1

CUPRINSI. ENERGIE SOLARĂ1. Celule fotovoltaice1.1. Istoric1.2. Clasificare1.2.1. După materiale1.2.2. După rezervele de materie primă1.2.3. După modul de construcţie1.2.4. După principiul de funcţionare1.3. Tipuri de celule fotovoltaice1.3.1. Celule solare pe bază de siliciu1.3.1.1.Fabricaţia având la bază blocuri sau bare de siliciu1.3.1.1.1. Procedeul Bridgman1.3.1.1.2. Procedeul Czochralski1.3.1.1.3. Procedeul de topire zonală1.3.1.1.4. Fabricare de waferi1.3.1.2.Fabricarea plăcilor semiconductoare în mod direct1.3.1.2.1. Procedeul EFG1.3.1.2.2. Procedeul String – Ribbon1.3.1.2.3. Procedeul cu transfer de strat1.3.1.3.Celule din siciliu „murdar”1.3.2. Alte tipuri de celule solare1.3.2.1.Celule solare cu strat subţire1.3.2.2.Celule cu concentrator1.3.2.3.Celule solare electrochimice pe bază de pigmenţi1.3.2.4.Celule solare din compuşi organici1.3.2.5.Celule bazate pe fluorescenţă1.4. Caracteristici tehnice ale celulelor fotovoltaice1.4.1. Cum funcţionează celulele fotovoltaice1.4.2. Cum sunt făcute celulele fotovoltaice1.4.3. Celule fotovoltaice, modulele şi matricele

2

1.4.4. Celulele fotovoltaice, modulele, panourile şi matricele2. Panouri solare2.1. Construcţia unui panou solar obişnuit2.2. Fabricarea panoului solar2.3. Caracteristici tehnice2.4. Dioda pentru mers în gol (Bypass)2.5. Alte tipuri de panouri2.6. Exportatori, importatori2.7. Reciclarea2.8. Aplicaţii cu panou fotovoltaic2.8.1. Ceas de mână2.8.2. Ceas de buzunar2.8.3. Aparat de taxat în parcări2.8.4. Lampion2.8.5. Lampadar2.8.6. Balize luminoase2.8.7. Pompe de apă2.8.8. Mijloace de transport2.8.8.1.Automobile solare2.8.8.2.Mijloace de transport pe apă2.8.8.3.Vehicule pe şine2.8.8.4.Avioane2.8.8.5.Sateliţi2.8.9. Utilizare casnică2.8.10. Utilizare industrială3. Centrale solare3.1. Centrale solare termice cu concentrarea radiaţiei solare directe (CSP)3.1.1. Centrale solare cu câmpuri de colectare3.1.1.1.Centrale solare cu jgheaburi parabolice3.1.1.2.Instalaţii solare de tip Fresnel3.1.2. Centrale cu turn solar3.1.3. Centrale cu oglinzi parabolice

3

3.2. Centrale solare termice fără concentrarea radiaţiei solare3.2.1. Centrale cu iaz solar3.2.2. Centrale termice solare cu vânt ascensional3.2.3. Centrale termice solare cu vânt descendent3.3. Centrale solare pe bază de panouri solare fotovoltaice3.4. Studiu de fezabilitate com. Cărpinet, jud. BihorII. ENERGIE EOLIANĂ1. Istoricul eolienelor2. Provocarea tehnologică. Aspecte esenţiale3. Principii de funcţionare şi clasificare4. Părţile componente ale turbinei eoliene5. Avantajele şi dezavantajele utilizării energiei eoliene6. Evaluarea impactului asupra mediului7. Reducerea emisiilor de gaze de seră datorată utilizării energiei eoliene8. Sisteme eoliene la scară mică9. Perspectivele tehnologice10. Puterea eoliană instalată şi predicţii până în 202011. Energia eoliană în România12. Noua lege a energiei regenerabile în 2010

4

I. ENERGIE SOLARĂ

5

1. CELULE FOTOVOLTAICE

1.1. IstoricDeja și în Grecia antică se știa că energia luminii se poate utiliza, astfel se

pare că la asediul Siracuzei în anul 212 înaintea erei noastre grecii au concentrat lumina solară cu oglinzi și au îndreptat-o către flota asediatoare a romanilor, incendiind-o.

Tot grecii au fost și cei care au utilizat energia luminoasă în scop pașnic aprinzând cu ea flacăra olimpică. În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit că o baterie expusă la soare produce mai mult curent electric decât una neexpusă. Pentru acest experiment a măsurat diferența de potențial dintre doi electrozi de platină situați unul pe fața luminată și celălalt pe fața umbrită a recipientului și scufundați într-o baie de soluție chimică acidă . Când a expus această construcție la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Așa a descoperit efectul fotoelectric pe care însă nu îl putea explica încă.

Mărirea conductivității seleniului a fost demonstrată în 1873. Zece ani mai târziu a fost confecționat prima celulă fotoelectrică “clasică”. După încă zece ani în 1893 a fost confecționată prima celulă solară care producea electricitate. În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit că lumina incidentă pe anumite suprafețe metalice eliberează electroni din suprafața acestuia și astfel a oferit prima explicație referitoare la efectul fotoelectric. Totuși el nu știa încă de ce și la care metale se produce acest efect. Cu toate acestea pentru această descoperire el a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1905.

Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein în 1905 când cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitate luminii ea fiind prezentă în același timp și ca particulă și ca undă. Până atunci se credea că lumina este doar energie cu diferite lungimi de undă. Einstein în experimentele sale a constatat că lumina în unele situații se comportă ca o particulă, și că energia fiecărei particule sau foton depinde doar de lungimea de undă. El a descris lumina ca o serie de gloanțe ce ating suprafața materialului. Dacă aceste gloanțe au suficientă energie, un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodată a constatat că energia cinetică maximă a electronului este independentă de intensitatea luminii și depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Această energie depinde totodată numai de lungimea de undă respectiv frecvența

6

luminii. Pentru lucrările sale privind fenomenul fotovoltaic, a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1921.

Descoperirea în anul 1949 a joncțiunii p-n de către William B. Shockley, Walther H. Brattain și John Bardeen a fost încă un pas mare în direcția celulelor. După această descoperire fabricării celulei solare în forma cunoscută astăzi nu îi mai sta nimic în cale. Fabricarea primei celule solare în 1954 în laboratoarele firmei americane Bell se datorează totuși unei întâmplări fericite.

Angajații firmei sub conducerea lui Morton Price au observat când cercetau un redresor cu siliciu, că acesta producea mai mult curent cînd era expus la soare. Ca urmare firma Bell prin contribuția domnilor Chapin, Fuller și Pearson a dezvoltat în 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de doar 4 % care a fost mărit la 6 % prin schimbarea impurificării. În 1958 au fost testate celule solare pentru prima dată pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule solare pe bază de siliciu.

Rezultetele obținute au fost peste așteptări – până în ziua de azi sondele spațiale până dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar în anul 2011 se va lansa sonda spațială Juno care va fi prima sondă spațială spre Jupiter alimentată cu curent produs de celule solare. S-au atins în spațiu randamente de până la 10,5  %. Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pămînt și datorită condițiilor diferite din spațiu unde nu se regăsește ritmul zi-noapte și lumina naturală nu este absorbită parțial de atmosferă și nori, totodată radiațiile cosmice conduc la o îmbătrânire mai rapidă a celulelor solare decât pe pământ.

De aceea industria și cercetarea încearcă obținerea unor randamente tot mai mari în paralel cu prelungirea duratei de viață. Randamentul teoretic pentru celule solare pe bază de siliciu se consideră a fi de 29 % pentru condițiile de iradiație pe spectrul din zona de mijloc. Mandelkorn și Lamneck au mărit durata de viață a celulelor solare în 1972 printr-o reflectare a purtătorilor de sarcină minoritari după ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) în stratul impurificat “p”.

În 1973 Lindmayer și Ellison au confecționat așa numita celulă mov ce avea un randament de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mărit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) și au fost concepute pentru sateliți. Criza de la începutul anilor 70 a condus la creșterea prețurilor produselor petroliere având ca rezultat creștere prețului energiei.

Acest lucru a impulsionat cercetările în domeniul celulelor solare. În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acționate cu energie electrică obținută de la module solare. În 1981 un avion acționat de energie solară a

7

traversat Canalul Mânecii. Între timp Green precum și specialiștii de la Universitatea Stanford și cei de la Telefunken au dezvoltat celule solare cu un randament în jur de 20 %.

1.2. ClasificareCelulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit

criteriu este după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros și celule cu strat subțire.

Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuințează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinațiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.

După structură de bază deosebim materiale cristaline( mono- / poli cristaline) respectiv amorfe.

În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există posibiltatea utilizării și a materialelor organice sau a pigmenților organici.

1.2.1. Materiale1. Celule pe bază de siliciu

Strat gros Celule monocristaline (c-Si)

randament mare - în producția în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnică de fabricație pusă la punct; totuși procesul de fabricație este energofag, ceea ce are o influență negativă asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată).

Celule policristaline (mc-Si)la producția în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricație, și până acum cu cel mai bun raport preț – performanță.

Strat subțire Celule cu siliciu amorf (a-Si) cel mai mare segment de piață la

celule cu strat subțire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar și la o producție de ordinul TeraWatt

Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)în combinație cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeași ca la siliciul amorf

2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V

8

Celule cu GaAs randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust vizavi de radiația ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spațială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VICelule cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH, temperatură și concentrație de reagent controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate până acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaște fiabilitatea. Din motive de protecția mediului este improbabilă utilizarea pe scară largă.

4. Celule CIS, CIGSCIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în stație pilot la firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în stație pilot în Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producția în masă în anul 2007.

5. Celule solare pe bază de compuși organiciTehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuși care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuși, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie 2007) nu există celule solare pe bază de compuși organici pe piață.

6. Celule pe bază de pigmențiNumite și celule Grätzel utilizează pigmenți naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de culoare mov.

7. Celule cu electrolit semiconductorDe exemplu soluția: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte ușor de fabrict dar puterea și siguranța în utilizare sunt limitate.

8. Celule pe bază de polimeriDeocamdată se află doar în fază de cercetare.

1.2.2. Rezervele de materia primă

9

Ca materie primă de bază siliciul este disponibil în cantități aproape nelimitate. Pot apărea însă strangulări în aprovizionare datorate capacităților de producție insuficiente și din cauza tehnologiei energofage.

La celulele solare ce necesită materiale mai speciale cum sunt cele pe bază de indiu, galiu, telur și seleniu situația se prezintă altfel. La metalele rare indiu și galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depășește deja de mai multe ori producția anulă (USGS Minerals Information). Deosebit de critică este situația datorită creșterii accentuate a consumului de indiu în formă de indiu – oxid de zinc în ecranele cu cristale lichide și cele cu LED organic, precum și utilizării de galiu și indiu în producția diodelor luminiscente (LED) care se comercializează în surse delumină cu consum mic de energie respectiv ca sursă de lumină de fundal în televizoare cu ecran plat.

Rezervele de indiu, estimate la 6000 tone(economic exploatabile 2800 tone), se presupune că se vor epuiza deja în acest deceniu (Neue Zürcher Zeitung 7. Dezember 2005) (reserve de indiu conform USGS Mineral Commodity Summaries (2006)).

La seleniu și telur, care e și mai greu de găsit, situația pare mai puțin critică, deoarece ambii metaloizi se regăsesec în cantități mici în nămolul anodic rezultat în urma procesului de electroliză acuprului iar producătorii de cupru utilizează doar o parte din nămolul rezultat pentru extragerea de telur și seleniu. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimează totuși la doar 82000 tone, iar la telur la doar 43000 tone, vizavi de cupru unde se estimează la 550 milioane tone!

Multe procese de producție utilizează galiu, indiu, seleniu și telur în mod neeconomic.

Spre deosebire de cupru, unde procesul de reciclare este pus la punct, la galiu, indiu, seleniu și telur procesul de reciclare nu este posibil deoarece aceste elemente se găsesc incluse în structuri multistrat foarte fin distribuite de unde recuperarea, se pare, nici în viitor nu va fi posibilă.

1.2.3. Moduri de construcție

10

Pe lângă materia primă o importanță mare prezintă tehnologia utilizată. Se deosebesc diferite structuri și aranjamente în care se depun electrozii de acoperire transparenți a căror rezistență nu este deloc neglijabilă.

Alte tehnici vizează mărirea eficienței asigurând absorbția unui spectru de frecvență cât mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite caracteristici de absorbție. Se încearcă selectarea materialelor în așa fel încât spectrul luminii naturale să fie absorbit la maximum.

Actualmente celulele solare pe bază de materiale semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe bază de siliciu.

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electrică sunt legate în module. Pe un modul se află mai multe rânduri de celule solare conectate în serie între ele pe fața și pe reversul modulului permițând, datorită tensiunii însumate, utilizarea unor conductori cu secțiune mai mică decât la legarea în paralel. Pentru protejarea unei celule solare împotriva efectului de avalanșă în joncțiune, datorată potențialului mai mare (apărută de exemplu la umbrirea parțială a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protecție(bypass).

Sistemele de panouri solare sunt înzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind în permanență direcționat pentru a exploata la maximum energia solară incidentă.

Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solară este de 85 %. Acesta se calculează din temperatura suprafeței soarelui(5800 °K), temperatura maximă de absorbție(<2500 °K, tempertura de topire a materialelor greu fuzibile) și temperatura mediului înconjurător(300 °K).

Dacă se utilizează doar o porțiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretică se reduce în funcție de lungimea de undă, până la 5-35 %. Neutilizarea spectrului complet este una din dezavantajele celulelor solare față de centralele solare termice.

1.2.4. Principiul de funcţionare

11

Semiconductoarele în principiu sunt construite ca niște fotodiode cu suprafață mare care însă nu se utilizează ca detectoare de radiații ci ca sursă de curent.

Absorbţia radiaţiei solare de către Siliciu Absorbţia radiaţiei solare de către Gallium - Antimonat

Interesant la acest tip de semiconductoare este că prin absorbție de energie (căldură sau lumină) eliberează purtători de sarcină (electroni și goluri). Este nevoie de un câmp electrostatic intern pentru ca din acești purtători să se creeze un curent electric dirijându-i în direcții diferite.

Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncțiuni p-n. Pentru că intensitatea fluxului luminos scade exponențial cu adâncimea, această joncțiune este necesar să fie cât mai aproape de suprafața materialului și să se pătrundă cât mai adânc. Această joncțiune se creează prin impurificarea controlată. Pentru a realiza profilul dorit, în mod normal se impurifică „n” un strat subțire de suprafață și „p” stratul gros de dedesubt în urma căruia apare joncțiunea. Sub acțiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncțiune, din care electronii vor fi accelerați spre interior, iar golurile spre suprafață. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncțiune rezultând o disipare de căldură, restul curentului putând fi utilizat de un consumator, încărcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în rețeaua publică. Tensiunea electromotare maximă la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.

12

Principiul de funcţionare a celulei cu semiconductori : Fotonii incidentali eliberează electroni şi goluri, care se vor separa în câmpul electric al zonei de sarcină a joncţiunii p-n.

Structura celulelor solare se realizează în așa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină și să apară cât mai multe sarcini in joncțiune. Pentru aceasta electrodul de suprafață trebuie să fie transparentă, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subțiri, pe suprafață se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micșora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor solare care fără aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

La celulele solare moderne se obține din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafață încălzită se depun în urma unei reacții chimice componente extrase dintr-o fază gazoasă) un stratul antireflectorizant de cca 70 nm grosime (sfert de lungime de undă la un coeficient de refracție de 2,0). Se mai utilizează straturi reflectorizante din SiO2 și TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD.

Grosimea stratului influențează culoarea celulei (culoarea de interferență). Grosimea stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câțiva nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele își datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roșii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În principiu însă în acest mod se pot realiza celule roșii, galbene, sau verzi la cerințe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu și a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are și un rol de a reduce viteza de recombinare superficială.

13

Structura unei celule solare simple cu impurificare pin – positive intrinsic negative

1.3. Tipuri de celule fotovoltaice

1.3.1. Celule solare pe bază de siliciu

Materialul cel mai utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este Siliciul. Dacă la început pentru producerea celulelor solare se utilizau deșeuri rezultate din alte procese tehnologice pe bază de semiconductori, astăzi se apelează la materiale special în acest scop fabricate.

Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, și se poate impurifica(dota) în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri. Totuși lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puțin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puțin 100 µm sau mai mult pentru a pute absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat subțire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalină puternic perturbată , sunt suficiente 10 µm.

În funcție de starea cristalină se deosebesc următoarele tipuri de siliciu:

Monocristaline Celulele rezultă din așa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori și sunt destul de scumpe.

Policristaline Celulele sunt din plăci care conțin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline.

Amorfe Celulele solare constau dintr-un strat subțire de siliciu amorf (fără cristalizare) și din această cauză se numesc celule cu strat subțire. Se pot

14

produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu și sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar și ceasuri.

Microcristaline Acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.

Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, de obicei o combinație de straturi policristaline și amorfe. Straturile sunt din materiale diferite și astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare decât celulele solare simple. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obține prin utilizarea în combinație cu sisteme de lentile, așa numitele sisteme de concentrare.

Celulă solară policristalină Celulă solară monocristalină

1.3.1.1. Fabricația având la bază blocuri sau bare de siliciuCelulele solare obisnuite pot fi confecționate după mai multe metode de

fabricație.

Materia primă siliciu este al doilea element chimic din compoziția scoarței terestre în privința cantitatății. Se regăsește în compuși chimici cu alte elemente formând silicate sau cuarț. Siliciul brut numit și siliciu metalurgic se obține din quarț prin topire în furnal.Reducera siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700 °C, rezultând la fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 T de CO2. Prin acest procedeu în 2002 s-au produs 4,1 T siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la fabricare a

15

oțelului și în industria chimică și numai o mică parte în microelectronică și la fabricarea de celule fotovoltaice.

Din siliciul brut printr-un proces de fabricație în trepte bazat pe triclorsilan se obține siliciul policristalin de cea mai mare puritate.

Până în prezent (2006) în producție se recurge la o tehnologie Siemens bazat pe un procedeu de tip CVD condensare de vapori de siliciu, procedeu elaborat și optimizat pentru ramura de microelectronică. În microelectronică cerințele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importantă puritatea plăcii de siliciu în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată de viață pentru purtătorii de sarcină, pe când în microelectronică cerința de foarte înaltă puritate se rezumă în principiu la stratul superior până la o adâncime de 20-30 µm. Deoarece între timp consumul de siliciu de înaltă puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică, actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare.

Cu toate că procesul de producție a siliciului pur este foarte energofag, energia consumată la fabricareaa celulelor solare, în funcție de tehnologia utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viață a panourilor solare este de peste 20 ani bilanțul energetic rezultat este pozitiv.

Siliciul pur în continuare poate fi prelucrat în mai multe feluri. Pentru celule policristaline amintim procedeele de turnare Bridgman și EVG, pe când pentru cele monocristaline procedeul Czochralski. În fiecare din acestea în procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face simultan și impurificare cu Bor.

Procedeul de turnareAcesta se utilizează la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se

topește într-un cuptor cu inducție după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil. Recipientul are dimensiunile 50*50 cm, masa solidificată având înălțimea de 30 cm. Blocul astfel solidificat se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod reprezintă turnare continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.

Un alt mod reprezintă turnarea continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.

16

1.3.1.1.1. Procedeul BridgmanProcedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat tot în procesul

de fabricare a siliciului policristalin. Siliciul pur se topește tot într-un cuptor cu inducție dar procesul de răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului. Dimensiunile blocurilor obținute sunt mai mari (60*60 cm –70*70 cm) cu înălțimea de 20-25 cm, și se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm.

1.3.1.1.2. Procedeul CzochralskiEste utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. Înainte de tăierea

plăcilor necesare celulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaează astfel încât să prezinte o secțiune pătrată.

Monocristal de siliciu utilizat la fabricarea plăcilor de siliciu după procedeul Czochralski

1.3.1.1.3. Procedeul de topire zonalăSe mai numește și procedeu Float-Zone și se aplică tot la producerea

monocristalelor de siliciu sub formă de bară. Puritatea materialului obținut fiind superioară celei necesitate în confecționarea celulelor solare, și costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura firmă ce utilizează acest procedeul este SunPower din Statele Unite.

1.3.1.1.4. Fabricare de waferi (discuri/plăci subțiri de siliciu) Din barele de cristal vor fi secționate plăcuțe(wafer) cu un fierăstrău special

constând dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant și care este înfășurată pe cilindri ce se rotesc. Un bloc este complet secționat în plăcuțe

17

de cca 0,18…0,28 mm la o singură trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil și reprezintă până la 50 % din material.

Pentru obținerea de plăcuțe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producției de panouri solare, această sursă are o importanță nesemnificativă.

Celulele monocristaline prezintă o suprafață omogenă, pe când la celulele policristaline se pot deosebi zone distincte cu cristale având orientări diferite, ceea ce creează o imagine asemănătoare florilor de gheață.

În stadiul de plăcuță(wafer) fața și reversul plăcuței nu se deosebesc.

O placă (wafer) multicristalină

Prelucrarea plăcilor de siliciuPlăcile debitate vor fi trecute prim mai multe băi de spălare chimică

pentru a înlătura defectele de debitare și a pregăti o suprafață potrivită captării luminii. Pentru aceasta s-au elaborat diferite procedee utilizate de fabricanți.

În mod normal în această fază plăcile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta înseamnă că se găsește deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip “p”. Pe parcursul procesului de fabricare a celulei solare pentru crearea unei joncțiuni “p-n” este necesar să impurificăm suprafața ei cu impurități de tip “n” ceea ce se poate realiza într-un cuptor într-o atmosferă de fosfor. Atomii de fosfor pătrund în suprafață și vor crea o zonă de cca 1 µm cu un surplus de electroni. Pasul următor va consta în adăugarea unui electrod transparent din SiNx sau TiO2 .

Urmează imprimarea zonelor de conact și a structurii necesare pentru colectarea curentului generat. Fața celulei este prevăzută de cele mai multe ori cu două benzi pe care ulterior se vor fixa legăturile dintre mai multe celule. În afară de aceasta se va aplica o grilă conductoare foarte subțire , care pe de o parte deranjează foarte puțin intrarea luminii, pe de altă parte micșorează

18

rezistența electrică a electrodei. Reversul plăcii de regulă este complet acoperit cu un material bun conductor de electricitate.

După procesare, celulele vor fi clasificate după proprietățile lor optice și electrice, mai apoi sortate și asamblate în panouri solare.

1.3.1.2. Fabricarea plăcilor semiconductoare în mod directÎn dorința de a se evita detașarea plăcilor din blocuri , se găsesc diferite alte

modalități ce permit fabricarea celulelor solare.

1.3.1.2.1. Procedeul EFGEFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest

procedeu dintr-o cadă de grafit încălzită electric se trag în sus tuburi octogonale de cca 6 până la 7 m cu o viteză de cca 1 mm/s. Lățimea unei fețe este de 10-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca 280 µm. Apoi tuburile vor fi tăiate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, după care fiecare fațetă pe baza unei grile de-a latul. Astfel se pot realiza celule cu diferite dimensiuni (de exemplu 12.5*15 cm sau 12.5*12.5 cm). În acest fel se obține o întrebuințare de 80 % a materialului disponibil. Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se deosebesc clar de cele debitate, printre altele suprafața lor este mai ondulată. Acest procedeu se mai numește și procedeu octagonal sau de extrudare.

Procedeul EFG este utilizat de firma Schott Solar în Germania și afost dezvoltat de firma ASE Solar din Statele Unite.

1.3.1.2.2. Procedeul String-RibbonMai există un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele Unite care constă în tragerea cu ajutorul a două fire a unei pelicule din siliciul topit. În cursul acestui proces rezultă mai puține deșeuri (șpan ce trebuie înlăturat) ca la procedeele uzuale.

1.3.1.2.3. Procedeul cu transfer de stratLa acest procedeu direct pe un substrat (corp subțire solid, deobicei cu o

orientare cristalină predefinită) se crește un monocristal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 µm grosime. Ca material purtător se pot utiliza substraturi ceramice, sau siliciu supus unui tratatament superficial. Placa(wafer) formată ca fi deprinsă de stratul purtător care în continuare va putea fi reutilizată.

19

Avantajele procedeului constau în consumul de siliciu semnificativ redus datorită grosimii mici, și lipsa deșeurilor din debitare (pas ce nu mai mai apre în acest procedeu). Randamentul atins este mare și se situează în domeniul celulelor monocristaline.

1.3.1.3. Celule din siliciu „murdar“ Procesul de topire și impurificare zonală se poate aplica și în cazul

suprafețelor plate/straturi. Principiul constă în faptul că impurificarea, prin tratamentul termic (multiplă retopire prin deplasare laterală de exemplu cu ajutorul unui fascicol laser) al siliciului, poate fi concentrată în câteve locuri.

1.3.2. Alte tipuri de celule solare

1.3.2.1. Celule solare cu strat subțireCelulele solare cu strat subțire se găsesc în diferite variante după substrat și

materialul condensat având o varietate a proprietăților fizice și a randamentului pe măsură. Celulele solare cu strat subțire se deosebesc de celulele tradiționale (celule solare cristaline bazate pe plăci de siliciu) înainte de toate în tehnologia de fabricație și grosimea stratului materialului întrebuințat. Proprietățile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului cristalin determină proprietățile celulelor solare. Anumite proprietăți nu sunt încă pe deplin clarificate din punct de vedere teoretic.

Chiar și la celulele solare cristaline lumina este absorbită deja într-un strat superficial (de o adâncime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat să se fabrice celulele solare cu un strat foarte subțire. În comparație cu celulele din plăci de siliciu cristalin celule cu strat subțire sunt de 100 de ori mai subțiri. Celulele cu strat subțire se obțin de cele mai multe ori prin condensarea din fază gazoasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material sintetic, sau alt material. Procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu descris în capitolul anterior poate fi deci eliminat.

Cel mai întrebuințat material pentru celulele cu strat foarte subțire este siliciul amorf (a-Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durată de viață lungă.

Testele confirmă un randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani.Alte materiale ce se mai pot întrebuința sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de galiu (GaAs), teluriura de cadmiu (CdTe) sau legături cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, așa numitele celule CIS, respective celule CIGS unde în funcție de tip S poate însemna sulf sau seleniu.

20

Modulele pe bază de celule cu strat subțire CIS au atins deja un randament de 11-12  % egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu.

Pentru producerea de curent electric este de dorit un randament mai mare, pe care parțial îl pot oferi și celulele cu strat subțire. Se pot atinge randamente în jur de 20 % (de exemplu 19,2 % cu celule CIS).

Totuși randamentul nu este singurul criteriu în alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de procedeul de fabricație utilizat și de prețul materiei prime.

Una din proprietățile avantajoase a celulelor cu strat subțire constă în fapul că nu necesită un substrat rigid ca de exemplu sticlă sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se acceptă un randament mai scăzut deoarece factorul greutate este mai important decât transformarea optimă a luminii în energie electrică.

O altă proprietate avantajoasă a celulelor cu strat subțire, mai ales al celor din siliciu amorf este că ele au un mod de fabricație mai simplu și pot avea o suprafață efectivă mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piață semnificativ.

Utilajele de fabricație parțial sunt identice cu cele utilizate în fabricarea de ecrane plate, și se pot obține straturi cu o suprafață de peste 5 m². Cu procedeul de fabricație bazat pe siliciu amorf se pot produce și straturi subțiri din siliciu cristalin, așa numitul siliciu microcristalin combinînd proprietățile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu avantajele metodelor utilizate în tehnica filmului subțire. Prin combinarea siliciului amorf și a celui microcristalin au fost obținute măriri substanțiale de randament în ultimul timp.

Un procedeu de producere a celulelor cu strat subțire din siliciu este CSG (Crystalline Silicon on Glass); prin acesta se depune un strat subțire de mai puțin de 2 µm direct pe o suprafață de sticlă; după un tratament termic se obține structura cristalină. Circuitele pentru curentul electric se aplică cu ajutorul tehnicii laser și celei utilizate în imprimantele cu jet de cerneală. Pe baza acestei tehnologii se construiește o fabrică în Germania, care ar trebui să producă primele module în 2006. (Sursa: CSG Solar).

21

Celule solare cu strat subţire din siliciu amorf pe sticlă, 4 celule pe rând

1.3.2.2. Celule cu concentratorLa acest tip de celulă se economisește suprafață de material semiconductor

prin faptul că lumina este concentrată pe o suprafață mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult mai ieftine decât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip de celule se utilizează semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate în tandem sau pe trei straturi.

Din cauza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate incontinuu perpendicular pe direcția razelor solare.

