1. Articol Energie solara - fotovoltaice
Continut
Partea I
1. Ce este energia solară? Definiţia generală a energiei solare
2. Cum se poate utiliza energia solară?
3. Fotovoltaice (PV):
• Ce sunt fotovolticele? Definiţie, cum
funcţionează? (efect fotoelectric, celulă, modul,
suprafaţă)
• Clasificarea celulelor solare
• Eficienţa de conversie a energiei
• Cum pot utiliza panourile PV? Aplicaţii
• Tarife feed-in , legislaţie SRE
1
2. 1. Ce este energia solară?
Definiţia energiei solare
Energia solară reprezintă energia electromagnetică transmisă de soare generată prin fuziune
nucleară. Ea stă la baza întregii vieţi de pe pământ şi reprezintă aproximativ 420 trilioane kWh.
Aceasta cantitate de energie generată de soare este de câteva mii de ori mai mare decât cantitatea
totală de energie utilizată de toţi oamenii
Lumina şi căldura radiate de soare au fost utilizate de oameni încă din antichitate cu ajutorul unei
serii de tehnologii îmbunătăţite permanent. Radiaţia solară, împreună cu celelalte surse secundare
de energie în afară de energia solară, cum ar fi energia vântului şi energia valurilor, electricitatea
hidro şi biomasa, reprezintă cea mai mare parte din energia provenită din sursele regenrabile
disponibile pe pământ. Din energia solară se utilizează numai o foarte mică parte.
Producerea de energie electrică din energie solară se bazează pe instalatii termice şi pe panourile
fotovoltaice. Modalităţile în care se utilizează energia solară sunt limitate numai de imaginaţia
omului. O listă parţială a aplicaţiilor energiei solare cuprinde încălzirea şi răcirea spaţiului cu ajutorul
arhitecturii solare, furnizarea de apă potabilă prin distilare şi dezinfecţie, iluminatul, producerea de
apă caldă, gătitul cu ajutorul energiei solare şi căldura de proces de înaltă temperatură utilizată în
scopuri industriale. Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de obicei panourile solare.
Tehnologiile solare pot fi, în general, pasive sau active în funcţie de modul în care energia solară este
captată, convertită şi and distribuită. Tehnicile solar active includ utilizarea panourilor fotovoltaice şi
a colectoarelor termice pentru captarea energiei. Tehnicile solare pasive includ orientarea unei
clădiri spre soare, selectarea materialelor cu o masă termică favorabilă sau cu proprietăţi de
dispersie a luminii, precum şi proiectarea spaţiilor în aşa fel încât aerul să circule în mod natural.
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010
Concentrarea luminii solare pe
discuri închise la culoare ar putea
furniza energie lumii întregi: dacă
se instalează în zonele marcate cu
cele şase puncte de pe hartă,
celulele solare cu o eficienţă de
conversie de numai 8 % ar putea
produce, în medie, 18 TW energie
electrică. Aceasta este mai mult
decât puterea instalata actuala a
tuturor centralelor electrice care
utilizeaza toate celelalte surse de
energie primara: cărbune, petrol ,
gaz, energie nucleară şi hidro.
Culorile indică media pe trei ani a
radiaţiei solare, inclusiv în timpul
nopţii şi pe vreme noroasă.
2
3. 2. Cum se poate utiliza energia solară?
Modul natural
Cea mai mare parte din energia solară încălzeşte pământul, făcând posibilă existenţa unor forme
biologice aproape de suprafaţă si fotosinteza plantelor. Majoritatea organismelor, inclusiv cele
umane, depind fie direct (ierbivore), fie indirect (carnivore ) de energia solară. Combustibilii şi unele
materiale de construcţie au aceeasi sursa. Energia solară influenţează şi presiunea atmosferică şi
determină apariţia vânturilor. De asemenea, circulaţia apei pe pământ este influenţată de energia
solară.
În afară de aceste efecte "naturale", energia solară se utilizează din ce în ce mai mult din punct de
vedere tehnic, mai ales în domeniul furnizării energiei.
