ENERGIA SOLARA

Energia solara este practic inepuizabila. Este cea mai curata forma de energie de pe pamânt si este formata din radiatii calorice, luminoase, radio sau de alta natura, emise de soare. Cantitatile uriase ale acestei energii stau la baza majoritatii proceselor naturale de pe Pamânt. Cu toate acestea, este destul de dificila captarea si stocarea ei într-o anumita forma (în principal caldura sau electricitate) care sa pemita utilizarea ei ulterioara. Energia solara poate încalzi locuintele în mod pasiv, datorita constructiei acestora (casele pasive) sau poate fi stocata în acumulatoare termice sub forma de energie termica. Caldura generata solar se poate folosi în principal la prepararea apei calde menajere, încalzirea agentului termic responsabil de temperatura ambianta a casei si încalzirea piscinelor. Exista chiar si instalatii de aer conditionat bazate pe caldura solara, unde aceasta reprezinta energia principala necesara racirii aerului. Utilizarea energiei solare reprezinta la nivel global cea mai eficienta metoda de a aduce caldura în locuinte. În general, cantitatea de caldura solara ce cade asupra acoperisului unei case este mai mare decât energia totala consumata în casa. Cu mijloace simple, eficiente constructiv, se poate utiliza energia solara pentru a reduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dintr-o locuinta moderna.

Celula solara

Fizicianul francez Becquerel a descoperit în 1839 efectul fotovoltaic care consta în transformarea directa a energiei luminoase în energie electrica, iar în 1930, fizicianul american Schottky a argumentat teoretic efectul fotovoltaic. Efectul fotovoltaic se bazeaza pe trei fenomene fizice simultane, strâns legate între ele:

1. Absorbtia luminii de catre materiale;
2. Transferul de energie de la fotoni la sarcinile electrice;
3. Colectarea sarcinilor.

Celulele solare sunt compuse din siliciu necristalin (amorf) sau cristalin.

Celulele solare din alte materiale precum GaAs sau CuInSe2 sunt înca în faza de dezvoltare. În domeniul puterii reduse (mW, µW), de exemplu ceasuri si calculatoare de buzunar, celulele solare cu siliciu amorf domina piata. Atomii de siliciu nu sunt ordonati, ceea ce permite obtinerea de folii subtiri de siliciu. Siliciul amorf este folosit la module cu putere de 30 W. Dezavantajul consta în randamentul scazut, de 5-7 %. De aceea, este necesara dublarea suprafetei de module solare monocristaline sau policristaline.

Tipuri de celule solare

A. Celule de siliciu monocristalin ( figura 1.1 )

1. Au randamentul de 15 % - 17 %;
2. Sunt fabricate din blocuri de siliciu monocristalin;
3. Au culoare de la albastru închis pâna la negru.

B. Celule de siliciu policristalin ( figura 1.2 )

1. Au randamentul de 13 % - 15 %;
2. Sunt fabricate din blocuri de siliciu compuse din cristale mari;
3. Au suprafata perlata;
4. Au costuri de productie mai reduse decât cele ale celulelor monocristaline.

C. Celule amorfe

1. Sunt realizate dintr-un suport de sticla sau material sintetic, pe care se depune un strat subtire de siliciu;
2. Au randamentul de 5 % -10 %, mai mic decât al celulelor cristaline;
3. Sunt utilizate în mici produse comerciale (ceasuri, calculatoare), dar pot fi utilizate si în instalatiile solare;
4. Au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuza si la cea fluorescenta, fiind deci mai performante la temperaturi ridicate;
5. Au costuri de productie mai reduse decât cele ale celulelor cristaline.

D. Celule CdTe, CIS, CIGS

1. Celulele cu CdTe se bazeaza pe telura de cadmiu, material interesant datorita proprietatii de absorbtie foarte mare. Totusi, dezvoltarea lor risca sa fie frânata datorita toxicitatii cadmiului;
2. Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazeaza pe cupru, indiu si seleniu. Acest material se caracterizeaza printr-o buna stabilitate sub actiunea iluminarii. Au proprietati de absorbtie excelente;
3. Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleasi materiale ca si cele cu CIS, având ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obtinerea unor caracteristici mai bune.

