Energia solara

19
Energia Solara Soarele este o sursa imensa de energie. Aceasta ajunge pe Terra sub forma de radiatii solare, radiatii care pot fi captate si transformate in alte forme de energie: electrica, mecanica sau termica. Astfel, energia solara isi poate gasi utlizarea in domenii diverse, de la agricultura pana la cercetare. Primele incercari de folosire ale energiei solare deteaza inca din secolul trecut. In prezent, aceasta este intalnita in foarte multe medii. Principalele moduri de utilizare a sa sunt insa urmatoarele: producerea de energie termica: incalzirea apei, incalzirea locuintelor sau a serelor, etc producerea de energie electrica prin intermediul celulei fotovoltaice. Aceasta este rolul unei lungi evolutii, de la alimentarea calculatoarelor de buzunar pana la centralele solare, ce pot alimenta cartiere intregi de locuinte. Mai multe detalii despre panourile fotovoltaice si producerea de energie electrica puteti gasi in acest articol. Acestea nu se opresc insa aici, marturie fiind zecile de dispozitive solare aflate pe piata, de la ceasuri de mana pana la sateliti. De ce energie solara? Pentru ca este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila (cel putin pentru cateva miliarde

Transcript of Energia solara

Page 1: Energia solara

Energia Solara

Soarele este o sursa imensa de energie. Aceasta ajunge pe Terra sub forma de radiatii solare, radiatii care pot fi captate si transformate in alte forme de energie: electrica, mecanica sau termica. Astfel, energia solara isi poate gasi utlizarea in domenii diverse, de la agricultura pana la cercetare.

Primele incercari de folosire ale energiei solare deteaza inca din secolul trecut. In prezent, aceasta este intalnita in foarte multe medii. Principalele moduri de utilizare a sa sunt insa urmatoarele:

producerea de energie termica: incalzirea apei, incalzirea locuintelor sau a serelor, etc

producerea de energie electrica prin intermediul celulei fotovoltaice. Aceasta este rolul unei lungi evolutii, de la alimentarea calculatoarelor de buzunar pana la centralele solare, ce pot alimenta cartiere intregi de locuinte. Mai multe detalii despre panourile fotovoltaice si producerea de energie electrica puteti gasi in acest articol.

Acestea nu se opresc insa aici, marturie fiind zecile de dispozitive solare aflate pe piata, de la ceasuri de mana pana la sateliti.

De ce energie solara?

Pentru ca este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila (cel putin pentru cateva miliarde de ani) si este ecologica. Captarea energiei solare nu este poluanta si nu are efecte nocive asupra atmosferei, iar in conditiile in care degradarea Terrei atinge un nivel din ce in ce mai ridicat, aceasta problema incepe sa fie luata in seama de tot mai multi oameni.

Si acest lucru se vede. In cazul producerii de energie electrica prin intermediul panourilor fotovoltaice, procentul energiei solare din totalul energiei produse pe glob a crescut de la 0,04% in 2004 la peste 0.3% si se estimeaza ca va depasi 0,4% pana la finalul lui 2010. In continuare este un procent minuscul, dar este de apreciat faptul ca omenirii a inceput sa ii pese. Iar pe masura ce tehnologia se va dezvolta, energia solara va fi utlizata din ce in ce mai mult.

De ce nu energie solara?

Page 2: Energia solara

Raspandirea foarte limitata a utlizarii tehnologiei solare are foarte multe cauze.

In primul rand, tehnologia de captarea a razelor solare este inca la inceput si costisitoare. Pretul producerii unui WATT in prezent, prin intermediul celulelor fotovoltaice, este de 6-7 ori mai mare decat cel al producerii sale in termocentrale. De aceea investitia initiala intr-un sistem de producere a energiei prin captarea razelor solare este mare, chiar daca amortizarea se produce in timp, sistemele fiind in general foarte fiabile si putand functiona 10-25 de ani fara mari costuri de intretinere.

In plus, panourile solare au un randament foarte scazut daca raportam cantitatea de energie produsa la dimensiunea lor: pentru acoperirea necesitatilor unei locuinte fiind necesare panouri de cateva zeci de metri patrati. Dar si acest lucru se va schimba pe masura ce tehnologia evolueaza.

Cel mai mare dezavantaj este insa acela ca energia solara este dependenta de razele soarelui, cu alte cuvinte de cantitatea de radiatii solare care ajung pe Pamant. Iar aceasta este variabila, in functie de ora, de perioada a anului, de conditiile atmosferice, etc. Si nu in ultimul rand, randamentul sistemelor solare depinde in mare masura de unghiul sub care cade raza de soare pe panoul solar, asadar de pozitia pe glob. O harta a potentialului solar in Europa poate fi vazuta mai jos.

