Investe te n oameni!FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul cre terii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoa tereDomeniul major de intervenie 1.5. Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Studii doctorale pentru dezvoltare durabil (SD-DD)Numrul de identificare al contractului: POSDRU/6/1.5/S/6Beneficiar: Universitatea Transilvania din Bra ov

Universitatea Transilvania din Bra ov coala Doctoral InterdisciplinarCentrul de cercetare: Sisteme de energii regenerabile i reciclare

Ing. Veronica-Elvira DOMBI

OPTIMIZAREA ORIENTRII COLECTOARELOR SOLAR TERMICE PLANE FUNCIE DE NECESARUL ENERGETIC AL UNEI CLDIRI

TRACKING OPTIMIZATION OF THE FLAT SOLAR THERMAL COLLECTORS DEPENDING ON THE THERMAL ENERGY DEMAND OF A BUILDING

Conductor tiinific Prof.dr.ing. Ion VI A

BRAOV, 2011

8

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI I SPORTULUIUNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRA OVBRA OV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENAComisiei de doctoratNumit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Bra ov Nr. 4808 din 29.09.2011

PRE EDINTE:Prof. Dr. Ing. Codrua JALIUUniversitatea Transilvania din Bra ov CONDUCTOR TIINIFIC:Prof. Dr. Ing. Ion VI AUniversitatea Transilvania din Bra ovREFERENI:Prof. Dr. Ing. Vistrian MTIE Universitatea Tehnic din Cluj-NapocaProf.Dr.Ing. Florin IORDACHEUniversitatea Tehnic de Construcii Bucure tiProf. Dr. Ing. Dorin Valentin DIACONESCUUniversitatea Transilvania din Bra ov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 20.12.2011, ora 11.00 Colina Universitii, Corpul E, Csua Solar.

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei n timp util, pe adresa: veronica.dombi@unitbv.ro.

Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat.

V mulumim!

CUPRINS

Pg. tez

Pg. rezumat

1 INTRODUCERE67STADIUL ACTUAL AL CERCETRII N DOMENIUL2 COLECTOARELOR SOLAR-TERMICE CU ORIENTARE99CONTROLAT2.1 Energia termic. Definire i surse de energie992.2 Conversia energiei solare n energie termic1392.2.1 Aspecte generale privind radiaia solar1392.2.2 Energia solar i conversia n alte forme de energie14102.2.3 1510Valorificarea energiei solare prin sisteme de conversie termic

2.3Colectoare solar-termice1610

2.3.1Clasificarea colectoarelor solar-termice1610

2.3.2Colectoare solar-termice plane2010

2.3.3Sisteme cu colectoare solar-termice (instalaii cu CST)2011

2.4Sisteme de orientare pentru colectoarele solar-termice2312

2.4.1Aspecte generale privind orientarea controlat a CST plane2312

2.4.2Sisteme de orientare: ecuatoriale, pseudo-ecuatoriale, azimutale2513

2.4.3Sisteme pseudo-ecuatoriale: biaxiale i monoaxiale3113

2.5Concluzii i obiectivele tezei3416

2.5.1Concluzii3416

2.5.2Obiectivele tezei3617

3MODELAREA RSPUNSULUI ENERGETIC AL UNUI SISTEMSOLAR-TERMIC CU ORIENTARE MONOAXIAL NCLINAT3718

3.1 Modele utilizate n demersul propus i formularea listei de cerine3818Modelarea unghiurilor de orientare ale razei solare, ale

3.1.1

colectorului termic i a unghiurilor de inciden raz solar-colector

3818

3.1.2 Modelarea programului de orientare46203.1.3 4720Modelarea radiaiei solare directe, radiaiei difuze i a radiaiei globale captate de o suprafa plan receptoareModelarea unghiurilor de inciden raz solar-oglind i

3.1.4

raz reflectat-colector; modelarea radiaiei solare medii captate de colector prin intermediul oglinzilor

4921

3.1.5Modelarea energiei solare captate, a eficienei de captare ia randamentului colectorului solar termic5323

3.1.6Modelarea temperaturii agent sarcinii termice nule (stagnriului termic n premisai)5624

3.1.7List de cerine5824

3.2Elaborarea algoritmului de sintez a sistemului de orientaremonoaxial, n cazul sarcinii termice maxime5824

3.3Elabora rspunsrea algoritmului de sintez a sistemului de orientare i aului energetic, n cazul sarcinii nule6025

3.4Elaborarea algoritmului de sintez a sistemului de orientare, ncazul sarcinilor pariale6126

3.5Concluzii i contribuii6226

3.5.1Concluzii6226

3.5.2Contribuii6327

APLICAREA ALGORITMILOR PENTRU SINTEZA SISTEMULUI4 DE ORIENTARE A UNUI COLECTOR SOLAR TERMIC PLAN AMPLASAT N ZONA BRA OV4.1Datele meteo-geografice ale locaiei de implementare i principalele

6428

4.2Aplicarcondiiiea algoritmului pentru sinteza sistemulle sarcinii termice maximeui de orientare, n65284.3Aplicar condiiiea algoritmului pentru sinteza sistemul le sarcinii termice nuleui de orientare, n81324.4Aplicar condiiiea algoritmului pentru sinteza sistemul le sarcinilor termice parialeui de orientare, n87354.5Concluzii i contribuii91374.5.1Concluzii91374.5.2Contribuii9237cerine impuse sistemului de orientare6428

REALIZAREA, IMPLEMENTAREA I TESTAREA UNUI5 DEMONSTRATOR SOLAR TERMIC CU ORIENTARE MONOAXIAL NCLINAT, COMPARATIV CU UNDEMONSTRATOR DE REFERIN, FIX

9337

5.1Proiectarea constructiv a demonstratorului cu orientare diurn9337

5.2Realizarea i implementarea demonstratoarelor10341

5.3Testarea experimental i analiza comparativ11044

5.4Concluzii i contribuii12352

5.4.1Concluzii12352

5.4.2Contribuii12452

6CONCLUZII I CONTRIBUII FINALE. VALORIFICAREAREZULTATELOR12553

6.1Concluzii finale12553

6.2Principalele contribuii12855

6.3Diseminarea rezultatelor13056

6.4Direcii ulterioare de cercetare13156

BIBLIOGRAFIE13257

REZUMAT-60

Curriculum Vitae-61

TABLE OF CONTENTS

Thesis Page

Summary Page

1INTRODUCTION67

2THE STATE OF THE ART REGARDING THE CONTROLLEDTRACKED SOLAR-THERMAL COLLECTORS99

2.1Thermal energy. Definition and energy sources99

2.2Solar energy conversion into thermal energy139

2.2.1General data about solar radiation139

2.2.2Solar energy and the conversion into other forms of energy1410

2.32.2.3Harnessing solar energy using thermal conversion systemsSolar-thermal collectors15161010

2.3.1Classification of solar-thermal collectors1610

2.3.2Solar-thermal flat plate collectors2010

2.3.3Solar-thermal collectors systems (STC installations)2011

2.4Tracking systems for solar-thermal collectors2312

23122.4.1General aspects concerning controlled tracking of flat plate STC

2.4.2Equatorial, pseudo-equatorial and azimutal tr systemsacking2513

2.4.3Biaxis and monoaxis pseudo-equatorial systems3114

2.5Conclusions and the aims of the thesis3416

2.5.1Conclusions3416

2.5.2The thesis objectives3617

3MODELING THE ENERGETIC RESPONSE OF A SOLAR - THERMAL SYSTEM OF MONOAXIS TYPE3718

3.1Models used in the proposed approach and and the establisment

3.1.1Modeling the sun ray tracking angles, thermal collectorsand the incidence of Sun-collector angles38183.1.2Modeling the tracking program46203.1.3Modeling the direct solar radiation, diffuse radiation andglobal radiation received by a flat surface4720of a list of requirements3818

3.1.4

Modeling the Sun-mirror incidence angles and the reflected ray-collector; modelling the mean solar radiation received by the collector through mirrors

4921

3.1.5Modeling the received solar energy, the trackingefficiency and the solar thermal collectors efficiency5323

3.1.6Modelling the thermal agent temperature in zero thermalload prerequisite (stagnation)5623

3.1.7List of requirements5824

3.2Developsystem,ment of the synthesis algorithm of a monoaxis trackingfor maximum thermal load5825

3.3Development of the synthesis algorithm of a tr the energetic response, for zero thermal loadacking system and6025

3.4Develop partial tment of the synthesis algorithm of a tr hermal loadsacking system for6125

3.5Conclusions and contributions6226

3.5.1Conclusions6226

3.5.2Contributions6327

APPLYING THE SYNTHESIS ALGORITHMS FOR A FLAT4PLATE SOLAR THERMAL TRACKING SYSTEM LOCATED IN BRA OV AREA4.1Geo-meteorological data for the implemenation location and the

6428

main requirements imposed on the tracking system6428Applying the synthesis algorithm for the tracking system, in the

4.2

case of flat plate solar thermal collectors maximum thermal load

6528

4.3Applying the synthesis algorithm for the tracking system, in thecase of zero thermal load9132

4.4Applying the synthesis algorithm for the tracking system, in thecase of partial thermal loads87354.5 Conclusions and contributions91374.5.1 Conclusions91374.5.2 Contributions9237DEVELOPMENT, IMPLEMENTATION AND TESTING A

5SOLAR THERMAL PROTOTYPE WITH MONOAXIS TRACKING, COMPARED TO A FIXED REFERENCEDEMONSTRATOR

9337

5.1Constructive design of the prototype with diurnal tracking9337

5.2Development and implementation of the prototypes10341

5.3Experimental testing and comparative analysis10944

5.4Conclusions and contributions12352

5.4.1Conclusions12352

5.4.2Contributions12452

6FINAL CONCLUSIONS AND CONTRIBUTIONS.HARNESSING THE RESULTS12553

6.1Final conclusions12553

6.2Main contributions12855

6.3Dissemination of results13056

6.4Further research13156

BIBLIOGRAPHY13257

SUMMARY-60

Curriculum Vitae-61

"The amount of sunshine energy that hits the surface of the Earth every minute is greater than the total amount of energy that the world's human population consumes in a year!"(Home Power Magazine)

1. Introducere

Populaia mondial crete cu aproximativ 50 milioane de oameni n fiecare an, iar acest fapt conduce la o cretere a necesarului i, implicit, a consumului mondial de energie. Principalele surse de energie valorificate i utilizate la nivel mondial sunt reprezentate de combustibilii fosili, n proporie de aproximativ 78% din totalul energiei produse, iar acest consum de combustibili fosili degradeaz att mediul nconjurtor ct i calitatea vieii umane, n toate implicaiile administrative, sociologice, politice, economice i culturale ale acesteia [95]. Soluia, regsit n prezent pe axele prioritare de cercetare i dezvoltare ale oricrui proiect naional i internaional, este creterea gradului de utilizare a surselor de energii regenerabile i maximizarea eficienei de conversie a acestor energii.Radiaia solar este valorificat sub form de energie termic cu ajutorul sistemelor de colectoare solar-termice (CST), rezultatele obinute fiind apa cald menajer i cldura necesar meninerii unei anumite temperaturi n spaiile construite [5]. Argumentele care stau la baza implementrii i utilizrii sistemelor CST pot fi formulate astfel: CST reprezint o dovad a responsabilitii omului asupra mediului, deoarece constituie un rspuns viabil pentru producerea de energie prin nlocuirea surselor fosile poluante cu sursa solar regenerabil i nepoluant; CST pot asigura necesarul de energie termic anual pn la 90% n regiuni tropicale i pn la 90% primvara i toamna n regiuni nordice [94]; Dei costurile de achiziie i implementare a sistemelor CST sunt ridicate (numai 0.5% din populaia Terrei i le-ar putea asuma [94]), exist faciliti i ci de reducere a acestor costuri prin nscrierea n programe guvernamentale i proiecte de finanare a sistemelor de valorificare a energiilor regenerabile (Programul Casa Verde n Romnia);De asemenea, pe baza directivei 20/20/20 European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) impune producerea a 50% din energia termic prin utilizarea sistemelor solar termice [94].n acest context, obiectivul principal al tezei este: creterea eficienei de captare a energiei solare i adaptarea acesteia la variaiile sarcinii termice a CST, printr-o orientare pseudo-ecuatorial monoaxial, de tip secvenial, adecvat condiiilor meteo-geografice ale locaiei de implementare. Atingerea acestui obiectiv s-a realizat prin rezolvarea unor obiective operaionale, pe baza crora s-a formulat tematica capitolelor prezentei teze:Capitolul 2: este destinat prezentrii succinte a stadiului actual al cercetrii n domeniul colectoarelor solar termice cu orientare controlat i formulrii obiectivelor tezei, pe baza limitelor i tendinelor identificate.Capitolul 3: se sistematizeaz mai nti modelele de baz necesare n demersul propus i se formuleaz lista de cerine aferent acestui demers; pe baza acestora sunt elaborai apoi algoritmi pentru sinteza conceptual a sistemului de orientare, n concordan cu situaiile semnificative de variaie ale sarcinii termice: CST cu sarcin termic maxim; CST cu sarcin

