UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

Facultatea Design de Produs si Mediu

Ingineria Sistemelor de Energii Regenerabile

Sisteme Fotovoltaice in zone urbane

Grupa: 17301 anul IV

Coordonator stiintific: Prof.dr.ing. Lucia Dumitrescu

2013-2014

2

Cuprins

1. Introducere............................................................................................................................................3

2. Avantaje si dezavantaje in mediul urban...........................................................................................7

3. Aplicatii in mediul urban.........................................................................................................................7

3.1 Cladiri si fatade...............................................................................................................................7

3.2 Statii de autobuz.............................................................................................................................9

3.4 Parcarea „solara”..............................................................................................................................9

3.3 Panouri publicitare si taxatoare....................................................................................................10

3.5 Iluminat stradal.............................................................................................................................10

4. Impactul asupra societatii.....................................................................................................................11

5. Impactul asupra mediului......................................................................................................................12

6. Bibliografie...........................................................................................................................................13

2

1. Introducere

Pentru a avea energie electrica de la soare, aveti nevoie de un panoul solar ce are o celula solara sau mai multe celule. Celula solara absoarbe o parte din particulele de lumina ce cad pe aceasta, numite si fotoni. Fiecare foton contine o cantitate mica de energie. Atunci cand un foton este absorbit, acesta elibereaza un electron din materialul celului solare. Deoarece fiecare parte a celulei solare este conectata la un cablu, un curent va trece prin acesta. Celula va produce electricitate ce poate fi folosita instantaneu sau inmagazinata in acumulatori.

1. Lumina (fotoni)

2. Suprafata frontala

3. Strat negativ

4. Strat izolator

5. Strat pozitiv

6. Suprafata posterioara

Fig. 1 Elemente componente ale unei celule fotovoltaice

Energia electrica este produsa atat timp cat panoul este expus la lumina. Materialele din care sunt fabricate celulele solare sunt semiconductoare si au o durata de viata de cel putin 20 de ani. Randamentul panourilor solare va scadea in timp. Ritmul de scadere in timp al randamentului este garantat de fiecare producator de panouri solare. Uzura panourilor este data de mediul inconjurator si modalitatea de montaj a acestora.

Celule fotovoltaice

Celulele solare sunt de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, amorfe, film subtire, CIS (copper indium diselenide) si CdTe (cadmium telluride), CIGS, etc. Diferenta intre aceste celule consta in structura si modul cum sunt aranjati atomii. Acest lucru va da si un aspect specific fiecarei celule solare. Diferenta cea mai mare consta totusi in eficienta. Eficienta celulei se masoara in procentul de energie luminoasa transformata in energie electrica. Celulele solare monocristaline si policristaline au aproape aceasi eficienta fiind si cea mai mare din multitudinea de celule solare comerciale existente pe piata.

In ultimul timp, celulele solare CIS si CdTe au inceput sa fie disponibile pe piata in cantitati reprezentative.

2

Eficienta celulor solare

Monocristaline: 15-18 %

Policristaline: 13-15 %

Amorfe: 5-8 %

Cadmium telluride: 6-9 %

Fig.2 Tipuri de celule fotovoltaice

Panourile Fotovoltaice

Panourile solare sunt alcatuite din celule solare. Deoarece o celula fotovoltaica nu produce suficienta energie ca sa poata fi folosita eficient, este nevoie ca mai multe celule, acestea fiind legate in serie - paralel, formand astfel un panou fotovoltaic. Panourile solare fotovoltaice sunt produse in diferite dimensiuni avand puteri variate. Cele mai folosite panouri in gama rezidentiala sunt cele de 50 si 75 W, iar pentru centrale fotovoltaice de puteri mari, panouri solare de 220W.

Suprafata unui panou solar cristalin de 50W este de aproximativ 0,5 m2. Panourile solare se pot conecta si ele la randul lor in serie - paralel formand sisteme de

puteri mai mari. Un sistem solar ce va fi contectat la un singur charger trebuie sa aiba panouri solare de acelasi tip, acelasi producator, aceasi orientare si inclinare si sa nu fie umbrit partial. Daca acest lucru nu este posibil, se vor folosi mai multe chargere.

Panourile solare disponibile comercial au o eficienta cuprinsa intre 5 - 15%. Acest lucru inseamna ca 5-15% din energia luminoasa va fi transformata in energie electrica. Laboratoare din toata lumea dezvolta tehnologii de panouri solare cu randament mult mai mare (aproape 30%). Dezavantajul acestor panouri solare cu eficienta foarte mare este costul de productie ridicat. Acest lucru a dus la dezvoltarea panourilorthin film (film subtire) ce au un randament mai scazut, dar costul lor este mic.

