențiază în funcție de poziția față de coastă,fiind amplasate în țărm, în apropierea coastei sau în larg.

O prima categorie de sisteme de valorificare a energiei valurilor sunt:

Sisteme cu coloană oscilantă de apă

Sisteme cu acumulatoare de apă

Sisteme cu plutitori antrenați de val

Sistemele cu coloană oscilantă de apă sunt formate dintr-o cameră din beton a cărei planșeu se află peste nivelul maxim al apei. Camera are deschidere în partea inferioară sub nivelul minim al apei ce permite intrarea valurile în interior. Turbina de aer este situată pe o conductă de ieșire din cameră. Axial cu turbina este generatorul care transformă energia mecanică a turbinei în energie electrică.

Sistemele cu acumulatoare de apa sunt cele mai apropiate de variantele convenționale de producere a energiei hidraulice. Mișcarea apei din val este dirijată spre rampa artificială care înalță nivelul valului iar apoi aceste este preluat prin deversare de un bazin plutitor. Returul apei din bazin spre mare, sub cadere astfel creată, pune în mișcare turbina Kaplan de joasă cădere.

Plutitorii antrenați de val se află la baza principalelor mecanisme imaginate pentru captarea energiei valurilor. Corpul plutitor,pus în mișcare de valuri, antrenează un sistem de generare direct în cazul generatoarelor liniare sau intermediare cu ajutorul unor sisteme de convertire a oscilațiilor în mișcarea de rotație sau a unor articulații ce se leagă între ele mai mulți plutitori..

În ce privește valorificarea efectivă a acestui tip de energie, situația este încă în cercetare. Tehnologia de transformare a energiei valurilor în energie electric nu a ajuns încă la stadiul de instalații industriale performante iar costurile de kWH sunt încă mari.

Energia hidroelectrică, pe lângă faptul că este regenerabilă, este și curată. Aceasta nu produce deșeuri sau bioxid de carbon care contribuie la efectul de seră, nu produce oxizi de sulf care stau la originea ploilor accide. Combustibilul energiei hidroelectrice este apa, un combustibil curat care nu suferă degradări prin turbinare.

În concluzie resursele regenerabile reprezintă singura perspectivă viabilă de a asigura alimentarea cu energie pe viitor datorită numeroaselor avantaje pe care le conferă și a impactului minim negativ asupra mediului înconjurător.

CAPITOLUL 2

Sisteme de captare a energiei solare

Un sistem de conversie a energiei solare în energie termică trebuie să fie optim din punct de vedere al performanței, durabilității și a costurilor de achiziție și funcționare.

Există numeroase modalități de captare și conversie a energiei solare. Cea mai cunoscută metodă constă în utilizarea panourilor fotovoltaice, care realizează conversia directă a energiei solare în energie termică prin utilizarea materialelor semiconductoare ce manifestă efect fotoelectric.

Conversia indirectă se realizează cu ajutorul concentratoarelor solare sau a sistemelor de lentile. Radiația luminoasă este concentrată asupra unui schimbător de căldură în care energie este transferată unui fluid ulterior aplicându-se un ciclu convențional de producție a energiei.

O altă metodă indirectă de conversie a energiei solare o reprezintă combinația dintre un concentrator solar și un motor Stirling care antrenează un generator electric. Sistemele utilizează radiația solară directă, fiind necesară orientarea automată a oglinzilor.

2.1 Panourile fotovoltaice

Termenul ”fotovoltaic” provine din greacă din combinația cuvintelor photos (lumină) și volt ce exprimă unitatea de măsură a tensiunii. Tehnologia fotovoltaică (PV) descrie procesul de generare a electricității cu ajutorul luminii.

Efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de către fizicianul Alexandr Edmond Becquerel care a explicat cum se poate genera electricitate de către lumină: ”iluminarea unui electrod afundat într-o soluție conductivă va crea un current electric”

Prima celulă PV construită a fost pe bază de selenium în 1883 de către electricianul Charles Fritts cu o eficiență mai mică de 1% ceea ce au determinat savanții la o cercetare mai intensă a efectului. Atfel încât în anul 1954 o echipă de ingineri au creat celula PV din siliciu cu o randament de 6%.

