Introducere

O cantitate imensa de energie solara ajunge la suprafata pamantului in fiecare zi. Aceasta energie poate fi captata, si folosita sub forma de caldura in aplicatii termo-solare, sau poate fi transformata direct in electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice(CF) . q6f2fl
Pentru a intelege cum CF si sistemele termo-solare capteaza energia solara, este important sa intelegem cum aceasta isi urmeaza cursul de la soare spre Pamant si cum acest flux se schimba periodic.

Cum produce soarele energie

Soarele este o sfera cu diametrul de aproximativ 1.4 milioane de km, formata din gaze cu temperaturi foarte mari(temperatura interiora a soarelui este de aproximativ 15 milioane de grade Kelvin). Aceasta temperatura imensa, combinata cu o presiune de 70 miliarde de ori mai mare decat aceea a atmosferei Pamantului creeaza conditiile ideale pentru reactiile de fuziune.

Reactia de fuziune

Reactiile de fuziune din soare au loc intre atomi de hidrogen, care se combina si formeaza atomi de helium. In urma acestui proces se degaja energie sub forma unor radiatii cu energie mare, mai cu seama raze gamma. In timp ce aceaste radiatii migreaza din centrul spre exteriorul sferei solare, ele reactioneaza cu diferite elemente din interiorul soarelui si se transforma in radiatii cu energie mica. Soarele a produs in acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, si va continua sa faca la fel pentru inca 4-5 miliarde.

Cum este transportata energia pe Pamant

Pamantul se roteste in jurul soarelui la o distanta de aproximativ 150 milioane de km. Radiatiile se extind la viteza de 300.000 de km pe sec, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pamant este de aproximativ 8 min.

Catitatea de radiatii ce ajung pe Pamant.

Cantitatea de energie solara ce atinge la un moment dat un anumit loc de pe suprafata Pamantului se numeste constanta solara, valoarea ei depinzand de mai multi factori. Daca soarele este la amiaza si cerul este senin, radiatia pe o suprafata orizontala este de aproximativ 1000 de W pe metru patrat. Se observa scaderea constantei solare cand suprafata nu este orientata perpendicular pe razele soarelui.

Variatia sezoniera

Pamatul se invarte in jurul axei sale o data pe zi si se roteste, intr-o orbita eliptica, in jurul soarelui, o data pe an. Axa in jurul careia se invarte Pamantul este inclinata cu aproximativ 23 de grade de la verticala. Aceasta inclinare a dat nastere anotimpurilor: cand axa Pamantului este inclinata spre soare, emisfera nordica primeste mai multe radiatii solare (vara). Sase luni mai tarziu, cand axa nu este inclinata spre soare, in emisfera sudica este vara, deci cantitatea de radiiatii solare ce va atinge Pamantul este mai mare.
Inaltimea la care se gaseste soarele pe cer afecteaza si ea valoarea constantei solare.

Energia termo-solara

Introducere

Tehnologiile "termo-solare" folosesc caldura razelor de soare pentru a produce apa calda, energie electrica si pentru a incalzii unele locuinte. Aplicatiile termo-solare se intind de la un simplu sistem rezidential de incalzire a apei pana la statii foarte mari de generare a energie electrice.

Isotria energiei termo-solare

Pe parcursul isotriei, oamenii au folosit caldura soarelui pentru diferite intrebuintari casinice. Astazi, energia termo-solara este folosita aproape in orice climat pentru a furniza o sursa sigura si ieftina de energie. In ultimii ani energia termo-solara este folosita pentru creearea aburilor ce alimenteaza turbine generatoare de energie electrica.
Oamenii au folosit razele solare pentru diferite intrebuintari de secole dar conceptul proriu-zis de energie termo-solara a aparut in anul 1767 cand omul de stiinta elvetian Horace de Saussure a inventat primul colector solar, sau "cutia fierbinte". Renumitul astrolog Sir John Hershel a folosit in anul 1830 aceste "cutii fierbinti" pentru a gatii in timpul expeditie sale in sudul Africii. Energia termo-solara a devenit foarte importanta in unele parti ale Africii pentru gatit si pentru distilarea apei. Incalzirea solara a inceput sa ia amploare cand Clarence Kemp a patentat primul sistem comercial de incalzire a apei in anul 1891. Ideea a prins repede in regiunile unde trebuia importat combustibil pentru incalzirea apei.
In anul 1987, aproape 30% din casele din Pasadena, California (S.U.A.) aveau un sistem termo-solar de incalzire. Incalzirea solara a apei a inflorit (in S.U.A.) in timpul aniilor in care pretul energie era mare (anii ‘70). Datorita faptului ca incalzirea apei intr-o resedinta poate insemna pana la 40% din consumatia totala de energie, incalzirea solara joaca un rol important in multe tarii. De exemplu, aproximativ 1.5 mil de cladiri din Tokyo, Japonia si peste 30% dintre cele din Israel au sisteme de incalzire solara a apei. Energia termo-solara mai poate fi folosita si indirect pentru alimentarea cu aburi a unei turbine generatoare de electricitate. Aceasta metoda este foarte eficienta si competitiva. Prima aplicatie comerciala a acestui sistem a aparut la inceputul anilor ‘80. In Statele Unite aceasta industrie este coordonata de catre Departamentul American de Energie si a crescut foarte mult datorita proiectelor initiate de acesta.

