UNIVERSITATEA "DUNAREA DE JOS" DIN GALATI CATEDRA DE TERMOTEHNICA SI MASINI TERMICE

MEDIUL I SURSE NECONVENIONALE DE ENERGIE

Conf.dr.ing. ION V. ION

CUPRINS

i. Formele de energie i conversia lor ii. Sursele de energie regenerabil 1. Energia solar. Radiaia solar

1.1. Constanta solar 1.2. Distribuia spectral a radiaiei solare 1.3. Variaia radiaiei extraterestre 1.4. Caracteristicile radiaiei solare la nivelul solului 1.5. Raportul dintre radiaia direct incident pe o suprafa nclinat i cea pe o suprafa orizontal 1.6. Msurarea iradianei solare

1.7. Baze de date cu radiia solar 1.8. Estimarea radiaiei solare

2. Utilizri ale energiei solare 2.1. Sisteme pasive 2.2. Iluminat natural

3. Colectoare solare 3.1. Tipuri de colectoare 3.2. Colectorul cu tuburi vidate 3.3. Colectoare cu concentrarea radiaiei i colectoare cu sisteme de urmrire 3.4. Analiza termic a colectoarelor solare plane

3.4.1. Performanele unui colector solar plan cu lichid 3.4.2. Factorul de eficien a colectorului

4. Aplicaii ale colectoarelor solare 4.1. Instalaie mixt de nclzire (solar - biomas) 4.2. Instalaie solar de rcire cu absorbie 4.3. Instalaie solar de pompare a apei 4.4. Centrale electrice solare

5. Conversia direct a energiei solare n energie electric 5.1. Construcia celulelor fotovoltaice

6. Energia eolian 6.1. Evaluarea potenialului eolian 6.2. Turbine eoliene

6.2.1. Turbine eoliene cu ax orizontal 6.2.2. Turbine eoliene cu ax vertical

6.3. Utilizri ale turbinelor eoliene 7. Energie i combustibili din biomas

7.1. Introducere 7.2. Resursele de biomas 7.3. Conversia biomasei n combustibili i energie

7.3.1. Arderea biomasei 7.3.1.1. Puterea caloric a biomasei 7.3.1.2. Probleme ce apar la arderea biomasei n cazane 7.3.1.3. Tehnologii de ardere a biomasei

7.3.2. Gazificarea biomasei 7.3.3. Piroliza biomasei 7.3.4. Procese biochimice de conversie a biomasei

BIBLIOGRAFIE

1. Duffie, J. A., Beckman, W. A. (1991), Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd. Ed., J.

Wiley & Sons, New York, USA. 2. Kalogirou S., Solar thermal collectors and applications, Progress in Energy and Combustion

Science 30 (2004) 231295 3. en Z., Solar energy in progress and future research trends, Progress in Energy and

Combustion Science 30 (2004) 367416 4. Lysen E., Photovoltaics: an outlook for the 21st century, Renewable Energy World

2003;6(1):4353. 5. Kalogirou S., The potential of solar industrial process heat applications, Appl Energy

2003;76:33761. 6. Srensen Bent, Renewable Energy Its physics, engineering, use, environmental impacts,

economy and planning aspects, Third Edition, 2004, Elsevier Science. 7. Martin K., Wolfgang S., Andreas W. (Eds.), Renewable Energy Technology, Economics and

Environment, 2007, Springer. 8. ahin A.,D., Progress and recent trends in wind energy, Progress in Energy and Combustion

Science 30 (2004) 501543. 9. Burton T., Sharpe D., Jenkins N., Bossanyi E., Wind energy handbook, John Wiley & Sons,

2004. 10. EUROPEAN COMMISSION - EUR 21350 BIOMASS - Green energy for Europe,

Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005, http://publications.eu.int.

11. Demirbas A., Recent advances in biomass conversion technologies, Energy Edu Sci Technol 2000;6:1941.

12. Demirbas A., Sustainable cofiring of biomass with coal, Energy Conversion and Management 2003;44:146579.

13. Demirbas A., Combustion characteristics of different biomass fuels, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 219230.

14. Niu, V., Pantelimon, L., Ionescu, C., Energetic general i conversia energiei, Ed. Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1985.

15. Bitir-Istrate I., Minciuc E., Valorificarea biogazului pentru producerea energiei electrice si termice, Ed. Cartea Universitara, Bucuresti, 2003.

16. Tanasescu, F.T., Conversia energiei. Tehnici neconventionale, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1986. 17. Ilie V., s.a., Utilizarea energiei vintului, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1984. 18. Danescu Al. s.a., Utilizarea energiei solare, Ed. Tehnica, 1987. 19. Ilina M., Bandrabur C., Oancea N., Energii neconventionale utilizate in instalatiile din

constructii, Ed. Tehnica, 1987.