Efectul fotovoltaic produce conversia directă a luminii solare în energie electrică cu ajutorul materialelor semiconductoare.

Tehnologia acestei conversii exclude transformările intermediare: radiația solară în energie termică, energie termică în energie mecanică și energie mecanică în energie electrică. Generatorul fotovoltaic numit și celulă folovoltaică este cel ce produce energie electric de curent continu.

2.1.1 Celulele fotovoltaice- principiul de funcționare

Aproximativ 99% din celulele fotovoltaice funcționează pe bază de siliciu. Acest element chimic este cel mai abundant în natură, dupa oxigen. (27,6%)

Siliciul are 4 electroni pe ultimul strat iar pentru a realiza elemente electronegative (de tip N) sau electropozitive (de tip P) acesta este dopat cu elemente de valență superioară-fosfor sau cu elemente de valență inferioara respectiv bor. Pe baza acestui principiu se formează semiconductoarele de tip N și P.

Punerea în comun a unui material N cu un material P în o rețea cristalină în maniera de a avea conductivitate electrică determină formarea unei joncțiuni PN.

Celula fotovoltaică este alcătuită dintr-o joncțiune PN, doi electrozi, o grilă conductoare și un strat antireflexie.

O celulă PV transformă o parte din energia primită de la soare în electricitate, pentru lungimile de undă cuprinse în spectrul vizibil și foarte puțin din ultraviolete și roșii.

2.1.2 Tipuri de celule fotovoltaice

În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora se disting mai multe tipuri de cellule fotovoltaice și anume:

Monocristaline

Policristaline

Amorfe

Celule cu film subțire: CdTe, CIS, CIGS

Celulele monocristaline

După procesul de răcire a siliciului acesta se cristalizează și astfel ia naștere un singur cristal. Acesta este decupat în fâșii subțiri peste care se aplică celelalte straturi component ale unei celule PV. Culoarea lor este în general albastru.

Celulele monocristaline se prezintă sub forma unor plachete rotunde, pătrate sau pseudo-pătrate. Principalul avantaj îl constituie randamentul de aproximativ 16%.

Prețul ridicat și durata mare de amortizare prin energia furnizată sunt punctele slabe ale acestui tip de celule.

Celulele policristaline

În timpul procesului de cristalizare a siliciului se formează mai multe cristale. Decuparea în fâșii conduce la realizarea de celule compuse din mai multe cristale. Culoarea acestora este tot albastră dar se pot distinge diverse motive formate în urma cristalizării

Celulele policristaline sunt cele mai utilizate la nivel industrial pentru producerea de panouri PV, având cel mai bun raport preț-calitate. Randamentul acestor celule este de aproximativ 13%.

Dezavantajul celulelor constă în un randament scăzut în cazul unei slabe iluminări

Celulele amorfe

Sunt realizate dintr-un suport de sticlă sau un material sintetic, pe care se depune un strat subțire de siliciu. Culoarea acestor celule este ușor gri.Randamentul celulelor amorfe este mai scăzut decât al celor cristaline 5-10% însă prețul este unul bun ceea ce duce la un cost scăzut de produție.

Dezavantajele constau în randamentul scăzul în situația intensităților mari ale radiației solare și degradarea materialului într-un timp scurt de funcționare.

Celule tandem

Aceste celule se realizează prin asocierea tipurilor de celule prezentate anterior sub formă de straturi. Combinația celulelor conduce la absorbirea unui spectru mai larg al radiației electromagnetice pentru producerea de energie electric. Costul de producție este unul destul de ridicat.

Celulele cu film subțire

Celulele cu CdTe se bazează pe telură de cadmiu, material interesant datorită proprietății de absorbție foarte mare însă cu un mare punctul slab datorită toxicității cadmiului.

Celulele cu CIS (CuInSe2) au la bază cupru,indiu și selenium. Acest material se caracterizează printr-o bună stabilitate sub acțiunea iluminării și proprietății de absorbție mare

Celulele cu CIGS sunt realizate ca și cele cu CIS la care se adaugă galiu. Alierea indiului cu galiu permite obținerea unor caracteristice mai bune.

