Aplicatiile panourilor fotovoltaice

Introducere

Sistemele de alimentare neconectate la reţea pentru consumatori cu un consum mediu de putere, de la câţiva waţi la câteva mii de waţi, constau, în general, din sisteme de stocare electrochimice sau din motoare alimentate de combustibili fosili care acţionează un generator. Durata de viaţă a acestor sisteme, impactul ecologic şi costul ridicat al bateriilor fac ca stocarea electrochimică a energiei să nu fie foarte atractivă. Inconvenientele folosirii instalaţiilor cu combustie includ folosirea combustibililor fosili (de obicei), zgomote, emisii toxice, necesitatea aprovizionării cu combustibil şi costuri mari pentru întreţinere.

Inconvenientele surselor de energie electrică independente clasice au dat deja o poziţie solidă pe piaţa surselor comerciale neconectate la reţea, generatoarelor fotovoltaice. De exemplu, multe produse şi sisteme pentru telecomunicaţii, protecţia catodică împotriva coroziunii, tehnologii de măsurare şi sisteme de semnalizare sunt alimentate fotovoltaic. Un volum mare de vânzări se obţine, de asemenea, ca urmare a folosirii generatoarelor fotovoltaice pentru electrificarea rurală. În ţări ca Indonezia, Mexic sau Kenia, s-a creat o piaţă stabilă datorită instalării a zeci de mii de „Sisteme de case solare” SHS (Solar Home Systems).

Descriere – panouri fotovoltaice

Panourile fotovoltaice sunt elemente de producere a energiei electrice prin utilizarea energiei luminoase (fotoni).Din punct de vedere fizic, celula fotovoltaica este o dioda tip p- n de suprafata mare, cu jontiunea pozitionata aproape de partea superioara. Celula converteste luminozitatea solara in energie electrica. Mai multe astfel de celule sunt asamblate intr-un modul de o anumita putere.Mai concret, o celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 şi 0,2 mm şi sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncţiuni „p” şi „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitaţie” a electronilor din material şi va fi generat un curent electric.

Celulele, numite şi celule fotovoltaice, au de obicei o suprafaţă foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic dar combinaţii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizaţi în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la intemperii.

Celula fotovoltaica Panou fotovoltaic

Celulele fotovoltaice sunt de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, tip film, amorfe, sferice si concentrate.Cele mai bune celule sunt cele monocristaline dar si cele mai scumpe. Celulele policristaline au gradul de conversie mai mic, dar sunt mai ieftine, reducandu-se astfel substantial costul pe Watt instalat, fiind mult mai raspandite.

Un sistem clasic fotovoltaic insular este alcatuit din urmatoarele componente:

-panouri fotovoltaice,-regulatorul de incarcare al bateriilor,-grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V DC-invertor, ce tranforma curentul continuu DC in curent alternativ AC

Se pot realiza sisteme ce pot diverta energia produsa (surplusul de energie) in retea.

Un astfel de sistem este compus din:• panouri fotovoltaice pentru conectare la retea• invertor pentru divertare in retea• contor electric pentru a masura cantitatea de energie produsa si livrata in retea.

Aplicatii ale panourilor fotovoltaice

Există o varietate de aplicaţii ce utilizează energia electrică produsă de către celulele solare pornind de la aparate de uz comun şi ajungând până la tehnica spaţială.

Ceas de mână

Ceasurile produse de firma japoneză Citizen sunt dotate cu o celulă solară inclusă în cadran care încarcă un acumulator cu litiu având o independenţă de 150-240 zile şi care după o funcţionare de 20 ani prezintă o scădere de capacitate de maximum 20%.

Calculator de buzunar

Calculatoarele de buzunar pot dispune de alimentare dublă de la baterie şi celulă solară sau alimentare simplă doar de la celule solare, caz în care pentru funcţionare este nevoie de o iluminare relativ puternică.

Aparat de taxare în parcări

Aparatele automate de taxare în parcări aparţin sitemelor cu alimentare autonomă care pe lângă un modul cu celule solare mai este înzestrat şi cu un acumlator pentru a se asigura alimentarea continuă cu energie electrică

Lampion

Este compus din mai multe celule solare îmbinate estetic formînd corpul lampionului ce încarcă un acumulator în cursul zilei care mai apoi alimentează o sursă de lumină noaptea. Este portabil, putând fi utilizat pemtru iluminare unui interior noaptea.

Lampadar

Pe un stâlp de iluminare se montează un panou solar de cca 40 Wc care alimentează o bateria de cca 50Ah. Acesta asigură o autonomie de cca 5 zile

a 8 ore de noapte. Aprinderea şi stingerea luminii se asigură cu un programator inclus.

Iluminarea panourilor publicitare

La fel ca si in cazul lampadarelor, panourile publicitare sunt illuminate cu ajutorul unor lampi alimentate de la un panou solar.

Balize luminoase

Balize luminoase sunt corpuri de iluminat incluse în asfalt, ce emit o lumină difuză produse cu ajutorul unuia sau mai multor LED-uri pe baza energiei acumulate în cursul zilei prin intermediul celulelor solare. Dispun de o autonomie de 6-7 zile fără soare.

