Energia Solară

ENERGIA SOLARĂ

Despre Energia Solara si Metode de Captare cu Panouri Solare

Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacţiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu în cuante de energie numite fotoni, care interacţionează cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea exterioară a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este numită constantă solară, a cărei valoare este de 1,37*106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită absorbţiei şi difracţiei energiei solare, când fotonii interacţionează cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbţia naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane şi în plante. Interacţiunea dintre energia solară, oceane şi atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun maşini puternice, uşoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice condiţii meteo, care ataşate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei reţele de distribuţie locală sau regională.

Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi şi energia potenţială a apei din izvoarele de munte şi râuri. Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creşterea biomasei, care poate fi folosită drept combustibil incluzând lemnul şi combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasă.

De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbţie a energiei. Ca rezultat al absorbţiei energiei solare în oceane şi curenţi oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variaţii verticale se apropie de 20 C pe o distanţă de câteva sute de metri. Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatură mai mare şi transferând o cantitate mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferenţa între aceste două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-un fluid care pune în funcţiune un sistem de conversie a energiei electrice convenţionale.

În continuare vom prezenta câteva dintre aceste dispozitive de captare a energiei solare:

A. Panourile solare

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescută datorită transferului de căldură. Energia transferată fluidului purtător este numită eficienţă colectoare instantanee. Panourile solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cât mai mare. În general, sunt capabile să încălzească lichidul colector până la 82 C cu un randament cuprins între 40 şi 80%.

Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru încălzirea apei şi a locuinţelor. Acestea înlocuiesc acoperişurile locuinţelor. În emisfera nordică, ele sunt orientate spre sud, în timp ce în emisfera sudică sunt orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde de latitudinea la care se găseşte instalaţia respectivă. În general, pentru dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt înclinate la un unghi egal cu latitudinea la care se adună sau se scad 15 şi sunt orientate spre sud respectiv nord.

În plus, panourile solare folosite la încălzirea apei sau a locuinţelor prezintă pompe, senzori de temperatură, controllere automate care activează pompele şi dispozitivul de stocare a energiei. Aerul sau chiar un lichid pot fi utilizate ca fluide în sistemul de încălzire solară şi un acumulator sau un rezervor cu apă, bine izolate, sunt folosite de obicei ca medii de stocare a căldurii. În anexa 1 este prezentată schema simplificată a unei locuinţe care foloseşte pentru încălzire sau răcire astfel de panouri solare.

B. Captatoare de energie

Pentru aplicaţii cum sunt aerul condiţionat, centrale de energie şi numeroase cereri de căldură, panourile solare nu pot furniza fluide colectoare la temperaturi suficient de mari pentru a fi eficiente. Ele pot fi folosite ca dispozitive de încălzire în prima fază, după care temperatura fluidului este apoi crescută prin mijloace convenţionale de încălzire. Alternativ, pot fi folosite colectoare mai complexe şi mai scumpe. Acestea sunt dispozitivele care reflectă şi focalizează razele solare incidente într-o zonă mică de captare. Ca rezultat al acestei concentrări, intensitatea energiei solare este mărită şi temperatura care poate fi atinsă poate ajunge la câteva sute sau chiar câteva mi de grade Celsius. Această captatoare trebuie să se mişte după cum se mişcă soarele, pentru a funcţiona eficient şi dispozitivele utilizate se numesc heliostate.

Captatoarele solare tot mai avansate fac posibilă captarea unei călduri solare din ce în ce mai ridicate. Se preconizează că aceste tehnologii vor conduce la o scădere a costurilor de generare a electricităţii. Temperaturile până la 400 C sunt captate cu ajutorul panourilor solare. Captatorul solar colectează temperaturi între 400 C şi 1500 C, iar celulele fotovoltaice reuşesc să capteze temperaturi peste 1500 C.

C. Celule fotovoltaice

Celulele solare făcute din cristale de silicon, arsenicat de galiu şi alte materiale semiconductoare, transformă direct radiaţia solară în electricitate. Prin conectarea unui număr mare de celule fotovoltaice, costul electricităţii fotovoltaice a fost redus la 30 de cenţi/KWh, adică de două ori mai mare decât rata pe care oraşele mari din Statele Unite o plăteau pentru electricitate în 1989.

Aceste dispozitive stau la baza unor aplicaţii care variază de la sisteme simple şi până la sistemele cele mai complexe. În continuare vom încerca să prezentăm unele dintre aceste aplicaţii şi, de asemenea, vom arăta care sunt avantajele şi dezavantajele folosirii unor astfel de dispozitive.

Captatoarele solare tot mai avansate fac posibilă captarea unei călduri solare din ce în ce mai ridicate. Se preconizează că aceste tehnologii vor conduce la o scădere a costurilor de generare a electricităţii. Temperaturile până la 400 C sunt captate cu ajutorul panourilor solare. Captatorul solar colectează temperaturi între 400 C şi 1500 C, iar celulele fotovoltaice reuşesc să capteze temperaturi peste 1500 C.

Există dispozitive solare utilizate pentru încălzirea, răcirea şi iluminarea clădirilor. O parte dintre acestea au la bază designul arhitectural, care exploatează resursele solare în scopul încălzirii sau răcirii construcţiilor. Ele folosesc însăşi clădirea  pereţii, acoperişurile, ferestrele  pentru a capta, depozita şi distribui energia solară. În ultimul deceniu în Statele Unite au fost construite sute de mii de astfel de clădiri.

Răcirea pasivă este un mijloc care asigură confortul în lunile călduroase. Se utilizează elemente ale clădirii pentru a reduce transferul de căldură prin acoperiş, pereţi şi pentru a ventila şi răcori spaţiile interioare. Răcirea solară poate fi obţinută folosind energia solară ca o sursă de căldură într-un circuit de răcire. O componentă a sistemului de răcire solară, numită generator, cere o sursă de căldură. Pentru că este nevoie de temperaturi de peste 150 C, pentru ca dispozitivele de absorbţie să funcţioneze eficient sunt preferate captatoarele de energie în locul panourilor solare, pentru aceste dispozitive de răcire.