1. Introducere

nul i CST cu sarcin termic parial (care poate fi: cu eficiena de captare ridicat i respectiv redus).Capitolul 4: se prezint simulrile numerice bazate pe aplicarea algoritmilor propui anterior i implicit designul conceptual al unui sistem mecatronic de orientare monoaxial, n condiiile meteo-geografice ale zonei Braov. Pe baza simulrilor numerice, se stabilesc secvenele optime ale programului de orientare, rspunsurile energetice oferite de aceste secvene in situaiile de funcionare considerate i se analizeaz rezultatele obinute pentru sistemul pseudo-ecuatorial monoaxial, comparativ cu un sistem de referin fix.Capitolul 5: este destinat proiectrii constructive, realizrii i implementrii unui demonstrator solar termic cu orientare monoaxial nclinat i a unui demonstrator de referin, fix, precum i testarea, nregistrarea datelor monitorizate, prelucrarea acestora, analiza comparativ a rezultatelor obinute i stabilirea de msuri destinate optimizrii demonstratorului cu orientare controlat.Capitolul 6: se prezint concluziile finale, contribuiile i formele de valorificare a rezultatelor reieite n urma cercetrii ntreprinse.

***

Adresez calde mulumiri conductorului de doctorat, domnului prof. dr. ing. Ion Via, conducerii Centrului de Cercetare D01, conducerii Facultii DPM, familiei i tuturor colegilor din centru, care m-au sprijinit direct sau indirect n realizarea acestei teze.

2. Stadiul actual al cercetrii n domeniul colectoarelor solar-termice cu orientare controlat2.1. Energia termic. Definire i surse de energien 1905, Albert Einstein a descris energia relativ a unui corp (E [J]) ca fiind produsul dintre masa relativ a corpului (m [kg]) i ptratul vitezei luminii n vid (c [m/s]) [46]. n contemporaneitate, energia electric i/sau termic poate fi obinut prin valorificarea mai multor surse de energie, care pot fi clasificate astfel [81]: neregenerabile (combustibili fosili); regenerabile, reprezentate de radiaia solar, energia cinetic i potenial a apei (curgeri de ruri, maree, valuri), energia cinetic a vntului, energia termic a solului, biomasa (lemn, plante energetice); nucleare.Energia durabil:Energia durabil este un concept care se refer la utilizarea surselor de energie (regenerabile i/sau convenionale) n condiii de eficien crescut, fr a degrada mediul nconjurtor i cu ecou direct n creterea calitii vieii [38], [39], [81]. Parlamentul i Consiliului European promoveaz i creeaz condiiile cadru de extindere a producerii i utilizrii sistemelor de energii regenerabile, aa cum este stipulat n Directiva 2009/28/CE. Romnia a adoptat Planul Naional de Aciune n domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) [95] i astfel proiectarea i realizarea sistemelor de valorificare a energiilor regenerabile reprezint nu numai o oportunitate, dar devin un domeniu de cercetare tiinific.Consumul de energieProblema major a omenirii este creterea populaiei aflat n direct legtur cu diminuarea surselor de energii convenionale [81]. Consumul energetic global defalcat pe tipul sursei poate fi observat n Fig.2.2, n care se observ cum consumul de energie termic, obinut din energia solar, deine un procent subunitar din totalul consumului mondial, procent care se impune a fi mbuntit.n acest context se poate spune c obinerea energiei termice din energia solar, utiliznd colectoarele solar-termice (CST) este o cale prin care se soluioneaz reducerea emisiilor poluante rezultate prin arderea combustibililor fosili, chiar i a Bio- combustibililor.

2.2. Conversia energiei solare n energie termic2.2.1. Aspecte generale privind radiaia solarSoarele este sursa vieii de pe Pmnt. Se consider durata emiterii radiaiei de la Soare ca fiind de peste 5 miliarde de ani [3]. Pmntul capteaz aproximativ 2.81021 kJ din radiaia solar total emis [3]. La trecerea prin atmosfer, radiaia solar direct este afectat de gradul de ncrcare a stratului atmosferic cu particule materiale i cu vapori de ap; pentru estimri numerice se utilizeaz factorul de turbiditate Linke (Tr) descris n capitolul 3 [70]. De asemenea radiaia direct, receptat la nivelul suprafeei terestre, este influenat de gradul de acoperire al cerului cu nori; pentru estimri numerice se aplic factorul de traversare a norilor (Fcc) descris n capitolul 3 [22].

9

2. Stadiul actual al cercetrii n domeniul colectoarelor solar-termice cu orientare controlat

Un alt factor important care influeneaz intensitatea radiaiei solare este poziia relativ a Soarelui fa de Glob [73].

2. Stadiul actual al cercetrii n domeniul colectoarelor solar-termice cu orientare controlat

Nuclear 3%

producere de energie electrica din energie solara, eoliana, geotermala 1%biocombustibil 1%

Combustibil fosil 78%

producere de energie termica din energie solara si geotermala 1%

energia hidraulica 3%

biomasa 13%

Regenerabile 19%

Fig.2.2 Defalcarea consumului de energie la nivel global pe tipuri de surse utilizate [81][94][95].2.2.2. Energia solar i conversia n alte forme de energieEnergia solar se regsete n mod indirect n alte forme de energie cum ar fi: energia eolian, hidraulic, geotermal, energia derivat din biomas (biodiesel, bioetanol, biogaz) [81].Energia solar poate fi utilizat n diferite procese tehnologice, fiind transformat n energie chimic, electric, termic sau mecanic [82].2.2.3. Valorificarea energiei solare prin sisteme de conversie termicEnergia solar este transformat cu ajutorul colectoarelor solar-termice (CST) n energie termic nepoluant, utilizat pentru nclzirea incintelor i a apei menajere [43], [19], [28]. Valorificarea energiei solare se realizeaz prin sisteme de tip pasiv sau activ [3], [29]. Liderul European n producerea de energie termic cu CST este Germania [94][95]. Trecerea la energia termic cu CST crete anual n Europa cu 18% [95].

2.3. Colectoare solar-termice2.3.1. Clasificarea colectoarelor solar-termiceColectoarele solar-termice (CST) se pot clasifica n funcie de domeniul de utilizare, temperatura de funcionare, agentul termic utilizat i dup modul de funcionare aa cum este redat n Fig. 2.6 [19].2.3.2. Colectoare solar-termice planeColectoarele solar-termice plane (CST) au ca agent termic un fluid n stare fie lichid, fie gazoas. CST se clasific n funcie de natura agentului termic, modul de asigurare a absorbiei energiei solare, forma constructiv a ansamblului absorbant i dup forma constructiv a canalului agentului termic [3].Randamentul de conversie al colectoarelor solar-termice depinde att de orientarea colectorului, de tehnologia utilizat pentru construcia colectorului dar i de pierderile de cldura ilustrate n Fig.2.10 [101].Firme consacrate, pe plan mondial, productoare i care comercializeaz CST cu agent termic lichid sunt: Viessmann [98], DeDietrich [101], Buderus [92], Hassmann [93],etc.10

Fig.2.6. Clasificarea colectoarelor solar-termice [50].Fig.2.10.Componenteleenergieisolare [101]

Fig.2.11. Exemplu de instalaie cu CST i sistem de protecie cu recirculare mpotriva supranclzirii [111].

2.3.3. Sisteme cu colectoare solar-termice (instalaii cu CST)n cele mai multe cazuri, un singur colector nu poate asigura confortul termic la parametrii necesari. n acest sens este necesar analiza unui sistem de instalaii cu CST n funcie de specificul aplicaiei practice [5][28][63], iar acestea se clasific astfel: Instalaii solare pentru prepararea apei calde menajere

11

2. Stadiul actual al cercetrii n domeniul colectoarelor solar-termice cu orientare controlat

Instalaii solare pentru prepararea apei calde menajere cu aport la nclzire Instalaii solare mixte sau hibride pentru prepararea apei calde menajere i nclzireUn exemplu de instalaie cu sistem de protecie mpotriva supranclzirii prin recircularea agentului termic n stocator i piscin este dat in Fig.2.11.

2.4. Sisteme de orientare pentru colectoarele solar-termice2.4.1. Aspecte generale privind orientarea controlat a CST planeEficiena de conversie a energiei solare n energie termic a unui CST, este limitat uzual la valori maxime de cca. 60-75% [27][31]. O soluie uzual de cretere a eficienei de captare a radiaiei solare, pentru un CST, se refer la orientarea dup Soare, cu ajutorul unor sisteme similare celor utilizate pentru orientarea sistemelor fotovoltaice [31][66].CST-urile pot avea: a) orientare biaxial, folosit uzual n cazul colectoarelor cu concentrare de tip farfurie (eng. dish), b) orientare monoaxial, intalnit cu precdere n cazul colectoarelor cu concentrare de tip jgheab, i c) orientare fix, de regul nclinat, n cazul CST-urilor plane [29].Relativ recent, n Europa i UK, s-au implementat primele platforme de colectoare plane cu tuburi vidate, LaZer2 [111], cu o suprafa de 54 m2 i o putere de pan la 40 kW, dotate cu orientare biaxial de tip azimutal; o variant similar este descris in brevetul german DE 10 2007 044 063 A1 aprut n 2009; o alt variant, de tip pseudo- ecuatorial cu elevaia reglabil manual, este descris n brevetul WO 2011/001118 A2 [83],aprut n 2011, iar o variant prevzut cu elevaie fix reglabil este prezentat n brevetul american US 6,722,357 B2, aprut n 2004. n prezentrile acestor soluii nu se ofer ns informaii privind programele de orientare ale colectoarelor.Principalele dificulti care limiteaz orientarea controlat a colectoarelor plane se refer cu precdere la masa relativ ridicat a acestora, la necesitatea utilizrii de racorduri elastice i la performanele tehnico-economice in general inadecvate, n raport cu acest tip de receptori solari, ale actuatoarelor.Progresele tehnologice nregistrate n ultimii ani, att n domeniul racordurilor elastice, ct i al performanelor tehnico-economice ale actuatoarelor, cu precdere de tip liniar, justific pe de o parte, soluiile relativ recent brevetate i nceputurile aplicrii unora dintre ele; pe de alt parte, se motiveaz tematica prezentei teze, privind extinderea orientrii monoaxiale diurne la colectoarele solar-termice plane, n care se efectueaz micarea diurn, iar elevaia este fixat la o valoare optim pentru zona de amplasare. Dei actuatoarele rotative pot realiza orice curs unghiular, n practic sunt preferate totui actuatoarele liniare, care sunt net mai ieftine, chiar dac, n varianta cea mai simpl de utilizare (mecanism triunghiular cu o latur de lungime controlat), cursa unghiular maxim este limitat la 120-130; aceast limitare a cursei unghiulare avantajeaz racordurile elastice dintre conductele instalaiei i colectorul mobil [77][79].Spre deosebire de sistemele fotovoltaice, n care orientarea controlat este utilizat exclusiv pentru creterea eficienei de captare a radiaiei solare, n cazul colectoarelor termice plane, orientarea controlat (n varianta orientrii n contra-faz) ar putea fi folosit i pentru rezolvarea unei dificulti specifice acestei categorii de receptoare solare: problema stocrii energiei termice excedentare. Aceast problem intervine n cazul n care sarcina