Constructia celulei solare

Siliciul (Si) se obtine la temperaturi de 1800o C din bioxid de siliciu (SiO2), gasit în natura sub forma de cuart, componentul principal al nisipului. În urma acestui proces se obtine siliciu lichid cu o puritate de 98 %. Pentru a putea fi folosit la producerea celulelor solare, acest produs trebuie purificat pâna la 99,999999999999 %, ceea ce înseamna ca la 1.000.000.000.000 (1012 ) atomi de siliciu poate fi preluat numai un atom de Si impur. În concluzie, siliciul trebuie transformat în siliciu monocristalin. Prin adaosul de materiale dotante la topire (cel mai des fosfor P-5 valent pentru dotarea negativa n sau bor B- 3 valent pentru dotarea pozitiva p) se obtine un siliciu dotat. Dotarea de baza este totdeauna un siliciu pozitiv.

În figura 1.3 este reprezentata schematic structura unei celule solare. Energia luminii disloca în jonctiunea p-n electroni si îi face liberi. Astfel sunt disponibili un electron negativ si o gol pozitiv. Daca circuitul este închis, electronii negativi se scurg în stratul p si protonii pozitivi în stratul n. Asadar, curentul electric poate trece. Datorita potentialului energetic ridicat al semiconductorului n si a spatiului în regiunea de încarcare, electronii pot circula doar pe traseul urmator:

1. de la stratul n;
2. prin contactul partii superioare (polul negativ al celulei solare);
3. prin consumatorul extern;
4. prin contactul partii inferioare (polul pozitiv al celulei solare);
5. la semiconductorul p;
6. se recombina cu un atom rezidual, etc

Legarea celulelor solare

Pentru a obtine o putere mai mare, celulele solare de trebuie conectate pentru a forma un modul. Legarea celulelor solare se pot lega în serie sau în paralel sau se pot realiza combinatii de celule legate în serie si paralel. În figura 1.4 este reprezentat un modul de 18 celule conectate mixt, în serie si paralel.

Fig. 1.4

Orientarea celulelor solare

Puterea maxima se poate obtine de la un modul solar daca razele de lumina cad perpendicular pe suprafata sa. Acest lucru nu este totdeauna posibil, tinând cont de deplasarea zilnica si anuala a soarelui. De aceea, la calculul eficientei unei instalatii fotovoltaice trebuie luate în considerare aceste pierderi. Unghiul ideal de instalare al unei celule solare este determinat de latitudinea localitatii. Totusi, un unghi de instalare sub 15O trebuie evitat, pentru ca la ploaie efectul de autocuratire sa aiba loc. Un unghi de instalare de 60O permite iarna ca zapada sa alunece. În localitatile la nord de Ecuator, modulele solare sunt pozitionate spre sud, în cazul eventualelor umbriri si spre sud-vest sau sud-est. În localitatile la sud de Ecuator, modulele solare sunt pozitionate spre nord, în cazul eventualelor umbriri si spre nord-vest sau nord-est. Un modul solar dezvolta o putere mai mare daca se afla în apropierea Ecuatorului. Totodata, aceasta putere marita este diminuata de temperatura ridicata a celulelor. La cresterea temperaturii cu 1 grad Kelvin, puterea scade cu 0,5 %. Aceasta înseamna ca la o temperatura a celulelor de 75OC, puterea modulului scade cu 25 %. Curentul si tensiunea unei celule solare sunt marimi dependente de temperatura celulelor.

Caracteristicile celulei solare

1. La iluminarea unei celule solare, apare o tensiune egala cu 0,6 V, independenta de intensitatea luminoasa;
2. Curentul în scurtcircuit ( IK ) creste liniar în raport cu intensitatea luminoasa. În conditii standard, la o suprafata a celulelor de 100 cm2 si o iluminare cu STC de 100 W / m2, acest curent este de 3 A.

Module solare

Realizarea modulelor solare

Dupa ce feliile de silicon au fost taiate, se fixeaza contacte pe partea superioara si inferioara împreuna cu o banda cositorita. Contactul partii inferioare acopera întreaga suprafata a celulei, în timp ce contactul partii inferioare este în forma de pieptene, permitând luminii sa cada pe suprafata de silicon. În final, un învelis anti-reflexie este aplicat partii superioare. Acesta asigura patrunderea a cât mai multa lumina pe suprafata de silicon. Ultimul pas este controlul calitatii.

