Conform bilanţului energetic, totalul energiei radiante a soarelui absorbite de ȋntreaga suprafaă a Terrei timp de o oră este mai mare decât energia consumată de întreaga umanitate timp de un an. Cantitatea de energie solară care ajunge anual pe suprafaţa Terrei este aproximativ de două ori mai mare decât întreaga energie care ne stă la dispoziţie din toate sursele de energie ne-regenerabile (cărbune, petrol, gaz natural, uraniu) cunoscute.

        

Comparativ, energia solară totală incidentă pe Terra ȋn timp de un an  are valoarea de 89.000 TW (terrawaţi), faţă de alte forme de energie: vânt 870 TW, energie geo-termală 32 TW şi faţă de consumul global de energie 15 TW. Dintre toate energiile regenerabile, cea solară are cel mai mare potenţial. Lumina soarelui este pretutindeni şi ea este calea către viitoarea economie energetică, deoarece:

– se găseste în abundenţă;

– din energia solară se produce direct energie electrică pe baza unei tehnologii nepoluante;

– poate fi produsă şi utilizată într-un domeniu foarte larg, de la un mic panou de afişare a numărului casei până la centrale electrice solare cu puterea de câteva sute de MW (megawaţi);

Energia solară va contribui substanţial la diminuarea concentraţiei de bioxid de carbon din atmosferă, a efectului de „seră” care are un rol major în procesul de încălzire a mediului înconjurător.

Soarele este o sursa de energie inepuizabilă, paşnică şi liberă, aflată la dispoziţia întregii omeniri. Fiecare cetăţean poate produce curent electric cu o centrală fotovoltaică, pentru necesităţile personale sau colective. Producerea curentului electric din energia solară este:

– economică şi regenerabilă;

– nu produce deşeuri;

– protejează mediul înconjurător;

– nu depinde de uzinele electrice convenţionale

Curentul electric solar aduce o notă de siguranţă, deoarece energia solară:

– este dispoziţia tuturor, pe toată suprafaţa Terrei şi în cantităţi nelimitate;

– depăşeşte de mai multe ori necesităţile noastre energetice

Datorită tehnicii modulare, centralele electrice solare au o gamă largă de puteri nominale, astfel încât pot fi specializate pentru diferite utilizari. Centrala electrică solară construită cu module fotovoltaice are garanţie de funcţionare lungă şi amortizarea financiară a investiţiei se realizează în timp relativ scurt. O centrală electrică solară poate funcţiona ani de-a rândul fără cheltuieli de întreţinere. Modulele solare sunt stabile şi nu se uzează. Garanţia de funcţionare a modulelor solare, asigurată de către producator, este de 20 de ani. Energia obţinută din fotovoltaic va contribui substanţial la alimentarea cu energie a populaţiei rurale şi montane, a şcolilor săteşti, a spitalelor şi dispensarelor comunale, a fermelor, cabanelor, caselor de vacanţă, ambarcaţiunilor fluviale şi marine.

Puterea radiaţiei solare maxime incidente pe suprafaţa Terrei pe an este de 1000 W/m², care corespunde la 100 litri motorină. Ca sursă de energie, o suprafaţă de 1000 m² corespunde deci la 100.000 litri de motorină anual. Considerând numai suprafeţele acoperişurilor imobilelor existente, pe care s-ar putea instala centrale fotovoltaice, acestea ar putea contribui o mare cantitate de energie pentru consumul privat. S-a estimat că suprafaţa totală utilizabilă a acoperişurilor caselor din Germania este de 800 km². Dacă randamentul unei centrale fotovoltaice este de 13,5 %, rezultă un potenţial de producere a energiei electrice de ca. 175 TWh (terrawattoră) pe an (1T=Terra=1miliard=1.000.000.000). Această valoare estimativă este egală cu circa 33% din producţia de energie din anul 2001, fără a lua în considerare posibilitatea construcţiei centralelor fotovoltaice pe terenuri virane. Consumul anual mediu de energie electrică a unei familii cu patru persoane este de 3500 kWh. Aceasta energie poate fi produsă cu o centrală solară fotovoltaica cu suprafaţa modulelor solare de 35 m².