18

termic devine nul (sistemul CST stagneaz), precum i n cazul sarcinii nenule, n care diferena dintre energia termic debitat de CST i sarcina termic a acestuia crete peste anumite valori limit acceptabile; n primul caz, apare riscul atingerii temperaturii de fierbere a agentului termic, iar n cazul secund, devine necesar utilizarea unor recipiente de stocare, a energiei termice excedentare, supradimensionate. n cazul sistemelor CST cu orientare controlat, minimizarea energiei solare captate ar putea fi realizat prin orientarea acestora n contra-faz: de dimineaa pn la amiaz colectorul s fie orientat spre vest, iar de la amiaz pn seara, s fie orientat spre est.n consecin, orientarea controlat a sistemelor CST plane poate asigura: a) complexitate redus i implicit rentabilitate ridicat, n varianta orientrii monoaxiale diurne cu acionare bazat pe folosirea actuatoarelor liniare; b) creterea eficienei de captare a energiei solare (similar sistemelor fotovoltaice cu orientare controlat); c) optimizarea corelrii energiei solare receptate cu sarcina termic impus sistemului CST; cu acest scop, n tez, variaiile sarcinii termice ale CST vor fi grupate n trei categorii: 1) sarcina termic maxim, 2) sarcina termic nul i 3) sarcina termic parial (care poate fi: cu eficien de captare ridicat i respectiv redus).

2.4.2. Sisteme de orientare: ecuatoriale, pseudo-ecuatoriale, azimutalePrincipalele perechi de unghiuri, utilizate frecvent n orientarea razei solare fa de Pmnt, sunt sistematizate n Tabelul 1 [69]; din acestea s-au derivat sistemele de orientare biaxiale ilustrate n Fig. 2.12, Fig. 2.13 a [69]. n consens cu Fig. 2.12, sistemele de orientare (eng.tracking systems) biaxiale se clasific n sisteme ecuatoriale, sisteme azimutale i sisteme pseudo-ecuatoriale [7][10][20][69][73].Din acestea sunt derivate sistemele monoaxiale, care sunt propuse n continuare pentru orientarea sistemelor CST; n cazul general, un sistem de tip monoaxial poate fi obinut prin eliminarea unei micri din sistemul biaxial: fie cea de elevaie, fie cea diurn i fixarea elevaiei la o valoare optim pentru zona de amplasare considerat. n Fig.2.12 sunt ilustrate sistemele de orientare biaxiale uzuale i poziiile acestora fa de Pmnt. Pentru a se distinge de unghiurile solare, unghiurile de orientare din cele trei sisteme de orientare (Fig.2.12) folosesc notaiile celor solare, dar marcate cu asterix.n acest caz s-a optat pentru orientare monoaxial diurn de tip pseudo-ecuatorial. Pentru realizarea unei construcii ct mai simple i ct mai rentabile, a sistemului CST, se preconizeaz ca antrenarea micrii diurne s se efectueze cu ajutorul unui mecanism de tip triunghi deformabil, n care latura variabil s fie materializat printr-un actuator liniar; n aceste condiii cursa unghiular diurn este limitat la maximum 120-130, datorit unghiului de presiune, ale crui valori admisibile pot ajunge pan la maximum 60-65.

2.4.3. Sisteme pseudo-ecuatoriale: biaxiale i monoaxialeSistemele monoaxiale (Fig.2.13b) capteaz cca 95% din radiaia solar, adic cu cca 25% mai mult dect sistemele cu orientare fix [7].Deoarece sistemele CST cu orientare controlat utilizeaz conducte flexibile, se impune elaborarea unui program de orientare care s asigure un compromis rezonabil ntre urmtoarele cerine contradictorii: a) protejarea racordurilor elastice necesit o curs unghiular diurn ct mai redus; b) maximizarea energiei solare captate, adic realizarea unei eficiene de captare a radiaiei ct mai ridicat, necesit o curs diurn ct mai mare;c) simplificarea controlului solicit un numr ct mai redus de programe sezoniere; d)

reducerea consumului energetic de orientare i protecia actuatoarelor reclam un numr ct mai redus de pai zilnici etc. [29][61][88].

Tabel 1. Perechile de unghiuri ecuatoriale, azimutale i pseudo-ecuatoriale utilizate pentru orientarea razei solare fa de Pmnt [69].Orientare de tipElevaia razei solareUnghiul diurn al razei solare

Ecuatorialunghiul de declinaie ()unghiul orar ()

Azimutalunghiul altitudinal ()unghiul azimutal ()

Pseudo-ecuatorialunghiul de elevaie ()unghiul diurn ()

a) b)c)Fig. 2.12. Sisteme de orientare biaxiale i poziiile acestora fat de suprafaa Pmntului: a) sistemul ecuatorial;b) sistemul pseudo-ecuatorial; c) sistemul azimutal; [69]

n plus, optimizarea orientrii diurne a sistemului CST monoaxial are i scopul realizrii unei corelaii adecvate ntre variaiile sarcinii termice i energia solar captat (implicit, energia termic debitat de colector); sunt considerate 3 situaii relevante:a) sarcina termic maxim, cnd sistemul CST trebuie s debiteze maximum de energie termic, b) sarcina termic nul, cnd aportul energetic al sistemului CST trebuie s fie ct mai aproape de zero i c) sarcina termic parial, cnd energia termic debitat de sistemul CST este limitat la un anumit procent din capacitatea energic maxim a acestuia. Aceasta presupune ca programul de orientare diurn s conin 3 sub-programe de baz: a) un subprogram pentru funcionare la capacitate maxim (care utilizeaz orientarea n pai pe cursa unghiular diurn maxim), b) un subprogram de stagnare, cu orientare n contra-faz (colectorul este orientat dimineaa spre vest i dup-masa spre est, la valorile extreme ale unghiului de orientare diurn) i c) cel puin un sub-program de funcionare cu sarcin parial (n care este folosit att reducerea cursei unghiulare diurne, ct i orientarea n contra-faz). Prin corelarea adecvat a orientrii cu sarcina termic, se realizeaz, pe de o parte, simplificarea instalaiei termice a CST-ului orientat (prin minimizarea recipientelor de stocare a energiei termice excedentare) i, pe de alta parte, se asigur protecia sistemului, n zilele toride, n care sarcina sistemului STC este foarte redus sau nul.Deoarece antrenarea direct a micrii diurne printr-un actuator liniar, limiteaz cursa diurn la maximum 120-130, pot s apar situaii n care orientarea n contra-faz pe o astfel de curs, la sarcina termic nul, s nu fie suficient pentru evitarea temperaturii de fierbere a agentului termic.Pentru creterea eficienei orientrii n contra-faz, se preconizeaz folosirea unor

paravane dispuse pe laturile N-S ale colectorului; paravanele laterale pot amplifica captarea de energie solar, n cazul sarcinilor termice ridicate, prin dispunerea de oglinzi pe feele adiacente colectorului; se poate realiza astfel o anumit concentrare joas a radiaiei solare pe colector i, implicit, o anumit cretere a eficienei de captare a radiaiei solare.a) b)Fig.2.13. Sisteme de orientare pseudo-ecuatorial a) biaxial, b) monoaxial 0.Din analiza stadiului actual reiese c n cazul n care diferena dintre energia solar captat i sarcina termic a colectorului genereaz o energie termic excedentar care depa e te capacitatea de stocare a instalaiei, sunt folosite urmtoarele soluii principale de protecie a instalaiei: agentul termic este rcit, prin recirculare, n perioada nopii, cnd temperatura colectorului este redus, se acoper, parial sau total, cu huse suprafaele active ale colectoarelor, cu scopul reducerii sau anulrii energiei solare captate, apa cald (energia termic excedentar) este folosit n alte scopuri (de exemplu, nclzirea de piscine) sau, n situaii de urgent, este aruncat.O soluie de protecie net mai economic dect cele existente, poate fi obtinut prin utilizarea orientrii diurne n contrafaz (combinat, cnd este cazul, cu paravane laterale de umbrire): adic prin orientarea colectorului dimineaa spre vest i dup-amiaza, spre est. n plus, printr-o orientare diurn adecvat (sinfazat si contrafazat), se poate maximiza energia solar captat, n cazul sarcinii termice maxime, i, de asemenea, se poate adapta energia solar captat la mrimea sarcinii termice, n cazul sarcinilor pariale.n consecin, progresele tehnologice din ultimii ani justific, pe de o parte, soluiile cu orientare controlat, relativ recent brevetate, i implicit nceputurile aplicrii unora dintre ele; pe de alt parte, se motiveaz tematica prezentei teze, privind extinderea orientrii monoaxiale diurne la colectoarele solar-termice plane, n care se efectueaz mi carea diurn, iar elevaia este fixat la o valoare optim pentru zona de amplasare.

2.5. Concluzii i obiectivele tezei2.5.1 Concluzii:Analiza stadiului actual, n domeniul dezvoltrii sistemelor de orientare pentru colectoare solar-termice (CST), a permis formularea urmtoarelor concluzii:C1: O soluie frecvent utilizat, n cre terea eficienei de captare a radiaiei solare, se refer la orientarea adecvat a captatoarelor solare; CST-urile (colectoarele solar-termice) pot avea uzual: a) orientare biaxial, n cazul colectoarelor cu concentrare de tip farfurie, b) orientare monoaxial, n cazul colectoarelor cu concentrare de tip jgheab, i c) orientare fix, n cazul CST plane.C2: Principalele dificulti care limiteaz orientarea mobil a colectoarelor plane se refer cu precdere la masa relativ ridicat a acestora, la necesitatea utilizrii de racorduri flexibile i la performanele tehnico-economice inadecvate, n raport cu acest tip de receptori solari, ale actuatoarelor.C3: Progresele tehnologice nregistrate n ultimii ani, att n domeniul racordurilor flexibile, ct i al performanelor tehnico-economice ale actuatoarelor, cu precdere de tip liniar, justific apariia unor soluii brevetate de platforme cu CST plane, prevzute cu orientare controlat, i demararea implementrii n practic a unora dintre ele; n descrierile acestor soluii nu sunt ns date informaii privind programele de orientare. Se motiveaz, de asemenea, extinderea orientrii monoaxiale diurne la colectoarele termice plane i, implicit, demersul acestei teze.C4: Dintre cele trei soluii, cu larg utilizare practic, de orientare solar (soluia ecuatorial, - azimutal i - pseudo-ecuatorial), s-a identificat soluia pseudo-ecuatorial cu elevaie fix (la o valoare optim pentru locaia de amplasare), ca variant optimal de orientare monoaxial diurn CST.C5: Pentru realizarea unei construcii ct mai simple i ct mai rentabile, a sistemului STC cu orientare monoaxial diurn de tip pseudo-ecuatorial, se preconizeaz c antrenarea mi crii diurne s se efectueze cu ajutorul unui mecanism de tip triunghi deformabil, n care latura variabil sa fie materializat printr-un actuator liniar; n aceste condiii cursa unghiular diurn este limitat la maximum 120-130 (creia i corespunde un unghi maxim de presiune de 60- 65); pentru o astfel de curs, pot fi gsite relativ u or racorduri flexibile compatibile.C6: Optimizarea orientrii diurne a sistemului CST monoaxial are ca principal scop realizarea unei corelaii adecvate ntre variaiile sarcinii termice si energia solara captata (implicit, energia termic debitat de colector). Sunt considerate 3 situaii relevante: a) sarcina termic maxim, cnd sistemul CST trebuie s debiteze maximum de energie termic, b) sarcina termic nul, cnd aportul energetic al sistemului CST trebuie s fie ct mai aproape de zero si c) sarcina termic parial, cnd energia termic debitat de sistemul CST este limitat la un anumit procent din capacitatea energetic maxim a acestuia; se deosebesc sarcini pariale: cu eficiena de captare ridicat (superioar eficienei maxime de captare a unui sistem CST cu orientare fix) i cu eficiena de orientare redus (inferioar eficienei maxime de captare a unui CST fix).C7: Realizarea dezideratelor anterioare, presupune ca programul de orientare diurn s conin 3 sub-programe de baz: a) un subprogram pentru funcionare la capacitate maxim (care utilizeaz orientarea n pa i pe cursa unghiular diurn maxim), b) un subprogram de stagnare, cu orientare n contra-faz (colectorul este orientat dimineaa spre vest i dup-masa spre est, la valorile extreme ale unghiului de orientare diurn) i c) cel puin un sub-program de funcionare cu sarcina parial (n care este folosit att reducerea cursei unghiulare diurne, n