Pompe de apă

Sisteme de panouri solare cu o putere instalată cuprinsă între 80Wc şi 1200 Wc ce alimentează prin intermediul unui panou de comandă pompe elicoidale cu o înălţime de pompare de 5-230m şi un debit de 0,8m³/ zi - 95m³/zi.

Mijloace de transport

Automobile solare

Automobilele solare sunt construite utilizând rezultate din tehnica spaţială, tehnologia de fabricaţie a bicicletelor, industria de automobile şi tehnologia energiei reinnoibile. Cadrul este realizat din materiale composite uşoare (fibră de carbon, fibră de sticlă, Kevlar) asamblate prin lipire cu răşini sintetice (epoxidice) şi este purtătorul a sute de celule solare legate între ele. Un astfel de ansamblu, într-o zi însorită, poate produce o putere de pînă la 2kW(2,6CP) Firma Venturi AstroLab în 2006 a promis că va scote pe piaţă primul automobil comercial electro-solar hibrid în ianuarie 2008.

Mijloace de transport pe apă

La mijloacele de transport pe apă panourile solare se utilizează :Pentru generarea de curent electric stocat ulterior în acumulatoare pentru alimentarea utilităţilor de bord de exemplu în cazul ambarcaţiunilor. De exemplu o baterie de acumulatoare se poate încărca de la panouri solare montate pe bord la un curent de 9A.Pentru propulsarea vasului, caz în care panourile solare vor acoperi o suprafaţă de obicei orizontală de tip acoperiş, sau chiar o parte din puntea vasului.

Vehicule pe şine

Vagon autonom acţionat de motor electric alimentat cu curentul produs de panouri solare şi stocat în baterii de acumulatoare. ELSE este un vagon experimental cu 6-8 locuri Puterea maximă de 3 kW este dezvoltată de un motor cu un randament de 95% la 24 V. Viteza de croazieră este de 15 km/h (teoretică maximă 50 km/h). Autonomia în condiţii de umbră este de 60 km.

Avioane fără pilot

Primul avion cu ogreutate de 12 kg a fost Sunrise I având o putere de 450W furnizată de cca 1000 celule solare. A efectuat primul zbor la 4 noiembrie 1974. A urmat Sunrise II la 27. 09. 1975 acţionat de un motor de 600 W alimentat de 4480 celule solare.La 11 septembrie 1995 Pathfinder a realizat recordul de zbor de 12 ore la 15.240 m altitudine corectat la 7 iulie 1997 la 21.802 m. În 1998 din Pathfinder a rezultat Pathfinder_plus cu o puterea instalată a celulelor solare de 7,5 kW alimentând 6 motoare cu o putere de 1,5 kW fiecare.Avionul fără pilot HELIOS cu o greutate de 580 kg avea suprafaţa acoperită cu 66000 celule solare cu randamentul de 22% şi o putere de 35 kW. Viteza de zbor era de 30 până la 50 km/h. Helios s-a prăbuşit la 29 Mai 2003 lângă Hawaii în oceanul Pacific.

Avioane cu pilot

In 1979 Gossamer Penguin a efectuat primul zbor cu pilot la o înălţime de 4 m având o putere de 600 W. Primul avion solar se consideră a fi Solar Challenger cu care s-a reuşit la 7 iulie 1981 traversarea canalului mânecii lăsând în urmă 163 mile după un zbor la o altitudine de 3000 m. Solair I a efectuat la 21. August 1983 un zbor de 5 h 41 m. Solair II cu o putere de 1600W a efectuat primul zbor de test reuşit.Bertrand Picard intenţionează ca în 2010 să traverseze oceanul Atlantic, iar în 2011 să înconjoare globul cu un avion solar având o suprafaţă de cca 250mp acoperită cu celule solare din siliciu monocristalin de 130μm grosime şi un randament de 20%.

Sateliţi

Satelitul STARDUST are o suprafaţă de panouri solare de 6,6 mp ce stochează energia necesară în perioda de umbră în acumulatoare de nickel-hydrogen (NiH2) cu o capacitate de16 Ah Staţia Spaţială Internaţională

(ISS) este alimentată cu energie electrică având ca sursă celule solare ce echipează 8 panouri desfăşurate pe o lungime de câte 35,05 m lungime şi 11,58 m lăţime cu o masă de 1,1 T fiecare. Celulele solare pe o aripă sunt în număr de 32800 aşezate în rânduri de câte 400. Un panou furnizează staţiei 32,8 Kilowatt energie electrică, la o tensiune reglată la 140 V prin Utility Transfer Assembly (UTA). Pe perioada de eclipsă (35 min din fiecare 90 min a rotaţiei pe orbită). Energia este stocată ăn baterii de nichel-hidrogen proiectate pentru 38.000 cicluri de încărcare descărcare respective o durată de viaţă de 6,5 ani. Pentru maximizarea puterii furnizate panourile sunt orientate permanent către soare de sistemele BGA (Beta Gimbal Assembly) şi SARJ (Solar Alpha Rotary Joint).