Celule cu concentrator

22

1.3.2.3. Celule solare electrochimice pe bază de pigmențiAcest tip ce celule se mai numesc și celule Grätzel. Spre deosebire de

celulele prezentate pînă acum la celule Grätzel curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenți se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza și pigmenți organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viață foarte redusă).

Modul de funcționare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat; este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producție nu este pusă la punct.

Celule solare pe bază de pigmenţi

1.3.2.4. Celule solare din compuși organiciCelule solare din compuși organici utilizează legături carbon-hidrogen care

au proprietăți semiconductoare. În acești semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de valență, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puțin diferite pentru a împiedica dispariția acestor purtători. Randamentul pe o suprafață de 1cm² se cifrează la maximal 5 % (situația la nivel de ianuarie 2007).

1.3.2.5. Celule bazate pe fluorescențăEste vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă

mai mare prin fenomenul de fluorescență, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.

1.4. Caracteristici tehnice ale celulelor fotovoltaice

1.4.1. Cum funcţionează celulele fotovoltaice

23

O celulă fotovoltaică de silicon e compusă dintr-o foiţă subţire de un strat foarte subţire de silicon de tip N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un câmp electric este creat deasupra suprafeţei de sus a acelei celule unde cele două materiale intră în contact, numită jucţia P-N. Cand razele solare ajung la suprafaţa unei celule fotovoltaice, câmpul electric produce momentul şi direcţia la electronii stimulaţi de lumină, rezultând fluxul de curent când celulele solare sunt conectate la un încărcător electric.

Indiferent de mărime, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce în jur de 0.5 - 0.6 volţi în conformitate cu un circuit deschis, fără condiţii de încărcare. Curentul ( şi puterea ) de iesire a unei celule fotovoltaice depinde de eficienţa şi mărimea suprafeţei, şi este proportională cu intensitatea soarelui care ajunge la suprafaţa celulei. De exemplu, în condiţiile în care lumina solară este foarte puternică, o celulă fotovoltaică comercială cu o suprafaţă de 160 cm2 va produce în jur de 2 W, la putere maximă. Daca intensitatea razelor solare au fost la 40% din putere, acea celulă va produce în jur de 0.8 W.

1.4.2. Cum sunt făcute celulele fotovoltaiceProcesul de fabricare convenţional singular şi policristalin

al celulelor de silicon fotovoltaic începe foarte simplu, cu aplicarea semiconductorului în polisilicon – un material produs din quartz şi folosit mult în industria electronică.

Polisiliconul este pe urmă încălzit până la temperatura de topire, şi sunt adăugate în polisiliconul topic bucăţi mici de bor pentru a crea un material semiconductor de tip P.

Pe urmă blocuri de silicon sunt formate, de obicei folosind una din cele două metode:

1) Formând un bloc pur de silicon cristalizat din seminţe de cristal făcute din polisiliconul topit;

24

2) Turnând polisiliconul topit într-un cazan, formănd un material de silicon policristalin.

Bucăţi individuale de wafere sunt feliate din blocurile de silicon folosind un fierăstrău de sârmă şi pe urmă sunt supuse gravurării suprafeţei. După ce waferele sunt curăţate, ele sunt asezate într-un cuptor de difuzie de fosfor, creând un strat subţire de semiconductor de tip N în jurul întregii suprafeţe exterioare a celulei. Pe urmă, un înveliş antireflexiv este aplicat deasupra suprafeţei celulei şi contactele electrice sunt imprimate deasupra suprafeţei celulei (negativ).

Un material conductor de aluminiu este aşezat dedesubtul suprafeţei fiecărei celule (pozitiv), reatribuindui proprietăţile de tip P a părţii de jos, deplasând stratul difuz de fosfor. Fiecare celulă este pe urmă verificată electric, sortată după curentul electric de ieşire, şi electric conectate la celelalte celule pentru a crea circuite de celule pentru asamblare în module fotovoltaice.

Alcătuirea unei celule fotovoltaice si modul de functionare al acesteia

1.4.3. Celulele fotovoltaice, modulele şi matriceleCelulele fotovoltaice sunt conectate electric în circuite în serie sau în paralel,

pentru a produce voltaj, curent şi nivele de putere mai mare. Modulele fotovoltaice consistă în circuite fotovoltaice sigilate într-un mediu

de protecţie laminat şi sunt blocurile fundamentale construite din sisteme fotovoltaice.

Panourile fotovoltaice includ una sau mai multe module fotovoltaice asamblate ca unităţi de domeniu instalabil. O matrice fotovoltaică este unitatea

25

generatoare de putere completă, constând în orice număr de module şi panouri fotovoltaice.

Alcătuirea unui panou fotovoltaic

1.4.4. Celulele fotovoltaice, modulele, panourile si matricele.Performanţa modulelor şi matricelor fotovoltaice sunt evaluate în general în

conformitate cu curentul continuu maxim de ieşire (wati) în Condiţii Standarde de Testare (CST). Condiţiile standarde de testare sunt definite de un modul (celula) la o temperatură de operare de 25º C şi nivelul incidentelor solare iradiere de 1000 W/m² şi sub o masă de aer 1.5 spectare de distriburire. Din cauză ca aceste condiţii nu sunt întodeauna tipice pentru cum operează modulele şi panourile fotovoltaice, performanţa actuală este de obicei cuprinsă între 85-90% din evaluarea în condiţii standarde de testare.

Astăzi modulele fotovoltaice sunt produse extrem de sigur şi de nădejde, cu şanse minime de eşec şi garanţie de funcţionare între 20-30 de ani. Cea mai mare parte dintre producători oferă garanţie de 20 sau mai mulţi ani pentru a păstra un procentaj ridicat din puterea de ieşire evaluată iniţial.

2. PANOURI SOLARE

Un panou solar fotovoltaic spre deosebire de un Panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele solare.

26

Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru alimentarea consumatorilor independenți sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în rețeaua publică.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condițiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

protecție transparentă împotriva radiațiilor și intemperiilor legături electrice robuste protecția celulelor solare rigide de acțiuni mecanice protecția celulelor solare și a legăturilor electrice de umiditate asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare proteția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de

electricitate posibilitatea manipulării și montării ușoare

Se cunosc diferite variante de construcție a modelelor existente de panouri solare. În continuare descriem construcția modelului cel mai răspândit în momentul de față.

2.1. Construcţia unui panou solar obişnuit Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protecție pe

fața expusă la soare, Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc

siliconic) în care se fixează celulele solare, Celule solare monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi

de cositor,

27

Caserarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic rezistent la intemperii fluorura de poliviniliden (Tedlar) și Polyester,

Priză de conectare prevăzută cu diodă de protecție respectiv diodă de scurtcircuitare și racord,

O ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare și montare, pentru fixare și rigidizarea legăturii

2.2. Fabricarea panoului solarFabricarea începe întotdeauna de pe partea activă expusă la soare. La

început se pregătește și se curăță un geam de mărime corespunzătoare. Pe acesta se așază un strat de folie de etilen vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe (șiruri - strings) care mai apoi se așază pe folia de EVA după care se face conectarea grupelor între ele și racordarea la priza de legătură prin lipire. În final totul se acoperă cu o folie EVA și peste aceasta o folie tedlar. Pasul următor

28

constă în laminarea panoului în vacuum la 150 °C. În urma laminării din folia EVA plastifiată, prin polimerizare, se va obține un strat de material plastic ce nu se va mai topi și în care celulele solare sunt bine incastrate și lipite strâns de geam și folia de tedlar. După procesul de laminare, marginile se vor debavura și se va fixa priza de conectare în care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ramă metalică, se măsoară caracteristicile și se sortează după parametrii electrici după care se împachetează.

2.3. Caracteristici tehniceParametrii unui panou solar se stabilesc, la fel ca și cei pentru celule

solare, pentru condiții de test standard.Prescurtări ale termenilor mai des utilizați

SC: Short Circuit - Scurtcircuit OC: Open Circuit – Mers în gol MPP: Maximum Power Point – Punctul de putere maximă

Caracteristicile unui panou solar sunt:

Tensiunea de mers în gol Curent de scurtcircuit   Tensiunea în punctul optim de funcționare   Curentul în punctual de putere maximă Putere maximă Factor de umplere Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei Randamentul celulei solare ηIncapsulare durabilă a elementelor componente are o importanță foarte mare

deoarece umiditatatea ce ar putea pătrunde ar afecta durata de viață a panoului solar prin coroziune și prin scurtcircuitarea legăturilor dintre elementele prin care trece curent electric.

2.4. Dioda pentru mers în gol (Bypass)Dacă se conectează mai multe module în serie, este necesar să montăm

câte o diodă antiparalel cu fiecare panou. Curentul maxim și tensiunea de străpungere ale diodei trebuie să fie cel puțin egale cu curentul și tensiunea panoului. De multe ori se utilizează diode de redresare de 3 Amper / 100 Volt. Dioda pentru mers în gol este conectată la bornele de legătură ale fiecărui panou astfel încât în regim normal de funcționare (panoul debitează curent) are la borne tensiune inversă (catodul diodei legat la polul pozitiv al panoului). Dacă panoul ar fi umbrit sau s-ar defecta nu ar mai debita curent, polaritatea tensiunii la borne s-ar schimba și acesta s-ar defecta, sau în cel mai bun caz randamentul

29

acelui lanț de module ar scădea. Acest lucru este împiedicat de dioda bypass care preia curentul în acest caz.

2.5. Alte tipuri de panouri Panouri laminate sticla-sticla Panouri sticla-sticla utilizând rășini aplicate prin turnare Panouri cu strat subțire (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si) pe suprafețe de

sticlă sau aplicate ca folie flexibilă Panouri concentrator

Lumina solară se concentrează cu ajutorul unui dispozitiv Optic pe celule solare de dimensiuni mai mici. Astfel utilizând lentile comparativ mai ieftine pentru a crea un fascicol de lumină mai subțire, se economisește material semiconductor care este mai scump. Sistemele cu concentrator sunt utilizate de cele mai multe ori la celule solare din semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V. Pentru că utilizarea lentilelor impune ca razele solare să cadă perpendicular pe acestea, va fi nevoie de un sistem de orientare mecanică în funcție de poziția soarelui.

Colector cu fuorescențăAcest tip deosebit de panou solar transformă lumina incidentă, prin

intermediul unui strat de material sintetic, în radiație de o lungime de undă acordată pe frecvența de absorbție maximă din celula solară. În acest scop materialul sintetic este impurificat cu un pigment fluorescent. Lumina solară este absorbită de pigment și reemisă cu o lungime de undă mai mare. Această lumină generată părăsește stratul de material sintetic doar pe o anumită direcție bine determinată pe toate celelalte direcții fiind reflectetă și astfel reținută în material. Pe direcția emisie se așază celulele solare ce sunt optimizate pe lungimea de undă emisă de pigment. Prin aplicare mai multor straturi de material sintetic și celule solare acordate pe lungimi de undă diferite, se poate mări randamentul deoarece se poate acoperi un spectru mai larg decât cu panourile solare obișnuite.

2.6. Exportatori , importatoriȚările cu cea mai mare producție de module solare sunt Japonia,

Germania și China. În timp ce Japonia și China exportă de ani de zile mai mult de jumătate din producție, Germania importă cca. 2/3 din instalațiiele sale, în cea mai mare parte din China și Japonia, după cum arată analiza de piață făcută de Photon.( revista de profil )

30

2.7. ReciclareaCu toate că durata de viață a panourilor solare este de 20-40 ani, în

prezent se acumulează deja deșeuri de ordinul a sutelor de tone anual(2004). Pe plan mondial singura instalație pilot de reciclare a celulelor solar de siliciu cristalin se află în Freiberg-Germania. Aici la o temperatură de 600°C se ard materialele sintetice incluse în panouri, rezultând sticlă, metal, material de umplere și celulele solare. Aceste celule pot fi reutilizate după prelucrare cu pierderi minime de material.

2.8. Aplicatii cu panou fotovoltaicExistă o varietate de aplicații ce utilizează energia electrică produsă de

către celulele solare pornind de la aparate de uz comun și ajungând până la tehnica spațială.

2.8.1. 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 independență de 150-240 zile și care după o funcționare de 20 ani prezintă o scădere de capacitate de maximum 20%

2.8.2. Calculator de buzunar

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

2.8.3. Aparat de taxare în parcări

31

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

2.8.4. LampionEste compus din mai multe celule solare îmbinate estetic formînd corpul

lampionului ce încarcă un accumulator în cursul zilei care mai apoi alimentează o sursă de lumină noaptea. Este portabil, putând fi utilizat pemtru iluminare unui interior noaptea.

2.8.5. LampadarPe 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 și stingerea luminii se asigură cu un programator inclus.

2.8.6.Balize luminoaseBalize 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.

2.8.7. Pompe de apăSisteme de panouri solare cu o putere instalată cuprinsă între 80Wc și

1200 Wc ce alimentează prin intermediul unui panou de comandă pompe

32

elicoidale cu o înălțime de pompare de 5-230m și un debit de 0,8m³/ zi - 95m³/zi.

2.8.8. Mijloace de transport

2.8.8.1. Automobile solareAutomobilele solare sunt construite

utilizând rezultate din tehnica spațială, tehnologia de fabricație a bicicletelor, industria de automobile și tehnologia energiei reânnoibile. Cadrul este realizat din materiale composite ușoare (fibră de carbon, fibră de sticlă, Kevlar) asamblate prin lipire cu rășini sintetice (epoxidice) și 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 piață primul automobil commercial electro-solar hibrid în ianuarie 2008.

2.8.8.2. Mijloace de transport pe apă

La mijloacele de transport pe apă panourile solare se utilizează :

Pentru generarea de current electric stocat ulterior în acumulatoare pentru alimentarea utilităților de bord de exemplu în cazul ambarcațiunilor. 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 suprafață de obicei orizontală de tip acoperiș, sau chiar o parte din puntea vasului.

33

În 1989 trimaranul Basilisk efectuează o croazieră pe circuitul Basel - Koblenz - Trier - Saarbrücken - Straßburg – Basel

Primele vase commerciale au fost construite în 1995, printre acestea fiind Solifleur construit la MW-Line in Yverdon, Elveția, cu o capacitate de transport de 12 persoane și care a efectuat curse pe lacul Neuchâtel. În staționare energia suplimentar produsă este livrată în rețea la 230 V.