Este energia solara o alternativa sau nu?

Cu singuranta este. Dar acesta este cuvantul potrivit momentan: o alternativa. La fel ca energia eoliana sau marina. Pentru ca in conditiile actuale, necesarul energetic al Terrei are nevoie de existenta centralelor pe baza de carbune sau nucleare. Dar in viitor, acest fapt se va schimba cu singuranta.

Centralele solare termice

Centralele solare termice, în funcţie de modul de construcţie pot atinge randamente mai mari la costuri de investiţii mai reduse decât instalaţiile pe bază de panouri solare fotovoltaice, necesită în schimb cheltuieli de întreţinere mai mari şi sunt realizabile doar pentru puteri instalate depăşind

Page 3: Energia solara

un anumit prag minim. Totodatată sunt exploatabile economic doar în zone cu foarte multe zile însorite pe an.

Pentru utilizarea energiei conţinute în radiaţia solară în scopul producerii de energie electrică s-au conceput mai multe metode. Tehnologiiile rezultate se impart în două mari grupe în funcţie de utilizarea energiei radiaţiei concentrate într-un spaţiu restrâns, sau utilizare fără concentrare.

Centrale solare termice cu concentrarea radiaţiei solare directe.

Ilustraţie ce prezintă prin mărimea pătratelor roşii suprafaţa deşertică ce ar fi suficientă pentru acoperirea necesarului de energie: Globală, a Europei, a Germaniei

(Centrale de tip „Concentrating Solar Power (CSP)“)

Aceste centrale utilizează oglinzi concave pentru a concentra razele solare pe suprafaţa absorbantă. Oglinda sau suprafaţa absorbantă îşi vor modifica orientarea în funcţie de poziţia soarelui. Centralele solare cu jgheaburi parabolice colectează energia cu oglinzi distribuite pe suprafeţe mari ce concentrează radiaţia pe suprafeţe absorbante situate în centrul focal al fiecărei oglinzi, pe când cele cu turn, toate oglinzile au acelaşi punct focal situat în turn. În diverse studii realizate spre exemplu la Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt|Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) şi Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) se previzionează un potenţial însemnat în aceste modalităţi de obţinere economică a energiei în zonele deşertice din Africa de Nord şi Orientul Mijlociu precum şi în transportul cu pierderi reduse spre Europa. Sistemele de generare de abur se pot compatibiliza cu cele solare pentru compensare reciprocă şi economisirea în acest mod a combustibililor convenţionali din termocentrale. În centrale solare independente, oscilaţiile datorate condiţiilor

Page 4: Energia solara

atmosferice pot fi compensate cu ajutorul unor rezervore de înmagazinare a căldurii, sau utilizând purtători de energie alternativă.

Centrale solare cu câmpuri de colectoare

Câmpul de colectoare ale centralei este compus din mai multe jgheburi parabolice sau colectoare Fresnel legate în paralel şi numite concentratoare liniare. Construirea de câmpuri de colectoare paraboloide este deasemenea posibilă, dar vizavi de concentratoarele liniare sunt foarte costisitoare. În ceea ce priveşte instalaţiile cu jgheburi parabolice acestea sunt deja în exploatare comercială.

În câmpul de colectoare se produce încălzirea unui agent termic care poate fi ulei mineral sau abur supraîncălzit. La instalaţiile cu ulei se poate atinge o temperatură de până la 390°C care într-un schimbător de căldură va genera aburi. Dacă agentul termic este abur(instalaţii de tip DISS = Direct Solar Steam), atunci nu este nevoie de schimbător de căldură, aburul fiind generat direct în conductele de absorbţie. În acest caz este posibilă atingerea de temperatri de peste 500°C. Aburul astfel generat este colectat şi alimentează o turbină cu aburi la care este cuplat un generator de energie electrică.

Avantajul acestui tip de centrale constă în faptul că utilizează în parte tehnologie convenţională disponibilă.

Centrale solare cu jgheaburi parabolice

Colectoarele cu jgheaburi parabolice la Kramer Junction in California

Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabolă concentrând fluxul radiaţiei solare pe un tub absorbant situat în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare este cuprinsă în funcţie de tip între 20 şi 150m. Tubul absorbant

Page 5: Energia solara

este constituit dintr-o ţeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant şi prin care curge agentul termic şi care este în interiorul unui alt tub, de astă dată de sticlă de borosilicat rezistent la acţiuni mecanice şi chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convecţie. Energia radiaţiei solare este transformată în energie calorică şi cedată agentului termic. Oglinzile parabolice sunt aşezate de regulă în rânduri una după alta pe direcţia N-S. Având un singur grad de libertate, rotaţia în jurul axei focale.