Aplicaţii tehnice ale energiei solare:
Cu ajutorul tehnologiilor se poate beneficia de energia solară în mai multe moduri:
• Celulele solare care produc direct curent electric (fotovoltaic)Panourile solare care generează căldură (solar termic)
• Panourile solare care generează căldură (solar termic)
• Centralele solar-termice care produc electricitate prin utilizarea căldurii şi aburului
• Deşeurile din plante pot fi procesate pentru a produce lichide (de ex. etanol, ulei ) sau gaze
(biogaz) care se pot utiliza apoi în scopuri energetice
• Centralele eoliane şi hidro generează electricitate (citiţi şi articolul despre energia eoliană şi
hidro)
• Sobele solare sau cuptoarele solare sunt utilizate la încălzirea hranei sau la sterilizarea
produselor medicale
3. Fotovoltaice (PV):
Ce este PV? Definiţie, cum funcţionează PV?
Panourile fotovoltaice realizează conversia directă a luminii în energie electrică la nivel atomic. Unele
materiale au proprietatea de a absorbi fotoni de lumina si a elibera electroni. Acest efect poarta
numele de efect fotoelectric. Atunci când aceşti electroni sunt captaţi rezultă un curent electric care
poate fi utilizat ca electricitate.
Efectul fotoelectric a fost observat pentru prima dată in anul 1839 de către fizicianul francez
Edmund Bequerel. Bequerel a descoperit că anumite materiale pot produce cantităţi mici de curent
electric când sunt expuse la lumină. In 1905, Albert Einstein a descris natura luminii şi efectul
fotoelectric pe care se bazează tehnologia fotovoltaică, lucru pentru care a primit mai târziu premiul
Nobel pentru fizică. Primul modul fotovoltaic a fost realizat în Laboratoarele Bell în 1954. A fost
înregistrat ca baterie solară şi a fost considerat doar o curiozitate, prea scump pentru a fi utilizat pe
scară largă. În anii 1960, industria spaţială a fost prima care a început să utilizeze în mod serios
tehnologia pentru a furniza energie electrică la bordul navelor spaţiale. Prin intermediul programelor
spaţiale, tehnologia a avansat, fiabilitatea ei s-a îmbunătăţit, iar costul a început să scadă. În timpul
crizei energetice din anii 1970, tehnologia fotovoltaică a fost recunoscută ca o sursă de energie
electrică şi în alte aplicaţii decât cele spaţiale.
3
4. Sursa: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/, 19.11.2010
Imaginea de mai sus ilustrează modul în care funcţionează o celulă fotovoltaică simplă, denumită şi
celulă solară. Celulele solare sunt realizate din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul, utilizate
în industria microelectronicii. Pentru celulele solare, un strat subţire semiconductor este tratat
special pentru a forma un câmp electric, pozitiv pe o parte şi negativ pe cealaltă. Atunci când energia
luminoasă ajunge la celula solară, electronii se eliberează din atomi în materialul semiconductor.
Dacă se ataşează conductori electrici pe părţile pozitive şi negative, formând un circuit electric,
electronii pot fi captaţi sub formă de curent electric - adică, energie electrică. Această electricitate
poate fi utilizată in diferite scopuri (iluminat, alimentare echipamente).
Un număr de celule solare conectate electric unele cu altele şi montate pe un suport sau un cadru
formează un modul fotovoltaic. Modulele sunt proiectate să furnizeze energie electrică la o anumită
tensiune, ca un sistem obişnuit de 12 volţi. Curentul produs depinde direct de modul în care lumina
ajunge la modul.
Se poate conecta un număr mare de module pentru a forma o
reţea. In general, cu cât este mai mare suprafaţa unui modul
sau a unei reţele, cu atât va produce mai multă electricitate.
Modulele fotovoltaice şi reţelele produc energie electrică în
curent continuu (cc). Ele pot fi conectate atât în serie,
cât şi paralel, pentru a produce tensiunea/curentul care sunt
necesare.
Sursa: http://science.nasa.gov/science-
news/science-at-nasa/2002/solarcells/,
19.10.2010
4
5. • Clasificarea celulelor solare
• Celulele solare pot fi clasificate după numeroase criterii. Cel mai cunoscut criteriu este
grosimea materialului. Se face distincţie între celule cu strat gros şi celule cu strat subţire ca
o peliculă.