Alstersonne având o lungime de 26,53m și o lățime de 5,30m. Este propulsat de motoare de curent continuu de 2*8 kW. Este dotat cu 2 acumulatoare de 80V pentru stocarea energiei necesare propulsiei cu o capacitate totală de 2380 Ah și 2 acumulatoare de 24V pentru dotările de bord. Poate transporta 100 pasageri. Surplusul de energie se livrează în rețea în timpul staționării, iar în zilele noroase acumulatoarele se pot încărca din rețea.

2.8.8.3. Vehicule pe șine

Vagon autonom acționat de motor electric alimentat cu curentul produs de panouri solare și 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 condiții de umbră este de 60 km.2.8.8.4. Avioane

34

Primul avion cu o greutate 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 acționat 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 suprafața acoperită cu 66000 celule solare cu randamentul de 22% și o putere de 35 kW. Viteza de zbor era de 30 până la 50 km/h. Helios s-a prăbușit la 29 Mai 2003 lângă Hawaii în oceanul Pacific

Avioane cu pilotIn 1979 Gossamer Penguin a efectuat primul zbor cu pilot la o înălțime de

4 m având o putere de 600 W. Primul avion solar se consideră a fi Solar Challenger cu care s-a reușit 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 reușit.

Bertrand Picard intenționează ca în 2010 să traverseze oceanul Atlantic, iar în 2011 să înconjoare globul cu un avion solar având o suprafață de cca 250mp acoperită cu celule solare din siliciu monocristalin de 130μm grosime și un randament de 20%.

2.8.8.5. Sateliți

Satelitul STARDUST are o suprafață 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 Stația Spațială Internațională (ISS) este alimentată

cu energie electrică având ca sursă celule solare ce echipează 8 panouri desfășurate pe o lungime de câte 35,05 m lungime și 11,58 m lățime cu o masă de 1,1 T fiecare. Celulele solare pe o aripă sunt

35

în număr de 32800 așezate în rânduri de câte 400. Un panou furnizează stației 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 rotației pe orbită). Energia este stocată ăn baterii de nichel-hidrogen proiectate pentru 38.000 cicluri de încărcare descărcare respective o durată de viață de 6,5 ani. Pentru maximizarea puterii furnizate panourile sunt orientate permanent către soare de sistemele BGA (Beta Gimbal Assembly) și SARJ (Solar Alpha Rotary Joint)

2.8.9. Utilizare casnică

În utilizarea casnică panourile solare au o importanță mai mare în cazul locuințelor izolate fără racord la rețeaua de curent alternativ. În general în sistemele mai evolute, opțional pe lângă panouri se mai montează:

- o baterie de acumulatore pentru a pute livra energie și în lipsa luminii solare

- un regulator de tensiune pentru prevenirea supraîncărcării bateriei- un dispozitiv de deconectare în cazul descărcării sub limită a

acumulatoarelor- un dispozitiv de măsurare ce indică direcția de alimentare și cantitatea

de energie produsă/consumată în cazul utilizării de consumatori de current alternativ, este nevoie și de un invertor. În acest caz la locuințele racordate la rețeaua de curent alternativ teoretic ar exista posibilitatea eliminării din schemă a bateriei de acumulatoare, energia suplimentară fiind măsurată în ambele direcții (la surplus sau lipsă).

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

an.

36

2.8.10. 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 funcțiune în anul 1984 acoperișul din panouri solare al Universității din Georgetown situat în centrul dens populat al Washingtonului produce anual energie electrică în valoare de 60000$

Fața 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 și care se estimează că vor produce anual 26000 kWh energie

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

Centrale solareCentralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri solare

câștigă teren.

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

Centrala solară din Quierschied suburbia orașului Göttelborn /Germania construită pe o suprafață 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 performanță cu o putere de 10 MW.

37

În Shinan/Corea de Sud a început construirea unei mari centrale solare cu o putere instalată de 20 MW, producție anuală estimată la 27000 MWh ce va acoperi cu 109000 panouri solare o suprafață 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 suprafață egală cu a 200 terenuri de fotbal cu 550.000 panouri solare din film subțire. Se preconizează ca în primul an de funcționare să se recupereze integral cheltuielile de construcție care se estimează a costa cu 20%-40% mai puțin decât prețul comercial. Primele module vor fi operaționale la sfârșitul lunii iunie.

3. CENTRALE SOLARE

O centrală solară este o centrală electrică funcționând pe baza energiei termice rezultată din absorbția energiei radiației solare. Centralele solare termice, în funcție de modul de construcție pot atinge randamente mai mari la costuri de investiții mai reduse decât instalațiile pe bază de panouri solare fotovoltaice, necesită în schimb cheltuieli de întreținere mai mari și sunt realizabile doar pentru puteri instalate depășind un anumit prag minim. Totodatată sunt exploatabile economic doar în zone cu foarte multe zile însorite pe an.

38

Pentru utilizarea energiei conținute în radiația solară în scopul producerii de energie electrică s-au conceput mai multe metode. Tehnologiiile rezultate se impart în două mari grupe în funcție de utilizarea energiei radiației concentrate într-un spațiu restrâns, sau utilizare fără concentrare.

3.1. Centrale solare termice cu concentrarea radiaţiei solare directe (CSP)

Aceste centrale utilizează oglinzi concave pentru a concentra razele solare pe suprafața absorbantă. Oglinda sau suprafața absorbantă își vor modifica orientarea în funcție de poziția soarelui. Centralele solare cu jgheaburi parabolice colectează energia cu oglinzi distribuite pe suprafețe mari ce concentrează radiația pe suprafețe absorbante situate în centrul focal al fiecărei oglinzi, pe când cele cu turn, toate oglinzile au același 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) și Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) se previzionează un potențial însemnat în aceste modalități de obținere economică a energiei în zonele deșertice din Africa de Nord și Orientul Mijlociu precum și în transportul cu pierderi reduse (HVDC) spre Europa. Sistemele de generare de abur se pot compatibiliza cu cele solare pentru compensare reciprocă și economisirea în acest mod a combustibililor convenționali din termocentrale. În centrale solare independente, oscilațiile datorate condițiilor atmosferice pot fi compensate cu ajutorul unor rezervore de înmagazinare a căldurii, sau utilizând purtători de energie alternativă.

39

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

3.1.1. Centrale solare cu câmpuri de colectare

Câmpul de colectoare ale centralei este compus din mai multe jgheburi parabolice sau colectoare Fresnel legate în paralel și numite concentratoare liniare. Construirea de câmpuri de colectoare paraboloide este deasemenea posibilă, dar vizavi de concentratoarele liniare sunt foarte costisitoare. În ceea ce privește instalațiile 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 instalațiile 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(instalații de tip DISS = Direct Solar Steam), atunci nu este nevoie de schimbător de căldură, aburul fiind generat direct în conductele de absorbție. În acest caz este posibilă atingerea de temperatri de peste 500°C. Aburul astfel generat este colectat și 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 convențională disponibilă.

40

3.1.1.1. Centrale solare cu jgheaburi parabolice

Colectoare cu jgheaburi parabolice la Kramer Junction în California

Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabolă concentrând fluxul radiației solare pe un tub absorbant situat în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare este cuprinsă în funcție de tip între 20 și 150m. Tubul absorbant este constituit dintr-o țeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant și prin care curge agentul termic și care este în interiorul unui alt tub, de astă dată de sticlă de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convecție. Energia radiației solare este transformată în energie calorică și cedată agentului termic. Oglinzile parabolice sunt așezate de regulă în rânduri una după alta pe direcția N-S. Având un singur grad de libertate, rotația în jurul axei focale.

Încă din anul 1912 s-au utilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de către firma Shumann und Boys pentru generarea de aburi necesari acționării unei pompe de 45kW în Meadi/Egipt. Colectoarele aveau o lungime de 62m și acopereau o suprafață de 1200m²

Între 1977 și 1982 au fost puse în funcțiune în SUA instalații pilot utilizând colectoare cu jgheaburi parabolice.

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

Exploatarea comercială a acestui tip de centrale a început în anul 1984 în SUA în deșertul 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 lățime de 6m și o lungime de până la 180m se poate atinge o temperatură de 400°C. Randamentul centralei este de 14% și asigură energia necesară pentru cca 200000 locuințe. În luna iunie 2007 s-a dat în funcțiune centrala Nevada Solar One de lângă Boulder City/Nevada cu o putere instalată de 64MW cu posibilitatea de extensie până la 200MW.

41

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 și Egipt.

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

3.1.1.2. Instalații solare de tip FresnelO dezvoltare a tehnologiei cu jgheaburi parabolice o reprezintă așa

numitele colectoare cu oglinzi Fresnel. În acest caz în locul unei oglinzi parabolice se utilizează mai multe fâșii de oglinzi plane situate toate la nivelul solului și care se pot roti în jurul razei longitudinale pentru a putea fi orientate câte una astfel ca să reflecte radiația solară în direcția 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 subțire. Acest concept este în faza de testare.

Acest mod de construcție îmbină principiul de funcționare al colectoarelor cu jgheaburi parabolice cu cu cel al centralelor cu turn, dar renunțând atât la oglinzile curbate cât și la dispozitivele de orientare cu mai multe grade de libertate rămânând doar construcția modulară. Utilizând oglinzi plate ușor de construit se scontează pe un preț scăzut. Utilizarea conductei absorbante este necesară în continuare. Rezultă posibilitatea utilizării de conducte mai lungi , fără coturi, ceea ce reduce pierderile datorită rezistenței hidraulice, în schimb apar pierderi de radiație solară datorită umbririi reciproce a oglinzilor.

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

3.1.2. Centrale cu turn solar

42

Cuptorul solar de la Odeillo Turnul de la Solar Two

Centrala pilot Solar Two Oglinzi de la Solar Two

În cazul centralelor cu turn solar este vorba de obicei de centrale pe bază de aburi generați cu ajutorul energiei solare. Focarul (camera de combustie) încălzit până acum cu păcură, gaz natural sau cărbune, este înlocuit de un focar solar așezat în vârful unui turn. Radiația solară, a sute, chiar mii de oglinzi cu orientare automată după poziția soarelui este reflectată către o suprafață absorbantă centrală numită receiver. Datorită puternicei concentrări de radiație, în turn apar temperaturi de ordinul a mii de grade.

Temperatura exploatabilă rațional este în jur de 1300°C. Nivelele de emperaturi și prin acestea, randamentul termic posibil de atins, sunt mult mai mari decât la centralele solare cu câmpuri de colectoare. Agentul termic utilizat este nitrați fluizi, aburi sau aer cald.

Acest principiu este utilizat de fapt și la cuptorul de topire solar din Odeillo. În acest mod se pot genera temperaturi cu valori adapate necesităților proceselor tehnologice, sau ceerințelor accelerării proceselor chimice. De regulă

43

însă, căldura generată este utilizată totuși prim intermediul unei turbine de gaz sau de aburi la generarea de curent electric. În receiver agentul termic este încălzit pînă la 1000°C, și în final utilizat la generarea de aburi. Curentul electric generat este livrat în rețea.

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 preț competitiv. Cea mai mare instalație de acest tip existentă la ora actuală sunt „Solar Two“ de 10MW, având o temperatură de lucru de 290-570°C în California și Instalațiile de cercetare din Almeria/Spania. În iulie 2006 s-a început construcția unei centrale termice experimentale de 1,5MW în Jülich/NRW cu termen de predare anul 2008. 

Variațiile intensității radiației solare vor fi compensate cu ajutorul unui tip nou de instalație de înmagazinare. Prin aceasta generarea de energie electrică se poate regal independent de intensitatea de radiație solară, în funcție de cererea de consum. În viitor acest tip de centrală, în lipsa radiației solare va putea fi acționată 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 construiește un parc solar care la terminare în 2013 va produce 300MW energie electrică prin utilizarea a diferite tehnologii. La sfârșitul lunii martie 2007 s-a conectat la rețea prima centrală - PS10 – construită între 1 iulie 2001 și 31 decembrie 2005 având o putere instalată de 11MW și o producție anuală de 23GWh. Cheltuielile cu investiții s-au cifrat la 35 milioane € cu o contribuție 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 instalație de 20MW (AZ20) urmată de alte 5 centrale a câte 50MW.

3.1.3. Centrale cu oglinzi parabolice

Instalaţie de discuri parabolice cu motor Stirling

Oglinzile parabolice sunt construite cu două grade de libertate putând urmări poziția soarelui pe cer. Ele sunt montate pe un stativ și concentrează

44

razele solare într-un punct focal propriu fiecărei oglinzi unde este montat un receptor de energie termică.

Acest mod de construcție este foarte compact. Oglinzile sunt fabricate cu un diametru cuprins între 3 și 25m rezulând o putere instalată de până la 50kW pe modul. La instalațiile de acest tip receptorul este conectat la un motor Stirling care transformă energia termică direct în emergie mecanică putând acționa un generator electric.

Aceste instalații ating un randament înalt în transformarea energiei solare în energie electrică (peste 30%). Modularitatea acestor instalații permite atât utilizarea lor în locuri izolate sau independente cât și conectarea mai multora formând o centrală virtuală în cadrul generării distribuite a energiei electrice. O soluție mai rară o constituie parcurile(fermele) de oglinzi parabolice. În punctual focal comun tuturor oglinzilor se află o suprafață 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 puțin economică decât centralele cu jgheaburi parabolice sau cele cu turn solar.

3.2. Centrale solare termice fără concentrarea radiaţiei solare

Aceste centrale solare nu dispun de refletoare orientate, utilizând totuși întreaga energie conținută în radiația solară atât cea directă cât și cea difuză.

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

3.2.1. Centrale cu iaz solarLa acest tip de centrale în iazuri cu apă sărată puțin adânci se creează în

mod natural o combinație de colector solar și 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 și astfel mai densă decât cea de la suprafață. Prin absorbția energiei conținute în razele solare de către stratul mai sărat de la bază, acesta se încălzește până la o temperatură de 85-90°C. Între stratul de la suprafață și cel din adânc există un strat de gradient cu concentrație variabilă ce nu permite ridicarea apei încălzite cu concentrație salină mai mare, rezultă că nu există convecție, ca urmare căldura rămâne înmagazinată în stratul de jos.

45

Căldura înmagazinată poate fi utilizată printre altele pentru acționarea unei turbine cuplate cu un generator de energie electrică. Deoarece temperaturile atinse sunt totuși 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 așa numitelor centrale Organic Rankine Cycle (ORC) funcționând pe bază de amoniac, sau un compus asemănător freonului.

