Curs Solar Termic

8/3/2019 Curs Solar Termic

1/21

PETCU Horia Ionu - Sisteme hibride de producere a energiei termice cu ajutorul energiei solare

- 26 -

2. Modelarea componentelor sistemelor hibride de producere a

energiei termice cu ajutorul energiei solare

2.1. Colectoarele solare

Calculul eficienei colectoarelor solare prin msurtori directe

Eficiena colectoarelor solare termice este definit de urmtoarea formul [11]:

disponibil

livrat

colectorQ

Q=

(1)

, unde colector este eficiena colectorului termic;

Qlivrat este fluxul termic livrat de ctre colector;

Qdisponibil este fluxul radiaiei solare incidente pe suprafaa colectorului.

Cldura livrat de ctre colector mai poate fi scris:

rarerareprareiesireiesirepiesirelivrattcDtcDQintintint

=

(2)

, unde Dieire reprezint debitul fluidului de lucru la ieirea din colectorul solar;

cp ieire reprezint cldura specific a fluidului la ieirea din colectorul solar;

tieire reprezint temperatura fluidului de lucru la ieirea din colectorul solar;

Dintrare reprezint debitul fluidului de lucru la intrarea n colectorul solar;

cp intrare reprezint cldura specific a fluidului la intrarea n colectorul solar;tintrare reprezint temperatura fluidului de lucru la intrarea n colectorul solar.

Dac fluidul de lucru nu i modific nici debitul i nici cldura specific, atunci relaia (2)

devine:


2/21


- 27 -

tcDQpfluidlivrat =

(3)

, unde Dfluid este debitul fluidului de lucru;

cp este cldura specific a fluidului de lucru;

t este diferena ntre temperatura de intrare i cea de ieire a fluidului de lucru

din colectorul termic.

Pentru calcularea eficienei panourilor solare trebuie cunoscute urmtoarele date:

Radiaia solar incident pe panou;

Debitul i temperatura fluidului nclzit la intrarea n panou;

Debitul i temperatura fluidului la ieirea din panou.

Fluxul de cldur Qdisponibil reprezint radiaia solar global pe acelai plan cu cel al

colectorului solar.

Figura 12. Principalele mrimi care intra n calculul eficienei colectorului solar termic

prezint colectorul solar, mpreun cu fluxurile ce trebuiesc cunoscute pentru calculul

eficienei.

Figura 12. Principalele mrimi care intra n calculul eficienei colectorului solar

termic


3/21


- 28 -

Msurarea mrimilor ce intr n calculul eficienei de conversie a energiei solare n

energie termic se poate face dup cum urmeaz:

Debitele se pot msura cu ajutorul debitmetrelor (tuburi venturi, diafragme,

debitmetre cu ultrasunete);

Temperaturile pot fi msurate cu ajutorul termometrelor (termorezistene,

termocuple);

Radiaia solar incident se poate msura cu ajutorul pirometrelor. Pentru

msurarea corect a radiaiei solare globale este necesar ca pirometrele s

fie aezate n acelai plan cu cel al colectoarelor solare.

Schema de msurare a eficienei panourilor termice arat precum cea din Figura 13.

Figura 13. Schema de msurare a eficienei captatoarelor solare

n Figura 13:

1 este un pirometru aezat n planul panoului solar;

2 este termometrul la ieirea din colectorul solar;

3 este termometrul la intrarea n colectorul soalr;

4 este debitmetrul la intrarea n colectorul solar (dac debitele de intrare i de


4/21


- 29 -

ieire difer este necesar montarea debitmetrului la ieirea din panoul solar);

5 este panoul solar a crei eficien trebuie msurat.

Dat fiind faptul c colectoarele solare au inerie termic, eficiena acestora se poate

determina pe diferite perioade de timp:

Pentru regimuri momentane, dar msurarea mrimilor momentane poate

duce la erori mari n determinarea eficienei din cauza acumulrilor (pe

perioadele de acumulare eficiena colectoarelor este foarte sczut) i

dezacumulrilor ce apar n proces (pe perioadele de dezacumulare poate

aprea ideea unei eficiene mai mari dect 1);

Pentru regimuri staionare. Dup o perioad suficient de funcionare n

regimuri cu parametrii staionari se poate msura o valoare veridic a

eficienei panourilor.

Pentru valori mediate. Medierea valorilor fluxurilor termice ce apar pe o

perioada de timp (o or sau o zi) duce la valori credibile pentru eficienele

de colectare ale panourilor [14] din cauz c perioadele de acumulare i

dezacumulare sunt mai scurte dect aceste perioade.