Radiatia Solara

Soarele emite in mod continuu cantitati uriase de energie. O parte din aceasta radiatie ajunge pe Pamant. Cantitatea de energie ce ajunge pe Pamant intr-o zi este mai mare decat intregul consum al Pamantului pe durata unui an intreg. Totusi, nu toata energie Soarelui ajunge pe solul Pamantului. O parte este absorbita de atmosfera sau reflectata inapoi in spatiu.

Intensitatea luminii ce ajunge pe Pamant variaza in functie de perioada zilei, locatia si conditiile meteorologice. Radiatia ajunge pe Pamant se masoara in Wh/m2 pe zi sau KWh/m2 pe an. Pentru a simplifica calculele si a avea o baza comuna de calcul, s-a decis ca standard o

2

putere de 1000Wh/m2 timp de o ora pentru o zi insorita. Aceasta putere se regaseste intr-o zi de vara pe o suprafata de un etro patrat unde Soarele este perpendicular pe aceasta.

Fig.3 Harta radiatiei solare in Romania

Radiatia solara ce cade pe sol variaza atat cu perioada zilei, dar poate varia considerabil in functie de locatie, mai ales in zone de munte. Iradiatia solara variaza intre 1000KWh/m2 pe an in tarile din Europa de Nord si 2000 - 2500 KWh/m2 pe an in zonele cu desert. Aceste variatii intre locatii sunt date de diferentele de latitudine si conditiile meteorologice.

Orientarea

Raza luminoasa parcurge o linie dreapta de la Soare spre Pamant. La intrarea in atmosfera Pamantului, o parte din lumina se imprastie iar o parte ajuge la sol intr-o linie dreapta. O alta parte a luminii este absorbita de atmosfera. Lumina ce s-a imprastiat in atmosfera este ceea ce noi numim lumina difuza sau radiatie difuza. Raza de lumina ce ajunge pe suprafata solului fara sa fie imprastiala este denumita radiatie directa. Radiatia solara directa este cea mai cunoscuta si simtita in mod direct de catre oameni.

 

1. direct

2. absorbtie

3. reflexie

4. indirect

2

Fig.5 Drumul luminii spre Pamant

Un panou solar produce energie electrica chiar si cand nu exista radiatie directa. Asadar, chiar daca este innorat afara, un sistem solar va produce energie electrica. Totusi, cele mai bune conditii de obtinere a energiei electrice sunt in zilele insorite, iar panoul indreptat direct spre Soare. Daca nu se opteaza pentru siteme de orientare automata in functie de soare, se va face un compromis in asezarea panourilor. Pentru zonele ce se afla in emisfera nodica, panourile se vor orienta spre sud iar pentru cele din emisfera sudica, se vor orienta spre nord. O mica deviatie de la orientare oprima nu va avea un efect simnificativ in productia de energie electrica anuala.

Fig. 6 Sisteme Fotovoltaice

Unghiul de inclinare

Soarele traverseaza cerul de la est la vest. Panourile solare au un randament mai mare daca sunt orientare perpendicular cu Soarele la mijlocul zilei, cand intensitatea luminoasa este cea mai mare. Majoritatea sistemelor solare sunt montate pe acoperis pe un cadru metalic avand o pozitie fixa neputand sa urmareasca Soarele pe durata zilei. Unghiul dintre planul orizontal si panoul solar este numit unghi de inclinare.

Deoarece Pamantul se roteste in jurul Soarelui exista variatii si in functie de anotimpuri. Soarele nu va ajunge in acelasi unghi solul ca iarna si vara. Pozita panourilor pe timp de vara este mai ,,orizontala" decat pe timp de iarna. Acesta pozitie ar dezavantaja productia de energie pe timpul iernii, asa ca se va face un compromis intre cele doua situatii. Pentru fiecare latitudine exista un unghi de inclinatie optim. Numai in zonele foarte apropiate de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinatie aproape de zero.

1. radiatie solara pe timp de iarna

2. radiatie solara pe timp de vara

Unghiul optim pe timp de iarna si vara

Fig.6 Unghiul de inclinatie al radiatiei solare

Deviatii de 5 grade de la unghiul optim au un efect minor asupra productiei de energie electrica. Diferentele datorate conditiilor meteorologie au un efect mai important asupra sistemului

2

fotovoltaic. Pentru sistemele independente, unghiul de inclinare se poate alege in functie de necesarul de energie electrica dintr-o anumita luna.