Asamblarea unui modul

În primul rând se leaga conductoare de contactele celulei solare. Depinzând de putere si tensiune, ele vor fi legate în serie sau paralel. Siliciul este casant si se rupe usor, de aceea celulele solare vor fi puse într-un suport de plastic. Acest plastic nu are voie sa îmbatrâneasca si trebuie sa fie rezistent la deteriorarea prin raze ultraviolete. De asemenea, sticla acoperitoare trebuie sa satisfaca anumite conditii. Sticla, partea din spate a modulului si plasticul vor forma în final o singura unitate. Astfel, celulele nu mai pot fi separate fara a fi distruse. Ca ultim pas, tot modulul este montat într-o rama de aluminiu si se fixeaza doza de legatura a modulului.

Acoperirea unui modul

Apar probleme daca, la legarea în serie a celulelor într-un modul, una dintre ele este acoperita de exemplu, cu o frunza. Sa analizam cazul cel mai critic: modulul furnizeaza curent acumulatorului. Celula acoperita devine consumatoare de energie. Celulele ramase libere canalizeaza curentul prin celula acoperita. Drept rezultat, energia pusa la dispozitie de modul este transformata în caldura de celula acoperita. Aceasta energie poate distruge celula. Acest inconvenient poate fi evitat prin legarea antiparalel a unei diode (dioda bypass). Aceasta nu permite trecerea curentului prin celula acoperita. Ideal ar fi legarea la fiecare celula a unei diode bypass. În practica, este suficienta legarea unei diode bypass la fiecare 15-20 celule solare. Aceasta dioda se încorporeaza în doza de legatura a fiecarui modul. De obicei, legarea a 2 diode bypass protejeaza împotriva pericolului acoperirii celulelor.

Conectarea modulelor

Cablurile de interconectare trebuie sa fie rezistente la raze ultraviolete si umezeala (apa). Scaderea tensiunii la invertor nu trebuie sa depaseasca 1 % -3 %. Problema care se pune este, daca convertorul poate functiona corect si în cazul caderii tensiunii. Cablurile spre invertor trebuie protejate împotriva scurtcircuitului. De obicei se folosesc cabluri solare speciale simple sau duble. Problema generala a generatoarelor solare este ca, curentul la scurtcircuit este doar cu 10 % mai mare decât valoarea nominala. O siguranta normala, în acest caz, nu va fi activata si de aceea arcul electric va putea continua sa arda.

Generatoare solare

Pentru constructia unor sisteme fotovoltaice mai mari, se leaga în serie sau paralel mai multe module solare, obtinându-se un generator solar. Pentru obtinerea tensiunii alese a sistemului se leaga mai multe module în serie. Prin legarea în paralel a mai multor sisteme modulare legate în serie, se poate obtine puterea dorita a sistemului. În figura 1.5 este prezentat un generator solar. Figura 1.5 Ramele metalice ale modulelor trebuie conectate la sistemul de protectie împotriva fulgerelor, adica la paratraznetul deja existent. Pentru protectia împotriva focului, se folosesc varistoare, raportate la cea mai ridicata tensiune posibila la functionarea în gol, si montate în locatii rezistente la foc.

Fig. 1.5

Conversia energiei solare

Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia în alte forme de energie, cum ar fi:

1. Conversia fototermica; Conversia fototermica (termoconversia) presupune transferul energetic de la razele soarelui la apa, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide). Caldura astfel obtinuta poate fi folosita direct sau convertita în energie electrica, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic. De asemenea, poate fi folosita prin transformãri termochimice sau poate fi stocata în diverse medii solide sau lichide. Conversia fototermica prezintã o mare importanta în aplicatiile industriale, încalzirea cladirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.
2. Conversia fotomecanica; Conversia fotomecanica este importanta în energetica spatiala, unde, conversia bazata pe presiunea luminii da nastere la motorul tip "vela solara", utilizat la zborurile navelor cosmice. Conversia fotomecanica se refera la echiparea navelor cosmice destinate calatoriilor lungi, interplanetare, cu asa-zisele "pânze solare", la care, datorita interactiunii dintre fotoni si mari suprafete reflectante, desfasurate dupa ce nava a ajuns în vidul cosmic, se produce propulsarea navei prin impulsul cedat de fotoni la interactiune.
3. Conversia fotochimica; Conversia fotochimica se împarte în doua categorii: una presupune utilizarea directa a Soarelui prin excitarea luminoasa a moleculelor unui corp, iar cealalta utilizarea indirecta prin intermediul plantelor (fotosinteza) sau a transformãrii produselor de dejectie a animalelor. Conversia fotochimica se utilizeaza la obtinerea pilelor de combustie prin procesele amintite mai sus.
4. Conversia fotoelectrica; Conversia fotoelectrica directa se realizeaza folosind proprietatile materialelor semiconductoare din care se confectioneaza celulele fotovoltaice.