Deoarece diferența 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 %. Totuși acest tip de centrală prezintă interes mai ales pentru țările în curs de dezvoltare, unde cu investiții mici se pot utiliza resursele naturale, radiația solară din belșug și suprafețe aride neconstruite.

3.2.2. Centrale termice solare cu vânt ascensionalCentralele termice solare utilizează așa numitul efect de coș, la care aerul

cald datorită densității mici se ridică. Din punct de vedere constructiv, rolul colectorului solar îl are o suprafață de ordinul hectarelor prevăzută cu acoperiș transparent, sub care aerul și solul se încălzesc sub efectul de seră. Aerul cald se mișcă spre centrul construcției unde se află un coș prin care se ridică în sus.

Vântul ascensional astfel creat acționează mai multe turbine 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 obține o putere comparabilă cu cea a unei centrale pe bază de cărbune este nevoie ca întreaga construcție să acopere o suprafață de mai mult de 100 km2 și să se construiască un coș cu înălțimea de 1000 m sau mai mult.

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

Actualmente se află în studiu un proiect de astfel de instalație în Windhoek/Namibia. Suprafața acoperită ar fi de 38 km2 și turnul înalt de 1500m. Puterea instalată ar atinge 400 MW. Pentru a mări eficiența economică, suprafața acoperită ar fi utilizată în parte pentru desalinizarea apei și în rest pentru producție agricolă cu suprafață irigată.

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

3.2.3. Centrale termice solare cu vânt descendent

46

Acest tip de centrale există doar în stare de concept. Constau 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, și a greutății apei aerul se va mișca de sus în jos, acționând turbinele situate la baza turnului. Acest tip de centrală este concepută pentru zonele cu climă caldă și uscată și cu mari rezerve de apă.

3.3. Centrale solare pe bază de panouri solare fotovoltaice

Centrală solară în Atzenhof

Centralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri solare fotovoltaice câștigă teren.

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

Centrala solară din Quierschied suburbia orașului Göttelborn /Germania construită pe o suprafață 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 performanță 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, producție anuală estimată la 27000 MWh ce va acoperi cu 109000 panouri solare o suprafață 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 suprafață egală cu a 200 terenuri de fotbal cu 550.000 panouri solare din film subțire. Se preconizează ca în primul an de funcționare să se

47

recupereze integral cheltuielile de construcție care se estimează a costa cu 20%-40% mai puțin decât prețul comercial. Primele module vor fi operaționale la sfârșitul lunii iunie.

In prezent liderul mondial la utilizarea energiei solare este Germania. Ea detine aproape 50% din piata modiala a panourilor cu celule fotovoltaice. Nicaieri in lume nu vei gasi mai multe gospodarii care au instalate pe acoperis panouri solare decat in Germania. In Germania s-a aprobat in anul 2000 Legea Energiei Regenerabile. Aceasta lege i-a ajutat pe oamenii de rand din Germania sa inteleaga nevoia si beneficiile energiei regenerabile.

Potrivit statisticiilor, germanii au investit aproximativ 5 miliarde de dolari in sistemele solare fotovoltaice, si au contribuit considerabil la cresterea pietiei mondiale specializata pe energia solara. Desi, de obicei, ceea ce remarcam sunt panourile solare, asta nu inseamna ca industria solara din Germania se limiteaza la producerea de celule fotovoltaice pentru electricitate. O alta intrebuintare notabila in acest domeniu este constituita de sistemele de incalzire a apei. Unele zvonuri spun ca piata germana a sistemelor solare de incalzire a apei castiga aproximativ 1.5 miliarde de dolari in fiecare an.

Tot in Germania se gaseste “parcul solar”, in Arnestein, Bavaria. Parcul reprezinta una dintre cele mai mari “retele” fotovoltaice din lume. A devenit operational in anul 2006, si cu mai mult de 1400 de panouri solare fotovoltaice, poate produce 12 megawati de energie electrica.

Centralele fotovoltaice in RomaniaMetodele alternative pentru producerea de energie electrică încep să

prindă şi în România. Cel mai mare parc fotovoltaic din ţară a fost inaugurat oficial vineri, 14 iunie, în satul Uieşti (comuna Bucşani) din judeţul Giurgiu.Parcul fotovoltaic din nordul judeţului Giurgiu se întinde pe o suprafaţă de 42 de hectare peste ele fiind montate aproximativ 87.000 de panouri solare. El a costat aproximativ 30 de milioane de euro, investiţia aparţinând Tinmar Ind o firmă care are ca principal obiect de activitate comercializarea de energie electrică. Ar putea alimenta 20.000 de locuinţe Puterea instalată a parcului fotovoltaic este de 18,5 MWp, aceasta fiind integrată în sistemul naţional. Tehnologia folosită a fost una mixtă, germano-chineză, la montarea panourilor participând specialişti din Italia, Ungaria şi România.

O alta investitie de 100 de milioane de euro intr-un parc fotovoltaic este aproape de finalizare la Sebis (Arad), unde pe 200 de hectare de teren sunt montate 317.000 de panouri cu o putere totala de 65 MW.Panourile ar acoperi necesarul pentru 100.000 de locuitori.

48

Cu toate ca numarul proiectelor care au in vedere realizarea centralelor fotovoltaice este foarte mare , numarul lucrarilor puse in opera este inca destul de mic datorita sirului foarte mare de etape prin care un proiect trebuie sa treaca.

Estimarea eficientei unui panou fotovoltaic in RomaniaUn Panou solar fotovoltaic :Cost kW instalat: 2000 euroFactor de capacitate: 15%Producţie anuală: 1,3 MWhCertificate verzi/MWh: 5Preţ fără subvenţie: 65 euro/an, deci rentabilitate de 3,3% şi amortizare în 31 de ani.Încasări minime: 215 euro/an, deci rentabilitate de 11% şi amortizare în 9 ani.Încasări maxime: 365 euro/an, deci rentabilitate de 18,2% şi amortizare în 5,5 ani.

Pentru elaborarea unui proiect de realizare a unei centrale fotovoltaice este necesar un studiu de fezabilitate care trebuie sa cuprinda :Propunere tehnica :- numarul de panouri -puterea instalata - tipul sistemului (fix/mobil) -amplasament - durata de viata Prezentare a potentialului solar al zonei Simulare energetica (efectuata in programe de specialitate) Simulare a sustenabilitatii financiare a investitiei Metoda de finantare

49

II. ENERGIE EOLIANĂ

1. Istoricul eolienelorMoara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene. Ea a apărut în Evul

Mediu în Europa. Ea afuncţionat la început cu ax vertical. Mai târziu, morile se orientau după direcţia vântului şi au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului. Prima moară de vânt cu pale profilate a apărut în secolul doisprezece. Chiar dacă era foarte simplă, este totuşi vorba de prima cercetare aerodinamică a palelor. Acestea au fost utilizate în principalpentru pomparea apei sau pentru măcinarea grâului. 

În perioada Renaşterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovaţii,

50

uneori inutile. De atunci, morile s-au înmulţit în Europa.Revoluţia industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariţia de noi materiale. În consecinţă, utilizarea metalului a permis modificarea formei turnului şi creşterea considerabilă a maşinilor pe care le numim pe scurt "eoliene".Evoluţia electricităţii în secolul XX a determinat apariţia primelor eoliene moderne. Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspiră după profilul aripilor de avion. În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepţia modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius şi Darrieus, caresunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariţie. Ultimele inovaţii permit funcţionarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcţie de viteza vântului.

Prima abordare comercială, pe scară largă, a conversiei energiei eoliene în energie electrică a fost cea de la Granpa's Knob din Vermont, U.S.A. din 1939. Turbina Smith Putnam avea o putere instalată de 1,25 Mw şi un rotor cu ax orizontal de 53 m diametru. Acest proiect a cumulat experienţa şi geniul unor proiectanţi de top, precum von Karman sau den Hartog. Această turbină poate fi considerată cea mai longevivă, funcţionând cu succes mult mai mult timp decât multe dintre agregatele multi-Mw ai anilor '80. Următorul jalon în dezvoltarea Turbinelor Eoliene (TE) a fost turbina Gedser, construită între 1956 şi 1957 de către pionierul danez al energiei eoliene Johannes Juul pentru compania de electricitate SEAS pe insula Gedser din sudul Danemarcei. Cu un rotor de 24 m diametru şi o putere de 200 kw, această capacitate a funcţionat din 1958 până în 1967, cu un factor de utilizare a puterii instalate de cca. 20%. Trebuie menţionat faptul că finanţarea acestui proiect a fost asistată prin Planul Marshall La începuturile anilor 80, multe dintre problemele privind construcţia rotorilor au fost cercetate. Astfel, rotorii din oţel au fost abandonaţi datorită greutăţii prea mari. Aluminiul a fost şi el exclus dintre materialele posibil de utilizat, datorită comportării inadecvate în studiile de anduranţă (fenomenul de oboseală a materialului este cel mai periculos). Perioada 1970-1990 a fost dominată de rotorii construiţi din poliester armat cu fibră de sticlă. Începând cu anul 1980, o combinaţie de facilităţi investiţionale şi de taxe, la nivel statal şi federal, a permis o semnificativă expansiune a utilizării energiei vântului în California. În zone precum San Gorgonio, Tehachapi şi Altamont Pass s-a remarcat o suprapopulare cu turbine eoliene proiectate ineficient, de randament scăzut.

Scutirile de taxe şi facilităţile investiţionale din California au creat, însă, o majoră piaţă de export pentru europeni, mai ales pentru producătorii de turbine eoliene din Danemarca ce au avut astfel prilejul să-şi testeze şi să-şi dezvolte noile tehnologii. Interferenţa tehnologiilor europene cu cele americane au produs o nouă generaţie de agregate eoliene, amplasate tot în California, mult mai bine proiectate, mult mai eficiente. Schimbând şi imaginea „şifonată” a vechilor tehnologii, noua generaţie de turbine californiene constituie baza pe care s-a construit industria modernă a vântului. Din 1990, creşterea utilizării energiei vântului în California nu a mai fost susţinută. În Europa, în schimb, se produce o explozie a pieţei energiei eoliene, remarcabilă fiind rata de creştere a puterii

51

instalate în Germania, de peste 200 MW anual. Piaţa spaniolă a cunoscut şi ea o imensă expansiune, incluzând şi dezvoltarea „fermelor”, a noilor concepte şi tehnologii.

Atât la nivel european cât şi global, utilizarea energiei eoliene cunoaşte o dezvoltare foarte rapidă. Dacă în 1992 puterea instalată era de 2,5 GW, în 2003 a ajuns la aproape 40 GW, ceea ce reprezintă o rată de creştere anuală de cca. 30%.

2. Provocarea tehnologică. Aspecte esenţialeEvoluţia dimensiunilor turbinelor eoliene este efectiv spectaculoasă: de la

înălţimi de 24 m în anii 60, la înălţimi de 114 m în 2003. Diametrele rotorilor au evoluat şi în funcţie de puterea instalată, de la 15 m pentru 50 kW, la 124 m pentru 5.000 Kw Evident, această evoluţie spectaculoasă a fost susţinută şi de apariţia a noi concepte, tehnologii şi materiale. Evoluţia puterilor instalate şi a dimensiunilor agregatelor eoliene constituie o reflectare a eficienţei abordării comerciale, graficele de mai jos fiind elocvente.

52

Ca o concluzie a acestei prime abordări, trebuie spus că funcţionarea unui generator electric acţionat de o turbină eoliană modernă trebuie să producă energie electrică de calitate, la frecvenţa necesară debitării în sistemul energetic la care este conectat. Fiecare turbină trebuie să funcţioneze independent, controlată automat, ca o mini 8 centrală electrică. Este de neconceput ca o turbină eoliană modernă să necesite multe activităţi de întreţinere, tehnologiile IT reuşind să asigure raportul optim cost -profit. Se porneşte de la premiza că o turbină eoliană modernă trebuie să funcţioneze continuu, automat, fără supraveghere umană, cu minimum de întreţinere, timp de cel puţin 20 de ani.

Problema tehnică şi conceptuală ce trebuie menţionată şi care este pe cale de a fi rezolvată este cea a reglării automate a vitezei de rotaţie a rotorului eolian şi, implicit a reglării turaţiei generatorului electric pentru a permite debitarea energiei produse în parametrul de frecvenţă al sistemului energetic. În acest moment, pentru turbinele eoliene cu ax orizontal, cele mai performante, există două sisteme de reglare a vitezei de rotaţie care pot prelua variaţiile inevitabile ale vitezei şi presiunii exercitate de fluctuaţiile temporare ale vântului şi anume:

-STALL – mărirea unghiului de incidenţă a palelor până la ruperea curentului şi reducerea sau eliminarea forţei portante, mergând până la oprirea turbinei în cazuri de furtuni violente

-PITCH – micşorarea unghiului de incidenţă şi reducerea forţei portante (similară cu punerea în drapel a elicei), implicit a vitezei unghiulare de rotaţie, până la oprirea efectivă a rotorului.

Aceste sisteme presupun rotirea automată a palelor în jurul axei lor longitudinale şi sunt completate de frânele mecanice care intră în funcţiune în cazuri extreme. Este evidentă necesitatea conectării cu variabilitatea extremă a sursei primare de energie, energia cinetică a vântului. Interfaţa între

53

variabilitatea sursei primare şi constanţa valorilor necesare utilizării comerciale a energiei secundare produse este acum preluată de sisteme informaţionale, de senzori şi de sisteme de comandă cu reacţie cvasiinstantanee având ca suport tehnic microprocesoare de înaltă performanţă care nu mai sunt nici o noutate. Cu toate acestea, este imperios necesară menţionarea riscurilor legate de valorificarea energiei eoliene, cuprinse în studiul întocmit de profesorul canadian Herbert Inhaber în 1979, studiu care, cu toate „cuceririle” tehnice, tehnologice sau ştiinţifice, îşi menţine actualitatea. Acesta susţine că, deşi energia eoliană este practic nepoluantă, privind în totalitate procesul de la captarea propriu-zisă a vântului, până la furnizarea energiei electrice, se constată că producerea materialelor din care urmează să se realizeze agregatele şi construcţiile auxiliare, precum şi execuţia acestora, includ nişte riscuri 9 considerate mai mari decât cele incluse în producerea unei energii electrice echivalente pe cale nucleară. Putem afirma cu certitudine că în acest studiu s-au pus bazele analizei impactului de mediu pe baza ciclului de viaţă al produselor. Pe de altă parte, utilizarea tehnologiilor avansate, care înglobează mult mai multe contribuţii intelectuale decât materiale, care consumă foarte puţine resurse naturale, este soluţia dezvoltării industriei energiilor primare regenerabile. Este exact ceea ce presupune „Strategia de la Lisabona” privind viitorul Uniunii Europene.