Deja în anul 1912 s-a utilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de către firma Shumann und Boys pentru generarea de aburi necesari acţionării unei pompe de 45kW în Meadi/Egipt. Colectoarele aveau o lungime de 62m şi acopereau o suprafaţă de 1200m²

Între 1977 şi 1982 au fost puse în funcţiune în SUA instalaţii pilot utilizând colectoare cu jgheaburi parabolice.

În 1981 a fost pusă în funcţiune o instalaţie pilot de producere energie electrică de 500kW la European Test Centre for Solar Energy Applications din Plataforma Solar de Almería situat la marginea deşertului desierto de Tabernas

Exploatarea comercială a acestui tip de centrale a început în anul 1984 în SUA în deşertul Mojave din California. Cele 9 centrale SEGS' = Solar Electricity Generation System au o putere instalată totală de 354 MW. În colectoarele cu jgheaburi parabolice cu o lăţime de 6m şi o lungime de până la 180m se poate atinge o temperatură de 400°C. Randamentul centralei este de 14% şi asigură energia necesară pentru cca 200000 locuinţe. În luna iunie 2007 s-a dat în funcţiune centrala Nevada Solar One [ de lângă Boulder City/Nevada cu o putere instalată de 64MW cu posibilitatea de extensie până la 200MW. Energia temică este produsă de 19.300 oglinzi de 4m lungime înzestrate cu conducte absorbante (PTR70 Receiver) livrate de către firma SCHOTT AG . Se prevede construirea de centrale similare în Maroc, Algeria, Mexic şi Egipt.

Din anul 2006 se află în stadiu de construcţie centrala Andasol 1 de 50MW, în prezent cea mai mare din Europa, proiectată de firma Solar Millennium

Instalaţii solare de tip Fresnel

Page 6: Energia solara

O dezvoltare a tehnologiei cu jgheaburi parabolice o reprezintă aşa numitele colectoare cu oglinzi Fresnel. În acest caz în locul unei oglinzi parabolice se utilizează mai multe fâşii de oglinzi plane situate toate la nivelul solului şi care se pot roti în jurul azei longitudinale pentru a putea fi orientate câte una astfel ca să relecte radiaţia solară în direcţia tubului absorbant, în spatele căruia se află o altă oglidă liniară cu rol de concentrare a fascicolelor primite de la oglinzi într-o linie cât mai subţire. Acest concept este în faza de testare.

Acest mod de construcţie îmbină principiul de funcţionare al colectoarelor cu jgheaburi parabolice cu cu cel al centralelor cu turn, dar renunţând atât la oglinzile curbate cât şi la dispozitivele de orientare cu mai multe grade de libertate rămânând doar construcţia modulară. Utilizând oglinzi plate uşor de construit se scontează pe un preţ scăzut. Utilizarea conductei absorbante este necesară în continuare. Rezultă posibilitatea utilizării de conducte mai lungi , fără coturi, ceea ce reduce pierderile datorită rezistenţei hidraulice, în schimb apar pierderi de radiaţie solară datorită umbririi reciproce a oglinzilor.

Din anul 2004 o astfel de instalaţie este testată pe lângă o centrele termică pe bază de cărbune din Australia de către Universitatea din New South Wales şi Sydney . După terminare instalaţia va produce cca 15 MWth energie pentru încălzirea apei de alimentare a centralei din Lidell/Hunter Valley şi va contribui la economisirea de combustibil. Un modul format din 12 oglinzi acoperă o suprafaţă de cca 1350m² şi concentrează radiaţia solară pe o conductă absorbantă aflată la o distanţă de 10m deasupra lor. Se produce abur în mod direct la o temperatură de 285°C.