cazul eficienei de captare ridicate, ct i orientarea n contra-faz, cnd eficiena de captare este redus). Prin corelarea adecvat a orientrii cu sarcina termic, se realizeaz, pe de o parte, simplificarea instalaiei termice a CST-ului orientat (prin minimizarea recipienilor de stocare a energiei termice excedentare) i, pe de alt parte, se asigur protecia sistemului, n zilele toride, n care sarcina sistemului STC este foarte redus sau nul.C8: Deoarece antrenarea direct a mi crii diurne printr-un actuator liniar, limiteaz cursa diurn la maximum 120-130, la sarcina termic nul pot s apar situaii n care orientarea n contra- faza pe o astfel de curs s nu fie suficient pentru evitarea temperaturii de fierbere a agentului termic; pentru cre terea eficienei orientrii n contra-faz, se preconizeaz folosirea unor paravane dispuse pe laturile N-S ale colectorului.C9: Paravanele laterale pot amplifica captarea de energie solar, n cazul sarcinilor termice ridicate, prin dispunerea de oglinzi pe feele adiacente colectorului; se realizeaz astfel o anumit concentrare joas a radiaiei solare pe colector i, implicit, o anumit cre tere a eficienei de captare a radiaiei solare.

2.5.2. Obiectivele tezeiConform concluziilor anterioare, obiectivul principal al cercetrii se refer la:Optimizarea orientrii monoaxiale diurne, a unui CST (colector solar-termic) plan, prin adaptarea captrii energiei solare la situaiile relevante ale sarcinii termice: a) sarcina termic maxim, b) sarcina termic nul, cu evitarea fierberii agentului termic i c) sarcina termic parial.Realizareaobiectivuluiprincipalpresupunerezolvareaurmtoarelorobiective operaionale:O1: Modelarea adaptrii energiei solare captate la situaiile relevante ale sarcinii termice, formularea listei de cerine i sinteza soluiei conceptuale calitative a sistemului de orientare.O2: Elaborarea algoritmului pentru sinteza soluiei conceptuale cantitative a sistemului monoaxial de orientare diurn, n premisa sarcinii termice maxime, prin care se determin valorile optime pentru: cursa unghiular diurn maxim, unghiul anual de elevaie, numrul programelor de orientare i durata pa ilor de orientare.O3: Elaborarea algoritmului pentru sinteza soluiei conceptuale cantitative a sistemului monoaxial de orientare diurn, n premisa sarcinii termice nule, prin care se determin valorile optime pentru: dimensiunile paravanelor laterale i unghiul de dispunere a acestora.O4: Elaborarea algoritmului pentru sinteza soluiei conceptuale cantitative a sistemului monoaxial de orientare diurn, n premisa sarcinilor termice pariale, prin care se determin valorile optime pentru: cursa unghiular diurn (la sarcini pariale cu eficiene de orientare ridicate) i durata orientrii n contra-faz (pentru eficiene de orientare reduse).O5: Sinteza sistemului de orientare, prin aplicarea algoritmilor propu i, i simularea rspunsului energetic, n condiiile geo-meteorologice ale unei locaii de amplasare date.O6: Proiectarea constructiv i realizarea demonstratorului unui sistem CSTO (CST cu oglinzi) cu orientare monoaxial diurn, de tip pseudo-ecuatorial, i implementarea acestuia pe acoperi ul corpului D al Universitii Transilvania Bra ov. Testarea experimental, prelucrarea datelor, analiza comparativ a rezultatelor i formularea de concluzii i recomandri.

3. Modelarea rspunsului energetic al unui sistem solar-termic cu orientare monoaxial nclinat3.1. Modele utilizate n demersul propus i formularea listei de cerine3.1.1. Modelarea unghiurilor de orientare ale razei solare,ale colectorului termic i a unghiurilor de inciden raza solar-colectora) Modelarea unghiurilor orientrii ecuatoriale a razei solareSistemul de referin ecuatorial sau global OXYZ (Fig. 3.1) este definit de planul ecuatorial al Pmntului i axa polar (Z) [26][69][74]. Orientarea de tip ecuatorial, a razei solare, este descris prin: declinaia [64] i unghiul orar . De la aceste unghiuri s-a obinut, prin nserierea mi crilor, sistemul ecuatorial biaxial de orientare.

Fig. 3.1. Sistemul de referin ecuatorial sau global OXYZ, poziia observatorului O i unghiurile orientrii ecuatoriale ale razei solare: declinaia () i unghiul orar ()

b) Modelarea unghiurilor orientrii azimutale a razei solare, n sistemul de referin al observatorului (local)Orientarea de tip azimutal a razei solare este descris prin unghiurile: azimut ialtitudine 0[23].

c) Modelarea unghiurilor orientrii pseudo-ecuatoriale a razei solareOrientarea de tip pseudo-ecuatorial a razei solare este descris prin unghiurile: diurn i elevaie (Fig. 3.3). De la aceste unghiuri s-a obinut, prin nserierea mi crilor, sistemul pseudo-ecuatorial biaxial de orientare, n care elevaia este adiacent bazei (este prima mi care) i se efectueaz n jurul orizontalei X, iar mi carea diurn este secund i se efectueaz n jurul unei axe perpendicular pe axa mi crii diurne. Unghiul este format de proiecia razei solare n planul vertical N-S i verticala locului, iar este format de raza solar i planul vertical N-S [7][8][21][24][27][69]:

3. Modelarea rspunsului energetic al unui sistem solar-termic cu orientare monoaxial nclinat

sin 1 cos cos sin sin cos ;cos

sin 1 (cos sin ) .(3.5); (3.6)

d) Modelarea unghiurilor orientrii pseudo-ecuatoriale ale colectorului termicUnghiurile sistemului de orientare pseudo-ecuatorial, ale unui captator solar, se refer la orientarea versorului normalei la planul colectorului; aceste unghiuri sunt

similare celor ale razei solare (Fig. 3.3), cu precizarea c n locul razei solare intervine normala pe planul colectorului solar; pentru acestea se folosesc notaiile solare i se difereniaz prin asterisc: * i * (Fig. 3.4).Deoarece, n cazul captatoarelor plane de tip CST, avantajele orientrii biaxiale (referitoare, cu precdere, la cre terea eficienei de captare) sunt mai reduse dect dezavantajele pe care aceasta le induce (privind cre terea complexitii i a costurilor), utilizarea orientrii monoaxiale diurne reprezint soluia de compromis optim.

Fig. 3.3. Sistemul de referin local OXYZ, poziia observatorului O i unghiurile orientrii pseudo- ecuatoriale ale razei solare: unghiul de elevaie () i unghiul diurn ()

19Fig. 3.4. Reprezentarea sistemului CST cu orientare pseudo-ecuatorial monoaxial [29]0

Fig. 3.5. Poziia relativ a sistemului CST, cu orientare pseudo- ecuatorial, fa de suprafaa Pmntului, receptnd radiaia solar direct B i difuz D, ambele componente ale radiaiei solare globale G [25][29][73]

e) Modelarea unghiurilor de inciden Soare-colectorn vederea estimrii radiaiei directe receptate de CST (ecuaia 3.12) este necesar modelarea unghiului de inciden , iar n vederea modelrii radiaiei difuze receptate de CST (ecuaia 3.14) se modeleaz unghiul de inciden fictiv [31][27]. n Fig. 3.5 este ilustrat formarea unghiurilor de inciden ale radiaiei receptate de CST i componentele radiaiei globale.Unghiul de inciden este format ntre raza solar i normala la suprafaa colectorului solar termic (ecuaia 3.7) [23][75][76][74], iar pentru estimarea radiaiei difuze receptate de CST, se modeleaz unghiul de inciden fictiv al radiaiei difuze, al suprafeei plane fa de planul orizontal, (ecuaia 3.8, Fig.3.5) [31][27]:cos1 sin sin * cos cos * cos(*);(3.7)cos1 1cos*cos*/ 2.(3.8)

3.1.2. Modelarea programului de orientareSinteza programului optim de orientare n pa i, n cazul unui sistem CST cu orientare monoaxial diurn, de tip pseudo-ecuatorial, presupune determinarea numrului optim de sub-programe sezoniere i a duratei optime a unui pas (implicit, a numrului optim de pa i efectuai zilnic). Pentru stabilirea programului optim de orientare, se va utiliza urmtorul algoritm:1) Se sistematizeaz datele de intrare: unghiul de elevaie al CST, cursa unghiular diurn* i datele meteo-geografice ale locaiei de amplasare.2) Se consider un numr acceptabil de valori discrete ale duratei unui pas, ntr-un interval rezonabil (de exemplu: 15, 30, 30, 90 minute).3) Se consider un numr rezonabil de cazuri privind mprirea anului n sezoane (de exemplu: 1, 2, 4, 8, 12 ,... sezoane/an).4) Pentru fiecare sezon, se determin cte o zi echivalent de calcul i se stabile te programul de orientare diurn aferent acestei zile, utiliznd, fiecare durat considerat a pasului (pentru fiecare durat a pasului, se aproximeaz curba de variaiei a unghiului diurn solar, din ziua echivalent considerat, printr-o variaie adecvat n trepte); un program de orientare, determinat n ziua echivalent a unui sezon, rmne valabil pentru toate zilele sezonului considerat.5) Se calculeaz valorile eficienei anuale de captare pentru fiecare dintre cazurile precizate anterior i se construiesc diagrame pentru dou familii de curbe: a) variaiile eficienei de captare n funcie de numrul de sezoane, avnd ca parametru discret durata pasului i b) variaiile eficienei de captare n funcie de durata pasului, avnd ca parametru discret numrul de sezoane; pe baza acestor diagrame se stabilesc valorile optime pentru numrul de sezoane i, de asemenea, pentru durata pasului.3.1.3. Modelarea radiaiei solare directe, radiaiei difuze i a radiaiei globale captate de o suprafa plan receptoarea) Modelarea radiaiei solare disponibilePrincipalele componente ale radiaiei solare se refer la radiaia direct B i radiaia difuz D [17][22], prin nsumarea crora se obine radiaia global G [W/m], [17].Radiaia solar direct B, pe un plan perpendicular pe axa Soare-Pmnt, n premisa cerului senin este [17][22][24][25][78][56]:

28B B0

e

TR 0.99.4sin

[W/m];(3.9)

B0 1367[10.334cos(0.09856N 2.72)];(3.10)

n care B0 radiaia solar extraterestr [17][22]; TR factorul de turbiditate [15][18][70] (pentru Bra ov valoarea medie lunar i anual folosit este de TR 3 [18][70]) i altitudinea Soarelui (Fig.3.1).Radiaia solar difuz este izotrop, iar bolta cereasc este sursa acesteia, din care se propag uniform n toate direciile, fiind maxim pe un plan orizontal [17][22]:

Dmax

DH

B0 Bcos cos / 3 .(3.11)

b) Modelarea radiaiei captate de o suprafa plan receptoare

BHRadiaia direct receptat de colectorul solar termic, n premisa cerului senin, se calculeaz cu ecuaia (3.12), iar dac suprafaa plan este orizontal cu ecuaia (3.13) [17][24][25]:

