CAPITOLUL 1. UTILIZAREA ENERGIILOR REGENERABILE

1.1. ANALIZA TIPURILOR DE ENERGIE REGENERABILĂ

Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate în continuare:

Figura 1.1. Energii regenerabile

Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele:

-Sunt ecologice;

-Nu generează emisii de CO2;

-Sunt disponibile în cantităţi teoretic nelimitate;

-Pot fi utilizate local;

-Reprezintă soluţii pentru toate nevoile.

Câteva dintre utilizările cele mai uzuale ale energiilor regenerabile, împreună cu câteva

informaţii despre fiecare, sunt prezentate în continuare.

Tabelul 1.1. Producerea energiei electrice în vederea furnizării în reţelele energetice naţionale

5

Forma de energie Sursa de energieCapacitate

Ţări cu realizări

Energia vantuluiEnergia cinetica a vantului

0,3kWel…5MWel

(2005)SUA, Germania, Spania, India, etc

Energia apei/valurilor

Energia cinetica a apei

5GWel – râuri 1MWel – dimens. reduse

Canada, Austria, Scandinavia, etc

Energie geotermală de adâncime

Apă sau abur cu temperatură ridicată

20…50MWelFilipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, etc

Energia biomaseiLemn, culturi agricole, masă vegetală

100kWel...50MWelElveţia, Germnia, Scandinavia,

Energie solarăRadiaţie solară directă sau difuză

1kWel…câţiva MWel

Germania, Japonia, Luxemburg, etc

Tabelul 1.2. Producerea locală a energiei electrice

Forma de energie Sursa de energieCapacitate

Ţări cu realizări

Energie solarăPanouri fotovoltaice

Radiaţia solarăcâţiva Wel…câţiva kWel

China, Africa, etc

Energia vântuluiVânt cu viteză redusă

0,1Wel…80kWel

China, Mongolia, etc.

Energia apei/valurilor

Potenţialul apeicâtiva kWel

… 25MWelNumeroase ţări

6

Tabelul 1.3. Încălzire şi răcire

Forma de energie Sursa de energie Capacitate Ţări cu realizări

Energie solarăPanouri solare

Radiaţia solară

5…10m2

casnic >20m2

comercial, industrial

Germania, Japonia, Grecia, Turcia, etc

Energie geotermală de suprafaţă

Potenţial termic redus

6…8kWterm Austria, Germania, Elveţia, etc

Energie geotermală de adâncime

Apă sau abur cu temperatură ridicată

2…50kWterm

casnic600kW…60MWterm

încălzire cartier

Filipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, etc.

BiomasăLemn, peleţi, culturi agricole, masă vegetală

2…30MWterm

Germania, Austria, Canada, Scandinavia, etc

În toate ţările cu realizări notabile în ceea ce priveşte energiile regenerabile, un impact

esenţial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptarea unui număr mare de

reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenţii. La ora actuală, piaţa

este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile. În figurile 7…9, sunt

prezentate câteva grafice care ilustrează atât dinamica tuturor componentelor acestui domeniu,

cât şi impactul reglementărilor legislative, în Germania, ţara din Europa cu cea mai largă

preocupare în domeniul energiilor regenerabile.

7

Fig. 1.2. Evoluţia producţiei energiei electrice eoliene, în Germania

Fig. 1.3. Evoluţia diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, în

Germania

8

Figura 1.4. Evoluţia producţiei de energie electrică solară, în Germania

Pe toate aceste imagini se observă că cel puţin în Germania, domeniul energiilor

regenerabile este într-o adevărată expansiune, influenţată pozitiv de reglementări legislative

stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenţionarea preţului tuturor

tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sau achiziţionarea de către compania

energetică naţională din Germania, a curentului electric produs cu ajutorul panourilor

fotovoltaice, la un preţ mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o durată de

până la 25 ani.

1.2. ENERGIA VALURILOR

SISTEME DE CAPTARE A ENERGIEI VALURILOR

Se cunosc mai multe sisteme de captare a energiei valurilor, dintre care:

1. Sistemul de conducte sub presiune (se aseamănă cu sistemul de frânare al unui

autovehicul). Astfel presiunea exercitată pe o suprafaţă mare este transmisă prin intermediul

unui lichid, prin conducte, unei suprafeţe mai mici, multiplicându-se astfel forţa pe unitate de

suprafaţă. Printr-un sistem mecanic, această forţă realizează antrenarea generatorului

electric.Acest principiu este aplicat de Interproject Service (IPS) Buoy (Sweden).

2. Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului. Sistemul se bazează pe ascensiunea apei sub

formă de val pe o pantă artificială, care ulterior este preluată prin cădere de paletele unui

generator electric.

Ideea a fost pusă în practică de Wave Dragon (Denmark).9

3. Sistemul pistonului lichid. Într-o incintă, prin mişcarea sa de urcare şi coborâre, valul

marin acţionează ca un piston, pompând şi aspirând aerul, cu rezultat direct asupra unei turbine

(în multe dintre aplicaţii se foloseşte turbina Wells). Wavegen (Scotland) şi Mighty Whale

(Japan) au pus în practică astfel de proiecte. Într-o schemă simplă, sisteme flotabile urcă şi

coboară odată cu trecerea valurilor.

Prin această mişcare se acţionează o pompă, care împinge apa dintr-o turbină care

acţionează un generator. Scoţia are acces la una din cele mai bogate resurse energetice marine

din lume. Dacă în anul 2001, raportul Scotland’s Renewable Resource arăta că Scoţia genera o

capacitate de până la 21,5 GW (79,2 TWh/an) cu ajutorul energiei valurilor şi mareelor, în 2010

guvernul scoţian finanţa cu peste patru milioane de lire sterline cea mai mare fermă de energie

marină din lume, care asigura până la 10 % din necesarul electric al ţării.

Conform raportului Harnessing Scotland’s Marine Energy Potential efectuat de Marine

Energy Group, până în 2020 în apele scoţiene se pot instala capacităţi de 1300 MW, adăugând

câte 100 MW în fiecare an.

În nordul Scoţiei (Nigg), specialiştii scoţieni au gândit o platformă specială care să

utilizeze la maximum forţa valurilor, fără să monteze generatoare hidroelectrice plutitoare

(proiectul Oyster, o invenţie care promite multe, fig.1.5.).

Fig. 1.5. Platforma OYSTER, 300- 600 kW

Platforma are o componentă montată în apă, care basculează atunci când este lovită de

valurile uriaşe. De ea sunt prinse două pistoane, care prin compresie împing apa cu viteză printr-

o conductă, până într-o unitate aflată în apropriere. Acolo, apa sub presiune acţionează o serie de

palete, tot mecanismul fiind identic cu cel prezent în centralele hidroelectrice.

Totul diferă prin metoda inovativă de a transporta apa sub presiune. Producătorii spun ca

Oyster poate genera între 300 şi 600 kW, însă la configuraţii multiple, se poate ajunge la valori

suficient de mari cât să alimenteze oraşele din apropriere. Se speră că noua industrie ar revitaliza

economia scoţiană, mai ales în zonele rurale şi ar crea peste 7000 de noi locuri de muncă în

diversele domenii colaterale implicate. O altă schemă experimentală de utilizare a energiei

valurilor, este realizată pentru Insula Islay, în dreptul coastei de vest a Scoţiei, fiind concepută

pentru a genera 180 kW. Ea funcţionează pe principiul coloanei de apă oscilantă.

10

Fig. 1.6. Sistemul companiei SDE Energy Ltd de producere a energiei electrice.

O cameră scufundată, deschisă în partea inferioară, conţine o coloană de apă cu aer

deasupra. O dată cu trecerea valurilor, coloana de apă se ridică şi coboară, împingând şi scoţând

aerul dintro turbină conectată la un generator electric. Compania SDE Energy LTD foloseşte

echipamente care prin generarea presiunii hidraulice datorate mişcării valurilor, produce energie

electrică.

Principiul de funcţionare este relativ simplu: câteva plute urcă şi coboară odată cu trecerea

valurilor; prin această mişcare este acţionată o pompă care împinge apa printr-o turbină care

acţionează un generator, fig.1.6.

Turbina Wells de captare a energiei valurilor, a fost inventată în anul 1980 de profesorul

Alan Wells de la Queen University din Belfast. Turbina Wells, fig. 1.7, este utilizată cu

precădere în centralele electrice care exploatează energia valurilor, având unele dezavantaje care

fac ca tehnologia să fie greu fezabilă.

Randamentul este foarte scăzut iar în condiţiile unui curent slab de aer turbina se

blochează; palele turbinei Wells au un bord de atac foarte voluminos şi un unghi de aşezare

redus, care rezultă din necesitatea utilizării acestor pale în ambele sensuri de acţionare a aerului.