3. Principii de funcţionare şi clasificareO instalatie eoliana include în componenta sa un generator, mecanismul

actionat, dispozitivul de transmisie mecanica si mai multe sisteme de orientare, stabilizare, reglaj si protectie, alte elemente constructive (fig. 2.1 ).

54

Fig. 2.1. Elementele componente ale unei centrale eoliene

In aceasta figura se prezinta structura interna a unei turbine eoliene, care consta din urmatoarele elemente:Nacela  (2) - contine componentele cheie ale turbinei, incluzand cutia de viteze si generatorul electric. In fata nacelei este rotorul turbinei cu paletele (1) si hub-ul (9) cuplat la axul principal (8). Cutia de viteze (7) mareste viteza de rotatie de aproximativ 50 de ori fata de viteza redusa a rotorului cu palete. Instalatia este echipata cu o frana mecanica cu disc (6), care poate fi folosita in cazuri de urgenta. Generatorul turbinelor de vant (5) conectat printr-un ax de mare viteza, converteste energia mecanica in energie electrica. El difera fata de generatoarele obisnuite, deoarece trebuie se lucreze cu o sursa de energie primara care furnizeaza o putere mecanica fluctuanta. Pe scara larga, la turbinele de 100-500kW, tensiunea generata este de 690V c.a. trifazat, fiind necesar un transformator ridicator de tensiune de 10 sau 30 kV, pentru a putea fi conectat la reteaua nationala de medie tensiune. Turbinele pot fi construite atat cu generatoare sincrone cat si asincrone si cu diferite tipuri de conectare la retea: direct sau indirect. . Turnul turbinei (3) sustine nacela si rotorul. In general este avantajos un turn inalt deoarece vantul e mai puternic. O turbina de 600kW are turnul de 40-60m.

Solutii pe plan mondial in realizarea instalatiilor eolieneExista doua tipuri majore de generatoare pentru centralele eoliene si

anume: cu viteza constanta sau cu viteza variabila. Generatoarele utilizate pot fi asincrone cu rotorul in scurt circuit sau rotorul bobinat sau sincrone (GS) cu excitatie separata sau cu magneti permanenti.

55

Instalatia eoliana cu viteza constanta si generatorul asincron cu rotorul in scurt-circuit reprezinta solutia clasica, denumita si metoda daneza. In acest caz trebuie rotita nacela (yaw), precum si unghiul de inclinare a paletelor pentru modificarea unghiului de atac (pitch). Sistemele bazate pe generatoare cu viteza constanta merg in principiu cu viteza mecanica constanta avand masini cu inductie de inalta eficenta ce functioneaza la viteze de super-sincronizare. Variatia vitezei pe unitate este in mod uzual mai mica de 1%. Aceste generatoare de inductie cu viteza constanta sunt simple si nu incorporeaza electronica de putere.

Instalatia eoliana cu viteza variabila, reprezentand metoda moderna,  utilizeaza in mod uzual generatoare de inductie cu dubla alimentare (DFIG), avand avantajul utilizarii eficiente a energiei vantului, reducerii partii mecanice (nacela usoara, cutie de viteze redusa sau absenta si turn zvelt), dar avand o parte electrica si electronica complexa, necesitand algoritmi de conducere pretentiosi. Viteza mecanica de rotatie a masinii poate fi controlata prin reglarea frecventei curentului de alimentare a rotorului. Aceste elemente si modul in care se pot interconecta centralele eoliene sunt prezentate in lucrarea - Bringing wind power ashore - (Brian Richardson, Peter Jones), IEE Power Engineer , February/March 2004. Doua tipuri de instalatii eoliene sunt prezentate in figura 2.2:

Un model performant de turbina eoliana cu viteza variabila utilizand un generator de inductie cu dubla alimentare (DFIG - doubly fed induction generator), caracterizat prin cresterea calitatii, eficentei si controlabilitatii a fos prezentat in lucrarea - Modeling of the Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies -  (Lei Y.    Mullane A.    Lightbody G.    Yacamini R.) IEEE Transactions on Energy Conversion, ISSN: 0885-8969 , 2005.

56

Turbina, fiind elementul central al instalatiei, efectueaza procesul de conversie a energiei eoliene în energie mecanica, având la baza fortele de interactiune între elementele active ale turbinei si curentul de aer care îl ataca cu o anumita viteza. Dintre fortele care apar la aceasta interactiune se vor evidentia doua cele mai importante: forta aerodinamica de ascensiune si forta de presiune frontala.

Mecanismul actionat poate fi un mecanism sau o masina care realizeaza un lucru mecanic (pompaj, moara etc.), un convertor de energie mecanica în energie electrica (electrogenerator) sau în energie a aerului comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanica are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele turbinei cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului actionat si va contine dupa caz un reductor de ridicare a vitezei si cuplaje elastice sau rigide.

Se utilizeaza mai multe principii de clasificare a aeromotoarelor eoliene:-  conform principiului de functionare;-  conform orientarii axului principal;-  conform nivelului de viteza.În cele ce urmeaza se va examina principiul de functionare al celor mai raspândite tipuri de aeromotoare, fiind clasificate conform principiilor mentionate mai sus.

Turbine cu ax orizontal

La momentul actual sunt cele mai diverse din punct de vedere constructiv si cele mai raspândite. Motoarele cu ax orizontal, sau altfel numite motoare cu elice sau cu propelor (figura 2.3 a, b, c si d) pot avea de la una pâna la 24 si mai multe pale. Motoarele cu 1-3 pale sunt, de regula, de viteza înalta si dimpotriva, cele cu mai multe pale dezvolta cupluri motoare sporite la viteze de rotatie mici si sunt destinate pentru viteze reduse ale vântului.

Fig. 2.3 Aeromotoare cu ax orizontal:cu una (a); doua (b), trei (c) si multe (d) pale.

57

Fig. 2.4. Sisteme de orientare dupa vânt:a - cu stabilizator, b - cu vendroza, c - cu servomotor, d - cu autoorientare (în spatele

turnului)Palele cu profil aerodinamic, confectionate, de regula, din lemn sau din

fibre de sticla, se monteaza pe un butuc si formeaza rotorul turbinei. Axul principal al rotorului prin dispozitivul de transmisie se uneste cu mecanismul actionat.Rotorul si celelalte utilaje se monteaza pe o platforma rotitoare (nacela), care este suspendata pe vârful (capul) unei ferme metalice sau a unui turn cu înaltimea dupa caz de 10-50 m.

Cuplul motor apare ca rezultat al actiunii fortelor aerodinamice de ascensiune.Pentru o eficienta utilizare a energiei vântului rotorul generatorului permanent trebuie orientat astfel ca planul de rotire al palelor sa fie perpendicular pe directia vântului. Pot fi doua cazuri de amplasare a rotorului în stare de lucru: în spatele sau în fata turnului. In primul caz (fig.2.4, d) rotorul singur poate sa se orienteze dupa vânt, poate functiona fara un dispozitiv special de orientare.Apare însa efectul de umbra ca urmare a faptului ca palele periodic se afla în umbra turnului pentru un timp când ele nu sunt actionate, ceea ce rezulta o sarcina dinamica periodica asupra palelor si elementelor constructive, vibratii si zgomote.

Mai efectiv este utilizata energia curentului de aer în instalatiile cu amplasarea rotorului în fata turnului, însa în acest caz este necesar un dispozitiv sau sistem special de urmarire si orientare a rotorului în pozitie de lucru.În instalatiile de putere mica în acest scop sunt prevazute stabilizatoare (fig. 2.4, a) sau dispozitive multipale cu transmisie melcata, numite vendroze (figura 2.4, b). La puteri mari instalatiile se doteaza cu sisteme hidraulice de orientare cu comanda de la calculator (fig. 2.4, c). Captatorul de semnale de directia si viteza a vântului, de regula de tip electroanemometric, este amplasat în afara zonei de influenta a turbinei la înaltimea respectiva de la sol.

58

În fig. 2.5 este prezentata schema unei instalatii cu mai multe aeromotoare cu ax orizontal, montate pe o singura ferma de suport de mare înaltime, care poate prezenta interes pentru localitati cu vânt cu o directie preponderenta.Anumite avantaje pot fi obtinute la folosirea aeromotoarelor cu doua rotoare coaxiale (fig. 2.6). Rotoarele au sens opus de rotatie si sunt cuplate rigid sau prin cuplaje elastice respectiv cu rotorul electrogeneratorului si statorul acestuia care se roteste în lagare proprii. Daca ambele rotoare ale aeromotului au, de exemplu, turatia nominala de 350 rot/min atunci se va putea utiliza un electrogenerator de viteza înalta (700 rot/min) fara reductor intermediar.

Turbine cu ax vertical

Din grupul generatoarelor cu ax vertical cele mai importante sunt: generatoarele cu rotor Darrieus, generatorul Evence si generatorul Musgroove.Aceste tipuri de motoare, dupa cum demonstreaza numeroase investigatii teoretice si încercari experimentale, pot concura cu motoarele cu ax orizontal, chiar având anumite prioritati, fiind folosite în instalatii de putere mare (ordin sute si mii kW).

Rotorul Darrieus (fig. 2.7, a) cu doua sau trei pale subtiri cu profil aerodinamic, fiind curbate si încastrate cu ambele capete la un ax vertical, foloseste fortele maxime în momentul când paleta cu viteza mare întretaie

59

curentul de aer atacant. Acest motor dezvolta un cuplu initial de pornire mic din care cauza lung timp el se considera neperspectiv. Însa fiind completat cu un mic motor Savonius, el usor demareaza în regim fara sarcina.

Rotorul generatorului Evence (fig. 2.7, c) are doua pale cu profil aerodinamic, montate pe o traversa orizontala, care se sprijina pe turnul vertical al instalatiei. Un avantaj deosebit al acestei turbine, ca si în cazul rotorului Darrieus, consta în faptul ca reductorul, electrogeneratorul si alte elemente de transmisie mecanica se monteaza jos la baza instalatiei, cuplarea rotorului efectuându-se prin prelungirea arborelui principal.Rotoarele acestor motoare nu trebuie orientate dupa vânt.

O varianta originala de turbina cu doua rotoare Evence este prezentata în fig. 2.7. La puteri mici instalatia poate fi montata chiar si pe un vehicul.Motorul Musgroave (figura 2.7,b) are principiul de functionare similar cu cel al motorului Evence, dar el prevede si posibilitatea suprapunerii palelor pe bârna transversala, altfel spus scoaterea acestora de sub actiunea vântului în caz de furtuni cu viteze periculoase pentru instalatie.Aeromotoarele cu tambur si de tip carusel sunt cele mai vechi tipuri de motoare eoliene. Motoarele cu tamburul format din placi radiale functioneaza asemanator rotilor (turbinelor) de apa. Cuplul motor este format de forta de presiune a vântului.

Daca la motoarele cu elice sunt active concomitent toate palele, atunci în cazul motoarelor cu tambur participa la formarea cuplului motor doar acele palete a caror miscare coincide cu directia vântului. Pentru a reduce rezistenta opusa de palete la miscarea lor împotriva curentului de aer, aceasta parte a rotorului se acopera cu un paravan sau paletele se curbeaza.

4. Părţile componente ale turbinei eoliene

60

Cele mai importante părţi componente ale turbinelor eoliene, sunt: - butucul rotorului; - paletele; - nacela; - pilonul; - arborele principal (de turaţie redusă); - multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate; - dispozitivul de frânare; - arborele de turaţie ridicată; - generatorul electric; - sistemul de răcire al generatorului electric; - sistemul de pivotare; - girueta; - anemometrul; - sistemul de control (controller).

`

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei şi este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figurile 6.7 şi 6.8 sunt prezentate două imagini ale unor butuci de turbine eoliene.

Butuc de turbină eoliană

Butuc de turbină eoliană

61

Paletele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene şi împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleaşi tehnologii utilizate şi în industria aeronautică, din materiale compozite, care să asigure simultan rezistenţă mecanică, flexibilitate, elasticitate şi greutate redusă. Uneori se utilizează la construcţia paletelor şi materiale metalice sau chiar lemnul. În figurile 6.9 şi 6.10 sunt prezentate două palete de turbine eoliene de mari dimensiuni.

Paletă de turbină eoliană

Paletă de turbină eoliană

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează în interiorul acesteia şi anume: arborele principal, multiplicatorul de turaţie, dispozitivul de frânare, arborele de turaţie ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric şi sistemul de pivotare. În figurile 6.11 şi 6.12 sunt prezentate două nacele de dimensiuni mari.

62

Nacela unei turbile eoliene de 2 MW

Montajul nacelei unei turbine eoliene de mari dimensiuni

Pilonul are rolul de a susţine turbina eoliană şi de a permite accesul în vederea exlploatării şi executării operaţiilor de întreţinere, respectiv reparaţii. În interiorul pilonilor sunt montate atât reţeaua de distribuţie a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât şi scările de acces spre nacelă. În figura 6.13 este prezentată fundaţia unui pilon, iar în figura 6.14, este prezentat un tronson de pilon pentru susţinerea unei turbine eoliene.

63

Fundaţia unui pilon de turbină eoliană

Tronson al unui pilon de turbină eoliană

Arborele principal al turbinelor eoliene are turaţie redusă şi transmite mişcarea de rotaţie, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate. În funcţie de tipul turbinei eoliene, turaţia arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min. În figura 6.15 este prezentat un asemenea arbore.

Arborele principal al unei turbine eoliene

64

Multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate are rolul de a mări turaţia de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric. În figura 6.15, pe arborele principal, este montat şi multiplicatorul de turaţie. În figura 6.16 este prezentat principiul de funcţionare al acestei componente, iar în figura 6.17 este prezentat un multiplicator de turaţie eolian.

Multiplicator de turaţie eolian

Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranţă şi se montează pe arborele de turaţie ridicată, între multiplicatorul de turaţie şi generatorul electric. Viteza de rotaţie a turbinei este menţinută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcţie de viteza vântului şi nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcţionează corect, sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operaţii de întreţinere sau reparaţii. În figura 6.18 este prezentat principiul de funcţionare al mecanismului de frânare, iar în figura 6.19 este prezentat un asemenea mecanism.