Energia solară radiantă primită anual de planeta Terra, la nivelul atmosferei înalte, este de 174 PW (1Peta Watt = 10¹⁵ Watt). Din ea, 51% este absorbită de oceane, mări, lacuri şi uscat, iar 49% este reflectată de atmosferă, nori şi suprafaţa pământului.

Baza fizică a transformării energiei solare în energie electrică este efectul fotoelectric, baza tehnologică este celula fotovoltaică (PV – Photo-Voltaic Cell), iar baza dispozitivului de utilizare este modulul solar, format din mai multe celule PV.

Este regretabilă întârzierea cu care a acţionat tehnologia, industria şi forurile politice internaţionale pentru introducerea energiei solare şi a celorlalte forme de energie regenerabilă, în circuitul energetic mondial.

Scurt istoric a soluţilor teoretice şi practice existente:

– 1905: Albert Einstein publică în premieră un articol despre efectul-fotoelectric. De altfel, în 1921 i se conferă Premiul Nobel pentru Fizică tocmai pentru teoria care explică acest efect.

– 1950: Daryl Chapin, Calvin Fuller şi Gerald Pearson de la Bell Laboratories (USA) realizează o celulă PV pe bază de siliciu, cu un randament de 6%, capabilă să producă în mod continuu energie electrică, sub efectul razelor solare.

– 1958: Tehnologia fotovoltaică este introdusă în programul spaţial SUA, în primul satelit de tip Vanguard pentru producerea energiei electrice;

– 1973: Prima criză a petrolului dă impulsuri puternice dezvoltării tehnologiei celulelor PV.

– 1978: Ministerul Federal al Energiei din SUA a subvenţionat cu 1,2 miliarde US$ cercetarea şi tehnologia modulelor PV şi aplicarea acestora în întreprinderile şi clădirile federale;

– 1990: Siemens AG din München cumpără ARCO-Solar din California, cea mai mare companie producătoare de module PV şi iniţiază cel mai mare proiect tehnologic PVMaT (PV Manufacturing Technology) în domeniu. Au fost incluse cele mai puternice institute de cercetări şi tehnologie din USA şi Europa;

– 1992: La universitatea din South Florida s-a realizat cea mai eficientă celulă PV, cu un randament de 15,89%, prin tehnologia filmelor subţiri;

– 1994: La National Renewable Energy Laboratory (USA) s-a realizat prima celulă PV cu un randament de 30%, dintr-un compus de materiale semiconductoare pe bază de GaInP şi GaAs;

– 1998: Subhendu Guha realizează primul modul solar flexibil, din siliciu amorf, cu aplicaţii în recuperarea energiei solare în clădiri;

– 2000: Astronauţii de pe ISS (International Space Station) încep înzestrarea Staţiei Spaţiale cu panouri PV pentru obţinerea energiei electrice din radiaţia solară. Fiecare aripă cu panouri conţine 32.800 de celule PV;

– 2007: National Renewable Energy Laboratory în colaborare cu Boeing Spectrolab realizează un nou tip de celulă solară numită HEMM (High-Efficiency Metamorphic Multijunction) Concentrator Solar Cell, cu un randament de 40%, adică de două ori mai mare decât al unei celule PV tipice din siliciu.

Radiaţia solară este compusă din mai multe radiaţii care formează un spectru cu mai multe domenii cu frecvenţe diferite, adică din fotoni cu energii diferite.

Celula foto-voltaică

Numită şi Celulă solară, ea este componenta electrică constructivă care transformă direct energia de radiaţie în energie electrică. Mecanismul se bazează pe efectul fotovoltaic, care este un caz particular al efectului fotoelectric.

Watt peak

Deorece puterea electrică produsă de o celulă solară PV depinde de mai mulţi factori, printre care unghiul de incidenţă a radiaţiei solare, care variză în timp, s-a introdus o unitate numită Wp (Watt peak) pentru a se putea face o comparaţie între diferitele celule solare PV, în condiţii standard STC (Standard Test Conditions), adică iradiere cu 1.000 W/m².

Intensitatea radiaţiei solare

Parametrul cel mai important pentru producerea puterii electrice este intensitatea radiaţiei solare.  Acest parametru depinde de condiţiile climatice (numărul de zile cu soare/an, nori, ceaţă) şi de coordonatele geografice ale locului unde este plasată centrala solară. Se apreciază că între 40°N și 38°S valoarea medie a puterii specifice incidente a radiației solare este de 300 W/m². România se găseste între 48°N si 43°N, unde puterea specifică de radiaţie este cuprinsă între 170-200 W/m².