Teorie

Energia electrica termo-solara se obtine cu ajutorul tehnologiilor ce folosesc radiatiile solare pentru a obtine aburi. Acesti aburi alimenteaza turbine generatoare de electricitate.
Sistemele de incalzire a apei de dimensiuni mici folosesc colectori cu taler plat pentru a capta caldura soarelui, in timp ce uzinele electrice alimentate de energia termo-solara folosesc procedee mai complexe pentru captarea radiatiilor.

Colectori cu taler plat

Colectorii cu taler plat transfera caldura soarelui catre apa fie direct, fie cu ajutorul altor lichide si a unui sistem de schimbare a caldurii.

Componentele unui colector cu taler plat

Colectorul este acoperit cu sticla, sau cu un alt material transparent, pentru a mentine caldura solara in el. Partea posterioara a colectorului se acopera cu un matrial izolator pentru a nu lasa caldura sa se degaje. Intre materialul transparent si izolator se afla un material de absorbire a caldurii.

Exista 3 tipuri de sisteme termo-solare de incalzire a apei ce folosesc colectorul cu taler plat:
A: Sistemul este format dintr-o pompa, un colector si un bazin de stocare. Pompa trece apa prin colector, acesta o incalzeste, dupa care este stocata in bazin
B: Sistemul este format dintr-un colector ce reprezinta in acelasi timp si bazinul de stocare.
C: Sistemul este format dintr-un colector si un bazin de stocare a apei.

Transformarea energiei termo-solare in energie electrica

Centralele electrice termo-solare produc electricitate folosind o turbina alimentata cu aburii produsi prin clocotirea unui lichid cu ajutorul radiatiilor soarelui.

Sisteme de captare a energiei termo-solare

Centralele electrice termo-solare folosesc mai multe metode pentru captarea razalor de soare:

1. Sisteme cu receptor central (alte poze la pagina )
Aceste sisteme concentreaza razele de soare spre un colector central cu ajutorul unor oglizi plasate radiar.

2. Sisteme cu albii (alte poze la pagina )
Albiile sunt lungii, formate din oglinzi curbate ce concentreaza razele soarelui pe niste tevi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturi foarte mari, de exemplu in centralele din Sudul Californiei poate ajunge pana la 400 grade C.

3. Sisteme cu parabola (alte poze la pagina )
Folosesc o parabola ce concentreaza radiatiile solare spre un colector montat in punctul focal al acesteia.

Aplicatii

Apa calda poate fi produsa la o scara mica pentru utilizari casinice sau la o scara mare pentru alimentarea centralelor electrice termo-solare. Aplicatiile la scara mica folosesc in general colectori cu taler plat, in timp ce centralele electrice folosesc sisteme de concentrare a radiatiilor solare.

1. Apa calda pentru uz cansnic
Instalarea unui sistem ce foloseste energia solara pentru incalzire este economic si poate satisface 60-80% din totalul necesar de apa calda.
SRCC sau Solar Rating & Certification Corporation este o organizatie non profit ce se ocupa cu asigurarea calitatii sistemelor termo-solare casnice.
2.Incalzirea piscinei
3.Intrebuintari comerciale si casnice
4.Centrale electrice termo-solare.
Folosind albii, parabole sau receptori centrali uzinele electrice termo-solare concentreaza razele soarelui spre colectori care ating temperaturi foarte mari(uneori pana la 600 de grade C). Astazi, exista un numar mare de centrale comerciale active, altele mai mari urmand sa fie construite.