Centrale cu turn solar

Cuptorul solar de la Odeillo

Page 7: Energia solara

Turnul de la Solar Two

Centrala pilot Solar Two

Oglinzi(heliostat) de la Solar Two

În cazul centralelor cu turn solar este vorba de obicei de centrale pe bază de aburi generaţi cu ajutorul energiei solare. Focarul (camera de combustie) încălzit până acum cu păcură, gaz natural sau cărbune, este înlocuit de un focar solar aşezat în vârful unui turn. Radiaţia solară, a sute, chiar mii de oglinzi cu orientare automată după poziţia soarelui este reflectată către o suprafaţă absorbantă centrală numită receiver. Datorită puternicei concentrări de radiaţie, în turn apar temperaturi de ordinul a mii de grade. Temperatura exploatabilă raţional este în jur de 1300°C. Nivelele de emperaturi şi prin acestea, randamentul termic posibil de atins, sunt mult mai mari decât la centralele solare cu câmpuri de colectoare. Agentul termic utilizat este nitraţi fluizi, aburi sau aer cald. Acest principiu este utilizat de

Page 8: Energia solara

fapt şi la cuptorul de topire solar din Odeillo. În acest mod se pot genera temperaturi cu valori adapate necesităţilor proceselor tehnologice, sau ceerinţelor accelerării proceselor chimice. De regulă însă, căldura generată este utilizată totuşi prim intermediul unei turbine de gaz sau de aburi la generarea de curent electric. În receiver agentul termic este încălzit pînă la 1000°C, şi în final utilizat la generarea de aburi. Curentul electric generat este livrat în reţea. Centralele cu turn solar este deci o altă modalitate îndeajuns de pusă la punct pentru a putea genera – cu sprijinul programelor de încurajare – energie electrică la preţ competitiv. Cea mai mare instalaţie de acest tip existentă la ora actuală sunt „Solar Two“ de 10MW, având o temperatură de lucru de 290-570°C în California şi Instalaţiile de cercetare din Almeria/Spania. În iulie 2006 s-a început construcţia unei centrale termice experimentale de 1,5MW în Jülich/NRW cu termen de predare anul 2008. Variaţiile intensităţii radiaţiei solare vor fi compensate cu ajutorul unui tip nou de instalaţie de înmagazinare. Prin aceasta generarea de energie electrică se poate regal independent de intensitatea de radiaţie solară, în funcţie de cererea de consum. În viitor acest tip de centrală, în lipsa radiaţiei solare va putea fi acţionată utilizînd biomasă. Pe termen lung se prevede posibilitatea generării de hidrogen cu acest tip de tehnologie. La Sanlucar la Mayor, 25 km de Sevilia se construieşte un parc solar care la terminare în 2013 va produce 300MW energie electrică prin utilizarea a diferite tehnologii. La sfârşitul lunii martie 2007 s-a conectat la reţea prima centrală - PS10 – construită între 1 iulie 2001 şi 31 decembrie 2005 având o putere instalată de 11MW şi o producţie anuală de 23GWh. Cheltuielile cu investiţii s-au cifrat la 35 milioane € cu o contribuţie de 5 milioane € din fonduri din programele de cercetare ale EU. În faza următoare se va construi o centrală cu turn solar de 20MW (PS20) apoi o instalaţie de 20MW (AZ20) urmată de alte 5 centrale a câte 50MW.

Centrale cu oglinzi parabolice

Page 9: Energia solara

10 kW Dish-Stirling-Anlage in Spanien.

Oglinzile parabolice sunt construite cu două grade de libertate putând urmări poziţia soarelui pe cer. Ele sunt montate pe un stativ şi concentrează razele solare într-un punct focal propriu fiecărei oglinzi unde este montat un receptor de energie termică. Acest mod de construcţie este foarte compact. Oglinzile sunt fabricate cu un diametru cuprins între 3 şi 25m rezulând o putere instalată de până la 50kW pe modul. La instalaţiile de acest tip receptorul este conectat la un motor Stirling care transformă energia termică direct în emergie mecanică putând acţiona un generator electric. Aceste instalaţii ating un randament înalt în transformarea energiei solare în energie electrică (peste 30%). Modularitatea acestor instalaţii permite atât utilizarea lor în locuri izolate sau independente cât şi conectarea mai multora în formţnd o centrală virtuală în cadrul generării distribuite a energiei electrice. O soluţie mai rară o constituie parcurile(fermele) de oglinzi parabolice. În punctual focal comun tuturor oglinzilor se află o suprafaţă absorbantă cu ajutorul căreia este încălzit un agent termic utilizat în continuare pentru generare de aburi. Conectarea în grup a mai multor oglinzi parabolice constituie o abordare mai puţin economică decât centralele cu jgheaburi parabolice sau cele cu turn solar.

Centrale solare termice fără concentrarea radiaţiei solare

Aceste centrale solare nu dispun de refletoare orientate, utilizând totuşi întreaga energie conţinută în radiaţia solară atât cea directă cât şi cea difuză.