65

Dispozitiv de frânare eolian

Arborele de turaţie ridicată denumit şi arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite mişcarea de la multiplicatorul de turaţie la generatorul electric. Turaţia acestui arbore, ca şi cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura 6.20 este prezentat un arbore de turaţie ridicată, montat pe multiplicatorul de turaţie.

Arbore de turaţie ridicată

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a arborelui de turaţie ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator şi astfel, în spire se induce curent electric. Există atât generatoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicaţii casnice şi turbine de dimensiuni reduse), cât şi generatoare electrice du curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri. În figura 6.21 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW, cea mai mare din lume în martie 2005.

66

Generator electric eolian de 5MW

Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs în timpul funcţionării acestuia. În figura 21 se observă că răcirea este asigurată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat să funcţioneze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Motorul sistemului de pivotare

Girueta este montată pe nacelă şi are rolul de a se orienta în permanenţă după direcţia vântului. La schimbarea direcţiei vântului, girueta comandă automat intrarea în funcţiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcţia vintului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară prezenţa unui sistem suplimentar de pivotare. În figura 6.24 este prezentată o giruetă.

67

Giruetă

Anemometrul este un dispozitiv pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparat este montat pe nacelă şi comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depăşeşte 3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depăşeşte 25m/s.

Anemometru cu cupe.

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puţin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o reţea de calculatoare, care controlează buna funcţionare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor. În figura 6.26 este prezentat un controler din componenţa unei turbine eoliene.

68

Controler

5. Avantajele şi dezavantajele utilizării energiei eolieneAvantaje- Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substante poluante si gaze cu efect de sera, datorita faptului ca nu se ard combustibili.- Nu se produc deseuri. Producerea de energie eoliana nu implica producerea nici a unui fel de deseuri.- Costuri reduse pe unitate de energie produsa. Costul energiei electrice produse in centralele eoliene moderne a scazut substantial in ultimii ani, ajungand in S.U.A. sa fie chiar mai mici decat in cazul energiei generate din combustibili, chiar daca nu se iau in considerare externalitatile negative inerente utilizarii combustibililor clasici.In 2004, pretul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime fata de cel din anii 80, iar previziunile sunt de continuare a scaderii acestora, deoarece se pun in functiuni tot mai multe unitati eoliene cu putere instalata de mai multi megawati.- Costuri reduse de scoatere din functiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din functiune pot fi de cateva ori mai mare decat costurile centralei, in cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din functiune, la capatul perioadei normale de functionare, sunt minime, acestea putand fi integral reciclate.

Dezavantaje

- Principalele dezavantaje sunt resursa energetica relativ limitata, inconstanta datorita variatiei vitezei vantului si numarului redus de amplasamente posibile. Putine locuri pe Pamant ofera posibilitatea producerii a suficienta electricitate folosind energia vantului.- La inceput, un important dezavantaj al productiei de energie eoliana a fost pretul destul de mare de producere a energiei si fiabilitatea relativ redusa a turbinelor. In ultimii ani, insa, pretul de productie pe unitate de energie electrica

69

a scazut drastic, ajungand, prin imbunatatirea parametrilor tehnici ai turbinelor, la cifre de ordinul 3-4 eurocenti pe kilowatt ora.- Un alt dezavantaj este si “poluarea vizuala” – adica, au o aparitie neplacuta – si de asemenea produc “poluare sonora” (sunt prea galagioase). De asemenea, se afirma ca turbinele afecteaza mediul si ecosistemele din imprejurimi, omorand pasari si necesitand terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumente impotriva acestora sunt ca turbinele moderne de vant au o aparitie atractiva stilizata, si ca alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind carbunele, sunt cu mult mai daunatoare pentru mediu, deoarece creeaza poluare si duc la efectul de sera.- Un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere in cazul furtunilor, daca viteza vantului depaseste limitele admise la proiectare.

6. Evaluarea impactului asupra mediuluiFactorii de influenţă diferiţi acţionează fiecare în altă zonă şi în alte

perioade de timp (faza de construcţie, exploatare, dezafectare), de aceea pentru fiecare factor identificat trebuie stabilită în parte zona examinată (zona de impact de principiu) , având în vedere caracteristicile locale ale zonei alese. În această fază de lucru zonele examinate pot fi desemnate în general doar prin evaluare prealabilă sau pe baza experienţei. La stabilirea zonei de influenţă trebuie analizată întinderea fiecărui efect. Unele efecte depind de direcţia vântului (efect de umbrire, propagarea sunetului), cealaltă parte nu (zgomot, periclitarea posibilă a păsărilor în zbor, utilizarea terenului). Printre efecte sunt şi unele care se extind numai pe teritoriul parcului eolian (pericolul potenţial pentru păsările în zbor, modificarea utilizării terenului), respectiv sunt care acţionează şi în afara acestuia (zgomot, efect de umbrire). În cazul parcurilor eoliene cea mai mare zonă de impact este cea a zgomotului, şi uneori cea datorită efectului de umbrire. Trebuie examinat dacă această zonă de influenţă se extinde asupra vreunei zone protejate, sau locuite, respectiv de ce trasee ale păsărilor călătoare este intersectată (şi cât de aproape sunt ele de teritoriul efectiv al parcului eolian). În zonele protejate care vor fi expuse mai târziu poluării sonore de către investiţie, trebuie efectuate verificări ale nivelului poluării sonore, care vor constitui baza de comparare a sarcinii ulterioare amplasării. Din punctul de vedere al eficienţei activităţii nu trebuie neglijat analizarea activităţii vântului în zona de influenţă.

Factorii de influenţă ai activităţii (construire, execuţie, desfiinţare) care vor acţiona asupra mediului sunt emisiile, respectiv utilizările de substanţe şi energie, afectate fiind elementele de mediu (aerul, apa, solul, fauna şi flora, mediul artificial şi oamenii) şi habitatele (ecosistemele, mediul locuit, peisajul). Din punct de vedere al lumii vieţuitoarelor, factori de influenţă sunt considerate efectele survenite ca urmare a utilizării elementelor tehnologice (construire, exploatare, desfiinţare) care fie direct, fie în mod indirect influenţează agenţii afectaţi amintiţi anterior. Influenţele directe îşi exercită efectele imediat, în timp

70

ce influenţele indirecte vor acţiona prin intermediul altor elemente ale mediului. În timpul amplasării, exploatării şi desfiinţării parcului eolian proiectat se vor face simţite diferite influenţe, care vor afecta diferiţi agenţi, motiv pentru care vom analiza separat trei cazuri. Repararea drumurilor agricole, rezolvarea alimentării cu energie, construirea şi montajul tehnologic vor conduce la poluarea cu praf a mediului imediat înconjurător, poluarea probabilă a solului, precum şi la apariţia zgomotului şi deşeurilor. Pe durata lucrărilor de construcţii circulaţia crescută de autovehicule poate provoca poluarea aerului şi poluarea fonică a zonelor locuite implicate şi a altor zone. Odată cu finalizarea lucrărilor de construcţii şi montaj tehnologic, aceste efecte dispar. După dezafectarea parcului eolian vor urma lucrări de demolare şi recultivare, caz în care vom examina efectele şi agenţii afectaţi avuţi în veder şi pe durata construcţiei.

7. Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră datorată utilizării energiei eoliene

În 1997, la Kyoto, Uniunea Europeană EU-15 şi-a asumat angajamentul de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră cu 8% în perioada 2008 – 2012, raportat la nivelul înregistrat în 1990. Bioxidul de carbon este, de departe, cel mai important dintre cele 6 gaze care produc efect de seră, proporţia lui fiind de 82% din totalul emisiilor înregistrate în U.E. la nivelul anului 2000. În acest an, totalul emisiilor de GHG în U.E. a fost cu 3,5% mai mic decât în 1990, nivelul CO2 fiind cu 0,5 % mai mic. Se presupune că, în 2000, la nivelul Uniunii s-a atins scopul de stabilizare a emisiilor de GHG la valoarea din 1990, aportul principal fiind adus de restructurarea economiei din Germania de Est. Un raport al Comisiei Europene, publicat în 2002, arată că, menţinându-se acelaşi set de măsuri, U.E. nu-şi va putea atinge ţinta asumată prin Protocolul de la Kyoto. Acest raport a fost cel care a confirmat necesitatea aplicării Directivei 2001/77/EC. În afară de Germania, doar Suedia şi Marea Britanie par a fi pe cale de a-şi respecta ţintele stabilite individual pentru fiecare Stat Membru, conform tabelului de mai jos.

71

Există diferite moduri de a stabili emisiile de CO2 care pot fi evitate prin producerea energiei electrice folosind puterea vântului. Totul depinde de tipul combustibilului fosil care nu este folosit exact în momentul în care centralele eoliene debitează energie în sistemul naţional. Există diferenţe semnificative de la un Stat Membru la altul. Pentru Uniunea Europeană, în integritatea ei, se poate presupune că fiecare kWh produs pe calea utilizării energiei eoliene se substituie unui kWh produs prin arderea unei mixturi de combustibili fosili, respectiv petrol, gaz natural şi cărbune, exact în momentul producţiei. Este evident că, în perioada 2000 – 2010, această mixtură de combustibili fosili îşi va modifica proporţia de participare a fiecăruia în parte. Conform datelor furnizate în 2000 de I.E.A. (International Environment Agency) combustibilii fosili au generat în U.E. 1.315 TWh energie electrică, provocând emisia a 981 milioane tone de CO2. Ca o consecinţă, se poate spune că 1 TWh de energie produsă prin utilizarea centralelor eoliene, ar putea anula producerea a 0,75 milioane tone CO2. Proiecţia pentru 2010 a I.E.A. presupune că prin arderea combustibililor fosili se va produce cantitatea de 1.671 TWh energie electrică şi se va emite în atmosferă cantitatea de 1.084 milioane de tone CO2. Reducerile anuale de emisii CO2 sunt date în graficul de mai jos:

72

8. Sisteme eoliene la scară mică

Energia eoliana este printre formele de energie regenerabila care se preteaza aplicatiilor la scara redusa. Instalaţiile eoliene la scară mică sunt sisteme de generare a curentului cu o capacitate de producţie de până la 50 kW. Comunităţile izolate, care altfel se pot baza doar pe generatoare diesel pot folosi turbine eoliene pentru a înlocui consumul de combustibil diesel. Persoanele fizice pot achiziţiona aceste sisteme pentru a reduce sau elimina dependenţa lor de reţeaua de energie electrică pentru motive economice sau de altă natură.

73

Turbină cu ax vertical 5 kw Turbină cu ax orizontal 3 kw Turbină cu ax vertical 10 kw

Turbinele eoliene au fost utilizate pentru producerea de energie electrică de uz casnic în special prin depozitarea acesteia în acumulatoare în zone izolate. Turbinele eoliene conectate la reţea pot folosi sisteme de stocare a energiei de tip acumulatoare sau pot să introducă energia produsă în reţea. Turbinele eoliene care nu sunt conectate la reţea nu produc energie tot timpul astfel că utilizatorii trebuie să fie adaptaţi la utilizarea energiei intermitent, să acumuleze

74

energia in acumulatori sau să utilizeze alternativ şi alte surse de energie (generatoare diesel, energie fotovoltaică, etc). Un nou studiu Carbon Trust despre potenţialul energiei eoliene de mici dimensiuni a descoperit că turbinele eoliene mici ar putea oferi până la 1.5 terawatt oră (TW•h) pe an de energie electrică (0,4% din consumul total de energie electrică din Regatul Unit), reducând emisiile de dioxid de carbon cu 0,6 milioane de tone. Interfeţele electronice necesare pentru conectarea unităţilor de producţie din surse regenerabile cu sistemul de utilitate poate include funcţii suplimentare, cum ar fi filtrarea activă pentru a îmbunătăţi calitatea energiei electrice. Cand viteza vantului este suficienta, turbina eoliana produce energie electrica care poate fi utilizata pt. alimentarea sistemului sau incarcarea bateriilor. Cand nu bate vantul, sistemul este alimentat de energia stocata in baterii. Modulele fotovoltaice pot fi utilizate in combinatie cu generatorul eolian sau ca surse individuale. Utilizand  astfel de sisteme, se poate produce propria energie in mod gratuit si absolut ecologic in orice loc! Sistemele eoliene sunt proiectate in jurul unei magistrale de curent continuu care formeaza punctul comun de conectare pentru toate sursele si sarcinile de curent continuu. Controlul pe curent continuu este format dintr-un Centru de Putere de curent continuu care include siguranţe electrice de protectie, sisteme de control, supraveghere si monitorizare a instalaţiei. Turbinele de vant şi modulele fotovoltaice sunt conectate la Centrul de Putere prin regulatoare de incarcare separate. Tot la Centrul de Putere sunt conectate o baterie sau grup de baterii ce asigura pe termen scurt stocarea de energie (de obicei 0,5 – 2 zile).Invertorul sau orice sarcina electrica consumatoare de curent continuu sunt si ele conectate tot la Centrul de Putere. Generatorul de rezerva diesel incarca bateriile printr-un regulator de incarcare. Generatorul de avarie poate fi comandat sa porneasca si sa se opreasca automat de catre Centrul de Putere. Sistemul de generare de energie electrica pentru zone izolate incorporeaza una sau mai multe turbine de puteri diferite. Turbinele furnizează putere variabila care se transforma in invertor, in tensiune alternativa constanta 230 V si frecventa constanta 50 Hz, folosita pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ. Excesul de putere se acumuleaza in baterii pana ce acestea sunt încărcate. In perioadele cu vant slab, energia acumulata in baterii alimenteaza consumatorii via invertor.Daca tensiunea din baterii scade sub un anumit nivel, porneste automat generatorul Diesel de rezerva, care functioneaza pana ce bateriile sunt incarcate. Incarcarea bateriilor este controlata de proprietatea acestui tip de invertor de a fi bi-modal. In sistemele mai mari, invertorul se poate sincroniza cu generatorul de rezerva pentru preluarea varfurilor de sarcina mari. In acest fel, timpul de functionare al generatorului este mentinut la minimum si combustibilul este folosit optim in timpul functionarii generatorului de rezerva. Tensiunile alternative de iesire pot fi monofazate de 230V AC sau trifazate 380 V AC si 50 Hz.