FORMELE DE ENERGIE I CONVERSIA LOR

n funcie de etapele de conversie i utilizare, energia are urmtoarele forme: energie primar, care poate fi finit sau renoibil (regenerabil). Este energia recuperat din natur; energie secundar, care este definit ca forma de energie obinut din conversia energiei primare i care poate fi folosit ntr-o gam larg de aplicaii (ex.: energia electric, benzina, mangalul, crbunele sortat i de calitate superioar, lemnul de foc tiat i spart); energia final, adic energia obinut prin conversia energiei secundare ntr-un motor, cazan, sob, calculator, bec de iluminat; energie util, energia obinut prin conversia energiei finale. Este energia efectiv nmagazinat ntr-un produs sau utilizat pentru un serviciu.

n fig. 1 sunt prezentate principalele forme de energie i posibilitile lor de transformare.

Pile de combustie

Motoare cu ardere intern

Energie luminoas Energia dat de

micarea planetelor

Energie mecanic

Combustibili fosili

Deeuri combustibile

Energie electric

Ener

gie

elec

tric

Ener

gia

term

ic

(cl

dur

)

Cldura scoarei Pmntului (energia geotermal)

Energie nuclear (uraniu)

Benzin Motorin

Gaze naturale Crbune

Energie termic

Ener

gie

mec

anic

Forme intermediare de energie

Pcur

Forme finalede energie

Energie primar

Energie chimic

Energie de sintez chimic

Conversie MHD Conversie termoelectric

Petrol

Energie fotoelectric

Energia cinetic i potenial a apei Energia solar Vnt, valuri

Radiaia solar captat

Biomasa

Instalaii cu turbine cu abur Instalaii cu turbine cu gaze Motoare Stirling

Ener

gie

finit

En

ergi

e re

gene

rabi

l

Fig. 1. Principalele forme de energie.

Trecerea de la energia primar la cea secundar este nsoit de pierderi de conversie, iar transportul de la locul de producere a energiei la consumator este nsoit de pierderi de transmitere.

Sursele de energie primar pot fi grupate astfel: surse convenionale/clasice (care s-au impus prin folosire ndelungat)

combustibili fosili, deeuri combustibile;

surse neconvenionale (care nu au o folosire ndelungat) energia nuclear/uraniu, energie primar regenerabil: - energia solar,

- energia geotermal, - energia dat de micarea planetelor.

1

Sursele regenerabile de energie sunt sursele care se regenereaz constant pe msur ce sunt consumate i sunt mai puin poluante. Toate sursele de energie regenerabil energia solar, energia hidro, biomasa i energia vntului - i au originea n activitatea Soarelui. Energia geotermal, care datorit potenialului ei inepuizabil, este considerat regenerabil primete energie din scoara Pmntului.

2

SURSELE DE ENERGIE REGENERABIL

Energia regenerabil este virtual inepuizabil i are disponibilitate infinit datorit largii rspndiri a technologiilor complementare ceea ce se potrivete perfect politicii de diversificare a surselor de alimentare cu energie. Resursele de energie regenerabil sunt recunoscute ca cea mai buna cale de a proteja economia unei ri mpotriva fluctuaiilor de pre i mpotriva eventualeleor costuri de mediu. Tehnologiile bazate pe energie regenerabil sunt aproape nepoluante i au o contribuie aproape nul la efectul de ser. Ele nu produc deeuri nucleare i corespund astfel politicilor de protecie a mediului ambiant, de construire a unui mediu mai bun i dezvoltrii durabile.

Aproximativ 30% din radiaia primit de Pmnt este reflectat n spaiu de nori i de suprafaa Pmntului i circa 70% este absorbit, ea regsindu-se n cldura aerului i a apei (47 %), n cldura latent de evaporare a apei din mri, oceane i de pe suprafeele de uscat umede (23%) i n biomas, datorat procesului de fotosintez al plantelor (0,5 %). Cldura absorbit de aer i ap este remis n cele din urm spaiului sub forma radiaiei infraroii (cldurii). Cldura latent de evaporare a apei este eliberat i ea prin condensare.