B *CST

B cos;

* B sin

;(3.12); (3.13)

Radiaia difuz receptat de colectorul solar termic este (D*CST [W/m]) [17][24][25]:

D *CST

DH 1 sin */ 2 DH cos;(3.14)

iar radiaia global receptat de colectorul solar termic (G* [W/m]) [17][24][25];

G *CST B *CST D * CST

.(3.15)

3.1.4. Modelarea unghiurilor de inciden raz solar-oglind i raz reflectat- colector; modelarea radiaiei solare medii captate de colector prin intermediul oglinzilora) Unghiul de inciden, dintre raza solar i normala la oglinzi, 0 [20][22] (Fig.3.7 i 3.8) se obine ca produs scalar ntre versorul razei solare [eRS], descris de relaia (3.16a) n triedrul ata at oglinzii (O), i versorul normalei la oglind [nO], descris de relaia (3.16b):

cos

0sin

sin cos * cos sin *cos(*)

eRS O TCST O eRS CST 0

10

cos sin*

sin

0 cos

sin sin * cos cos * cos(*);

cossin cos * cos sin * cos(*)sinsin sin * cos cos * cos(*)

cos sin*sinsin cos * cos sin * cos(*)cossin sin * cos cos *cos(*)(3.16a)

TnO

0;0;1;(3.16b)

cos O

no

.eSR O

sin sin cos * cos sin * cos(

*)

T(3.16)

cos sin sin * cos cos * cos(

*)

Unghiul de inciden dintre versorul razei solare reflectate i normala la CST R [20][22] (Fig.3.8) se determin ca produs scalar ntre versorul razei solare reflectate [eRSR], descris prin inversarea semnului cosinusului director aferent axei zOnO din relaia (3.16a), i versorul normalei la colector [nCST], descris prin relaia (3.17b):cossin cos * cos sin * cos(*)sinsin sin * cos cos * cos(*)

eRSR O

cos sin*

sinsin cos * cos sin * cos(*)cossin sin * cos cos * cos(*)(3.17a)

TTnCST O

sin ;0; cos;(3.17b)

cosR

nCST

O .eRSR O sin sin(2*) cos cos2*cos*.(3.17)

Deoarece aportul energetic zilnic dat de cele dou oglinzi se va calcula prin dublarea aportului estimat pentru o oglind, modelarea pentru cealalt oglind nu mai este necesar.

b) Unghiul de inciden dintre versorul razei solare reflectate i normala la CST R se determin pe baza configuraiei geometrice din Fig.3.8 [20][22]:cosR sin sin 2*cos cos2*cos*;(3.17)c) Stabilirea suprafeei de CST mturat de razele reflectate de oglinzi, se refer la aria BEHK (Fig. 3.8), dependent de deviaia transversal dT i de deviaia longitudinal dL:

tg

dbo sin o

1

cos

;(3.18)

Tsin o

sin . cos

tg

dbo tgbo

sin o

1sin

;(3.19)

Lsino

sin . cos

deci, aria mturat de razele reflectate devine:LCST (LCST d L )

SO

dT ;(3.24)2

Fig. 3.7. Deviaia transversal (dT) pentru momentul n care elevaia Soarelui coincide cu elevaia CST

Fig. 3.8. Deviaiile maxime ale razelor solare reflectate de prima oglind, fa de colector, n direcie longitudinal CE=dL i transversal BC=dT (prelucrare dup 0[20][22]).

d) Modelarea radiaiei directe medii captat pe suprafaa colectorului datorit oglinzilorse calculeaz, neglijnd pierderile prin reflexie, cu expresia:

B *O 2B cos(R ).SO / SCST

;(3.25)

n care: R

unghiul de inciden dintre raza reflectat de oglinzi i normala la suprafaa

CST; SO i SCST aria mturat de razele reflectate, respectiv, aria colectorului.

e) Modelarea radiaiei globale receptat pe suprafaa colectorului cu oglinziMai nti se modeleaz radiaia direct total normal pe colectorul cu oglinzi

CSTOB*[W/m]:

***

BCSTO

BCST BO ;(3.26)

CSTn care B *

[W/m2]; radiaia direct receptat de CST i B* [W/m2]; radiaia direct

Omedie captat de CST prin intermediul celor 2 oglinzi. Astfel, radiaia global captat de CST cu oglinzi este:***

GCSTO

BCSTO DCST

;(3.27)

3.1.5. Modelarea energiei solare captate, a eficienei de captare i a randamentului colectorului solar termica) Modelarea energiei captate de colectorul solar termic fr i cu oglinziEnergia radiaiei solare globale disponibile ES(G), n premisa cerului senin se calculeaz cu (3.29), iar energia radiaiei globale receptat de colectorul solar termic ES(G*) cu (3.29) [31][69]:

ES (G) Gdt

[Wh/m2];

ES (G*) G * dt

[Wh/m2];(3.29); (3.29)

n premisa cerului real (cu nori), energia radiaiei globale Er(G) [Wh/m2]; este estimat cu (3.30), iar energia radiaiei globale receptate de CST Er(G*)[Wh/m2];cu (3.30):

Er (G) Es (G)Fcc ;

Er (G*) Es (G*)Fcc ;(3.30); (3.30)

n care Fcc factorul radiaiei directe de traversare a stratului de nori (Tabel 3.1) [22].

Tabelul 3.1. Factorul de traversare a norilor Fcc [22]

LunaIan.Feb.Mar.Apr.MaiIun.Iul.Aug.Sep.Oct.Noi.Dec.

Fcc0,300,300,350,350,350,410,450,380,350,350,350,25

Similar, n cazul colectorului cu oglinzi, rezult:

( *)*;

E (G*

) E

(G*

)Fcc ;(3.31), (3.31)

ES GCSTO

GCSTOdt

rCSTO

sCSTO

b) Modelarea eficienei de captare i a randamentului colectorului solar termicEficiena de captare a colectorului solar termic CP [%] reprezint procentul de energie captat de CST din energia solar disponibil (ecuaia 3.32) [8][19], iar n cazul colectorului cu oglinzi, eficiena de captare reprezint procentul de energie captat de CST cu oglinzi din cantitatea de energie a radiaiei solare globale disponibil (ecuaia 3.33) [20][22]:

CSTCSTO****

CP

Fcc E(G)GdtCST;

CP

Fcc E(G)GdtCSTO ;(3.32); (3.33)

Fcc E(G)

Gdt

Fcc E(G)

Gdt

Randamentul colectorului solar termic (randamentul de conversie) CV [%] pentru perioada de funcionare a sistemului [27]se modeleaz cu:

tt 2

CV

0 k1 k2 ;(3.34)G *G *

n care

0 [%] randamentul optic al colectorului solar termic [33];

k1 [W/(mK)] i k2

[W/(mK)] coeficieni de pierderi de cldur; t [C] diferena dintre temperatura la colector i temperatura mediului ambiant.

3.1.6. Modelarea temperaturii agentului termic n premisa sarcinii termice nule (stagnrii)Temperatura la colector se determin din ecuaia calorimetric (3.37) [1]:

Q = mc tSTG ;(3.37)

n care: Q [J] cantitatea de cldura exprimat n uniti de energie transferat ntre CST i mediul ambiant, m [kg] masa de agent din colector; c [J/(kgK)] capacitatea termic

specific a agentului din colector;

tSTG

[C] diferena dintre temperatura iniial de

calcul si temperatura finala (de stagnare).

3.1.7. Lista de cerine1. Sistemul de orientare trebuie s asigure corelarea dintre energia solar captat de un colector termic plan i urmtoarele 3 situaii ale sarcinii termice impuse colectorului: maxim, nul i parial.2. Pentru minimizarea complexitii, maximizarea rentabilitii i protejarea racordurilor flexibile, orientarea se va realiza cu ajutorul unui mecanism mono-contur echipat cu un actuator liniar.3. Sursa de alimentare cu energie a actuatorului: reeaua electric ~220V.4. La sarcina termica nul (stagnare), se va utiliza orientarea n contra-faz cu sau fr paravane, iar temperatura de stagnare a agentul termic nu trebuie sa dep easc 90C [27]; n cazul utilizrii paravanelor de umbrire, pentru cre terea rentabilitii, acestea vor fi prevzute cu oglinzi pe feele adiacente colectorului.5. La sarcini termice nenule, temperatura apei din boiler s nu dep easc 60C.6. Eficiena medie de captare a radiaiei solare, n perioada de utilizare cu sarcina maxim peste 90%.7. Testarea demonstratorului cu orientare controlat se va face comparativ cu un colector fix.

3.2. Elaborareaalgoritmuluidesintezasistemuluideorientare monoaxial, n cazul sarcinii termice maximen acest caz se propune urmtorul algoritm, formulat n premisa cerului senin:1) Se sistematizeaz datele de intrare privind dimensiunile si performanele colectorului solar termic plan i particularitile geografice i meteorologice ale locaiei de implementare.2) Se consider un numr rezonabil de valori discrete pentru cursa unghiular diurn (de exemplu: 0, 50, 100, 130).3) Se consider un numr acceptabil de valori discrete ale duratei unui pas, ntr-un interval rezonabil (de exemplu: 15, 30, 30, 90 min).4) Se consider un numr acceptabil de valori discrete pentru elevaia constant a CST (de exemplu: 20, 30, 40, 50, 60).5) Se consider un numr rezonabil de cazuri privind mprirea anului n sezoane (de exemplu: 1, 2, 4, 8, 12 ,... sezoane/an).6) Pentru fiecare sezon, se determin: o zi echivalent de calcul i se stabile te programul de orientare diurn aferent acestei zile, utiliznd, pe rnd, fiecare valoare discret considerat pentru: cursa unghiular diurn, durata pasului i respectiv pentru fiecare valoare a unghiului de elevaie; un program de orientare, determinat n ziua echivalent a unui sezon, care rmne valabil pentru toate zilele sezonului analizat.7) Se calculeaz valorile eficienei anuale de captare pentru fiecare dintre cazurile precizate anterior i se construiesc diagrame cu familii de curbe, privind variaia eficienei anuale de captare a energiei solare, considernd pe rnd ca argument fiecare dintre cele 4 mrimi discrete (numrul de sezoane, durata pasului, cursa unghiular diurn maxim i unghiul constant de elevaie), celelalte trei fiind tratate ca parametri constani, stabilindu-se astfel apoi valorile optime pentru fiecare dintre cele 4 mrimi.

3.3. Elaborarea algoritmului de sintez a sistemului de orientare i a rspunsului energetic, n cazul sarcinii nulen cazul sarcinii termice nule, sistemul STC este orientat n contra-faz, n poziiile extreme ale unghiului diurn: dimineaa CST este orientat spre vest, n poziia unghiular *= *min, iar la amiaz, este orientat spre est, n poziia *= *max. n acest caz, se propune urmtorul algoritm:1) Se determin intervalul de timp, din vecintatea amiezii, n care colectorul, orientat n contra-faz, este mturat de radiaie direct, n ziua cea mai clduroas a anului; pentru acest interval, se calculeaz energia solar captat i temperatura de stagnare a agentului termic; dac valoarea acestei temperaturi este inferioar celei maxim admise, sinteza se ncheie.2) Dac temperatura de stagnare a agentului termic dep e te valoarea maxim admis, CST este echipat cu 2 paravane laterale, nclinate (fa de planul colectorului), avnd prin limea L i prin unghiul de nclinare ; lungimea paravanelor se consider egal cu cea a colectorului.3) Considernd un numr rezonabil de valori discrete pentru L i , se determin, pentru fiecare pereche de valori (L; ), energia solar captat i temperatura de stagnare a agentului termic.4) Se traseaz diagrame cu familii de curbe, ale variaiei temperaturii de stagnare: tstg = t( L, ); pe baza acestora se identific valorile optime ale mrimilor: limea paravanelor(L) i unghiul de nclinare al paravanelor fa de colector ().5) n cazul sarcinii termice maxime devine posibil mbuntirea captrii radiaiei solare

directe prin dispunerea de oglinzi pe feele interioare ale paravanelor; ulterior devine necesar re-evaluarea energiei solare captate de CST cu oglinzi i a aportului energetic solar al oglinzilor; dac acest aport este semnificativ crescut, devine necesar corectarea valorilor optimale ale celor 4 mrimi iniiale, prin reluarea algoritmului aferent sarcinii maxime.

