|
|
|
Problema energiei constituie in prezent o problema cheie a economiei mondiale. Cresterea economica mondiala este amenintata de realitatea dura a epuizarii rezervelor mondiale de petrol, gaze naturale, carbune, combustibil nuclear si de explotare nerationala a padurilor care se regenereaza in ritm mail lent decat se defriseaza.
Epuizarea resurselor primare de energie impune necesitatea reevaluarii surselor noi si regenerabile de energie.
Printr-o strategie de dezvoltare energetica a Romaniei se poate asigura cresterea sigurantei in alimentarea cu energie si limitarea importului de resurse energetice, in conditiile unei dezvoltari economice accelerate. Aceasta cerinta se poate realiza, pe de o parte, prin implementarea unei politici sustinute de conservare a energiei, cresterea eficientei energetice care sa conduca la decuplarea ritmului de dezvoltare economica de evolutia consumului de energie, concomitent cu cresterea gradului de valorificare a surselor regenerabile de energie.
Sursele regenerabile de energie (SRE) sunt surse existente in mediul ambiant, care pot sa se regenereze continuu sau cu o periodicitate oarecare, consumul carora nu duce o posibila epuizare.
Energia regenerabila are un avataj fata de celelalte forme de energie - ea este nelimitata si practic nepoluanta. In cazul folosirii surselor regenerabile de energie fluxul de energie, provenit din mediu ambiant, se transforma intr-o alta forma de energie, necesara consumatorului si apoi se reintroarce in acelasi mediu, echilibrul termic al acestuia nefiind afectat, atmosfera nu este poluata cu gaze cu efect de sera.
O influenta asupra luarii deciziei cu privire la utilizarea SRE o are calitatea acesteia. Termenul de calitatea sursei de energie exprima partea de energie a sursei, care poate fi transformata in energie mecanica. De exemplu, energia electrica se considera de o mare calitate, deoarece cu ajutorul motorului electric circa 90% poate fi transformata in energie mecanica. In numeroase locuri de pe Pamant, Soarele are posibilitatea de solutionare a necesitati de energie care devine din ce in ce mai accentuata odata cu cresterea populatiei globului si ridicarea standardului sau de viata, simultan cu epuizarea surselor conventionale.
Energia solara reprezinta una din potentialele viitoare surse de energie, folosita fie la inlocuirea definitiva a surselor conventionale de energie cum ar fi: carbune, petrol, gaze naturale, etc, fie la folosirea ei ca alternativa la utilizarea surselor de energie conventionale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind in momentul de fata cea mai raspandita utilizare din intreaga lume [20].
Utilizarea energiei solare apare din timpurile istoriei ca prezenta in viata oamenilor sub diferite forme: arma, curiozitate, utilizare efectiva; astfel in secolul al III-lea i.H., matematicianul grec Arhimede (287 212 i.H.) a aparat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriase care orientau fasciculele de lumina focalizata spre navele inamice, incendiindu-le.
In 1767, apare si termenul de energie termo-solara, cand omul de stiinta elevetian Horace de Saussure a inventat "cutia fierbinte", in fapt cel dintai colector solar, iar in 1830 astrologulSir John Hershel utilizeaza "cutia fierbinte" pentru a gati in timpul unei expeditii in sudul Africii ori in anul 1891 cand are loc patentarea primului sistem comercial de incalzire a apei de catre Clarence Kemp.
Energia solara - este energia soarelui utilizata de om la producerea caldurii, electricitatii, energiei chimice si mecanice. Energia primara a soarelui trece in energia consumata de catre om prin patru tipuri de conversie: termica, electrica, chimica si mecanica.
Conversia termica (energia termo-solara) este transformarea directa a radiatiei solare in energie termica (caldura). Stocarea in energie interna este realizata de unele substante lichide, solide si gazoase, numite substante de lucru.
Energia termica acumulata poate fi folosita direct prin incalzire, uscare, sau indirect printr-o conversie secundara in alt tip de energie mecanica sau electrica.
Conversia electrica (energia fotovoltaica) utilizeaza proprietatile unor materiale semiconductoare de a transforma direct energia radianta in energie electrica de curent continuu.
Conversia chimica (fotochimica) permite stocarea energiei solare in energie chimica. Cel mai eficient proces fotochimic este fotosinteza, prin care plantele verzi produc substante organice.