Fig. 1.7. Turbina Wells

În 1995, chinezii de la Institutul de Conversie a Energiei Guangzhou au construit o

geamandură de navigaţie de 60 W folosind turbina Wells. Cele mai impresionante aplicaţii ale

11

turbinei Wells au fost puse în practică în India acolo unde energia valurilor aduce în sistemul

electric 1,1 MW. O instalaţie experimentală a fost construită şi în România, în apropierea digului

de la Mangalia. Sistemul este alcătuit dintr-un cilindru fără fund, cu diametrul de 1,5 m şi

înălţimea de 2,5 m.

Portugalia a instalat până în 2009, 28 de centrale care produc o cantitate de energie de 72,5

MW. În acest sens primul generator dat în folosinţă se află la cinci kilometri de ţărm, unde a fost

instalat dispozitivul de tip Pelamis (numele vechi al şarpelui de mare), montat la Peniche, fig.1.8.

Pelamis este un obiect care pluteşte pe valuri şi care execută o mişcare cu o traiectorie eliptică.

Cea mai simplă formă de valorificare a acestei mişcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt

pontoanele articulate. O construcţie modernă este cea de tip Pelamis formată din mai mulţi

cilindri articulaţi, care, sub acţiunea valurilor au mişcări relative care acţionează nişte pistoane.

Fig. 1.8. Sistemul de tip Pelamis (Peniche,

Portugalia)

Fig.1.9. Platforma maritimă

Orecon

Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acţionează generatoare

electrice, fig. 1.9. Construcţia pluteşte la suprafaţa mării, unde captează energia valurilor şi

trimite curentul produs către plaja Aguacadoura, la nord de Porto. Trebuie să menţionăm că un

singur generator poate asigura curentul electric pentru 5000 de gospodării. În zonele cu valuri tot

timpul anului sau în largul mărilor şi oceanelor, energia valurilor este o formă de energie

regenerabilă cu un potenţial foarte mare. Firma Orecon, a investit peste 24 milioane dolari într-

un dispozitiv, care este o combinaţie de baliză/platformă maritimă (dotată cu camere de presiune

speciale), în care forţa valurilor care lovesc platforma este transformată în electricitate de către o

turbină.

Până în anul 2015 se vor vedea primele platforme care vor furniza electricitate reţelelor de

distribuţie a energiei, o platformă producând circa 1,5 MW. Unul din avantajele platformei o

constituie mărimea acesteia, fiind mai puţin predispusă distrugerii şi având costuri de întreţinere

mai mici, fig.1.9.

12

Sistemul cu plan înclinat şi bazin. La mijlocul anului 1940 lângă Alger în

Marea Mediterană a fost pusă în funcţiune experimental în două amplasamente, la Sidi Ferruch şi

Pointe Pascade, prima instalaţie modernă care consta dintr-o structură concepută pe principiul

planului înclinat şi un bazin de acumulare. Soluţia se bazează pe faptul că în contact cu o

construcţie rigidă, sub acţiunea valurilor, apa are tendinţa să-şi ridice nivelul suprafeţei libere.

Aceasta este recepţionată într-o structură cu radier curb înclinat, care se opune direcţiei de

înaintare a frontului de val. Cantitatea de apă ajunsă între doi pereţi convergenţi, urcă la o

înălţime maximă a valului, deversând apoi într-un rezervor special conceput pentru a reţine apa

la o cotă superioară nivelului mediu al mării. Prin căderea realizată, apa reţinută pune în mişcare

turbinele care la rândul lor antrenează generatorii electrici. Curburile pereţilor convergenţi sunt

impuse de forme hidraulice optime, care fac ca întreaga construcţie să realizeze o diferenţă cât

mai mare între nivelul mediu al mării şi nivelul maxim al apei din bazinul de acumulare, fig.1.10.

Fig. 1.10. Sistemul cu plan înclinat şi bazinFig. 1.11. Sistem cu piston acţionat de

valuri şi acumulator hidraulic interior

Sistem cu piston acţionat de valuri

Soluţia constă în transmiterea forţei mecanice dată de un volum mare de valuri de joasă

presiune, printr-un sistem de două pistoane cu diametre diferite, unui volum mic de lichid

auxiliar, căruia îi ridică astfel presiunea, determinând stocarea lui în acumulatoare hidraulice

interioare, fig.1.11. În diverse zone de pe glob s-au conceput şi alte tipuri de instalaţii destinate

valorificării energiei valurilor, instalaţii studiate de-a lungul anilor în laboratoare şi în natură, cu

rezultate nu totdeauna dintre cele mai spectaculoase.

Specialiştii români prognozează că potenţialul energetic brut al valurilor de pe cei 200 km

de litoral românesc al Mării Negre se ridică la valoarea de circa 8·109 kWh/an, potenţialul

13

energetic tehnic utilizabil estimându-se la 4·109 kWh/an, ceea ce ar conduce la o economie de

combustibil convenţional de aproximativ 2 milioane t/an.