75

Exemple de turbine verticale şi orizontale de putere mică SunAir

9. Perspectivele tehnologice Unde se va opri aceasta cursa a noutatilor tehnice din domeniul instalatiilor eoliene?Un prim raspuns poate fi adus de premisa ca nu poate fi nelimitat acest progres tehnologic. Teoretic vorbind, exista un prag fizic fata de capacitatile productiei de energie eoliana, fapt definit chiar de “legea lui Betz“ formulata in 1919 de fizicianul german Albert Betz. Conform acesteia, doar 59% din energia cinetica adusa de curentii de aer poate fi recuperata maximal, spre a fi convertita in energie mecanica primara. Avand in vedere ca instalatiile moderne, de ultima generatie (care beneficiaza de modernizarile deosebite mentionate mai sus) se apropie deja de 50%, marja de manevra a cercetatorilor ramane inca importanta, dar nu infinita. Pentru obtinerea, in continuare, de noi performante, cele mai multe idei converg tot catre ameliorari aerodinamice. Astfel, cercetarile actuale vizeaza nu numai caracteristicile palelor, ci rotorul in ansamblul sau. Modelarea acestuia poate aduce noi progrese si, implicit, noi performante. Mai bine utilizat, fluxul de aer din jurul nacelei poate conduce, intr-un viitor apropiat, la cresterea de la 10% la 20% a randamentului local de curgere si la o mai mare reducere a zgomotului produs de intreaga instalatie. Fata de vacarmul pe care il produceau cu 20 de ani in urma, instalatiile moderne aduc o poluare sonora de numai 44 dB la 250 m distanta de piciorul stalpului, nu mai mult decat zgomotul dintr-o sala de mese. Pentru aceasta nacela a fost capitonata interior cu materiale fonoabsorbante, “cutia de viteze” a disparut, iar multiplicatoarele freaca mai putin.

Ramane insa un deziderat aproape imposibil de realizat de catre cercetatorii care lucreaza in domeniul instalatiilor de produs energie eoliana, anume acela de a face ca acestea sa se incadreze in peisajul ambiant. Numai ca gigantismul la care s-a ajuns in prezent ofera ca singura solutie posibila aceea de a le “transporta“ in afara localitatilor si deci a vizualizarii de catre cetateni. De aici a aparut si posibilitatea, pentru tarile limitrofe marilor si oceanelor, de a amplasa grupe de asemenea instalatii gigantice, dincolo de tarm (asa-numitul offshore), realizandu-se astfel adevarate ferme eoliene marine.

76

10. Puterea eoliană instalată şi predicţii până în 2020In ultimii ani, utilizarea energiei eoliene a consemnat un progres deosebit.

Astfel, intre 1995 – 2005, rata anuala de crestere a fost de cca 30%, conducand la o putere instalata totala noua de 32.000 MW, adica dublu decat in domeniul energiei nucleare din aceeasi perioada. In ultimii 25 de ani, eficacitatea energetica s-a dublat, iar costul unui kWh produs a coborat de la 0,7 euro la circa 0,32 euro in prezent.

Potrivit studiului realizat de Asociatia Europeana a Energiei Eoliene, cel mai mare producator de energie eoliană in UE este Germania cu 25.777 MW instalati in 2009, fiind urmata de Spania cu 19.149 MW si de Italia cu 4.850 MW. Polonia avea anul trecut 725 MW instalati, Ungaria- 201 MW, Bulgaria- 177 MW. Viteza vântului este luată la 80 m, deoarece aceasta este înălţimea turbinelor moderne de 1500 kW, cu un diametru de 77m.La nivel global, circa 13% din toate staţiile meteorologice raportează viteze medii anuale ale vântului la 80m ≥ 6.9 m / s (puterea vântului fiind de clasa 3 sau mai mare). Zonele respective, prin urmare, pot fi considerate potrivite pentru producerea de energie eoliană cu cost redus. Această estimare este considerată a fi conservatoare.De pe toate continentele, America de Nord are cel mai mare număr de staţii din clasa ≥ 3 (453) şi Antarctica are cel mai mare procent (60%). Zonele cu potenţial mare se regăsesc în Europa de Nord de-a lungul Mării Nordului, vârful de sud a continentului sud-american, insula Tasmania în Australia, regiunea Marilor Lacuri, precum şi coastelor de nord-est şi nord-vest a Americii de Nord.

Harta potenţialului eolian mondial, cu vânturile la 80 m

77

Harta potenţialului eolian cu vânturile medii la 80 m pentru Europa

78

Harta potenţialului eolian din România, cu vânturile la 50 m

Harta potenţialului eolian din România elaborată pentru diferite condiţii topografice este ambiguă, poate chiar voit ambiguă. De exemplu sunt reprezentate cu aceiaşi culoare zone care au un potenţial eolian diferit. Astfel, în zona litoralului, reprezentată cu violet, puterea vântului este > 8,5m/s iar în Munţii Făgăraş, reprezentaţi tot cu violet, puterea vântului este > 11,5m/s. O turbina eoliana lucreaza într-un mod opus celui al unui ventilator. În loc de a folosi energie electrică pentru a face vânt, o turbina eoliana foloseşte vântul pentru a produce electricitate.Vântul întoarce paletele, care acţionează un arbore, care se conectează la un generator de energie electrică şi produce electricitate. Energia electrică este trimisă prin linii de transport şi distribuţie la o staţie.

11. Energia eoliană în România Energia eoliana reprezinta "domeniul cel mai exploziv" din punct de vedere al investitiilor in Romania, a declarat Ionel David, public affairs manager la Asociatia Romana pentru Energie Eoliana. Potrivit acestuia, in urmatorii ani, Romania are sanse sa ajunga pe primul loc in Europa Centrala si de Est in privinta capacitatii de productie a energiei eoliane. Insa exista o problema. Cererile de racordare din partea investitorilor depasesc de aproape patru ori capacitatea sistemului energetic national de preluare a energiei eoliene. Cererile

79

de racordare din partea investitorilor la Sistemul Energetic National insumeaza o putere de peste 11.000 megawatti (MW), potrivit unei informatii transmise de compania de transport electricitate Transelectrica. In situatia actuala, sistemul energetic national poate prelua aproximativ 3.000 MW putere instalata. Practic, doar un sfert din cererile de racordare din acest moment ar avea sanse sa se concretizeze. Potrivit Transelectrica, se fac eforturi pentru cresterea capacitatii de transport a energiei. Pana in prezent, Transelectrica a semnat contracte de racordare pentru o putere de 3559,2 MW si avize tehnice de racodare pentru o putere de 4.850 MW. Pentru racordarea la retea, au fost semnate peste 100 de contracte. Chiar daca potentialul este mare, deocamdata, investitiile realizate efectiv in acest sector sunt inca reduse. La inceputul anului 2010, erau instalati doar 14,1 megawati de energie produsa de turbine eoliane. Cu cei 14 MW, Romania se situa in 2009 pe locul 23 in Uniunea Europeana in ceea ce priveste energia produsa de vant, potrivit unui un studiu realizat de Asociatia Europeana a Energiei Eoliene (EWEA). Insa, exista proiecte in stare avansata si pana la sfarsitul anului 2010 se estimează că puterea instalata in centralele eoliene ar putea ajunge la 650 MW. Capacitatea instalata ar putea creste in fiecare an cu cate 500-600 MW. Pentru o comparatie, mentionam ca reactoarele 1 si 2 de la Cernavoda au fiecare instalata o putere de circa 700 MW. Pentru fiecare MW, sumele necesare sunt cuprinse intre 1,6 si 1,8 milioane de euro. Astfel, in 2010, investitiile ar putea depasi un miliard de euro in cazul in care fi puse in functiune centrale cu o capacitate de 650 MW. In Romania, zonele cele mai vanate de investitori sunt cele din Dobrogea. Mai sunt cateva zone potrivite care sunt căutate în afara de Dobrogea: partea de est a Moldovei (Iasi, Vaslui, Galati) si în Caras-Severin. Trebuie sa existe cateva caracteristici: vant, retele electrice apropiate si teren plat. Marile grupuri energetice din Europa sunt interesate sa construiasca parcuri eoliene in Romania. Printre companiile mari care au proiecte avansate în România se numără CEZ, Iberdrola, Enel, Energias de Portugal şi Petrom, investiţiile acestora însumând aproape patru miliarde de euro. Anul acesta se aşteaptă punerea în funcţiune a unor capacităţi eoliene cu puteri între 400 şi 600 de MW. Dintre proiectele avansate din Romania putem numi pe cel al grupului CEZ care investeste 1,1 miliarde Euro in realizarea unui mare parc eolian, cu o putere totala instalata de 600 MW. Parcul Eolian CEZ de la Fantanele si Cogealac va avea dublul capacitatii instalate a celui mai mare parc operational in prezent (Parcul eolian Whitelee, Scotia, 322 MW). Primele 139 turbine eoliene cu o capacitate de 347,5 MW urmeaza sa fie complet puse in functiune pana la sfarsitul anului 2010. De asemenea, compania Iberdrola Renovables din Spania a anuntat in aceasta primavara ca a primit de la transportatorul national de electricitate Transelectrica drepturile de a dezvolta proiecte de productie energie electrica din surse eoliene de 1.500 MW, in Dobrogea, compania intentionand sa dezvolte 50 de ferme eoliene intre 2011 si 2017. Nici compania Italia nu se lasa mai prejos si va incepe in acest an constructia unui parc eolian de 140 MW in

80

comuna Valea Nucarilor, din judetul Tulcea. In 2010, vor fi puse in functiune 40 MW din acest parc eolian. România va deveni principalul actor din Europa de Sud-Est în domeniul energiei eoliene, în următorii trei ani, când vor fi instalate capacităţi cuprinse între 1.800 şi 3.300 MW. Costul estimat pentru instalarea unui MW eolian este cuprins între 1,6 şi 1,8 milioane de euro, ceea ce înseamnă că proiectele eoliene pe care le estimează Asociaţia pot necesita investiţii între trei şi şase miliarde de euro. Autoritatea Nationala de Reglementare in Domeniul Energiei (ANRE), a autorizat 20 de companii pentru desfasurarea activitatilor de constructii, montaj si punere in functiune aferente realizarii de noi capacitati energetice eoliene.

12. Noua lege a energiei regenerabile din 2010 Directiva europeană privind promovarea resurselor regenerabile de energie stabileşte o ţintă de 20% pentru ponderea energiei nepoluante în consumul total de electricitate din anul 2020 la nivel comunitar. România şi-a luat însă angajamentul de a ajunge la o pondere de 24%. Aceasta în condiţiile în care, în 2005, hidrocentralele şi biomasa folosită în mediul rural produceau deja energie nepoluantă care înseamna 17% din consum.Prin legislaţia elaborată mai demult, producătorii de energie regenerabilă primeau câte un certificat verde pentru fiecare MWh livrat în reţea, certificate pe care le pot valorifica pe o piaţă specializată. În acelaşi timp, furnizorii sunt obligaţi să cumpere un anumit număr de certificate, proporţional cu energia comercializată. Însă, de atunci, s-au construit doar câteva turbine eoliene şi hidrocentrale mici. Astfel că România a schimbat legislaţia care încuraja investiţiile în acest domeniu, acordând mai multe certificate verzi producătorilor prin Legea 220 din 2008, act normativ care nu a putut fi aplicat din lipsa avizului Comisiei Europene.La mijlocul lunii iunie 2010, parlamentarii au aprobat modificarea legii, clarificând anumite aspecte care au făcut imposibilă aplicarea ei până acum şi, totodată, majorând numărul certificatelor pe care le primesc investitorii. Astfel, producătorii de energie eoliană primesc două certificate verzi până în 2017 şi unul din 2018 pentru fiecare MWh livrat în reţea. Pentru energia electrică produsă în microhidrocentralele noi, producătorii au dreptul la trei certificate pentru fiecare MWh, două certificate dacă microhidrocentralele sunt retehnologizate şi un astfel de document pentru 2 MWh, dacă centralele nu au fost modernizate. Pentru producerea de energie din biomasă, biogaz şi sursă geotermală se acordă trei certificate. Cele mai multe astfel de documente, respectiv şase, vor primi producătorii de energie electrică solară (energie fotovoltaică), întrucât investiţiile în acest fel de centrale sunt foarte mari. Noul act normativ stabileşte şi faptul că furnizorii trebuie să achiziţioneze certificate verzi echivalent cu 8,3% din energia comercializată în acest an, urmând ca ponderea să crească la 20% în 2020. Un certificat verde se va putea tranzacţiona la o valoare cuprinsă între 27 şi 55 de euro.

81

Noua lege a energiei regenerabile, Legea 139/2010, reprezentând o variantă modificată a Legii 220 din 2008, a fost promulgată de preşedintele Traian Băsescu. Prevederile ei vor fi aplicate, însă, abia spre sfârşitul anului, după elaborarea legislaţiei secundare şi după avizul Comisiei Europene de Energie Regenerabila.Legislaţia pe care a pregătit-o România este una dintre cele mai avansate şi atractive din Europa. Într-adevăr, luând doar exemplul eolienelor, preţul obţinut de producători pentru un MWh va fi triplu faţă de energia tradiţională, întrucât, la preţul propriu-zis al energiei, de circa 35 de euro, se adaugă valoarea celor două certificate verzi.Însă şi costurile instalării unui MW eolian sunt duble faţă de o centrală clasică, ajungând la 1,6-1,8 milioane de euro. Dacă vorbim de energia fotovoltaică, preţul acesteia creşte chiar de şapte ori faţă de energia clasică, însă şi costurile instalării unui astfel de echipament sunt pe măsură. Cine plăteşte toate aceste stimulente? Toţi consumatorii din România, inclusiv populaţia. Potrivit calculelor din ziarul „Adevărul”, în momentul în care vor fi instalate capacităţi eoliene de 4.000 de MW, cât este capacitatea de preluare a actualului sistem energetic naţional, suma necesară pentru acordarea stimulentelor pentru producători va depăşi 700 de milioane de euro pe an, în cazul în care certificatele vor fi tranzacţionate la valoarea lor maximă. Astfel că fiecare din cei 8,5 milioane de consumatori de energie din România vor contribui la susţinerea eolienelor cu 80 de euro anual, prin preţul final al energiei. Noua lege oferă şi posibilitatea persoanelor fizice de a beneficia de această schemă de sprijin, nu doar firmelor. Orice persoană are posibilitatea, prin această lege, să producă energie şi să beneficieze de certificate verzi. Acest lucru apare ca o compensare a faptului că toţi consumatorii vor trebui să susţină energia verde. Chiar şi aşa, procesul de realizare a unei astfel de investiţii este greoi, fiind necesare 47 de aprobări de la peste 20 de instituţii în cazul eolienelor. Întregul lanţ de avizare durează foarte mult, chiar şi 18 luni. Pot trece trei ani până la finalizarea proiectului.