Tehnologiile CdTe, CIS și CIGS sunt în curs de dezvoltare. Aceasta presupune reducerea cantitățiide material folosită la producerea celulelor PV, dar poate avea influență negativă și asupra randamentului de conversie.

Datorită costurilor scăzute de producție, a greutății și flexibilității panoului, acest tip de celule a devenit din ce în ce mai utilizat.

Celulele din polimeri

Una dintre cele mai noi tehnologii PV o reprezintă celulele fabricate din polimeri organici. Celulele sunt realizate în film (10nm) din polifenilen-vinil și fulerene de carbon.

2.1.3 Caracteristici electrice ale celulelor fotovoltaice

Eficiența de conversie fotoelectrică a celulelor depinde de multiplii factori precum: reflexia razelor pe suprafața celulei, eficiența termodinamică, distribuția spectrală, eficiența în separarea perechilor de purtători de sarcină și conducția materialului din care este construită. Datorită faptului că aceste mărimi sunt dificile de măsurat în continuare vom face o caracterizare a celulelor fotovoltaice în funcție de caracteristicile electrice.

Principalele caracteristici electrice ale celulelor fotovoltaice sunt:

Punctul de putere maximă (abreviat engleză MPP –Maximum Power Point)

Caracteristica curent-tensiune (curba I-U)

Teniunea la borne în circuit deschis (abbr. Voc)

Curentul de scurt circuit sau factorul de umplere

Curba I-U este caracterizată de următoarele trei mărimi:

Punctul de putere maximă- este puterea nominală a unei celule fotovoltaice

MPP reprezintă punctul pe curba curent-tensiune în care aceasta funcționează la putere maximă. Pentru acest punct este necesar să se specifice atât curentul nominal (IMPP) și tensiunea nominal (UMPP)

Curentul de scurt-circuit (ISC) se situează sub valoarea curentului în punctul

de putere maximă cu aproximativ 5-15 procente. Acesta variază în primul rând, în funcție de tehnologia folosită pentru construcția celulei.

O caracteristică important este faptul că este liniar dependent de iradianta. Astfel dacă iradianta se triplează, curentul își triplează valoarea.

Tensiunea în circuit deschis (UCD)- reprezintă tensiunea între bornele metalice

ale celulei când aceasta nu are o sarcină. După cum curentul de scurt-circuit este dependent de materialul din care este fabricată celula, la fel se întamplă și în acest caz. UCD poate înregistra cca 0.5-0.6V în cazul celulelor cristaline și 0.6-0.9 V în cazul celor din siliciu amorf

Lipsa transformărilor intermediare, mișcării, zgomotului, vibrațiilor, existența unei construcții modulare, durata de exploatare de peste 25 de ani, reprezintă argument pentru a susține ideea cum viitorul energeticii descentralizate va aparține tehnologiei fotovoltaice.

2.2 Concentratoare solare

Conversia energiei solare în una termică este realizată în captatori solari, având funcționarea bazată pe diverse principii constructive.

Clasificarea colectorilor este mai greu de realizat datorită marii varietăți constructive a acestora. În funcție de soluțiile constructive ale oglinzilor ce realizează concentrarea radiației, de forma receptorului sau de principiul fizic care stă la baza realizării sistemelor de concentrare, vom avea:

După geometria reflectorului: reflectori parabolici, eliptici, sferici, reflectori a căror curbă generatoare este o sinusoidă, cilindrici și reflectorii cu geometrii compuse (oglinzi Fresnel, concentratori cu dublă reflexie)

După forma focarului: focalizare punctuală, liniară, concentratori fără focar definit.

După principiul fizic: reflexia radiației solare cu ajutorul oglinzilor și refracția radiației solare prin intermediul lentilelor convergente sau al celor Fresnel, reflexia totală a radiației utilizând concentratori prismatici.

După geometria receptorului: receptori plani, cilindrici și elipsoidali.

Colectoarele cu concentrarea radiației solare utilizează oglinzi cu suprafață curbată pentru a concentra radiația asupra unui receptor prin care circulă apa sau aerul care trebuie încălzite. Printre cele mai cunoscute și utilizate sunt colectoarele parabolice și cele tip Fresnel.

2.2.1 Centrale solare cu jgheaburi parabolice

Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabola concentrând fluxul radiației solare pe un tub absorbant situate în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare este cuprinsă între 20-150m.