Elementele caracteristice asociate valurilor, curenţilor şi vântului sunt prezentate în fig.

1.12. Studiile întreprinse (chiar în lipsa finanţării acestora) au condus la concluzia oportunităţii

captării energiei valurilor de vânt şi au impulsionat o serie de specialişti să continue

aprofundarea problemei.

Figura 1.12. Înălţimea valului semnificativ Hs: negru- val; alb – vânt; roşu – curent.

Procedeul de captare proiectat este specific valurilor neregulate şi constă în preluarea

directă, prin intermediul unui plutitor, a mişcării pe verticală a apei, fără transport de debit -

figura 1.13.

Transmisia mişcării este realizată cu ajutorul unui generator rectiliniu (al cărui flux

magnetic este făcut astfel să varieze). Astel această mişcare este transformată în curent electric

alternativ, cu frecvenţa neregulată, care poate fi folosit în stare brută ca sursă de căldură.

Echipamentul hidraulic al unui element de captare este format dintr-un plutitor, care preia

valurile neregulate (cu înălţimea cuprinsă între 50 mm şi 9 m) şi din echipamentul electric

principal (alcătuit dintr-o parte mobilă legată cu articulaţii de plutitor şi o parte fixă, solidară cu

structura imobilă). Soluţia prezentată impune realizarea unui structuri plutitoare cât mai stabile în

masa agitată a valurilor, capabilă să susţină echipamentul energetic. O caracteristică deosebită o

constituie posibilitatea nelimitată de dezvoltare pe verticală a instalaţilor, precum şi capacitatea

individuală a elementelor.

14

Figura 1.13. Sistemul românesc de valorificare a potenţialului energetic al valurilor

în Marea Neagră: 1 -panou cu celule fotovoltaice; 2 - turbină eoliană; 3 - motor pneumatic

rotativ; 4 - rezervor de aer; 5 – dispozitiv pneumatic; 6 - generator rectiliniar; 7- dispozitiv de

ridicare; 8 - generator de curent continuu; 9 - echipament mobil; 10 - dispozitibv de blocare;

11 - articulaţie; 12 - urechi de anoraj; 13 - nişă; 14 - plutitor.

Pentru a compara tipurile de energie alternativă, profesorul Mark Jacobson de la

Universitatea Stanford a calculat impactul pe care acestea l-ar avea, dacă Statele Unite ar fi

alimentate doar cu un singur tip de energie. El a luat în calcul nu numai cantitatea de gaze cu

efect de seră care ar fi emise, dar şi impactul pe care l-ar avea asupra ecosistemului (suprafaţa

ocupată de teren şi poluarea apei). "Cele mai bune energii alternative nu sunt cele despre care se

vorbeşte cel mai mult", a concluzionat Jacobson.

Producţia şi consumul de energie exercită presiuni considerabile asupra mediului:

schimbări climatice, deteriorarea ecosistemelor naturale etc. Activitatea energetică este

responsabilă de existenţa poluanţilor în proporţie de peste 50 % pentru emisiile de metan şi

monoxid de carbon, 97 % pentru emisiile de bioxid de sulf, 88 % pentru emisiile de oxizi de azot

şi 99 % pentru emisiile de bioxid de carbon.

Apele Oceanului Planetar deţin un imens potenţial energetic care poate fi valorificat pentru

producerea de energie.

15

Principalele surse de energie luate în considerare, cel puţin la nivelul tehnicii actuale, se

referă la: maree, curenţii marini, valuri, diferenţe de temperatură ale straturilor de apă marină.

Valurile oceanelor poartă cantităţi masive de energie, dar această energie este greu de exploatat

eficient şi ieftin.

1.3. CAPTAREA ENERGIEI SOLARE

Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacţiilor de fuziune

nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu în cuante de energie numite fotoni, care

interacţionează cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea

exterioară a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este numită constantă

solară, a cărei valoare este de 1,37 · 106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate

acestea, intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani.

Intensitatea energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită

absorbţiei şi difracţiei energiei solare, când fotonii interacţionează cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat,

dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de

energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

CONSTRUCŢIA COLECTORILOR SOLARI

Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre

acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu

tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice.

Colectori plani.

Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a colectorilor

solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 1.14.

Fig. 1.14.Construcţia colectorilor solari plani16

Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o

folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material

absorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară,

caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer a radiaţiei

termice. Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face faţă

solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de

grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea

pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant.

Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de

ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativ reduse ale investiţiei,

are o durata de functionare de pana la 25 ani, zapada nu ramane pe colector, ajuta la izolarea

terminca atunci cand aceste tipuri de colectoare sunt integrate in acoperis. Dezavantajul principal

îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, la diferenţe mari de temperatură între

agentul termic şi mediul ambiant, si nu prezinta imunitate la vant.

Fig.1.15. Pierderile termice la colectoare

solare plane

Fig.1.16. Componentele unui panou sau

colector solar plane

Acest tip de colector solar este cel mai des utilizat in sistemele cu panouri solare pentru

incalzire.

Colectoare cu tuburi vidate.

Colectoarele cu tuburi datorita formei geometrice, reusesc sa primeasca razele solare mereu

perpendicular macar pe o axa, fapt care duce la un randament mare din constructie.

Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat termic, în

care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, din sticlă. Intre pereţii din

sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul

ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material

absobant, pentru a capta cât mai eficient radiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va

stratifica, în funcţie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a

cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin

tuburile vidate, se va încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită

17

diferenţei de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a

acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

Fig.1.17. Pierderile termice la

colectoarele cu tuburi vidate

Fig.1.18. Schema de functionare a unui colector cu

tuburi vidate

Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţiei solare,

fără intermediul unui schimbător de căldură.

Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un

material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţi mecanice bune.

Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar

fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată

încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruşte în tuburi.

Constructiv, colectoarele solare vidate se compun din urmatoarele elemente :

Fig.1.19. Elementele componente ale unui colector solar cu tuburi vidate

În figura 1.20. este prezentată o construcţie performantă de colector solar cu tuburi vidate, în

care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru,

în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă.

18

Fig. 1.20. Colector cu tuburi vidate şi

schimbător de căldură coaxial

Fig. 1.21. Sistem flexibil de racordare a tuburilor

vidate la conductele de apă caldă şi rece

Această construcţie, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de

căldură în mediul ambiant (chiar la diferenţe mari de temperatură între acesta şi apa din tuburi),

cu avantajele circulaţiei agentului termic prin elemente metalice.

În figura 1.21, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul

prezentat anterior, la conductele de apă rece şi caldă.

În figura 1.22. sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector cu tuburi

vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazul spargerii accidentale a

acestora.

Fig. 1.22. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul

spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalaţie nu se pierde, fenomen care

ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce

pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl

deserveşte.

19

1.4. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ

CARACTERISTICI ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca şi în cazul bateriilor:

Tensiunea;Intensitatea curentului electric; Puterea electrică.

Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca şi intensitatea curentului electric asigurat, depind

semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricaţie, ca şi de dimensiunile

acestor celule. În figura 1.23 este reprezentată variaţia tensiunii şi a intensităţii curentului electric

asigurate de o celulă fotovoltaică realizată din siliciu şi având dimensiunile de 10x10cm.

Fig. 1.23. Tensiunea şi intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din Si,

la diferite intensităţi ale radiaţiei solare

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice rtealizate

din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată,

depinde foarte puţin de intensitatea radiaţiei solare, dar valoarea intensităţii curentului electric,

depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variaţie între 0,4A în cazul unei radiaţii solare

de 200W/m2 şi 2,2A în cazul unei radiaţii solare de 1000W/m2.

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U şi

intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent

continuu. P=U·I

Considerând că tensiunea este de U=0,5V şi intensitatea curentului electric este I=2A, se

poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W. Această valoare

redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie,

pentru a se obţine panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din

acest motiv şi dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din

20

10x10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi

100x100cm=1m2, iar acest panou va putea să asigure o putere de 10x10=100W.

Pornind de la curbele de variaţie a intensităţii curentului electric, cu intensitatea radiaţiei

solare, reprezentate în figura 1.23, şi calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune şi

intensitate, se pot trasa curbe de variaţie a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei

din figura 1.24.

Fig. 1.24. Curba de variaţia puterii electrice a celulelor fotovoltaice

Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obţine în punctul în

care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de

pe curba de variaţie a intensităţii curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar

puterea maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM.

Se observă că şi în condiţiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A,

ceea ce corespunde unei intensităţi foarte mari a radiaţiei solare şi unei construcţii foarte

performante a celulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este

de cca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în

vedrea obţinerii unor panouri fotovoltaice, ca cel din figura 1.25, asemenea panouri fiind

capabile să asigure puteri de cca. 10…250W.