Pentru medierea mrimilor ce apar se pot folosii urmtoarele formule:

=

timp

timp

pfluid

livrat

d

dtcD

Q

0

0

(4)

, unde timp reprezint perioada de timp pe care se face medierea valorilor i

( )

=

=

=n

i

i

n

i

iiipifluid

livrat

ttcD

Q

1

1

_3_2_ )(

(5)

, unde Dfluid_i este debitul de fluid msurat pe perioada i;


5/21


- 30 -

t3_i este temperatura fluidului msurat la intrarea n colectorul solar pentru

msurtoarea i;

t2_i este temperatura fluidului msurat la ieirea din colectorul solar pentru

msurtoarea i;

i este lungimea perioadei de timp pentru care se face msurtoare i.

Pentru a msura, cu ajutorul schemei din Figura 13, eficiena panoului solar se propune

urmtoarea procedur de calcul. Se vor face msurtori la o perioad pentru debitul

la intrare (cu debitmetrul 4), i termometrele 2 i 3. Cu ajutorul formulei (5) se

calculeaz fluxul mediu de cldur livrat pe o perioad format din n intervale .

n ecuaiile (4) i (5), numrtorul reprezint cantitatea de energie produs de ctre

panou n perioada timp. Cantitile de cldur disponibile sunt prezentate n ecuaiile (6)

i (7).

=

timp

timp

global

disponibil

d

dI

Q

0

0

(6)

=

=

=n

i

i

n

i

iiglobal

disponibil

I

Q

1

1

_

(7)

, unde Iglobal reprezint radiaia solar global momentan;

Iglobal_i reprezint radiaia solar global momentan pentru msurtoarea i;


6/21


- 31 -

Figura 14prezint un pirometru pentru radiaie global, pe toate lungimile de und [13].

Figura 14. Pirometru de precizie pentru radiaie global [13].

Pentru determinarea ct mai exact a mrimilor se pot folosi senzori i instalaii de

achiziii de date.


7/21


8/21


- 33 -

Tipurile de colectoare solare ce vor fi analizate sunt:

Colectorul bloc;

Colectorul solar plan pentru ap (cu acoperire);

Colectorul solar plan pentru aer (cu acoperire);

Modelul matematic pentru calculul eficienei de colectare a radiaiei solare se bazeaz

att pe bilanul energetic in jurul unui contur, ct i pe calculul elementelor de transfer

de cldur interioare conturului de bilan, care vor detalia fluxurile exterioare.

Etapa I. Stabilirea geometriei colectorului solar

Acest capitol cuprinde pe lng stabilirea principalelor dimensiuni ale elementelor

exterioare i dimensiunile i proprietile elementele constructive interioare.

Principalele elemente ce in de conturul exterior sunt:

grosimea colectorului (h);

lungimea colectorului (L);

limea colectorului (l);

unghiul de nclinare al colectorului ();

suprafaa efectiv a colectorului (Sef); suprafaa activ a colectorului (Sactiv);

suprafaa din spatele colectorului (Sspate)

suprafaa total a colectorului (Stotal).

Mrimile de mai sus sunt exemplificate n Figura 16.


9/21


- 34 -

Privire spre sus

Privire din lateral

Unghiul de nclinare al colectorului

Figura 16. Principalele mrimi geometrice exterioare ale captatorului solar plan.


10/21


- 35 -

Pentru stabilirea proprietilor interioare a colectorului solar plan sunt necesare att

datele geometrice ct i cele ale materialelor componente.

Figura 17 prezint seciunea transversal pentru un colector plan. Sunt prezentate

principalele elemente funcionale ale colectoarelor solare.

Figura 17. Principalele elemente constructive ale colectorului solar plan.

Notaiile din Figura 17sunt urmtoarele:

1) Carcas exterioar este fabricat din metal sau plastic i are rolul de aproteja instalaia de factorii externi;

2) Izolaie termic are rolul de a micora pierderile de cldur prin convecie i

conducie ctre exterior;

3) Canal de curgere a fluidului nclzit este spaiul n care fluidul de lucru preia

cldura (forma i dimensiunile acestui spaiu difer funcie de tipul constructiv

al colectorului termic);

4) Absorbant termic are rolul de a absorbi radiaia solar termic;

5) nchidere format dintr-o suprafa de transparent are rolul de a menine

radiaia termic emis de ctre absorbant n interiorul colectorului solar termic;

6) Strat de aer este transparent la radiaia termic i n acelai timp este

rezisten termic care mpiedic transferul de cldur ntre absorbant i

suprafaa transparent.


11/21


- 36 -

Etapa II. Stabilirea fluxurilor de energie prin conturul de bilan

Dac se stabilete un contur de bilan pentru colectorul termic la limita fizic a acestuia

cu mediul ambiant se pot defini urmtoarele fluxuri energetice ntre mediul ambiant i

instalaie:

Fluxuri optice:

o Fluxul de radiaie solar termic incident;

o Fluxul de pierderi optice.