3.4. Elaborarea algoritmului de sintez a sistemului de orientare, n cazul sarcinilor parialeUtiliznd datele i rezultatele precedente, la care se adaug valoarea sarcinii termice pariale i zilele n care aceasta se cere realizat, pentru sinteza sistemului de orientare, aferent sarcinii pariale, se propune urmtorul algoritm:1) Se determin energia solar care trebuie captat de colector, pentru realizarea sarcinii termice cerute, i se stabile te eficiena de captare corespunztoare acesteia.2) Dac eficiena de captare este superioar celei realizate de colectorul fix, n acelea i condiii, se determin cursa unghiular diurn aferent eficienei de captare calculate i se adapteaz programul de orientare pentru aceast curs diurn (inferioar cursei diurne maxime).3) Dac eficiena de captare este inferioar celei realizate de colectorul fix, n acelea i condiii, se determin intervalul de timp zilnic, din vecintatea amiezii, n care CST este orientat n poziia unghiular *=0; n afara acestui interval, CST este orientat n contra-faz, conform sarcinii nule: dimineaa spre vest, n poziia unghiular *= *min, iar la amiaz spre est, n poziia *= *max.

3.5. Concluzii i contribuii3.5.1. Concluzii:a. Spre deosebire de sistemele fotovoltaice, orientarea controlat, ca mijloc de cretere a energiei solare captate, este aplicat uzual colectoarelor termice cu concentrare, colectoarele plane fiind de regul fixe; progresele tehnologice recente (att n domeniul racordurilor elastice, ct i al actuatoarelor) justific att abordarea orientrii monoaxiale a colectoarelor termice plane, ct i demersul acestei teze.b. n cazul colectoarelor termice plane, orientarea diurn controlat este caracterizat prin 2 funcii: a) creterea eficienei de captare a radiaiei solare i b) adaptarea energiei solare captate de colector la specificul sarcinii termice impuse acestuia (sarcina maxim, sarcina nul i sarcina partial); pentru demersul abordat, s-a decelat ca soluie optim: orientarea monoaxial diurn de tip pseudo-ecuatorial.c. n consens cu precedentele concluzii, sinteza conceptual a sistemului de orientare cuprinde trei etape distincte, descrise prin algoritmi de sintez diferii, aferente celor trei cazuri ale sarcinii termice.d. Algoritmul de sintez, aferent sarcinii maxime, pornete de la datele meteo-geografice ale zonei de amplasare i de la caracteristicile sistemului solar-termic i, pe baza modelelor sistematizate cu acest scop (v. subcap. 3.1), stabilete valorile optime pentru mrimile caracteristice structurii de orientare (cursa unghiular diurn maxim i unghiul constant de elevaie) i programului de orientare (numrul de subprograme sezoniere de orientare i durata pailor).

e. Pe baza rezultatelor stabilite n etapa precedent, algoritmul de sintez, aferent sarcinii nule, determin temperatura de stagnare a agentului termic, n condiiile unei zile toride, folosind orientarea n contra-faz pe poziiile extreme ale cursei diurne maxime; dac temperatura de stagnare depete anumite limite admisibile, se folosesc 2 paravane laterale, pentru care se stabile te geometria optim; cu scopul creterii rentabilitii, pe feele interioare ale paravanelor (adiacente colectorului) se monteaz oglinzi pentru concentrarea radiaiei pe colector.f. n cazul utilizrii de paravane cu oglinzi, devine necesar corectarea valorilor optime rezultate din primul algoritm, n cazul n care aportul energetic al oglinzilor este semnificativ, n raport cu energia solar total captat de colector.g. Algoritmul de sintez, aferent sarcinii pariale, cuprinde dou cazuri: a) cazul n care eficiena de captare este ridicat (este mai mare dect cea a colectorului considerat fix) i b) cazul n care eficiena de captare este redus (este mai mic dect cea a colectorului considerat fix); n primul caz, sinteza const n stabilirea cursei unghiulare diurne corespunztoare eficienei de captare; n cazul secund, sinteza const n determinarea intervalului de timp, din vecintatea amiezei, n care colectorul funcioneaz ca un sistem fix (n afara acestui interval, colectorul fiind orientat n contra-faz).

3.5.2. Contribuii:1. Sistematizarea modelelor din literatur (privind radiaia solar disponibil: direct, difuz i global, radiaia solar captat: fr i cu oglinzi, eficiena de captare a energiei solare, eficiena de conversie termic i temperatura de stagnare etc.).2. Adaptarea modelor la necesitile demersului abordat i elaborarea listei de cerine pentru sinteza unui sistem de orientare monoaxial diurn a unui colector termic plan.3. Elaborarea algoritmului de sintez al unui sistem pentru orientarea monoaxial diurn, a unui CST plan, n premisa funcionrii la sarcin maxim; algoritmul pornete de la datele meteo-geografice ale zonei de amplasare i de la caracteristicile sistemului solar- termic i, pe baza modelelor sistematizate, stabilete valorile optime pentru mrimile caracteristice sistemului de orientare: cursa unghiular diurn maxim, unghiul constant de elevaie, numrul de sub-programe sezoniere de orientare i durata pailor.4. Elaborarea algoritmului de sintez al sistemului pentru orientarea monoaxial diurn, a unui CST plan, n premisa sarcinii nule; algoritmul determin temperatura de stagnare maxim a agentului termic, n condiiile orientrii n contra-faz; dac temperatura de stagnare depete anumite limite admisibile, se introduc paravane laterale, pentru care se stabilete geometria optim; pentru concentrarea radiaiei pe colector, pe feele interioare ale paravanelor sunt prevzute oglinzi.5. Elaborarea algoritmului de sintez, aferent sarcinii pariale, care cuprinde dou cazuri; n primul caz, n care eficiena de captare este ridicat, sinteza const n stabilirea cursei unghiulare diurne corespunztoare eficienei de captare; n cazul secund, n care eficiena de captare este redus, sinteza const n determinarea intervalului de timp, din vecintatea amiezei, n care colectorul funcioneaz ca un sistem fix (n rest, colectorul fiind orientat n contra-faz).

4. Aplicarea algoritmilor pentru sinteza sistemului de orientare a unui colector solar termic plan amplasat n zona Bra ov4.1. Datele meteo-geografice ale locaiei de implementare i principalele cerine impuse sistemului de orientareDatele de intrare, caracteristice zonei Bra ov, Romnia [8][16] sunt: latitudinea: =45.65, longitudinea: 23.45 [8] i altitudinea 625m; factorul de turbiditate TR=3 [15][18][70] i de traversare a stratului de nori de ctre radiaia direct, Fcc (Tabelul 3.1) [22]; caracteristicile tehnice pentru CST [93] i caracteristicile agentului termic [98].Lista de cerine, care st la baza designului conceptual al sistemului de orientare, a fost formulat n capitolul anterior la punctul 3.1.7.; dintre acestea se evideniaz urmtoarele aspecte contradictorii: pe de o parte, se urmre te maximizarea eficienei de captare a radiaiei solare (care presupune un numr ct mai mare de pa i), iar pe de alt parte, se urmre te minimizarea consumului energetic de orientare i a sarcinii actuatorului (ceea ce nseamn un numr ct mai redus de pa i).

4.2. Aplicarea algoritmului pentru sinteza sistemului de orientare, n condiiile sarcinii termice maximeSe cere identificarea a patru parametri eseniali ai programului optim de funcionare: Numrul optim de sezoane pentru un an i durata optim constant a pa ilor orientrii CST (*); Cursa unghiului diurn optim ( *) i unghiul optim de elevaie anual (*=ct.)Se consider valori discrete pentru cursa unghiulara diurna: *= 0, 50, 100, 130, 160. n exemplul din Fig. 4.1 se cunoa te ziua echivalent a sezonului (N=80) ns durata sezonului este nedeterminat.Se consider valori discrete ale duratei unui pas de orientare a CST: 15, 30, 60, 90 minute similar exemplului din Fig.4.2.Se consider valori discrete pentru elevaia constant a CST *=30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 i n funcie de eficiena de captare anual s-a identificat valoarea optim a elevaiei anuale (*optim) a a cum este redat n Fig.4.9a i 4.9b.Stabilirea sezoanelor de calcul se realizeaz n funcie de variaia declinaiei pe perioada unui an i au fost considerate 1, 4, respectiv 8 sezoane a a cum este redat n Fig. 4.3; s-a defalcat rspunsul energetic pentru intervale de timp corespunztoare lunilor calendaristice (N=1 - 31 pentru luna Ianuarie N=334 365 pentru luna Decembrie) innd cont de zilele reprezentative precum solstiiile (n care unghiul de declinaie din Fig.4.3 are valori maxime, respectiv minime) i echinociile (n care =0). Pentru fiecare sezon considerat se aplic o lege de mi care unic pe durata ntregului sezon.Considernd 4 sezoane pe parcursul unui an i implicit 4 programe de funcionare, se va constata similitudinea programelor de funcionare n perioada echinociilor (sezonul 1 si3) deoarece pentru ambele sezoane *=0 (Fig.4.3). A adar se poate considera primul sezon format ntre N=61 si N=99 cu ziua echivalenta N=80 similar cu sezonul 3.S-au efectuat simulri numerice pentru 8 sezoane ntr-un an i s-au constatat similitudinea sezoanelor 1 i 7, 2 i 6, 3 i 5, iar similar studiului cu 4 sezoane ntr-un an s- au analizat sezoanele de var, respectiv de iarn separat.

4. Aplicarea algoritmilor pentru sinteza sistemului de orientare al unui colector solar termic plan amplasat n zona Bra ov

,* [deg]

_N=80*(50_60min)_N=80*(130_60min)_N=809075604530150-15-30-45-60-75-906789101112131415161718T [h],* [deg]Fig.4.1. Programe de orientare pentru echinociul de primvara (N=80), pentru sarcina termic maxim

_N=80*(130_15min)*(130_90min)9075604530150-15-30-45-60-75-906789101112131415161718T [h],* [deg]Fig.4.2. Valori discrete ale duratei constante a pasului pentru mi carea diurn (*): 15, 30, 60, 90 minute

24201612840-4-8-12-16-20-24*(1sezon)N=135, =18.76*(4sezoane)*(8sezoane)N=220, =15.63N=80, =0.00N=105, =9.38N=239, =9.38N=263, =0.00N=56, =-9.38N=286, =-9.38N=305, =-15.63N=316, =-18.760306090120150180210240270300330360N [zile]Fig.4.3. Identificarea numrului de sezoane n funcie de declinaia , considernd 3 exemple de mprire a anului n intervale de timp stabilite de *: 1 sezon, 4, sezoane i respectiv 8 sezoane.S-a efectuat o analiz comparativ a variaiei programului de funcionare att pentru un sezon, 4 sezoane ct i pentru 8 sezoane, un exemplu de comparaie fiind dat n Fig.4.7, n care s-au suprapus cele 3 programe de funcionare pentru ziua de var cu N=196. Se pot observa n aceasta figur faptul c variaiile n trepte ale unghiului diurn * pentru toate cele 3 programe considerate sunt apropiate valoric. Cu toate acestea este necesar o analiz a rspunsului energetic dat de fiecare program sezonier n scopul identificrii numrului optim de sezoane.