21

Fig. 1.25. Panou fotovoltaic

Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice sunt dependente de

temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de

a converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o

reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creştere a

temperaturii. De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la

temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a

energiei solare în energie electrică este realizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este

apropiată de 0K.

1.5. DIRECŢIILE ACTUALE DE DEZVOLTARE ÎN FOLOSIREA

ENERGIILOR REGENERABILE ÎN DOMENIUL NAVAL

INTRODUCERE

Ideea de a folosi un sistem combinat de vele-motor nu este o idée de generaţie nouă, dar

din cauza unor inconveniente constructive şi conservative, acest sistem nu a fost implementat la

scara largă.

În condiţiile în care preţul combustibililor creşte, atmosfera este degradată de poluarea cu

NOx, SOx, CO, şi acest grad de poluare creşte zi de zi, soluţiile de producer a energiilor

neconvenţionale au început să producă interes în rândul părţilor interesate. Sistemele

neconvenţionale, cum ar fi puterea vântului sau propulsia electric, sunt puse din nou în atenţie

după ce au fost ignorate o mare perioadă de timp.

22

În zilele noastre sunt considerate a fi surse majore de poluare a mediului maritime

înconjurător cinci elemente şi anume: activitatea industrială de pe uscat, lucrul sub apă, deşeurile

descărcate în mediul marin, navele şi atmosfera.

Din nefericire, aşa cum am arătatmai devreme, măsurile luate şi care încă sunt sunt luate

în considerare, nu sunt o reflectare adevărată efortului volumului de muncă depus. Rezultate

bune au fost obţinute într-adevăr în anumite zone ale lumii, cum ar fii limitarea producerii de

SOx în nordul Europei şi coasta nord Americană, dar încă sunt zone în lume unde nu au fost

luateîn considerare pasuri de precauţie.

CE ÎNSEAMNĂ SISTEMUL DE PROPULSIE NECONVENŢIONAL AL UNEI

NAVE

Numim neconvenţional orice alt sistem care diferă de sistemul clasic de propulsie al unei

nave, care nu foloseşte motoare cu ardere internă pentru a produce energie mecanică necesară

rotirii axului elicei pentru a deplasa nava.

Principalele metode şi sisteme neconvenţionale de propulsie sunt:

a) Cilindrii verticali – rotorul Flettner

b) Nava propulsată de către o velă ridicată la o anumită înălţime – aşa numită “kite”.

Această metodă de propulsie conduce la reducerea consumului de combustibil şi ca urmare

emisii poluante mai mici

c) Propulsia navei folosind baterii solare şi vele mobile sau fixe. În acest caz protecţia

mediului înconjurător maritim şi a atmosferei este aproape totală.

d) Nava propulsată electric folosind motoare electrice, împreună cu un corp al navei

specific, adoptând propulsia de tip pod, conducând la economicitate şi protecţie a mediului prin

scăderea emisilor de CO2.

Propulsia navelor folosind cilindrii verticali rotativi (rotorul Flettner)

Sistemul este bazat pe sistemul Magnus, aplicat unui cilindru vertical aşezat în curent de

aer pentru propulsia unei nave.

Rotorul este un cilindru rotitor în jurul axei sale expus unui jetului de aer care curge la

diferite unghiuri faţă de axă. Cilindrul exercită o forţă laterală care acţionează la diferite

unghiuri în funcţie de jetul de aer şi mişcarea de rotaţie. Efectele rotorului Flettner au fost prima

dată demonstrate în anul 1928. În anul 1924 Anton Flettner a construit nava Backau care era

echipată cu doi cilindrii, fiecare de 18,3 metrii înălţime şi 2,8 metrii diametru, pentru propulsia

navei. Cilindrii erau puşi în mişcare de rotaşie de către două motoare diferite. Nava putea naviga

în vânt între 20-30 grade. Atunci acest sistem nu a fost unul eficient dar în zilele noastre acesta

este folosit ca un sistem paralel de propulsie. De curând compania Enercon a construit o nava de

23

130 m cu 4 cilindrii Flettner. Nava se numeşte E-Ship şi foloseşte energia vântului pentru a

reduce costurile de combustibil şi emisiile poluante. Cilindrii au 25 m înălţime şi 4 m diametru,

sunt aşezaţi în pereche la pupa respectiv prova navei şi ca sistem de propulsie paralel poate

reduce costurile de combustibil cu 30%.

Figura 1.26. E-Ship

Figura 1.27. Efectul Magnus

Propulsia navelor folosind vele fixe sau mobile acoperite cu panouri solare

Energia solară este valorificată prin folosirea panourilor cu celule fotovoltaice montate pe

vele fixe sau mobile, fixate pe puntea principală.