Fluxuri utile i pierderi:

o Prin convecie;

o Prin radiaie;

o Prin conducie;

o Fluxul de cldur util (flux de cldur exprimat ca diferen ntre fluxul

termic ce iese o dat cu agentul termic i fluxul de cldur intrat n

colector odat cu agentul termic)

Figura 18, Figura 19i Figura 20arat fluxurile de cldur aferente procedurii de calcul

a eficienei colectrii radiaiei termice [16].

Figura 18. Fluxurile optice n raport cu conturul de bilan.


12/21


- 37 -

Figura 19. Fluxurile de pierderi de clduri produii utili

Figura 20. Diagrama fluxurilor energetice pentru colectorul solar


13/21


- 38 -

Dup cum se observ n Figura 20 din radiaia solar incident pe panoul solar

principalele pierderi sunt:

Pierderile optice au loc pe faa panoului solar i reprezint suma dintre

diferena dintre fluxul de radiaie solar incidenti fluxul de cldur absorbit de

panoul solar;

Pierderile prin convecie apar pe toate suprafeele colectorului. Aceast

pierdere este influenat semnificativ de viteza vntului n mediul ambiant;

Pierderile prin radiaie are o valoare semnificativ doar pe faa colectorului

solar. Este dat de radiaia termic emis de suprafaa absorbant a panoului

solar;

Pierderile prin conducie sunt considerate doar pe suprafeele izolate ale

colectorului solar. Este influenat decisiv de grosimea i caracteristicile

materialului de izolaie folosit.

Din cauza celor spuse mai sus, fluxurile termice vor fi explicitate pentru fiecare

suprafa a colectorului.

Etapa III. Detalierea fluxurilor de energie din jurul colectorului solar.

Fluxul de radiaie solar

incident

. Fluxul termic este produs de soare, avnd cromaticaprezentat n Figura 21. [17]


14/21


- 39 -

Figura 21. Spectrul solar.

n Figura 21 se observ c radiaia solar extraterestr are un spectru apropiat de cel al

unui corp negru n apropierea temperaturii de 5650 K. Datorit filtrrii atmosferice se

observ c o mare parte dinte lungimile de und nu mai ajung pe suprafaa terestr.

Astfel doar radiaia solar vizibil ajunge la suprafaa terestr, lungimile de und lungi

(infraroii) fiind puternic atenuate.

Ecuaiile de bilan termic n regim dinamic pe suprafaa din fa sunt [18]:

))(())((,, gcgcrgcgaagrwindg

g

gggTThhTThhG

dt

dTC ++++=

(8)

,unde g este densitatea sticlei;

g este grosimea stratului de sticl;


15/21


- 40 -

Cg este cldura specific a sticlei;

Tg este temperatura sticlei;

t este variabila timp;

G este radiaia solar incident pe planul panoului solar;

g este absorbtivitatea sticlei;

hwind este coeficientul de transfer de cldur convectiv exterior;

hr,g-a este coeficientul de transfer de cldur radiativ ntre sticli ambient;

Ta este temperatura mediului ambiant;

hc-g coeficientul de transfer de cldur convectiv pe interior al suprafeei de sticl;

hr,c-g coeficientul de transfer de cldur raditiv ntre suprafaa de sticl i

suprafaa absorbant;

Tc este temperatura suprafeei absorbante.

Ecuaiile de bilan termic pentru suprafa absorbant sunt:

in

ca

cfffccggcrgccg

c

cccR

TTTTAhTThhG

dt

dTC

++++=

)())(( ,

(9)

,unde c este densitatea suprafeei absorbante;

g este grosimea stratului de absorbie;

Cg este cldura specific a stratului de absorbie;

c este absorbtivitatea stratului absorbant;

hc-f este coeficientul de transfer de cldur ntre fluid i suprafaa absorbant;

Af este suprafaa interioar a canalului de curgere a fluidului nclzit raportat la

suprafaa activ a panoului solar;

Rin este rezistena termic ntre suprafaa absorbant i atmosfer pe partea

inferioar a panoului;

Dac se neglijeaz efectul radiaiei termice n partea inferioar a panoului, atunci:

windin

in

inhk

R1

+=

(10)


16/21


- 41 -

, unde kin este coeficientul de transfer termic al materialului izolant;

in este grosimea materialului izolant.