• Un alt criteriu este materialul: materialele semiconductoare care se pot utiliza pot fi CdTe,
GaAs, sau compuşi ai cuprului-indiului-seleniului, dar cel mai bine cunoscut în lumea
întreagă este siliciul
• Structura cristalelor, cristalină (mono-/policristalină), sau amorfă.
• În plus faţă de materialele semiconductoare, există şi abordări de noi materiale, cum ar fi
substanţe organice şi pigmenţi organici.
În funcţie de tipul cristalului, putem distinge trei tipuri de celule pe baza de siliciu:
• Celulă din siliciu monocristalină. Pentru a produce acest
tip este necesar un material semiconductor absolut pur.
Fibrele monocristaline sunt extrase din topitura de
siliciu şi apoi ţesute astfel încât să formeze plăci fine.
Acest proces de producţie garantează un nivel de eficienţă
relativ mare.
Celulă solară realizată dintr-un strat subţire de siliciu monocristalin
Sursa:http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, 22.11.2010
• Celule policristallne sunt mai eficiente din punctul de
vedere al costului. La producerea lor , siliciul lichid se
toarnă în blocuri care apoi formează plăci. În timpul
solidificării materialului, se formează structuri de
mărimi diferite la maginile cărora apar defecte.
Ca urmare a acestui defect al cristalelor, celula solară este
mai puţin eficientă.
Celulă solară realizată dintr-o foiţă subţire de siliciu policristalin
Sursa: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle, 22.11.2010
• Celulele amorfe sau cu strat subţire se obţin prin
depunerea unei pelicule de siliciu pe sticlă sau pe alt
material folosit ca substrat. Grosimea stratului este mai
mică de 1µm (grosimea firului de păr uman este de 50-
100 µm). Costurile de producţie sunt mai mici din cauză
că materialul costă mai puţin. Totuşi, eficienţa celulelor
amorfe este mai mică decât cea a celorlalte două tipuri
de celule. Din acest motiv s-au utilizat în primul rând la
echipamentele de joasă putere (ceasuri, calculatoare de
buzunar), sau ca elemente de faţadă. În prezent ele sunt
utilizate şi în fermele solare de mare putere (MW).
Parc solar, Wörrstadt, Germany
Sursa: juwi Holding AG, Germany
5
6. • Celule solare organice
Celulele solare organice sunt o altă alternativă la materialele convenţionale utilizate pentru a
produce panourile fotovoltaice. Deşi este o tehnologie extrem de nouă, este considerată
promiţătoare din moment ce oferă o soluţie foarte ieftină.
• Eficienţa de conversie a energiei
Eficienţa de conversie a energiei în cazul unui modul solar (sau numai eficienţa) este raportul dintre
puterea electrică maxim produsă şi puterea luminii utilizate în condiţii de testare "standard".
Radiaţia solară "standard" (cunoscută şi ca "spectrul masei de aer AM 1.5") are o densitate de putere
de 1000 W/ m2
. Eficienţa tipică a unui modul pentru celulele solare multicristaline cu ecran imprimat
disponibile pe piaţă este de aproximativ 12%. Astfel, un panou solar obişnuit de 1 m2
aflat in bătaia
directă a razelor soarelui va produce aproximativ 120 W putere la vârf.
Sursa: http://www.solarnavigator.net/solar_cells.htm, 19.11.2010
6
7. • Cum se pot utiliza panourile PV?
Aplicaţii: pe acoperişuri, PV integrate în clădiri ,reţele montate pe sol
In clădiri
Reţelele de panouri PV sunt adesea asociate cu clădirile: fie sunt integrate în clădiri, fie sunt montate
pe ele sau lângă ele, pe pământ.
In cazul cladirilor existente reţele sunt cel mai adesea instalate pe structura existentă a acoperişului
sau pe pereţi. In mod alternativ, se poate monta o reţea separat de clădire, dar conectată prin cablu
pentru a furniza energie electrică clădirii respective. In 2010, mai mult de patru cincimi din cei 9000
MW de energie fotovoltaică din Germania s-au obţinut din instalaţiile montate pe acoperişuri.
Panouri solare fotovoltaice pe acoperişul unei case.
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics
8. Panouri fotovoltaice integrate în clădiri
Panourile PV integrate în clădiri sunt din ce în ce mai des încorporate în
clădirile noi, rezidenţiale si industriale, ca sursă de energie electrică
principală sau suplimentară. De obicei, se încorporează o reţea în
acoperişul sau pereţii unei clădiri. Ţiglele de pe acoperiş cu celule PV
integrate sunt şi ele destul de des utilizate.