Cazuri particulare

1.Spitalul St. Rose din San Antonio, Texas foloseste un sistem termo-solar de incalzire pentru 90% din totalul de apa calda necesara. Sistemul are un bazin de 30000 de L si un colector cu o suprafata de 5000 de metri patrati. Acest mod de obtinere a apei calde ajuta spitalul sa economiseasca 17.000$ pe an.

2. Locatari acestui bloc din Honolulu, Hawai au optat in anul 1984 pentru folosirea energiei termo-solare la incalzirea apei datorita preturilor mari ale petrolului. Sistemul foloseste aproximativ 50 de colectori cu taler plat de 48 metri patrati si un bazin de 13500 l pentru asigurarea a 70% din totalul necesar de apa calda.

3. Aceasta centrala termo-solara foloseste un sistem cu receptor central si are o putere de 10 MW.

4.In California de Sud (S.U.A.) exista 9 centrale cu sisteme de albii, numite si SEGS(Solar Electric Generating Systems) ce genereaza in total 354 de megawati. Sistemele cu albii sunt cele mai fiabile si economice sisteme termo-solare.

Avantajele energiei electrice termico-solare:

· se obtine electricitate si apa calda in acelasi timp
· centralele pot fi adaptate la aplicatiile pentru care sunt folosite
· poluarea este foarte mica sau inexistenta
· construirea centralor termo-solare se face mult mai repede decat a centralelor coneventionale

Viitorul energiei termo-solare

Pentru a creste eficienta sistemelor trebuie folosite materiale mai usoare in constructia colectorilor termo-solari. Oamenii de stiinta ai Departamentului American de Energie au constatat ca sarea topita absoarbe si stocheaza foarte eficient caldura soalara. Deasemenea s-au facut experimente la Universiatea din Chicago pentru dezvoltarea unui sistem de concentrare ce creste intensitatea soarelui de 60.000 de ori. Guvernul american a planificat in anii urmatori construirea unor centrale de 100 MW ce folosesc sisteme de colectare cu receptor central.

Celulele fotovoltaice

Introducere

Celulele fotovoltaice transforma razele solare in electricitate. In ultimii ani au aparut noi tehnologii de conversie fotovoltaica cu o eficienta mare si pret redus. Panourile fotovoltaice sunt in ziua de azi din ce in ce mai folosite, mai ales in zonele izolate, in care nu se poate produce energie electrica prin metode conventionale. Sistemele fotovoltaice sunt usor de manuit, au nevoie rar de intretinere si nu polueaza mediul inconjurator.

Teorie

Celuele fotovoltaice(CF) folosesc materiale semiconductoare pentru a capta energia solara. Pentru a creste cantitatea de radiiatii ce alimenteaza panourile fotovoltaice se folosesc sisteme de concentrare si cautare a razelor solare.

Conversia fotovoltaica

Acest capitol prezinta felul in care celulele fotovoltaice capteaza radiatiile solare si le transforma in energie electrica. Se va explica numai cazul in care celulele sunt fabricate din cristale de siliciu, desi exista si cazuri in care acestea sunt formate din alte materiale semiconductoare. Totusi principiile de baza sunt aceleasi.

Alcatuirea dispozitivelor fotovoltaice

O celula solara conventionala consta intr-o napolitana de siliciu de o grosime de aproximativ 0.5 mm. Celulele tipice au un diametru de 10 cm, produc 1 W de energie si sunt grupate in module de 12. Modulele sunt la randul lor grupate in panouri, care formeaza dispozitive de captare a energiei solare.

Modul de functionare al celulelor fotovoltaice

Cand un cristal pur de siliciu(A-B) este luminat de o raza de soare, unul sau mai multi electroni sunt indepartati de nucleu(C), in locul acestora formandu-se "gauri". Aceste “gauri” sunt umplute ulterior cu alti electroni, proces in urma caruia se degaja energie(D).

Randamentul celulelor fotovoltaice

CF conventionale transforma intre 5 si 15% din energia solara in energie electrica. Unele celule experimentale, fabricate din materiale foarte scumpe, au o eficienta aproape dubla dar numai in anumite conditii de laborator.