Energia vântului este folosită direct pentru propulsie prin folosirea de vele montate pe

puntea principală făcute dintr- un material composit.

Velele pe catarge includ atât velele tradiţionale cît şi aripioarele, care sunt similare cu

aripile unui avion. In anul 1970 preţul ridicat al combustibilului a stimulat interesul pentru

propulsia pe baza vântului pentru navele comerciale. La acel moment a fost calculată o scădere a

costurilor de combustibil cu 30-40 % dar odată cu scăderea preţului combustibililor proiectele

24

Directia vantului

Cursul navei

pentru propulsia navelor cu ajutorul vântului au fost închise. În zilele noastre nava de pasageri

Eoseas este în stare de proiect şi va fi creată de către Zards STX revoluţionând propulsia cu vele.

Are o lungime de 305 m şi 6 vele cu o suprafaţă totală de 12440 m². Tehnologia aplicată acestei

nave va aduce reduceri de costuri de combustibil de 50%. Totodată designeri au estimat faptul că

Eoseas ar costa cu circa 30% mai mult decât o navă de pasageri obişnuită ceea ce s-ar amortiza

prin economia de combustibil.

Figura 1.28. Nava Eoseas

Compania Solar Sailor a brevetat velele SolarSails care valorifică energia solară şi

energia vântului. Aceste vele au fost deja instalata pe nava Solar Albatros care este o navă de

dimensiuni mici. Aceasta este prima navă comercială hibrid propulsată cu combustibil fosil,

energie electrică, puterea vântului şi puterea solară, navă pe care a fost şi testată această

tehnologie. Conform încercărilor, când se navigă la o viteză de 15 Nd a intensităţii vîntului

adevârat şi 45 grd unghiul vântului faţă de ax, viteza navei navei creşte cu aproximativ 2 Nd la

aceiaşi putere a motorului.

Figura 1.29. Nava Solar Albatros

25

Folosirea velelor poate reduce consumul de combustibil, şi de asemenea, reduce emisiile,

dar are şi potenţiale dezavantaje precum:

Velele ocupă destul de mult spaţiu şi de aceea accesul este restricţionat în timpul

încărcării-descărcării şi de aceea macaralele trebuie să acţioneze în jurul acestora

Catargele pot genera rezistenţă la vânt nefavorabil. De asemenea există risc pentru

echipaj cu privire la schimbările condiţiilor de vânt. În special la vijelii, catargele şi velele pot

provoca înclinări periculoase ale navei.

La navigaţia cu vele, nava are tendinţa a se înclina. Acest lucru ar putea fii imposibil

pentru nave tip container şi nave cargouri să opereze în condiţiile de înclinare la navigaţia cu

vele. Pentru a evita situaţiile de acest gen este nevoie de ballast excesiv care nu este economic.

Cu toate acestea, revenirea la scară largă a energiei eoliene folosind pânze este de

neimaginat, ca urmare a creșterii costurilor combustibilului așteptat în următorii ani.

Propulsia navelor folosind o velă ridicată la o anumită înălţime – aşa numită “kite”.

Cel puţin două firme au dezvoltat sistemul cu vele la înăţime pentru aplicara acestuia

navelor comerciale de tip cargo: compania Germană SkySails şi compania Americană Kiteship.

Principalele caracteristici ale acestor tipuri de vele-zmeu sunt următoarele:

Velele-zmeu lucrează la o înălţime între 100-300 m deasupra suprafeţei apei care permite

velei să dezvolte de 25 de ori mai multă energie datorită vitezei mari a vântului la acea înălţime.

Comparând cu alte dispozitive de tracţiune, velele-zmeu nu necesită catarg şi pot fi uşor

împachetate. Acest lucru înseamnă că acestea necesită un spaţiu mic la bord şi nu deranjază cu

nimic activitatea de încărcare-descărcare.

Necesită costuri de investiţie scăzute comparînd cu alte sisteme dar o înaltă eficienţă a

economiilor de energie

Aceste dispozitive au un sistem de control automat rezultând o uşoară mânuire şi

siguranţă

În comparaşie cu sistemele convenţionale de propulsie cu vânt, velele-zmeu produc unghi

mic de tangaj, şi mai mult de atât nu este nevoie de balast.

Este estimat faptul că utilizând vele-zmeu costul de combustibil poate scădea între 10-

35% depinzând de condiţile de vânt. Este concluzionat faptul că beneficiile mediului

înconjurător cât şi cele financiare pot fi convingătoare. Furnizorii de vele-zmeu indică faptul că

prin folosirea acestui sistem operarea navelor va devenii mai profitabilă, sigură şi independent de

declinul rezervelor de combustibili.