Turnul CIS din Manchester, Marea Britanie, a fost îmbrăcat în panouri
PV care au costat 5,5 milioane de lire sterline. A început să furnizeze
energie reţelei naţionale de distribuţie în noiembrie 2005.
Producţia de energie electrică a sistemelor fotovoltaice care se
instalează în clădiri este de obicei dată în kilowaţi de vârf (kWp).
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Building-integrated_photovoltaics, 18.11.2010
Centrale electrice
Din octombrie 2010, cele mai mari centrale fotovoltaice (PV) din lume sunt: centrala electrică Sarnia
Photovoltaic Power Plant (Canada, 80 MW), parcul fotovoltaic Olmedilla (Spania, 60 MW), parcul
solar Strasskirchen Solar Park (Germania, 54 MW), parcul PV Lieberose Photovoltaic Park (Germania,
53 MW), parcul PV Puertollano Photovoltaic Park (Spania, 50 MW), şi centrala electrică PV Moura
(Portugalia, 46 MW) şi parcul solar Waldpolenz Solar Park (Germania, 40 MW).
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic, 18.11.2010
9. In transport
Celulele fotovoltaice s-au utilizat în mod tradiţional pentru
producerea de energie electrică în spaţiu. Ele s-au utilizat mai
rar pentru a furniza energie electrică mijloacelor de transport,
dar se utilizează din ce în ce mai des pentru a asigura energia
electrică auxiliară pentru bărci şi maşini. Un vehicul alimentat
direct cu energie solară are o putere limitată şi o utilizare
redusă, dar daca vehiculul utilizează o formă de energie
produsă din energie solară (de exemplu energie electrică
acumulată in baterii) atunci maşinile pot fi alimentate cu
energie obţinută din energia solară.
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010
Dispozitive independente
Până acum zece ani, panourile PV s-au utilizat adesea pentru a
alimenta calculatoarele şi dispozitivele considerate noutăţi.
Îmbunătăţirea circuitelor integrate şi display-urile LCD care consumă
puţină energie electrică au făcut posibilă alimentarea unor
dispozitive de acest tip timp de mai mulţi ani fără să se schimbe
bateria, ceea ce a făcut ca utilizarea PV să devină mai cunoscută. În
schimb, dispozitivele fixe alimentate la distanţă cu energie electrică
din energie solară au devenit din ce în ce mai utilizate în locuri în
care costul de conectare la reţea este foarte mare şi conectarea este
aproape prohibitivă. Astfel de aplicaţii includ pompele de apă,
contoarele din parcări, telefoanele pentru urgenţe, compactoarele
de gunoi, semnalizatoarele de circulaţie temporare şi posturile şi
semnalizările de pază la distanţă.
Contor solar parcare
Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics, 18.11.2010
Electrificarea rurală
Ţările în curs de dezvoltare, în care multe sate sunt adeseori la mai mult de cinci km depărtare de
reţeaua de distribuţie a energiei electrice, au început să utilizeze sisteme fotovoltaice. În localităţile
îndepărtate din India există un program prin care iluminatul cu LED-uri alimentate cu energie solară
va înlocui lămpile cu cherosen. Lămpile alimentate cu energie solară s-au vândut aproximativ cu cât
ar costa cherosenul necesar pentru câteva luni de funcţionare. În prezent şi Cuba încearcă să
furnizeze energie electrică din energie solară în zonele care nu sunt conectate la reţeaua naţională.
Acestea sunt zone în care costurile şi beneficiile sociale reprezintă un caz excelent pentru trecerea la
energia solară, deşi lipsa de profitabilitate ar putea face ca astfel de eforturi sa aiba si un scop
umanitar.
10. Sateliţi alimentaţi cu energie solară
Sursa http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_satellite,
19.11.2010
De decenii se fac studii pentru proiectarea unor
sateliţi pentru colectarea energiei solare. Ideea a
fost mai întâi propusă de Peter Glaser, apoi de
Arthur D. Little Inc; NASA a realizat o serie lungă de
studii de fezabilitate, atât inginereşti, cât şi
economice, în anii 1970, iar interesul pentru acest
obiectiv a renăscut în primii ani ai secolului 21.