Tipuri de celule fotovoltaice

1.CF conventionale

2.CF subtiri
3.CF sferice
4.CF multijunctionale
5.CF policristaline
6.CF fara siliciu

1.Cele mai multe CF din ziua de azi sunt celule cu un singur cristal de siliciu. Celulele de siliciu sunt relativ ieftine, eficiente si fiabile.
2. Sunt alcatuite tot din siliciu dar sunt fabricate printr-o metoda avansata. CF subtiri folosesc mult mai putin siliciu decat celulele conventionale dar sunt mai putin eficiente si mai scumpe.
3.Sunt fabricate cu ajutorul unei tehnologii noi dezvoltata de Texas Instruments Corporation. Celulele sferice functioneaza in acelasi fel ca si cele conventionale dar difera prin forma lor. Ele sunt formate din mai multe sfere de siliciu acoperite cu aluminiu pentru a asigura intre ele un contact electric. Celulele sferice sunt usor de fabricat, sunt relativ ieftine si nu necesita o puritate mare a siliciului.
6.Multe metale pot fi transformate in semiconductoare si folosite in CF. Unele dintre ele sunt deja folosite in timp ce altele sunt in faza experimentala.

Aplicatiile CF

Piata CF s-a dezvoltat rapid, astfel ca, in ziua de azi, exista foarte multe aplicatii ale acestora. Cu cat preturile vor scadea mai mult cu atat sistemele fotovoltaice se vor inmultii.

1.Aplicatii casnice
Unele locuinte folosesc sistemele fotovoltaice pentru a inlocui sau suplimenta sursele de energie electrica conventionale. Un sistem casnic independent este format din panouri solare(A), o baterie(B) care stocheaza energie pe timpul noptii, si un mecanism(C) ce permite aparatelor casnice conventionale sa fie alimentate cu electricitate solara. Unele locuinte folosesc aparate casnice speciale pentru energia electrica solara.
2.Alimentarea sistemelor izolate
Sistemele fotovoltaice alimenteaza la ora actuala, in toata lumea, mii de sisteme de comunicatii izolate. Ele pot fi reprezentate de sisteme radio, telefoane, sisteme de control si multe altele.
In fiecare an coroziunea metalelor aduce pagube de milioane de dolari in toata lumea. Pentru a prevenii aceste coroziunii se foloseste protectia catodica, adeseori alimentata de panouri fotovoltaice. Cele mai multe sisteme de protectie catodica au nevoie de mai putin de 10 kW de energie electrica.
Capacitatea bateriilor scade daca acestea nu sunt folosite o perioada mai lunga de timp. Pentru a prevenii aceasta problema sistemele fotovoltaice pot furniza bateriilor un curent mic si constant.
Sistemele de avertizare izolate pot fi deasemenea alimentate de electricitatea solara.
In Statele Unite exista peste 6000 de sisteme de iluminat alimentate cu panouri fotovoltaice.
Pentru a mentine unele sisteme de irigatii se foloseste energia electrica solara obtinuta cu ajutorul celulelor fotovoltaice.

Cazuri particulare

1. In Republica Dominicana s-a demarat un program de promovare a energiei electrice solare in mediul rural. In urma acestui program, inceput in anul 1985, s-au instalat peste 1000 de sisteme fotovoltaice.
2. Panourile fotovoltaice pot oferi o sursa de energie sigura si pentru perioade scurte de timp, sau in cazul in care este nevoie neaparata de electricitate. Acesta a fost cazul in SUA, Florida, dupa ce uraganul “Andrew” a distrus aproape toate posibilitatiile de alimentare cu energie electrica.
3. O instalatie fotovoltaica alimenteaza sistemul de comunicatii de pe varful Onyx in SUA,California. Statia se afla la 3300 de metri altitudine, conditiile meteo fiind adeseori foarte aspre cu vanturi ce ating o viteza de 200 km/h si zapezi ce depasesc 2 metri. Inainte de instalarea sistemului de alimentare solara, statia folosea 3 generatoare diesel de 7.5 kW ce consumau 26500 L de combustibil anual.
4. In Mali, Africa au fost instalate in jur de 100 de sisteme de extragere a apei alimentate fotovoltaic. Acest proiect a ajutat foarte mult societatiile sarace africane.