Tubul absorbant este alcătuit dintr-o țeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant prin care curge agentul termic și care este în interiorul unui alt tub de sticlă de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant.

Între cele două tuburi este creat un vid pentru a reduce pierderile prin convecție. Energia radiației soare este transformată în energie calorică și cedată agentului termic. Oglinzile parabolice sunt așezate de obicei în rânduri una după alta pe direcția NORD-SUD.

Sistemele cu jgheaburi parabolice sunt cele mai comercializate la scară industrială. În varianta comercială, fluidul termic care circulă prin tubul absorbant amplasat în linia focală este un ulei care suportă termperaturi de până la 400°C, motiv pentru care funcționarea sistemului este limitată la această valoare.

În concluzie, avantajul sistemului cu jgheaburi o reprezintă simplitatea din punct de vedere constructiv, făcând posibilă transformarea radiației solare în energie termică la prețuri mai reduse. Această tehnologie poate fi combinată și cu stocarea de energie termică.

Dezavantajul, pe care îl prezintă față de alte sisteme de conversie a energiei constă în faptul că anumite temperaturi ridicate nu pot fi atinse ceea ce conduce la un necesar mai mare a capacității de stocare a energiei.

2.2.2 Centrale solare cu reflectoare liniare Fresnel

Oglinzile și lentilele Fresnel se bazează pe reflexia respectiv refracția radiației solare către un receptor, determinată de niște segmente de oglinzi și prisme.

Reflectoarele liniare Fresnel folosesc fâșii de oglinzi lungi și înguste, plane sau ușor curbate, care se pot roti în jurul axei longitudinal pentru a focalize lumina asupra unuia sau mai multor tuburi absorbante.

În practică, un rând de oglinzi poate avea lungimea cuprinsă între 400 și 1000 m cu o lățime de 20 m, cu o lungime focală până la 30m.

Principalul avantaj constă în posibilitatea de a achiziționa și folosi oglinzi la un preț mai mic care pot fi curbate elastic datorită razei foarte mari de curbură.

Datorită faptului că tuburile colectoare sunt fixe, spre deosebire de jgheaburile parabolice, ceea ce elimină necesitatea cuplajelor flexibile, acest sistem este preferat pentru tehnologiile în care agentul termic lucrează la presiuni și temperaturi înalte (abur la 500°C).

Un punct slab al acestui sistem îl reprezintă pierderile optice, înregistrând o performanță anuală mai redusă cu 20-30%, randament înregistrat în perioadele de răsărit și apus. În prezent centralele cu reflectoare Fresnel utilizează tehnologia cu generare direct de abur în colector.

2.2.3 Centrale cu turn solar

Sistemul cu turn solar este un sistem de colectare a energiei solare format din oglinzi cu orientare după două axe denumite și heliostate. Acestea se află în număr de sute sau mii și reflectă radiația solară asupra unui receptor amplasat în partea superioară a turnului.

Câmpul de oglinzi poate fi amplasat în fața turnului sau împrejurul acestuia.

În cazul centralelor cu capacități de producție

mai mari, distanța de la cea mai îndepărtată

oglindă la receptor poate depăți 1 km.

Receptorul este un schimbător de căldură

care folosește ca agent termic, aer, săruri topite

sau apa dacă se folosește de tehnologia

generării directe de abur.

În cazul sărurilor topite receptorul este un schimbător de căldură cu tuburi cu o construcție asemănătoare cu termocentralele convenționale. Fluidul fierbinte este pompat la rezervoarele de stocare sau la schimbătoarele de căldură ce livrează energie termică ciclului termodinamic motor.

Atunci când se folosește aerul, acesta este absorbit din mediul înconjurător printr-o structură tip figure, format din elemente metalice sau ceramice poroase asupra cărora este concentrată radiația soalară.

În prezent sunt date în folosință câteva centrale cu turn solar în scop demonstrativ dar și comercial iar altele sunt în construcție sau în plan de a fi construite.

2.3 Centrale solare cu oglinzi parabolice discoidale

Concentratorul cu oglinda parabolică discoidală concentrează fluxul de radiație solară asupra unui receptor aflat în punctul focal. Instalația trebuie sa fie orientată automat pentru a urmări soarele, în acest caz, având două grade de libertate.