2. Avantaje si dezavantaje in mediul urban

Deoarece eficienta sistemelor fotovoltaice este inca redusa acestea necesita spatii largi pentru o productie semnificativa, totusi si in oras putem monta astfel de sisteme si sa ne bucuram de beneficiilor lor:

- Solutie pentru aplicatii ce nu pot fi conectate la retea- Integrare usoara in infrastructura- Economie la transportul energiei ( producem la locul de consum)- Cresterea eficientei izolatiei termice a cladirilor pe care este montat- Folosirea unei resurse regenerabile si non poluante- Independenta in caz de cadere a retelei- Crearea de noi locuri de munca pentru montaj si intretinere- Scaderea amprentei de carbon- Industrie in crestere , preturi in scadere- Silentios- Nu contine elemente in miscare – uzura scazuta, ciclu de viata indelungat

Totusi avem si unele dezavantaje:

- Energie intermitenta – se poate repara conectand sistemele la retea sau prin investirea in sisteme de stocare

- Energia generata trebuie prelucrata pentru a putea fi folosita , astfel apar costuri suplimentare pentru diverse echipamente – invertoare, stabilizatoare

- Panourile fotovoltaice sunt fragile iar sub actiuni mecanice se pot deteriora

3. Aplicatii in mediul urban

3.1 Cladiri si fatade

Deoarece spatiul este restrans in orase amplasarea panourilor fotovoltaice se face in mare masura pe cladiri, pe acoperisuri sau pe fatade. Acoperisurile fiind la inaltime sunt un loc foarte bun pentru amplasarea sistemelor, ele ofera expunere maxima si sunt ferite de umbrire( copaci sau alte obiecte). Totodata la inaltime sunt prezenti si curentii de aer astfel o racire pasiva a sistemului poate creste eficienta sa.

Sistemele astfel montate se pot lega la retea pentru adauga energie in timpul zilei iar noaptea se poate extrage din retea. Avantajul unor astfel de sisteme este ca energia este

2

generata in apropierea consumatorilor astfel reducand costurile legate de construirea de noua infrastructura pentru transport si toate costurile legate de implementare.

Montarea pe fatade poate maximiza suprafata utila si poate creste eficienta termica a cladirii. Fiind modulare se pot monta cu usurinta si nu solicita suprafata.

Fig. 3.1 Sisteme fotovoltaice implementate pe acoperisuri si fatade

Suprafete insemnate se pot acoperi si integra usor chiar si in arhitecturi antice. Un exemplu ar fi aceasta cladire din Vatican pe care au fost montate 2400 de panouri si oferao reducere a amprentei anuale cu aproximativ 225 tone de carbon.

2

Fig. 3.2 Sistem PV in Vatican

Fiind montata pe acoperis nu „polueaza vizual” si a fost intregrata foarte usor.

Arhitectura cladirilor industriale precum si a centrelor comerciale duc deasemenea la o integrare usoara . Astfel nevoia de energie electrica este satisfacuta la sursa. Concidenta cererii de energie pe timpul zilei cu puterea de producere a acesteia de catre PV-uri duce la economii semnificative.

3.2 Statii de autobuz

In cazul in care razele soarelui pot patrunde pana la nivelul solului putem alimenta cu energie diverse aplicatii fara sa fie nevoie sa le interconectam la retea. O statie de autobuz in care acoperisul ar fi dotat cu un sistem PV si un sistem de inmagazinare ar putea alimenta iluminatul acesteia pe timp de noapte, un panou de informare sau o reclama, precum si un automat de vanzare a biletelor. Astfel un calator ce ar astepta noaptea s-ar simti mai in siguranta iar soferul autobuzului l-ar observa cu mai mare usurinta.

Fig.3.4 PV pe statie de autobuz

3.4Parcarea „solara”

Desi la noi in tara masinile electrice intarzie sa apara, probabil datorita costurilor ridicate si al lipsei de infrastructura, astfel de sisteme sunt deja implementate in lume. Parasolarul functioneaza cu dublu scop, nu permite incalzirea autovehiculului parcat sub acesta protejandul in acelasi timp si de radiatiile UV. Desi un un astfel de sistem nu ar putea sa incarce acumulatorul unei masini electrice

2

singur, poate totusi sa furnizeze o parte semnificativa a energiei necesare. Avand conexiunea la reteaua de energie electrica la baza stalpului ,in cazulin care nici o masina nu este la incarcat, energia poate fi transferata altor consumatori . Fig. 3.5 Parcare „solara”

3.3 Panouri publicitare si taxatoare

Un exemplu de generare eficienta a energie a fost amplasarea unui sistem PV pe un panou publicitar, acesta fiind de dimensiuni mari si la inaltime ofera numai avantaje sistemului.