Captarea energiei solare

Pentru captarea razelor de soare si conversia fototermica se folosesc mai multe sisteme:

1. Sisteme cu receptor central - aceste sisteme concentreaza razele de soare spre un colector central cu ajutorul unor oglinzi plasate radial;
2. Sisteme cu albii - albiile sunt lungi, formate din oglinzi curbate ce concentreaza razele soarelui pe tevi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturi foarte mari ( pâna la 400 grade C );
3. Sisteme cu parabola - folosesc o parabola ce concentreaza radiatiile solare spre un colector montat în punctul focal al acesteia.

Colectoare solare

Principalele tipuri de colectoare solare folosite în aplicatiile obisnuite sunt:

1. colectoarele plane;
2. colectoare cu tuburi vidate.

Colectoarele plane (figura 1.6) sunt formate dintr-o retea de tevi din material termoconductor (cupru), cu aripioare din tabla pentru cresterea suprafetei de captare. Ansamblul este asezat într-o cutie izolata termic foarte bine. Aceasta cutie are peretele transparent expus la soare (din sticla cu transparenta ridicata), iar suprafata tevii si a aripioarelor metalice este acoperita cu un strat dintr-un material care faciliteaza absorbtia radiatiilor solare si limiteaza în acelasi timp reflexia acestora. Eficienta acestui tip de colectoare este mai redusa decât a colectoarelor cu tuburi vidate, la suprafete de captare similare. Au un pret de cost relativ scazut.

Fig. 1.6

Colectoarele cu tuburi vidate (figura 1.7) au fiecare tub format din doua tuburi concentrice din sticla borosilicat (foarte rezistenta si cu un grad de transparenta ridicat), sudate între ele. Spatiul dintre cele doua tuburi se videaza, iar suprafata interioara a tubului interior se acopera cu un strat selectiv cu excelente proprietati de absorbtie a radiatiei solare (>92%) si cu o reflexivitate foarte redusa (<8%). Caldura este transferata agentului termic în mod direct sau cu ajutorul unui tub termic. Vacuum-ul dintre cele doua tuburi formeaza un fel de "termos" astfel încât - desi temperatura în interior ajunge la 150°C - la exterior tubul este rece. Aceasta proprietate face instalatia utilizabila si în zone cu clima foarte rece, colectoarele cu tuburi fiind mai eficiente decât colectoarele solare clasice, plane. Au pretul de cost mai ridicat decât cel al colectoarelor plane.

Stocarea energiei solare

Energia solara la nivelul scoartei terestre este o sursa energetica dependenta de miscarea de rotatie a Pamântului si de conditiile atmosferice. De asemenea necesarul de energie este variabil în timp si depinde de numarul de consumatori conectati la un moment oarecare de timp. În consecinta, daca se doreste ca anumiti consumatori sa fie alimentati cu energie provenita de la razele Soarelui, este necesar sa fie prevazuti cu elemente corespunzatoare de stocare (acumulare) a energiei. Caracteristicile pe care trebuie sã le îndeplineascã o unitate de stocare a energiei solare (în functie de domeniul de aplicatie) sunt urmatoarele:

1. unitatea de stocare trebuie sã fie capabila sa primeasca energia cu maximum de viteza fara forte termodinamice excesive (de exemplu diferente de temperatura, de presiune, de potential, etc.);
2. unitatea de stocare trebuie sa livreze energia cu maximum de vitezã (dependentã de scopul instalatiei) fara a utiliza forte termodinamice excesive;
3. unitatea de stocare trebuie sa aiba pierderi mici (o caracteristicã de autodescãrcare scazuta);
4. unitatea de stocare a energiei trebuie sa fie capabila sa suporte un numar ridicat de cicluri încarcare-descarcare, farã diminuarea substantialã a capacitatii sale;
5. nu în ultimul rând, unitatea de stocare trebuie sã fie ieftina.

Fig. 1.8: storage battery

În sistemele electrice autonome stocarea energiei este asigurata de baterii de acumulatoare, iar cele mai folosite sunt bateriile de tip plumb-acid. Ele sunt de doua tipuri:

1. baterii cu electrolit lichid;
2. baterii cu electrolit stabilizat.

În figura 1.8 este prezentata o baterie de acumulatoare.