Ecuaiile de bilan termic pentru canalul de curgere al fluidului nclzit sunt:

z

TCAuTTAh

dt

dTCA

f

fzfffcffc

f

fzf

=

)(

(11)

,unde f este densitatea fluidului nclzit;

Cf este cldura specific a fluidului nclzit;

Az este suprafaa transversal total de trece a fluidului de lucru raportat la

suprafaa activ;

uf este viteza de curgere a fluidului nclzit;

Coeficienii de transfer termic

Coeficientul de transfer termic n condiii exterioare cu vnt este [19]:

windwinduh 0,38,2 +=

(12)

, unde uwind este viteza vntului.

Coeficientul de transfer termic radiativ ntre sticli mediul ambiant este:

))((22

, agaggagr TTTTh ++=

(13)

,unde g este emisivitatea sticlei;

este constanta Stefan-Boltzmann.

Coeficientul de transfer termic radiativ dintre materialul absorbant i stratul de sticl


17/21


- 42 -

este:

111

))((22

,

+

++=

cg

agag

gcr

TTTTh

(14)

,unde g este emisivitatea stratului absorbant.

Coeficienii de transfer termic convectiv ntre suprafaa de sticl i cea a materialului

absorbant precum i coeficienii de transfer termic n canalele de curgere a fluidului

nclzit depind de tipurile constructive de colectoare solare i nu vor fi detaliate.

Etapa IV. Calculul eficienei panourilor solare.

Eficiena de colectare a panourilor solare se poate calcula ca raport ntre fluxul termic

preluat de fluidul nclzit i fluxul termic al radiaiei solare:

Pentru diferite tipuri costructive de panouri solare, unele dintre ecuaiile prezentate pot

lipsi. Astfel:

Colectoarele tip bloc prezint doar dou dintre elementele constructive

prezentate (absorbantul i canalul de curgere);

Colectoarele cu acoperire de sticl au n componena lor toate, deci toate

ecuaiile de bilan sunt prezente n modelul matematic de modelare a instalaiilor.

Pentru creterea eficienei colectrii de radiaiei solare folosesc absorbante selective.

Aceasta duce la creterea semnificativ a performanelor instalaiilor.

Figura 22prezint caracteristicile unui absorbant selectiv pe baz de titan [20].


18/21


- 43 -

Figura 22. Caracteristicile de reflexie, absorbiei emisie pentru materialul TiNOX.

n Figura 22se observ c pe lungimile de und ale radiaiei solare incidente materialul

absoarbe, iar reflexia este foarte sczut, n timp ce emisia are loc pe lungimi de und

mari (radiaie infraroie), pentru care sticla protectoare este opac.

n regim staionar, cu ajutorul ecuaiilor de mai sus se pot stabili eficiene de colectare a

energiei. Figura 23 prezint eficienele de colectare a panourilor solare ale unuiproductor.

Pentru un colector solar cu acoperire de sticl eficiena i temperatura la care se pot

obine este prezentat caracteristica din Figura 23.


19/21


- 44 -

Figura 23. Eficiena colectrii radiaiei solare funcie de diferena de temperatur

ntre colectori mediul ambiant cu radiaia solar incident.

Se observ c o dat cu creterea temperaturii fluidului nclzit, eficiena colectrii

scade.

n Figura 24sunt prezentate eficienele diferitelor tipuri de panouri solare cu diferenele

de temperatur ntre temperatura panoului i mediul ambiant.


20/21


- 45 -

Figura 24. Eficiena de colectare a panoului solar funcie de temperatura

echivalent pentru diferite tipuri de panouri constructive.

n Figura 24temperatura echivalent este raportul ntre diferena de temperatur ntre

mediul ambianti temperatura colectorului

i radia

ia solar

incident

.

Din Figura 24se observ c pentru diferite tipuri de activiti sunt recomandate diferite

tipuri constructive de panouri solare:

La diferene mici de temperatur cele mai eficiente panouri sunt cele bloc;

La diferene medii de temperatur eficiena cele mai eficiente instalaii sunt cele

cu acoperire de sticl;

La diferene mari de temperatur se recomand folosirea colectoarelor cu

suprafee selective i cu tuburi vidate.

Pentru calcule simple i n condiii staionare se poate folosi modelul parabolic de calcul

al eficienei de colectare al radiaiei soare [21], ca n ecuaia (15):


21/21


46

2

21)()()('

amamenoutttcttcGFP =

(15)

,unde Pout este puterea util pe m2 de colector solar;

F()en este coeficientul de pierderi optice;

c1i c2 sunt parametrii care descriu dependena de temperatur a pierderilor de

cldur;

G este fluxul de radiaie termic solar;

tm este temperatura medie aritmetic ntre intrarea i ieirea din colector;

ta este temperatura mediului ambiant n apropierea colectorului.

Curs Solar Termic

Documents

Transcript of Curs Solar Termic