Unitatea de conversie a radiației solare este o construcție compact amplasată în zona punctului focal al oglinzii și include trei componente: receptor termic, motor Stirling și generator electric.

Receptorul termic are rolul de a converti radiația solară concentrată în căldură și de a transfera fluxul de căldură către motorul Stirling. Receptorul este format dintr-un set de conducte prin care circulă fluidul de răcire care este și fluid de lucru pentru motorul Stirling. Gazul se comprimă în zona rece a motorului și se dilată în zona caldă, în mod ciclic, producând astfel lucru mecanic.

Prețul motoarele Stirling este ridicat motiv pentru care în prezent se studiază posibilitatea utilizării microturbinelor. Randamentul acestor motoare se situează în intervalul 30-40% iar ale microturbinelor între 20-30%.

CAPITOLUL 3

Sisteme automate de orientare a panourilor solare după Soare

Principiul de orientare a panourilor solare se bazează pe date referitoare la poziția Soarelui pe bolta cerească. Pentru o eficiență cât mai mare a conversiei energiei solare în electrice, panourile solare trebuie să fie așezate într-o poziție perpendiculară față de razele de lumină.

Există o varietatea mare de variante constructive ale sistemelor de orientare solară (denumite și sisteme de tracking sau trackere).

Literatura de specialitate împarte sistemele de orientare în două mari categorii: sisteme de orientare pasive și sisteme active.

În sistemele pasive mișcarea de orientare se obține prin expansiunea termică a unui fluid pe bază de Freon într-un tub montat paralele cu modulul fotovoltaic pe când sistemele cu orientare activă sunt sisteme mecatronice ce funcționează pe bază unor dispozitive acționate electric (dispozitiv mecanic, sistemul de control) care pot include sisteme cu roți dințate, cu bare articulate, transmisii cu lanț, fir sau curea.

Din punct de vedere al sistemului de control a sistemelor de orientare activă se identifică:

Sisteme în circuit închis – ce utilizează fotosenzori care sunt responsabili pentru discriminarea poziției Soarelui. În condiții atmosferice variabile acest sistem poate induce erori în detectarea poziției Soarelui.

Sisteme în circuit deschis- funcționează pe baza unor algoritmi care furnizează parametrii predefiniți de control pentru motoare în funcție de poziția soarelui, ce poate fi determinată cu precizie pentru orice zonă geografică.

Controlerul folosit poate fi din unul din familia clasică PID (Proportional-Intergral-Derivative) sau modern de tip robust sau adaptiv:FLC(Fuzzy Logic Controller), FNLC (Fuzzy Logic Neural Controller).

Având în vedere cele două mișcări ale sistemului astronomic Soare-Pământ: mișcarea diurnă și cea sezonieră, se identifică două tipuri de sisteme de orientare: sisteme monoaxiale (după o singură axă) respective bi-axiale (după două axe).

Deși aspectul economic al realizării și implementării sistemelor bi-axiale reprezintă un dezavantaj, câștigul energetic este considerabil în raport cu câștigul energetic al celor monoaxiale.

În cazul sistemelor bi-axiale literatura ne prezintă trei tipuri de astfel de mecanisme și anume: sistemul ecuatorial, sistemul pseudo-ecuatorial, sistemul azimutal .

3.1 Sistemul ecuatorial

Poziția panourilor solare în sistemul de orientare ecuatorială se face după unghiul orar (ω) și după declinație (δ, mișcarea de elevație).

Unghiul orar este unghiul diedru format de planul meridian al observatorului terestru și planul meridian al razei solare în timp ce declinația reprezintă unghiul dintre axa centrelor Pământ-Soare și planul ecuatorial al Pământului.

Sistemele ecuatoriale au axa de rotație diurnă paralelă cu axa de rotație a Pământului, iar axa de elevație poate fi ajustată zilnic sau sezonier. Acest sistem este definit de unghiurile aferente sistemului global de referință prezentate în figura 3.1.

Orientarea de acest fel este potrivită pentru platform mici sau de tip string-uri

3.2 Sistemul pseudo-ecuatorial

Poziția panourilor solare în sistemul pseudo-ecuatorial se realizează după unghiul diurn (β) și unghiul de elevație (γ).