Echipamente auxiliare

Echipamentele auxiliare sunt necesare pentru utilizarea corespunzatoare a energiei solare. Cele mai utilizate sunt regulatoarele de sarcina si convertoarele statice. Se mai utilizeaza protectii contra descarcarilor atmosferice, disjunctoare si sigurante fuzibile.

Regulatoare de sarcina

Regulatoarele de sarcina controleaza fluxul de energie si protejeaza bateria de supraîncarcare si consumatorul de descarcare accidentala. De asemenea, regulatoarele de sarcina asigura supravegherea si siguranta instalatiei. În sistemele fotoelectrice se pot utiliza mai multe tipuri de regulatoare si anume:

1. regulatoare serie;
2. regulatoare paralel;
3. regulatoare cu cautarea punctului de putere maxima.

Regulatoarele serie contin un întreruptor între panoul solar si bateria de acumulatoare. Când bateria este încarcata, întreruptorul static se deschide si astfel se protejeaza bateria de acumulatoare de o supraîncarcare. Schema unui regulator serie este prezentata în figura 1.9. De asemenea, schema mai contine un întreruptor care deconecteaza sarcina (consumatorul) de la baterie.

Fig. 1.9

Regulatoarele paralel scurtcircuiteaza panoul solar dupa ce bateria de acumulatoare este încarcata. În timpul încarcarii panoul solar este conectat direct la bateria de acumulatoare. Dupa ce bateria de acumulatoare este încarcata, întreruptorul static se închide si panoul solar va fi în scurtcircuit. Dioda de separare are rolul de a proteja de scurtcircuit bateria de acumulatoare. De asemenea schema mai contine un întreruptor care deconecteaza sarcina (consumatorul) de la baterie. Schema unui regulator paralel este prezentata în figura 1.10.

Fig. 1.10

Regulatoarele cu cautarea punctului de putere maxima permit extragerea din panoul cu celule solare a maximului de putere.

Convertoare statice

Convertoarele statice adapteaza puterea de curent continuu furnizata de panourile solare la cerintele sarcinii. Sunt doua tipuri de convertoare statice si anume: ? convertoare statice c.c.-c.c. – adapteaza tensiunea de curent continuu obtinuta de la panourile solare la tensiunea utilizata de sarcina; ? convertoare statice c.c.-c.a. – transforma tensiunea de curent continuu într-o tensiune alternativa. Se mai numesc si invertoare. Exista doua tipuri de convertoare statice c.c.-c.c. si anume: ridicatoare de tensiune si coborâtoare de tensiune. În figura 1.11 este schema unui convertor static c.c.-c.c. ridicator de tensiune. Au randament uzual de 70 %, iar la variante performante, randamentul poate creste la 85-90 %.

Fig. 1.11

Fig. 1.12

Utilizarea energiei solare

1. Alimentarea cu energie electrica a consumatorilor industriali si casnici;
2. Cuptoare solare;
3. Uscatorii solare;
4. Jucarii solare;
5. Distilerii solare;
6. Instalatii solare pentru desalinizarea apei;
7. Sateliti alimentati cu energie solara;
8. Roboti spatiali alimentati cu energie solara;
9. Nave spatiale interplanetare alimentate cu energie solara;
10. Instalatii de climatizare pe timp de vara;
11. Instalatii de încalzire pe timp de iarna;
12. Încalzirea apei menajere;
13. Pile solare;
14. Sobe de gatit solare;
15. Frigidere solare;
16. Case alimentate cu energie si caldura de la soare;
17. Piscine alimentate cu apa încalzita de razele solare;
18. Lampi solare, care se încarca cu energie ziua si noaptea emit lumina.
19. Automobile solare.

Automobilul solar

Modul de functionare al unui automobil cu propulsie fotoelectrica este urmatorul: energia solara captata de panourile solare ale automobilului este furnizata unei baterii de acumulatoare. Energia electrica furnizata de acumulatoare este transmisa unui motor electric de curent continuu ce propulseaza masina. În cazul în care deplasarea se face într-o zona însorita, energia furnizata de panouri poate servi direct propulsiei, acumulatorii fiind solicitati numai atunci când este umbra sau vehiculul urca pe o panta abrupta. La un automobil, energia electrica este necesara pe lânga alimentarea motorului, la blocul de lumini si la o multitudine de elemente comandate si actionate electric. În figurile 1.13 si 1.14 sunt prezentate prototipuri de automobile propulsate cu energie solara.

Fig. 1.13

oben...