Prin arderea acestora, energia chimica stocata se reconverteste in energie termica, care poate fi utilizata direct pentru incalzire sau indirect in masini termice (arderea lemnului, spre exemplu). Conversia mecanica este un proces de transformarea directa a energiei solare in energie mecanica printr-un transfer de impuls intre fotoni (particule activate in urma influentei razelor solare) si organele de lucru sau indirect cu ajutorul motoarelor solare in care energia solara se transforma in energie mecanica prin intermediul energiei termice ca, spre exemplu, pompele solare de apa.
Dintre toate sursele de energie care intra in categoria surse ecologice si regenerabile cum ar fi: energia eoliana, energia geotermala, energia mareelor; energia solara se remarca prin instalatiile simple si cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi in jur de 100°C.
De aceea, este deosebit de atractiva ideea utilizarii energiei solare in scopul incalzirii locuintelor si se pare ca acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare in urmatorul secol.
Tehnologia echipamentului pentru instalatiile solare de incalzire a cladirilor este deja destul de bine pusa la punct intr-o serie de tari ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.
Energia solara termica se bazeaza pe producerea de apa calda utilizata in cladiri, sau in scopul de a permite actionarea turbinelor ca si in cazul centralelor termice clasice, pentru productia de electricitate.
Aceasta tehnica de a produce electricitate se aplica in cazul centralelor experimentale cu randamentul net intr-adevar mic, de 15%. Apele de suprafata ale marilor sunt in mod natural incalzite de soare, ceea ce reprezinta un imens rezervor de energie in zonele tropicale.
Proiectele de extractie a acestei "energii termice a marilor" au la baza actionarea diferitelor masini termodinamice. Acestea functioneaza pe baza diferentei de temperatura dintre apa de suprafata (25 pana la 30°C) si apa de adancime (5°C la 1000 m adancime).
Pentru ca aceasta solutie sa fie practica ar trebui ca diferenta de temperatura sa fie mai mare 20°C, dar randamentul de 2% este foarte slab.
Energia solara fotovoltaica se bazeaza pe producerea directa de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu.
Atunci cand straluceste si atunci cand conditiile climatice sunt favorabile, Soarele furnizeaza o putere de 1kW/m2. Panourile fotovoltaice permit convertirea directa in electricitate a 10 15% din aceasta putere.
Productia de energie a unui astfel de panou variaza odata cu cresterea sau scaderea intensitatii solare: 100kWh/m2/an in Europa de Nord, iar in zona mediteraneana este de doua ori mai mare.
Un acoperis fotovoltaic de 5 4 metri are o putere de 3 kW si produce 2 6 MWh/an. Daca cei 10000 km2 de acoperis existenti in Franta ar fi utilizati ca generator solar, productia ar fi de 1000TWh pe an, aproape dublul consumului final de electricitate in Franta la inceputul anilor 2000 (450 TWh).
Principalele obstacole in utilizarea pe scara larga a energiei solare fotovoltaice (si termice) le reprezinta, pe de o parte disponibilul de putere furnizata, care constrange la stocarea electricitatii pentru o functionare autonoma sau la utilizarea de solutii energetice complementare, iar pe de alta parte competitivitatea economica.
Soarele este o stea de marime mijlocie, avand raza egala cu 695000 km si un volum de 1,42·1018 km3. Distanta medie dintre Soare si Pamant este luata ca unitate de masura in astronomie si are valoarea de 149450000 km; distanta maxima se atinge la 4 iulie (la afeliu 1,52·108 km), iar distanta minima la 2 ianuarie (la periheliu 1,47·108km) [5].
Aceasta distanta este parcursa de radiatia luminoasa in cca. 8 minute, cu o viteza de 300000 km/s. Raportul intre raza Soarelui si a Pamantului este 109, iar raportul intre volumele lor este de 1,3·106. Densitatea medie a materiei din care este constituit Soarele este de 1,4 g/cm3, deci de 1,4 ori mai mare decat densitatea apei.
Intr-un interval de 20 de minute, Soarele furnizeaza echivalentul consumului energetic anual al omenirii. Pe teritoriul Romaniei, pe o suprafata orizontala de 1m2, putem capta anual o cantitate de energie cuprinsa intre 900 si 1450 kWh, dependenta bineinteles si de anotimp.