Fig.3.6 Panouri publicitare si sisteme de taxare

Un aparat de taxat are un consum scazut de energie si astfel un sistem PV este suficient pentru al alimenta, nemaifiind nevoie de conectare la retea .

3.5 Iluminat stradal

Pentru evitarea crearii de infrastructura pentru iluminatul public, in parcuri, se pot adopta sisteme hibride, astfel stalpi cu panouri fotovoltaice si turbine eoliene de mici putere pot furniza energia necesara.

Intr-un astfel de parc se poate amenaja si o zona Wi-fi, fiecare stalp fiind un emitator de Internet, astfel lumea ar fi incurajata sa vina la aer liber stiind ca pot sa-si desfasoare activitatile online si in afara casei.

2

Fig. 3.7 Iluminarea unor alei pietonale

4. Impactul asupra societatii

Desi costurile implementarii unor astfel de sisteme se amortizeaza greu exdinderea acestor siteme aduce multe beneficii societatii. Montarea acestor sisteme atrage atentia publicului asupra consumului de energie electrica.

Neavand parti in miscare nu produc vibratii sau zgomot in exploatare astfel singurul lucru care ar deranja ar fi din punct de vedere vizual. Aceasta problema se poate rezolva integrand in arhitectura cladirii sistemele precum si montarea lor in zone ferite (acoperisuri). Cu toate acestea studiile arata ca persoanele ce locuiesc in zone in care implementarea acestor sisteme a fost pe arii extinse sunt mult mai constiente de producerea si consumul de energie, fiind mai atente la consumul acesteia si in general au o gandire orientata spre o dezvoltare durabila a comunitatii in care locuiesc. Astfel de comunitati sunt tot mai frecvente in lume.

Fig.4.1 Exemplu de comunitate sustenabila

Un proiect interesant este in desfasurara in orasul Cambridge unde cu ajutorul imaginilor din satelit si al unui soft implementat de studentii din universitate a adus la indemana oricui informatii legate de potentialul solar al zonei. Fiecare acoperis din oras a fost analizat pentru potentialul sau si a fost impartit in zone in functie de potentialul sau. Programul a tinut cont si de obstructiile din zona, cum ar fi copacii si cladirile inalte. Informatiile oferite utilizatorului sunt vaste, acesta isi poate dimensiona un sistem dupa bunul plac si poate vizualiza informatii precum costul echipamentelor, reduceri oferite de stat, amortizarea investitie precum si emisiile de carbon economisite folosind sistemul.

Fig.4.2 Potentialul solar al orasului Cambridge

2

5. Impactul asupra mediului

Desi eficienta panourilor fotovoltaice este scazuta fata de alte surse impactul asupra mediului este unul foarte scazut. Energia solara, directa, este cea mai curata sursa de energie ce o putem folosi la ora actuala. Resursele necesare construirii acestor panouri se gasesc in cantitate abundenta iar ciclul de producere ofera putine deseuri. Durata mare de viata si constructia lor ofera posibilitati de reciclare in proportii foarte mari. Materialele active nu sunt toxice astfel inlaturarea lor nu va produce daune majore mediului. Noile inovatii in domeniu au inceput sa aduca pe piata celule fotovoltaice formate din materiale organice, astfel reducand pretul si impactul asupra mediului.

In timpul functionarii nu emit zgomote, vibratii, nu au parti in miscare astfel fauna si flora sunt protejate.

Poluarea aerului, apei si al solului sunt practic inexistente singurul dezavantaj ar fi ca datorita culorii inchise a panourilor acestea se incalzesc si pot crea microclimat, insa este nevoie de o suparfata foarte mare pentru aparitia acestui fenomen.

2

6. Bibliografie1. http://energie-verde.ro/panouri-fotovoltaice 2. http://www.ecofriend.com/eco-tech-vatican-city-goes-green-with-a-huge-solar-roof.html 3. http://en.mapdwell.com/solarsystem/cambridge 4. http://apmtm.anpm.ro/files/ARPM%20TIMISOARA/Reglementari/Acordul%20de%20mediu/

Rapoarte%202012/RAPORTDEMEDIUSCRIOSLOVRINTRESSRL.pdf