Centrale electrice solare foto-voltaice (PV) în regim mixt

Cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a unei centrale electrice solare este cu module solare plasate pe acoperişul unei case, care transformă radiaţia solară în curent electric continuu (DC, 24V). Acesta este transformat de un convertor în curent alternativ cu tensiune de 220V şi frecvenţă de 50 Hz, care poate fi folosit ori pentru consum propriu, ori poate fi introdus în reţeaua publică.

Atât energia electrică consumată, cât și cea debitată în reţeaua publică sunt măsurate cu contoare electrice. În figura de mai jos este prezentată schema principială de utilizare a unei centrale electrice solare în regim mixt.

  

Modulul foto-voltaic sau generatorul solar transformă radiaţia solară direct în energie electrică. Modulul solar conţine mai multe celule solare. Mai multe module solare legate în serie sau în paralel formează o centrală fotovoltaică. Puterea obținută depinde de numărul modulelor şi de caracteristicile lor electrice, care la rândul lor depind de caracteristicile fizice ale celulelor componente şi de modul cum sunt cuplate între ele.

Puterea unui modul solar.  Un modul cu o putere nominală de 100W va produce 50 Wh în zile de iarnă şi 700 Wh în zile de vară. Pentru cazul Germaniei şi Elveţiei se poate considera că fiecare modul solar cu o putere nominală de 1 Wp, va produce o energie anuală de 1 kWh.

Cât costă instalarea unei centrale electrice solare (PV)? Preţul orientativ al unui KWp pe piaţa europeană este 3.000 € / kWp.

O centrală electrică solară cu o suprafaţă totală activă de 50,5 m², cu un randament de functionare de 90% şi cu putere efectivă reală de 7,344 kWp, are preţul de instalare de 21.900€, iar energia produsă teoretic de o astfel de centrală va fi 6609,6 kWh pe an. Dacă această energie se vinde la pretul de 15 cenți/kWh, rezultă un câştig de 991,4 €/an.

Utilizarea energieie solare pentru producerea de căldură (apă caldă)

Componentele importante ale unei instalaţii solare termice sunt: colectorul solar care transformă energia radiaţiei solare în căldură, un rezervor de apă în care se înmagazinează energia calorică, o pompă care pune în mişcare agentul termic, o unitate de control, o unitate de reglare şi conductele de legătură.

Instalaţiile solare termice se utilizează pentru încălzirea apei menajere, a bazinelor de înot, pentru furnizarea energiei termice necesare anumitor procese industriale, pentru încălzirea clădirilor, iar în timpul verii pentru condiţionarea temperaturii în interior.

În figura de mai jos, fotografia din stânga a fost făcută din timpul lucrărilor de instalare a unei centrale solare termice cu doi colectori plasaţi pe faţada casei cu orientare spre sud.

În imaginea din dreapta se văd componentele care de obicei se află ȋn pivniţă: unitatea de reglare a circulaţiei mediului transportor de căldură, vasul de expansiune (roşu), rezervorul de apă caldă (300l), cele două conducte prin care circulă în circuit închis mediul termic transportor de energie. Suprafaţa de 4 m² a colectorilor asigură o temperatură medie a apei din rezervor de 35°C-40°C în lunile de iarnă, iar în lunile de vară 55°C-60°C. Iarna, fără soare, pentru ridicarea temperaturii apei de la 35°C la 50°C se utilizează un sistem de încălzire electrică adiţional, cu o rezistenţă electrică plasată în rezervorul de apă. Sistemul de încălzire electric este prevăzut cu o unitate de reglare şi control a temperaturii.

Exemplele de utilizare a energiei solare, prezentate în acest articol, fac parte dintr-o serie mare de utilizări, din care se mai pot aminti: desalinizarea apei de mare, panouri de afişare pe şosele şi autostrăzi, indicatoare rutiere, încărcarea bateriilor ambarcaţiunilor cu pânze, iluminarea fermelor cu activitate în timpul nopţii, a clădirilor, curţilor şi grădinilor, etc.

Dr. Roman Baican

Offenbach am Main, 04.10.2021