29

_*(130_60min)_1/1*(130_60min)_2/4*(130_60min)_4/89075604530150-15-30-45-60-75-90N=1966789101112131415161718T [h]Fig.4.7. Variaii ale celor 3 programe de orientare pentru * al CST (1 sezon, 4 sezoane i 8 sezoane) pentru o zi: N=196 (solstiiul de var) i variaia considernd sarcina termic maximAu fost simulate numeric: radiaia solar disponibil: direct (B) i difuz (D); radiaia solar captat de CST: direct (B*CST) i difuz (D*CST) i energia radiaiei solare disponibile (EB) i receptat de CST (EB*), baza ecuaiilor prezentate n Cap. 3. Un exemplu de simulri ale energiei disponibile i al energiei captate de CST este dat n Fig.4.8a pentru CST orientat cu durata unui pas de o or si cursa diurn de *=100, 130 i 160 pentru 1 sezon, 4 i respectiv 8 sezoane. Compararea cu sistemul CST fix i cu energia disponibil se poate observa n Fig.4.8a. Similar s-au efectuat simulri pentru toatele perechile ( *, numr sezoane, durata pasului) n scopul identificrii unghiului optim anual de elevaie * care corespunde energiei maxime captate de CST.S-au identificat valorile optime ale elevaiei * pentru 3 exemple de programe de orientare, precum i unghiul de elevaie optim anual al sistemului CST fix, astfel, pentru: CST fix, * optim anual =37; 1 sezon cu *=100 i durata pa ilor de 1 or, * optim anual =38; 4 sezoane cu *=130 i durata pa ilor de 1 or, * optim anual =39; 8 sezoane cu *=160 i durata pa ilor de 1 or, * optim anual =40.

31

EB,EB* [MWh/m/an]3.13.0

EBEB*_0 (fix)EB*_100_1sez_1hEB*_130_4sez_1hEB*_160_8sez_1h

3.0346

2.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.9

2.8376

2.7839

2.0358

2.8551

37383940,* [deg]3738394030 31 32 33 34 35 3641 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54*[]

Fig.4.8.a. EB i EB*: CST monomobil, n condiiile: 1 sezon i *=100, 4 sezoane i *=130, 8 sezoane i *=160 i ale CST fix ( *=0)Influena numrului de sezoane asupra eficienei de captare anual este nesemnificativ (Fig.4.10a i b), de aceea un sezon reprezint soluia optim n stabilirea programului de funcionare al sistemului de orientare controlat al CST.

[%]_*_0_1h_*_100_1h_*_130_1h_*_160_1h95

90

85

80

75

70

16512345678a) sezoane

[%]94.294.093.893.693.493.293.092.892.692.492.292.091.891.61b)

_*_100_1h_*_130_1h _*_160_1h

12345678sezoane

Fig.4.10. CP pentru CST cu * n pa i cu durata constant de 1 or, pentru sarcina termic maxim, *=100, 130, 160: a) comparat cu CST fix ( *=0) i b) fr CST fix;

13093.5293.5193.4911011512012540.039.839.639.439.23938.838.638.438.213514014515015516094.294.093.893.6

[%]93.493.293.092.892.692.4

_1sez_1h_4sez_1h_8sez_1h* optim

13039.0* optim []* []

Fig.4.11. CP pentru CST cu * n pa i cu durata constant de 1 or, pentru sarcina termic maxim, considernd 1, 4, respectiv 8 sezoane, i pentru CST fixPentru satisfacerea celor dou condiii contradictorii, pe de o parte maximizarea eficienei de captare a radiaiei solare (care presupune un numr ct mai mare de pa i), iar pe de alt parte, minimizarea consumului energetic de orientare i a sarcinii actuatorului (ceea ce nseamn un numr ct mai redus de pa i); se consider cursa unghiului diurn optim *=130 pentru cele 3 exemple din Fig.4.11. Avnd identificat din Fig.4.10 numrul optim de sezoane ca fiind unul singur i din Fig.4.11 cursa optim diurn, se poate observa de asemenea din Fig.4.11 precum i din Fig.4.12a faptul c unghiul de elevaie optim anual este *=39 corespunztor eficienei de captare maxim, n condiii de cer senin.Din Fig.4.12a precum i Fig.4.12b se poate observa diferena infim a eficienei de captare pentru durate de pa i diurni ntre 1590 minute. n acest sens se alege de asemenea o situaie de compromis, care s protejeze att sistemul mecanic de acionare ct i s se satisfac necesitatea captrii unei cantiti ct mai mari de radiaie solar. Astfel,durata optim a pasului de orientare diurn este de o or.Considernd cerinele stabilite n capitolul 3 precum i algoritmul de sintez a sistemului de orientare monoaxial, n cazul sarcinii termice maxime, pe baza simulrilor precedente, s-au stabilit valorile optime de compromis pentru cei 4 parametri: Numrul de sezoane optim pentru un an: un sezon; Durata optim constant a pa ilor orientrii CST: o or; Cursa unghiului diurn optim: *=130; Unghiul optim de elevaie anual: *=39=constant

39_130_1sez_15min_130_1sez_30min_130_1sez_60min_130_1sez_90min93.893.693.493.4993.293.092.892.692.492.292.030 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50* []*39_13093.793.693.593.493.393.215202530354045505560657075808590durata pasului [min] [%]Fig.4.12.a. CP pentru CST cu * n pa i cu durata de 1590 minute pentru un sezon, avnd *optim=130, considernd sarcina termic maxim

60 [%]Fig.4.12.b. CP pentru CST cu * n pa i cu durata de 1590 minute pentru un sezon (optim), avnd *optim=130 i * (optim)=39, considernd sarcina termic maxim

4.3. Aplicarea algoritmului pentru sinteza sistemului de orientare, n condiiile sarcinii termice nuleConsidernd algoritmul de sintez a sistemului de orientare i a rspunsului energetic, n cazul sarcinii nule (vezi Cap.3 punctul 3.3) i avnd maxima *=130 (Fig. 4.13), se analizeaz necesitatea montrii paravanelor de umbrire n funcie de temperatura de stagnare a agentului termic. Astfel, pentru unghiul diurn * n 2 pa i al CST orientat n contra-faz, cu elevaia optim anual i considernd temperatura exterioar maxim de calcul pentru perioada de var (te=35C), s-a simulat numeric variaia temperaturii de stagnare n Fig.4.14a.Temperatura maxim admisibil impus n condiii de stagnare fiind de 90C, se poate observa din Fig.4.14 faptul c orientarea n contra-faz a CST nu asigur protecia termic a agentului, fiind necesar montarea a dou paravane de umbrire. S-a analizat influena dimensiunilor acestor paravane asupra temperaturii de stagnare n Fig.4.15 prin raportul dintre limea oglinzii i limea CST.n dimensionarea limii oglinzilor, se alege valoarea minim care ndepline te condiia de reducere a temperaturii de stagnare n limita admisibil, datorit rezistenei la vnt a acestora. Din Fig. 4.15 se observ valoarea raportului x=0.47 pentru asigurarea temperaturii de stagnare de 90C, ceea ce nseamn o lime a paravanelor de umbrire de 600mm pentru modelul din Cap.5.

32

4. Aplicarea algoritmilor pentru sinteza sistemului de orientare al unui colector solar termic plan amplasat n zona Bra ov

Fig.4.13. Variaia * al CST orientat n contra-faz (*) avnd *=130, considernd sarcin termic nul

Fig.4.14.a. Variaia tSTG i a G* pentru solstiiul de var, considernd te=35C; *optim=39 i *=130 cu CST orientat n contra-faz; sarcina termic nul

Fig.4.15. Temperatura de stagnare (tSTG) n funcie de coeficientul x (raportul dintre limea oglinzii i limea de CST)

Una din principalele probleme ntlnite n momentul stagnrii sistemului solar termic este supranclzirea colectorului solar termic (CST) i implicit a agentului din instalaia solar. n momentul stagnrii, consumul de energie termic este nul, agentul termic fiind expus radiaiei solare se nclze te peste limitele de funcionare. Astfel se altereaz agentul termic, care fiind supranclzit poate de asemenea deforma sistemul de conducte flexibile. Pentru evitarea suprasarcinii termice s-a adoptat soluia orientrii controlate a CST opus direciei razei solare [27]. Protecia termic a agentului nu este asigurat n aceste condiii i astfel se impune utilizarea unor paravane de umbrire. Pentru a mri eficiena de conversie n timpul funcionri colectorului, aceste paravane pot fi create din material reflectorizant, de exemplu oglinzi [20][22]; de asemenea, n perioada de

39var oglinzile folosesc drept paravane, pentru umbrirea CST i astfel, limea oglinzilor se dimensioneaz pentru condiiile de var.Unghiul de nclinare al oglinzilor plane fa de colectorul solar termic ( []) se alege n funcie de aportul energetic dat de oglinzi n perioada de utilizare a sistemului innd cont de unghiul maxim necesar umbririi n perioada vacant, valoarea optim fiind identificat a fi =60 [20][22].Condiiile i premisele dimensionrii oglinzilor se realizeaz innd cont de:1. Programul de orientare controlat: obturarea captrii radiaiei solare n perioada de stagnare a sistemului i captarea maxim a radiaiei solare n perioada de utilizare a sistemului.2. Condiiile i aspectele specifice pentru stagnare: parametrii funcionali ai agentului termic.3. Dimensionarea optim a oglinzilor ia n considerare dou aspecte: pentru perioada de stagnare, cnd oglinzile sunt folosite pe post de paravan i pentru perioada de funcionare cnd sunt folosite ca i concentratoare a radiaiei solare.4. Se consider reflexia radiaiei directe cu ajutorul oglinzilor, neglijndu-se efectul de reflexie a radiaiei difuze pe suprafaa CST.5. Unghiul de nclinare a oglinzilor plane fa de colectorul solar termic ( []) poate atinge maxim 60 pentru a respecta condiia de umbrire n perioada vacant.Energia total captat de CSTO (pentru sarcina termic maxim) n premisa concentrrii radiaiei solare directe pe suprafaa CST cu ajutorul a dou oglinzi plane se determin cu cei 4 parametri optimi identificai n Cap.4.2, rezultatele fiind ilustrate n Fig.4.16. n aceste condiii, CSTO capteaz cu 45% mai mult radiaie solar dect un sistem CST fix nclinat optim i cu 19% mai mult dect sistemul CST monoaxial.Necesarul major de energie este n perioada de nclzire, cnd aportul energetic dat de oglinzi este relativ nesemnificativ i chiar nul n luna decembrie. Oglinzile capteaz o cantitate maxim de energie n lunile Aprilie, August i Septembrie, iar n perioada de var cnd este necesar reducerea sarcinii termice, oglinzile capteaz pana la 25% din radiaia solar direct. innd cont de rezultate, se constat faptul c, influena de 18% asupra eficienei de captare a radiaiei solare dat de oglinzi este relativ nesemnificativ, deci se pot pstra cu erori relativ nesemnificative cei 4 parametri identificai optimi la punctul 4.2.

Fig.4.16. Energia captat de CSTO i eficiena de captare a CSTO (EG*/EG) pentru cele 12 luni calendaristice ale anului

4.4. Aplicarea algoritmului pentru sinteza sistemului de orientare, n condiiile sarcinilor termice parialeUtiliznd rezultatele obinute la punctul 4.2, se dore te stabilirea programului optim de funcionare n cazul sarcinii termice pariale a CST cu eficiena de captare ridicat (superioar celei realizate de CST fix).n fig.4.18 este dat un exemplu de rspuns energetic pentru sarcina parial superioar pentru ziua de 15 Noiembrie (N=319). n aceasta zi, s-a considerat necesar energia captat de CST corespunztoare unei eficiene de captare de 89.2%. Pentru aceast sarcin termic necesar, *=30, iar programul optim este ilustrat n Fig. 4.19. Considernd cei 4 parametri necesari stabilirii programului de funcionare, se consider: Numrul optim al sub-programelor sezoniere de orientare este considerat ca fiind intervalul de timp aferent unui sezon pentru ntreaga durat a unui an; Unghiul optim de elevaie anual (*=constant=39) este identificat la punctul 4.2; Durata optim constant a pa ilor orientrii CST (*) este, de asemenea, identificat la punctul 4.2, iar n exemplul din Fig.4.19 este similar; Cursa unghiului diurn optim: *=30.Similar exemplului din Fig. 4.18 i 4.19 se identific programul diurn de orientare n funcie de necesarul energetic. n acest sens, se optimizeaz cursa unghiular diurn pentru sarcina termic parial cu eficiena de orientare ridicat, pstrnd valorile optime pentru elevaia anual i numrul de sezoane identificate optime, la punctul 4.2.