Utilizare casnică

În utilizarea casnică panourile solare au o importanţă mai mare în cazul locuinţelor izolate fără racord la reţeaua de curent alternativ. În general în sistemele mai evolute, opţional pe lângă panouri se mai montează:o baterie de acumulatore pentru a pute livra energie şi în lipsa luminii solareun regulator de tensiune pentru prevenirea supraîncărcării baterieiun dispozitiv de deconectare în cazul descărcării sub limită a acumulatoarelorun dispozitiv de măsurare ce indică direcţia de alimentare şi cantitatea de energie produsă/consumatăîn cazul utilizării de consumatori de current alternativ, este nevoie şi de un invertor. În acest caz la locuinţele racordate la reţeaua de curent alternativ teoretic ar exista posibilitatea eliminării din schemă a bateriei de acumulatoare, energia suplimentară fiind măsurată în ambele direcţii (la surplus sau lipsă).

Projectul model al blocului 103/104 din Berlin- Kreuzberg în condiţiile din Germania a condus la o scădere cu cca 50 Pf a costului energiei. Pe o suprafaţă de 240 m² 213 panouri solare cu o eficienţă de 16% produc 20 kW energie electrică însumând 14.000 kWh pe an.

Utilizare industrială

Panourile solare sunt utilizate pe scară tot mai largă la producerea de curent electric Ca surse principale/secundare de curent electric în cazul clădirilor

Dat în funcţiune în anul 1984 acoperişul din panouri solare al Universităţii din Georgetown situat în centrul dens populat al Washingtonului produce anual energie electrică în valoare de 60000$

Faţa sudică a clădirii din Tübingen/Germania terminată în anul 2004 a fost acoperită cu 970 panouri fotovoltaice cu o putere instalată de 43,7 kW şi care se estimează că vor produce anual 26000 kWh energie

Din 1998 în Gleisdorf/Austria, pe strada energiei solare se găseşte arborele solar înalt de 17,3 m, o structură de oţel de 12,7 t pe care se află montate 140 panouri solare cu o producţie anuală de 6650 kWh cu care se alimentează 70 de stâlpi de iluminare.

Centrale solare

Centralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri solare câştigă teren

Centrala solară din Atzenhof suburbia oraşului Fürth/Germania produce 1 MW energie electrică cu ajutorul a 144 panouri solare ce acoperă o fostă haldă de deşeuri menajere.

Centrala solară din Quierschied suburbia oraşului Göttelborn /Germania construită pe o suprafaţă de 165000 mp în 2004/2005 produce 7,4 MW energie electrică utilizând panouri solare.

Actualmente cea mai mare centrală solară se află în Pocking/ Bavaria compusă din 57912 panouri solare de înaltă performanţă cu o putere de 10 MW. În Shinan/Corea de Sud a început construirea unei mari centrale solare cu o putere instalată de 20 MW, producţie anuală estimată la 27000 MWh ce va acoperi cu 109000 panouri solare o suprafaţă egală cu cea a 80 de terenuri de fotbal. În Brandis/Saxonia/Germania a început construirea celei mai mari centrale solare având o putere de 40 MW, pe un teren al unei foste baze militare, acoperindu-se o suprafaţă egală cu a 200 terenuri de fotbal cu 550.000 panouri solare din film subţire. Se preconizează ca în primul an de funcţionare să se recupereze integral cheltuielile de construcţie care se estimează a costa cu 20%-40% mai puţin decât preţul comercial. Primele module vor fi operaţionale la sfârşitul lunii iunie.

Avantaje si dezavantaje

Avantajul cel mai semnificativ il reprezinta faptul ca, cel putin teoretic, au durata de viata nelimitata, insa putem lua in considerare si ca au un cost de intretinere foarte scazut.Investitia initiala este marele dezavantaj al tuturor sistemelor energetice alternative, si astfel si a celor bazate pe panouri fotovoltaice. Insa aceasta se amortizeaza in timp, astfel incat pe mai multi ani, instalarea unui astfel de sistem este un lucru recomandat.Exista desigur si alte dezavantaje, printre care putem enumera randamentul scazut al celulei fotovoltaice privit prin prisma energiei produse raportata la suprafata si dependenta acuta de radiatia solara (unghiul razei, temperatura, intensitatea, etc).

Concluzii

In ciuda pretului si a dependentei de factorii externi, panourile solare sunt o solutie pentru viitor. Acest lucru este dovedit si de cresterea de aprope 50% inregistrata in numarul de astfel de sisteme folosite pe glob, in fiecare an din 2002 incoace. Procentul utilizarii energiei solare este in continuare minuscul, estimand ca va ajunge la 0,40% in 2010. Insa pe viitor, odata cu dezvoltarea tehnologiei si micsorarea costurilor initiale, panourile fotovoltaice vor deveni cu siguranta din ce in ce mai utilizate.

Bibliografie

www.wikipedia.comwww.panourisolare.orgwww.solar-valahia.ro