Page 10: Energia solara

La centralele cu iaz solar rolul colectorului şi stratului absorbant este preluat de straturile de apă sărată cu diferite concentraţii pe când la centralele termice solare acest rol revine unui acoperiş de mari dimensiuni ce produce un efect de seră.

Centrale cu iaz solar

(Engleză: Salinity Gradient Solar Ponds/Lakes)

La acest tip de centrale în iazuri cu apă sărată puţin adânci se creează în mod natural o combinaţie de colector solar şi acumulator de energie. Fenomenul a fost observat pentru prima dată la începutul secolului XX la lacurile sărate din Transilvania. Apa de la bază este mult mai sărată şi astfel mai densă decât cea de la suprafaţă. Prin absorbţia energiei conţinute în razele solare de către stratul mai sărat de la bază, acesta se încălzeşte până la o temperatură de 85-90°C. Între stratul de la suprafaţă şi cel din adânc există un strat de gradient cu concentraţie variabilă ce nu permite ridicarea apei încălzite cu concentraţie salină mai mare, rezultă că nu există convecţie, ca urmare căldura rămâne înmagazinată în stratul de jos. Căldura înmagazinată poate fi utilizată printre altele pentru acţionarea unei turbine cuplate cu un generator de energie electrică. Deoarece temperaturile atinse sunt totuşi destul de mici, este nevoie de utilizarea unui agent termic cu temperatură de fierbere mai mică decît cea a apei. Transformarea energiei calorice în energie electrică se va putea realiza astfel cu ajutorul aşa numitelor centrale Organic Rankine Cycle (ORC) funcţionând pe bază de amoniac, sau un compus asemănător freonului. Deoarece diferenţa de temperatură atinge doar o valoare de cca. 60 K randamentul acestui tip de centrală este mic – din considerente termodinamice, teoretic maxim 15 %, practic 1 %. Totuşi acest tip de centrală prezintă interes mai ales pentru ţările în curs de dezvoltare, unde cu investiţii mici se pot utiliza resursele naturale, radiaţia solară din belşug şi suprafeţe aride neconstruite.

Centrale termice solare cu vânt ascensional

Centralele termice solare utilizează aşa numitul efect de coş, la care aerul cald datorită densităţii mici se ridică. Din punct de vedere constructiv, rolul colectorului solar îl are o suprafaţă de ordinul hectarelor prevăzută cu acoperiş transparent, sub care aerul şi solul se încălzesc sub efectul de seră. Aerul cald se mişcă spre centrul construcţiei unde se află un coş prin care se ridică în sus. Vântul ascensional astfel creat acţionează mai multe turbine

Page 11: Energia solara

cuplate cu generatoare de energie electrică. Cu toate că din punct de vedere tehnic realizarea este destul de simplă, dezavantajul constă în randamentul scăzut de cca. 1 % în cel mai bun caz. Pentru a obţine o putere comparabilă cu cea a unei centrale pe bază de cărbune este nevoie ca întreaga construcţie să acopere o suprafaţă de mai mult de 100 km2 şi să se construiască un coş cu înălţimea de 1000 m sau mai mult.

O instalaţie pilot a fost construită în anii 1980 în Manzanares/Spania având un un diametru de 244 m şi un turn înalt de 194 m şi lat de 10 m rezultând o putere de 50 kW

Actualmente se află în studiu un proiect de astfel de instalaţie în Windhoek/Namibia. Suprafaţa acoperită ar fi de 38 km2 şi turnul înalt de 1500m. Puterea instalată ar atinge 400 MW. Pentru a mări eficienţa economică, suprafaţa acoperită ar fi utilizată în parte pentru desalinizarea apei şi în rest pentru producţie agricolă cu suprafaţă irigată.

O dezvoltare a acestei idei este crearea de vârtejuri de aer artificiale alimentate de energia reziduală a unor centrale convenţionale, mărind eficienţa acestora. .

Centrale termice solare cu vânt descendent

Acest tip de centrale există doar în stare de concept . Consta dintr-un turn înalt (1000 m) în vârful căruia se extrage energie termică din aerul înconjurător prin pulverizare de apă. Datorită răcirii în urma evaporării, şi a greutăţii apei aerul se va mişca de sus în jos, acţionând turbinele situate la baza turnului. Acest tip de centrală este concepută pentru zonele cu climă caldă şi uscată şi cu mari rezerve de apă.

Centrale solare pe bază de panouri solare fotovoltaice

Page 12: Energia solara

Centrală solară în Atzenhof

Centrală solară în Göttelborn

Centralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri solare fotovoltaice 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

Page 13: Energia solara

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.