Dintr-un punct de vedere economic şi practic, problema cheie în cazul unor astfel de sateliţi pare a fi
costul de lansare. Studii suplimentare considera ca vor putea fi dezvoltate tehnici noi de asamblare
in spatiu.Costurile respective par a fi mai puţin împovărătoare decât costurile de capital si se vor
reduce pe măsuă ce costurile celulelor fotovoltaice vor scădea şi ele, sau, alternativ, odată cu
creşterea eficienţei lor.
• Tarife feed-in
Un tarif feed-in reprezintă un mecanism de politică care are ca scop încurajarea utilizarii surselor
regenerabile pentru a ajuta la accelerarea scaderii pretului energiei produse catre pretul la reţea.
Tariful include, de obicei, trei prevederi cheie:
• accesul garantat la reţeaua de distribuţie
• contracte pe termen lung pentru electricitatea produsă
• preţuri de achiziţie care se bazează metodologic pe costul de generare a energiei din RES
şi tinde către paritatea de reţea.
În cadrul unui tarif feed-in se impune companiilor de utilităţi regionale sau naţionale obligaţia de a
achiziţiona electricitate din surse regenerabile (electricitate generată din RES, cum ar fi energia
solară, energia eoliană, energia valurilor şi mareelor, biomasei, hidro şi geotermală), de către toţi
participanţii eligibili.
Preţurile bazate pe costuri permit, prin urmare, realizarea unei diversităţi de proiecte (eoliene,
solare, etc.) şi asigură investitorilor un profit rezonabil la investiţiile în energia regenerabilă. Acest
principiu a fost explicat mai întâi în Legea germană cu privire la RES din anul 2000:
“Ratele de compensare au fost determinate prin studii ştiinţifice, în aşa fel încât ratele identificate să
facă posibil ca o instalaţie – atunci când este administrată eficient – să fie exploatată eficient din
punctul de vedere al costurilor pe baza utilizării unei tehnologii de ultimă oră şi în funcţie de sursele
de energie regenerabilă care sunt disponibile în mod natural într-un mediu geografic dat.” (RES Act
2000, Explanatory Memorandum A)
Prin urmare, rata poate diferi în funcţie de sursa de energie regenerabilă din care se produce energie
electrică, de locul de instalare (de ex. montate pe acoperiş sau pe sol), dimensiunea proiectelor şi,
uneori, de tehnologia utilizată (solară, eoliană, geotermală, etc.). Ratele sunt astfel proiectate încât
11. să coboare în cursul timpului pentru a identifica schimbările tehnologice şi reducerile globale de
costuri. Aceasta concordă cu menţinerea nivelurilor de plăţi cu costurile reale de de producţie în
timp.
În plus, FIT garantează, de obicei, cumpărarea de energie electrică produsă din surse de energie
regenerabilă pe baza unor contracte pe termen lung (15–25 ani). Aceste contracte sunt de obicei
oferite tuturor producătorilor de electricitate din RES interesaţi, fără discriminare.
Începând din 2009, politicile privind tarifele feed-in s-au aplicat în 63 jurisdicţii din lumea întreagă,
inclusiv în Australia, Austria, Belgia, Braziial, Canada, China, Cipru, Republica Cehă, Danemarca,
Estonia, Franţa, Germania, Grecia, Ungaria, Iran, Republica Irlanda, Israel, Italia, Republica Coreea,
Lituania, Luxemburg, Olanda, Portugalia, Africa de Sud, Spania, Suedia, Elveţia, Turcia, şi în unele
state (12 în prezent ) din SUA, şi devine din ce în ce mai importantă şi în altele cum ar fi China, India
şi Mongolia.
In 2008, o analiză detaliată a Comisiei Europene a ajuns la concluzia că "regimurile bine adaptate ale
tarifelor feed-in reprezintă, în general, cele mai eficiente şi efective scheme de promovare a
electricităţii din RES ", îndreptându-se spre paritatea de reţea. Această concluzie a fost sprijinită de
un număr de analize recente, inclusiv de International Energy Agency, European Federation for
Renewable Energy, precum şi de Deutsche Bank.
Mai multe informaţii. http://www.res-legal.eu/