În anul 2006 a fost anunţat faptul că firma de shipping Beluga a achiziţionat un sistem

pentru a fi instalat pe o navă de 140 m tip cargo numită MS Beluga SkySails. Nava a fost lansată

pe 17 decembrie 2007.

26

Figura 1.29. Nava MS Beluga

În februarie 2011, compania Cargill a semnat un accord cu SkySails pentru a instala o

velă-zmeu de 320 m² pe o navă de 30000 tdw, facând-o cea mai mare navă propulsată vreodată

printr-o astfel de metodă. Astăzi acest sistem este ful operaţional la firma Cargill.

Aşa cum am văzut la sistemul anterior, şi acest system are dezavantajele lui. Acest tip de

vele nu poate fi operat contra vântului. Marele dezavantaj al acestor vele este faptul că ele nu pot

fi operate la o intensitate scăzută a vântului. Unele studii arată că potenţialele pericole de cădere

a velei în apă, în special în calea navei, sunt mai mari decât beneficiile financiare obținute din

acest sistem. Mai mult decât atât, zmeul nu ar trebui să funcționeze în zone cu trafic dens de

nave din motive de siguranță. În aceste zone trebuie ca nava să schimbe rapid cursul, sau desigur

să se oprească, și este dificil să facă acest lucru atunci când vela este în zbor.

Propulsia navelor folosind energia valurilor

Energia valurilor este valorificată prin transformarea acesteia în diferite tipuri de energie

prin combinarea mişcării relative a navei, a aripioarelor şi a valurilor.

Figura 1.30. Nava care foloseşte energia valurilor

Producerea de energie electrică de valurile oceanului este posibilă prin navele care

recoltază energie prin organizarea de ieşiri de zi cu zi la locaţii stabilite în apropierea ţărmului şi

întoarcerea înapoi în port pentru livrarea de energie la reţea.

27

Energia este stocată pe navă în cursul fazei derecoltare şi plasate pe grila în timpul

perioadelor de cerere ridicată (în mod normal, la mijlocul-zilei).

Spre deosebire dedispozitivele energetice convenţionale ale valurilor, navele nu ar fi

nevoite să folosească cabluri submarine pentru a se lega la reţeaua de electricitate. Aceste cabluri

costa de obicei mai mult de 500.000 dolari pe kilometru.Această idee de recoltare a energiei

valurilor este simplă: punem dispozitive pentru recoltare pe bărci, le trimitem pe mare, ele stau

acolo aproximativ o zi, îşi încărcară bateriile şi apoi se întorc la mal şi descarcă încărcătura lor

electrică. Bateriile sunt planificate să aibăo capacitate de 20 megawati deorece, astfel încâte

navele ar trebui să stea pe mare,timp de cel puţin 20 de ore pentru o încărcare completă.

Proiectul a fost prezentat la Conferinţa Tehnologiei Verde şi Expo2011 Boston.

Suntory Mermaid II este un catamaran de 9,5 metri lungime având deplasamentul de 3

tone şi propulsat de puterea valurilor. Acesta dispune de două cozi asemătoare cu coada unui

delfin, care absorbe energia valurilor şi generează forţa de tracţiune prin mişcarea în sus şi în jos

complementară cu mişcare bărcii. Nava a fostproiectat de Hiroshi Terao de la Universitatea

Tokai . La aproximativ ora 11.00 ( oraHonolulu) la 16 martie 2008, un bătrânel de 69 de ani,

marinar japonez şi ecologist Kenichi Horie a părăsit Hawaii Yacht Club, Honolulu , în Suntory

Mermaid II, legat de Japonia. El a ajuns la 23.49 (14.49 GMT), la 4 iulie 2008 în Canalul Kii în

apropierea farului Hinomisaki, Wakayama , Japonia , 4350 mile, fără incidente. Horie a făcut cea

mai lungă călătorie din lume singur într-o barcă folosind tehnologia verde. Călătoria în Vestul

Oceanului Pacific a durat 110 de zile. Horie a mâncat

orez şi curry cea mai mare parte a timpului, calmar şi

peşte. Iahtul folosit poate naviga cu o viteza medie de 5

noduri . Suntory Mermaid II a fost alimentat de o

singură baterie încărcată prin mijloace ecologice, solare

şi construcţia iahtului a presupus folosirea unor

materiale reciclate.

Figura 1.31.

28