Unghiul diurn este unghiul conținut în planul vertical Est-Vest și se formează prin proiecția razei solare pe verticala locului iar unghiul de elevație este unghiul ce se formează între raza solară și planul vertical Est-Vest.

Spre deosebire de sistemul ecuatorial în care prima mișcare față de sol este unghiul orar și cea de-a doua declinația, la sistemul pseudo-ecuatorial mișcările se realizează invers,și anume prima mișcare de sol este unghiul de elevație iar cea de-a doua unghiul diurn. Sistemele pseudo-ecuatoriale sunt preferate în practică datorită avantajelor economice și constructive pe care le deține.

3.3 Sistemul azimutal

Axele de rotație specifice sistemului de orientare azimutal sunt axa verticală z în jurul căreia se efectuează mișcarea azimutală și axa orizontală x a sistemului în jurul căreia se efectuează mișcarea altitudinală.

Unghiul altitudinal(α) este unghiul care se formează între direcția razelor solare și planul orizontal al locului.

Ordinea mișcărilor unghiulare este următoarea: mișcarea diurnă sau azimutală(ψ) ca mișcare primară iar elevația sau mișcarea altitudinală ca mișcare secundară.

Utilizarea unui singur actuator pentru realizarea ambelor mișcări de orientare a sistemelor azimutale este rezultatul unor cercetări recente. Aceasta are două modalități distinct de aplicare și anume:

Generarea mișcării de elevație din cea diurnă cu ajutorul unui mecanism spațial

Generarea succesivă a celor două mișcări cu același actuator

3.4 Sistemul pseudo-azimutal

Sistemul pseudo-azimutal este un nou tip de sistem bi-axial de orientare, derivat din cel azimutal, dar se diferențiază prin faptul că axa diurnă este poziționată pe orizontală și nu verticală ca în cazul menționat.

Unghiurile de orientare sunt unghiul diurn(ε) și unghiul de elevație(ρ).

Sistemele pseudo-azimutale au apărut în scopul creșterii stabilității structurii, fiind cea mai bună soluție pentru orientarea platformelor de șiruri fotovoltaice.

Sistemul din figura 3.5 folosește actuatorul liniar (110) în mișcarea diurnă și la rotirea cadrului platformei. Transmiterea mișcării de elevație între module se realizează cu un mecanism cu multe paralelograme, acționarea se face la nivelul bielei de la actuatorul liniar (112).

Acest sistem are un randament cu 40% mai mare decât sistemele fixe. Un alt avantaj constă în posibilitatea de a fi montat pe un teren înclinat sau cu denivelări, inclusive pe acoperișuri.

3.4 Sisteme de orientare solară existente pe piață

Avantajele legate de precizia orientării în raport cu poziția Soarelui pe bolta cerească a platformelor fotovoltaice de dimensiuni medii sau mari și posibilitatea utilizării sistemelor de orientare a panourilor solare, în combinație cu alte soluții de îmbunătățire a eficienței, au determinat companiile din domeniu să își concentreze activitatea pe producția și implementarea acestor sisteme. Printre cele mai cunoscute companii amintim: Sedona Solar, Solener, Grace Solar, First Sun Energy, Poleuk Solar, , WS Energia, Flextronics International Ltd (Flex), Grace Solar , Egis, Arctech Solar,Big Sun Group, ,

Piața globală a sistemelor de urmărire a energiei solare este așteptată să crească la un CAGR(Rata de creștere anuală compusă ) de 12% din 2014 până în 2020 și să atingă 7 GW până în 2020.

Poluek Solare, o companie cehă, a dezvoltat o linie de sisteme de orientare ecuatorială denumită Traxel cu două brevete emise valabile la nivel mondial. Partea principală Traxel este o țeavă de aluminiu înclinat spre axa nord/sud. Brațele cu panouri sunt atașate la conductă. Conducta are un motor incorporate DC .

Compania Sedona Enegy Labs a scos pe piață o largă gamă de produse InteliTrack Team IT1500, IT 1800, IT 2000: sisteme de orientare cu mișcare după o axă și biaxiale.