Fig.4.18. Eficiena de captare a energiei radiaiei globale totale receptate de CSTO funcie de * avnd

*_3020151050-5-10-15-207891011121314151617T [h]* []*=39, N=319 (15 Noiembrie), pentru o eficien de captare de 89.2% se obine *=30

Fig. 4.19. Exemplu de variaie a unghiului diurn pentru sarcina termic parial superioar.

*_3.65h655035205-10-25-40-55-707891011121314151617T [h]* []Fig.4.20. CST n funcie de durata pasului: pentru CST = 50% se obine o durat a orientrii ctre Sud (*=0) de 3.65 ore, pe parcursul N=319; dimineaa i seara CST este orientat n contra-faz

Fig. 4.21. Variaia duratei orientrii CST spre Sud (*=0) i pentru *=130, n contra-faz pentru sarcina termic parial minim.Durata orientrii n contra-faz pentru eficiena de orientare redus se stabile te n funcie de energia de captare a CST. n exemplul din Fig. 4.20, necesarul energetic este inferior fa de sarcina termic dat de CST fix, o eficien de captare de 50% asigurnd necesarul energetic pentru ziua considerat (N=319). n aceasta situaie, durata orientrii cu *=0, corespunztoare eficienei de 50% este de 3.65 ore; ceea ce nseamn c CST are *=0 (precum CST fix) de la intervalul corespunztor T=12-1.825h pn la T=12+1.825h, iar cu excepia acestui interval, CST este orientat n contra-faz, cu o cursa diurn maxim, precum este descris la punctul 4.3. (Fig. 4.21).Pentru eficiene de captare redus, parametri optimi identificai n exemplul din Fig. 4.20 i 4.21 sunt: Numrul de sezoane optim pentru un an: un sezon; Durata optim constant a pa ilor orientrii CST: 3.65 ore (cu *=0); Cursa unghiului diurn optim: *=130 (n contra-faz); Unghiul optim de elevaie anual: *=39=constant.

4.5. Concluzii i contribuii4.5.1. Concluzii:a. Prin simularea numeric a algoritmului n condiiile sarcinii maxime, pentru sistemul monoaxial diurn de orientare amplasat n zona Bra ov, s-au obinut urmtoarele mrimi optime: numrul de sezoane optim: un sezon; durata optim constant a pa ilor orientrii CST: o or; cursa unghiului diurn optim: *=130; unghiul optim de elevaie anual: *=39=constant;b. Prin simularea numeric a algoritmului n condiiile sarcinii nule, s-au obinut urmtoarele mrimi optime: numrul de sezoane optim: un sezon; cursa unghiului diurn optim: *=130 (n contra-faz); unghiul optim de elevaie anual: *=39=constantc. Dac exist riscul suprasarcinii termice se monteaz paravane cu raportul dintre limea paravanelor si limea colectorului x=0.47d. Aportul energetic al oglinzilor este relativ nesemnificativ, de aceea se pstreaz valorile optime ale parametrilor de la punctul 1 de mai suse. Pentru sarcina termic parial s-au dat exemple reprezentative rezultnd: pentru funcionarea la sarcin termic parial, caracterizat prin eficien de captare ridicat i la sarcin termic parial cu eficien de captare redus, un sezon anual reprezint valoare optim, unghiul optim de elevaie anual: *=39=constant. Pentru sarcina termic superioar, durata de o or a pa ilor orientrii este optim, variind cursa unghiului diurn *, iar pentru sarcina termic parial inferioar, *=130 (n contra-faz), variind durata pa ilor de orientaref. Soluia cantitativ este caracterizat prin urmtoarele mrimi: numrul de sezoane optim, durata optim constant a pa ilor orientrii CST, cursa unghiului diurn optim, unghiul optim de elevaie anual, precum i unghiul de dispunere a oglinzilor (), limea oglinzilor i posibilitatea reglrii cursei unghiulare n cazul sarcinii termice pariale (cele 2 situaii pariale)

4.5.2. Contribuii:1. Simularea numeric a trei algoritmi de sintez a sistemului de orientare, n condiiile de sarcin termic maxim, nul i parial a CST plan i identificarea a patru parametri caracteristici fiecrui algoritm: numrul de sezoane optim pentru un an, durata optim constant a pa ilor orientrii CST, cursa unghiului diurn optim i unghiul optim de elevaie anual2. Simularea numeric privind aplicarea algoritmului de sintez n condiiile sarcinii termice maxime cu scopul stabilirii valorilor optime ale mrimilor de mai jos pentru un sistem CST cu orientare monoaxial diurn amplasat n zona Bra ov: numrul de sezoane optim; durata optim constant a pa ilor orientrii CST; cursa unghiului diurn optim; unghiul optim de elevaie anual3. Simularea numeric privind aplicarea algoritmului de sintez n condiiile sarcinii termice nule cu scopul determinrii configuraiei geometrice a paravanelor de umbrire n vederea evitrii temperaturilor critice ale agentului termic n zilele toride:4. Simularea numeric privind aportul energetic solar al oglinzilor n vederea corectrii valorilor optime ale mrimilor: *, *, durata pa ilor, numrul de sezoane i s-a constatat aportul relativ nesemnificativ al oglinzilor n perioada de funcionare maxim (iarna) i din acest motiv, cele patru mrimi nu se modific n cazul utilizrii oglinzilor cu concentrare joas a radiaiei solare5. Simularea numeric cu exemplificri privind: funcionarea la sarcina termic parial, caracterizat prin eficiena de captare ridicat i la sarcina termic parial cu eficiena de captare redus6. Asamblarea mrimilor optime care definesc soluia conceptual cantitativ a sistemului de orientare

5. Realizarea, implementarea i testarea unui demonstrator solar termic cu orientare monoaxial nclinat, comparativ cu un demonstrator de referin, fix.5.1. Proiectarea constructiv a demonstratorului cu orientare diurnModelarea conceptual a demonstratorului se bazeaz pe unghiul anual optim de elevaie *=39 (care se menine constant pe toat durata anului), pe cursa diurn maxim *=130 (*= +65 ... -65), pe programul de orientare n pai stabilit anterior *=*(timp solar) i pe baza legii de transmitere Lact = f (*) a mecanismului, de tip triunghi cu o latur reglat printr-un actuator liniar, a crui schem structural este prezentat n figura 5.1a; conform acestei scheme, O1A si O1B reprezint poziiile extreme ale colectorului, corespunztoare unghiurilor diurne *= +65 i respectiv *=-65 (msurate fa de direcia sud, S), iar O1C reprezint o poziie curent a colectorului.Pentru ca unghiurile de presiune la capete de curs s nu depeasc valoarea maxim admis (|p*|65), s-a realizat dimensionarea elementelor mecanismului, rezultnd urmtoarele dimensiuni: nlimea de prindere a furcii actuatoruluiDO1=490mm; Excentricitatea furcii actuatoruluiDO2=145mm; Excentricitatea articulaiei platformei-stlpO1O1*=90mm; Excentricitatea articulaiei platformei-actuatorCC*=70mmPe baza acestor elemente geometrice s-au determinat urmtorii parametri necesari determinrii legii de transmitere:O1*C*=250mm;r=O1A= O1B = O1C=250,8mm;b=O1O2=511mm;0=16,5; 0* = 18. n tabelul de mai jos se prezint un extras din rezultatele obinute n urma prelucrrii nregistrrilor datelor meteo din 17.11.2011.Notaiile din tabelul 5.3. au urmtoarele semnificaii: T= Timp solar; GH = Radiaia solar global n plan orizontal; DH = Radiaia solar difuz n plan orizontal; BH = Radiaia solar direct n plan orizontal; = Unghi orar; = Unghi declinaie; = Unghi altitudine; B (meteo) = Radiaia solar direct pe direcia razei solare rezultat prin prelucrarea datelor meteo; D (meteo) = Radiaia solar difuz pe direcia razei solare rezultat prin prelucrarea datelor meteo; G (meteo) = Radiaia solar global pe direcia razei solare rezultat prin prelucrarea datelor meteo; E = Energie solar disponibil cumulat.n Tabelul 5.4 s-au notat cu indicii m datele referitoare la CST mobil i cu indiciif pentru datele corespunztoare CST fix; s-au notat cu asterisc * datele referitoare la CST; similar s-au notat parametrii din Fig.5.13.

Tabel 5.3. Extras din prelucrarea datelor meteo nregistrate pentru data de 17.11.2011 pentru radiaia solar disponibil i energia cumulat aferentTGHDHBHB(meteo)D(meteo)G(meteo)E

hW/m2W/m2W/m2W/m2W/m2W/m2Wh/m2

103037522831-2019706507561204

10.253218523627-2020686577431390

10.53389424323-2021673647381574

10.7535210524720-2022654737271756

1136711625016-2023641817221936

11.2538211526712-2024665817462123

11.53971142838-2024693817742316

11.754121132995-2024724808042517

124271123151-2025759798382727

12.25424112312-3-2024754798332935

12.5421112310-7-2024754798333143

12.75407104302-10-2024748738213349

1339296295-14-2023748678153552

13.2538392292-18-2023761638253759

13.537587288-22-2022782608413969

13.7535886272-25-2021774588324177

1434085255-29-2019771578274384

Tabel 5.4. Extras din prelucrarea datelor meteo nregistrate pentru data de 17.11.2011 pentru radiaia solar receptat de CST i energia cumulat aferentTmf*f*Bm*Bf*Dm*Df*Gm*Gf*E * mE * f

hW/m2W/m2W/m2W/m2W/m2W/m2Wh/m2Wh/m2

1029682943455561751764696825851103826

10.2525682940455559952273776715991271976

10.5226730384555584530818666561614371130

10.75186730365255564529949665962516021286

1115663034525555453010410665963617671445

11.2511663033525557556010310567866519361611

11.58663132525559559110210469769521101785

11.754663131555562262210310372572522921966

121653030555565465410210275675624812155

12.25-3653131555564964910210275175126682343

12.5-6663131555564564510210274774728552529

12.75-106630325255645633939573872830392711

13-136630345255647623868873371132232889

13.25-176630355255658622828474070534083065

13.5-206731375255672623787975070235953241

13.75-246729394555674597747874767637823410

14-276829424555674573737774665139693572

Notaiile din tabelul 5.4. au urmtoarele semnificaii: T=timp solar; =unghi diurn solar; = elevaie solar; m =unghi de inciden pentru CST mobil; f =unghi de inciden pentru CST fix; *= altitudinea CST mobil; *f = altitudinea CST fix; B*m=radiaia solar direct captat de CST mobil; B*f =radiaia solar direct captat de CST fix; D*m=radiaia solar difuz captat de CST mobil; D*f = radiaia solar difuz captat de CST fix; G*m= radiaia solar global captat de CST mobil; G*f= radiaia solar global captat de CST fix; E*m=energia solar total captat de CST mobil; E*f=energia solar total captat de CST fix

Prin compararea rezultatelor teoretice obinute pentru radiaia solar disponibil cu rezultatele obinute prin prelucrarea datelor meteo (Fig.5.12) se observ faptul c, de i apar abateri la curbele de variaie ale radiaiei; energia corespunztoare radiaiei teoretice comparativ cu energia corespunztoare radiaiei prelucrate din datele meteo au valori apropiate, ceea ce valideaz modelarea teoretic a celor trei tipuri de radiaie solar: direct (B), difuz (D) i global (G).Din Fig.5.13 se poate observa faptul ca CST mobil capteaz mai mult radiaie solar dect CST fixn figura 5.14 sunt reprezentate cu