Radiatia medie zilnica poate sa fie de 5 ori mai intensa vara decat iarna. Dar si pe timp de iarna, in decursul unei zile senine, putem capta 4 5 kWh/m2/zi, radiatia solara captata fiind independenta de temperatura mediului ambiant. In urma reactiilor termonucleare de transformare a hidrogenului in heliu care au loc in Soare la o temperatura de cca. 20 000 000 sC, se degaja in mod continuu in spatiul cosmic un flux de energie radianta de cca. 8,8·1025cal/s.
Se considera ca activitatea Soarelui se poate mentine la nivelul actual inca 5.000.000.000 ani, deoarece peste 50% din masa solara este alcatuita din hidrogen, care urmeaza in decursul acestor ani sa se transforme in heliu.
Spectrul solar poate fi impartit in trei regiuni de baza:
radiatia ultravioleta (ls< 0,38 mm) - 7%;
radiatia vizibila (0,38 mm <ls< 0,78mm) - 47,3%;
radiatia infrarosie (ls> 0,78 mm) - 45,7%.
Din punct de vedere energetic, partea ce-a mai importanta a energiei solare din afara atmosferei se gaseste in intervalul spectral 0,20 4,00mm.
Radiatia cu lungime de unda mai mare de 2,5mm este neglijabil de mica si de aceea energia solara este considerata ca radiatie de unde scurte.
In figura 1.3 se prezinta distributia puterii radiante spectrale pentru doua cazuri: radiatie extraterestra, adica la granita de sus a atmosferei si la nivelul marii (unghiul θz = 48 , unghiul de ridicare a soarelui deasupra orizontului h = 42
Se constata o absorbtie puternica a radiatiei ultraviolete in banda cu lungimea de unda mai mica de 0,3 μm de catre moleculele de ozon (stratul de ozon este ecranul protector a biosferei de razele ucigatoare ultraviolete), o transparenta mare a atmosferei in banda vizibila si o absorbtie puternica a radiatiei in banda infrarosie a spectrului. Altfel spus, atmosfera terestra este transparenta pentru radiatia in banda vizibila si opaca - in banda infrarosie.
Fig. 1.3. Distributia spectrala a densitatii de putere radianta
Cantitatea de energie care vine de la Soare, si cade in unitatea de timp pe o suprafata unitara, dispusa perpendicular pe razele solare, la distanta de o unitate astronomica (149450000km) de la centrul Soarelui, se numeste constanta solara (E0). C. G. Abbot a stabilit valoarea constantei solare la 1353w/m2.
In realitate, din cauza excentricitatii orbitei pamantului, radiatia extraterestra variaza. WRC (World Radiation Center) in baza masurarilor efectuate la sfarsitul anilor '90 ai secolului XX, a acceptat valoarea medie a constantei solare egala cu 1367W/m2, cu incertitudinea de 1,0% [23].
Din radiatia primita de Pamant, 31% este reflectata in spatiu cosmic, 46% este absorbita si trimisa spatiului atmosferic sub forma de radiatie in infrarosu, 22,5% este folosita in ciclul de evaporare si precipitatii ale atmosferei si 0,5% se regaseste sub forma de fotosinteza in plante.
Dintre factorii meteorologici, o influenta deosebita asupra radiatiei solare la sol o au: transparenta atmosferei, nebulozitatea, felul norilor, grosimea si pozitia acestora.
Radiatia directa B, (beam or direct radiation), reprezinta radiatia primita de la Soare fara a fi imprastiata de atmosfera. Umbra unui obiect apare numai atunci cand este radiatie directa.
Radiatia difuza D, (diffuse radation), apare atunci cand raza solara trecand prin atmosfera este imprastiata, altfel spus, difuzata in toate directiile. Datorita radiatiei difuze lumina patrunde chiar si prin fereastra orientata spre nord.
Albedo sau radiatia reflectata R (reflected radiation), este radiatia reflectata de suprafata pamantului si care cade pe colectorul solar sau panoul fotovoltaic. In cele mai multe cazuri, aceasta componenta nu se ia in calcule, cu exceptia colectoarelor sau panourilor fotovoltaice bifaciale (ambele suprafete: cea orientata spre Soare si cea orientata spre suprafata pamantului sunt lucrative).
Radiatia solara totala sau globala G (global radiation), reprezinta suma celor trei componente care cade pe o suprafata oarecare.