În anul 2010, Mark Scanlon, fondatorul companiei a dezvoltat o nouă metodă de montare a panourilor PV și anume: sistem de orientare a panourilor pe șină(InteliTrack2000). Un astfel de sistem poate deplasa zeci de panouri în sincronizare urmărind soarele est/vest ziua și nord/dus în funcție de anotimp, realizând o eficiență maximă de producere a energiei.

Sistemul biaxial IT2000 înregistrează un randament cu 40% mai mare decât o instalație fixă și cu 20% decât una monoaxială , având și o rezistență crescută la factorii pertubatori(vanturi puternice până la 150 mile/oră).

Big Sun Group înființat în 2006 este un alt producător profesionist de energie solară localizat în Taiwan. iPV Tracker este un sistem de urmărie a energiei solare cu două axe. Cadrul său de fixare este capabil să susțină cele mai multe tipuri de panouri comerciale. iPV Tracker poate roti un grad la fiecare cinci minute , are o rotație complete de 360 de grade azimut și înclinare altitudine de la -40 la 40 grade. Acesta este capabil de a regla unghiul panoului solar pentru a urmări Soarele tocmai pentru a produce o energie constant pe tot parcursul zilei și de a fi mai eficientă cu până la 30-50% față de sistemele fixe.

Caracteristicile specifice ale acestui sistem sunt:

Rezistența la vânt (în caz de vând puternic acestea se vor poziționa orizontal automat )

iPV Tracker poate fi activat să se rotească la un unghi înclinat pentru a elimina praful excesiv depus pe panourile solare sau acumulările de zăpadă.

Motoarele principalele sunt pozționate la cel puțin 1,5 metri de sol fapt ce elimină posibilitatea ca motorul să fie inundat

Acest sistem este rezistent la coroziune datorită materialelor din care este confencționat: suportul principal este realizat din zinc galvanizat iar piesele sunt din oțel inoxidabil,zinc,auminiu,aliaj de aluminiu

Artech Solar (Shanghai) a dezvoltat o linie de sisteme de orientare solară denumita „Sky Series Solar”. Dispozitivele de urmărire Arctech, cu o singură axă, sunt cele mai atractive din punct de vedere al rentabilității și fezabilității.

Modelul SkySmart prezintă următoarele avantaje:

Se adaptează cu ușurință la panta de S/N de 20%

Numărul de fundații a fost redus (exemplu pentru 385 de module, se vor utilize 200 fundații)

Avantajul curățeniei fără risc-datorită desginului unic de două rânduri de module în portret

Compatibil cu toate modulele fotovoltaice disponibile în comerț și este primul tracker din lume special conceput pentru modulele bifaciale.

Este un sistem cu autovehicul cu bacteria Li-ion ca rezervă

Este primul furnizor ce utilizează tehnologia de comunicațăă fără fir LoRa pentru dispozitivele de urmărire

NextTracker (2013) este o filială independentă a Flextronics International Ltd (SUA) ce oferă sisteme proprii de orientare a panourilor solare pentru numeroase proiecte de pe cinci continente,fiind una dintre companiile cu cea mai rapidă creștere în domeniul solar.

Produsul care i-au consacrat este NX HorizonTM un sistem avansat de urmărire a soarelui în plan orizontal.

O primă caracteristică a acestui sistem o reprezintă o reducere a numărul de coloane pentru un rând de panouri. Ca urmare, rândurile pot fi mai lungi dar cu până la 90 de panouri solare montate în portret.

NX HorizonTM rotește panourile solare cu până la 120 ° permițând un randament energetic de până la 2%. În caz de eveniment meteorologic sever, rândurile pot fi mutate în poziție de depozitare în cel mult 2 minute.

Sistemul poate fi ușor de întreținut deoarece rândurile nu sunt legate cu un arbore de antrenare, fiecare motor este alimentat de propriul panou solar (cu baterie de rezervă integrată), fără cabluri externe. Imediat ce controlerul wireless este conectat, începe urmărirea.

În concluzie,putem afirma că piața sistemelor automate de orientare solară este în plină dezvoltare, existând numeroase companii ce oferă o mare diversitate de produse și care continua să fie îmbunătățite în funcție de tehnologiile noi apărute.