A doua surs de energie renoibil, energia geotermal, produce un flux de energie comparativ mic (351012 Wan/an) dinspre litosfer spre atmosfer i ocean, prin conducia cldurii. Din aceast energie, doar 1% se regsete n vulcani sau cmpuri geotermale active. Micarea planetelor din sistemul solar, cea de a treia surs de energie renoibil reprezint 31012Wan/an disipai prin maree n oceane. Fluxurile de energie generate de radiaia solar (fluxuri naturale de energie secundar) i de celelalte dou surse n mediul nconjurtor al omului sunt mult mai mici dect fluxurile rezultate prin transferul direct de energie de la lumina solar. Energia potenial a cursurilor de ap continentale reprezint 51012 Wan/an, vnturile, valurile i energia cinetic a curenilor oceanici reprezint circa 3701012 Wan/an, iar energia solar absorbit de biomas prin fotosintez este de 1001012 Wan/an.

Cele mai importante fluxuri naturale de energie din mediul nconjurtor direct al omului ce pot fi exploatate sunt: radiaia solar absorbit la nivelul suprafeei terestre (25 0001012 Wan/an) i vnturile care transport aer fierbinte i umed ctre poli i aer rece i uscat ctre ecuator cu o energie mecanic de 3501012 Wan/an.

ENERGIA SOLAR 1. Radiaia solar

Pmntul primete aproape toat energia din spaiu sub form de radiaie electromagnetic solar. Cantitatea total de cldur a Pmntului nu se schimb semnificativ n timp, deoarece exist egalitate ntre radiaia solar absorbit i radiaia termic de joas emis de Pmnt. Soarele este o sfer format din gaze fierbini cu diametrul de 1,39109 m i se afl la distana de 1,51011 m de Pmnt. Aa cum se vede de pe Pmnt, Soarele se rotete n jurul axei sale odat la fiecare patru sptmni. El nu se rotete ca un corp solid, astfel c regiunea din jurul ecuatorului se rotete cu o perioad de circa 27 de zile, iar regiunile polare cu o perioad de circa 30 de zile. Soarele este de fapt un reactor de fuziune continuu, n care hidrogenul este convertit n heliu cu o rat de 4106tone/s, astfel c suprafaa soarelui are temperatura efectiv egala cu cea a corpului negru (temperatura corpului negru ce radiaz aceeai cantitate de energie ca i soarele) de 5777K. Necesarul de energie actual la nivel mondial ar putea fi acoperit de energia colectat de pe numai 10 ha din suprafaa soarelui. Se estimeaz c energia radiant solar interceptat de Pmnt timp de 10 zile este echivalent cu cldura ce s-ar dezvolta prin arderea tuturor rezervelor cunoscute de combustibili fosili de pe Pmnt.

Suprafaa Soarelui radiaz energie electromagnetic sub form de fotoni i neutroni. Fluxul total de energie radiant a Soarelui este de 3,831026 W. Pmntul primete numai o parte din aceast energie, circa 1,731017 W. Cea mai mare parte a radiaiei electromagnetice ce ajunge pe Pmnt este emis de stratul sferic dens exterior format din gaze fierbini, numit fotosfer. La exteriorul fotosferei se gsesc cromosfera i corona. Aceste regiuni sunt formate din gaze cu densitate mic ce au temperatur mare i variaii n timp ale diametrului i energiei emise. Deoarece aceste gaze au densitate mic, emisia de energie din aceste zone este redus i nu prezint importan pentru aplicaiile termice solare de pe pmnt.

1.1. Constanta solar n fig. 2. este prezentat schematic legtura dintre Soare i Pmnt. Excentricitatea orbitei Pmntului

face ca distana dintre Soare i Pmnt s varieze cu 1,7%. La distana medie dintre Soare i Pmnt, care este egal cu o unitate astronomic (1,4951011m=1UA), unghiul subntins de Soare este de 32. Intensitatea radiaiei pe suprafaa Soarelui este de aproximativ 6,33107 W/m2. Dac Ss este fluxul total de energie radiant a Soarelui,

atunci la distana R de centrul Soarelui fluxul de energie radiant va fi acelai, presupunnd c radiaia solar este aceeai n toate direciile. Dac fluxul de energie radiant incident pe unitatea de suprafa aflat la distana R este G(R), atunci fluxul total de energie radiant va fi egal cu 4R2G(R). De aici rezult c putem calcula fluxul de energie radiant primit de unitatea de suprafa dispus la distana egal cu cea dintre Soare i Pmnt:

( ) 136710495,141083,3

4 21126

2 === R

SI ssc W/m2 (1)

Constanta solar, Isc este fluxul de energie radiant primit pe unitatea de suprafa dispus

perpendicular pe direcia razelor solare la distana medie dintre Soare i Pmnt, la limita exterioar a atmosferei terestre.

Fluxul de energie radiant incident pe unitatea de suprafa se numete iradian (W/m2).

3

Soarele

Pmntul

32

1,4951011m=1 UA

Constanta solar Isc=1367 W/m2

6,33107 W/m2

0,695109m

1,27107m

Fig. 2. Legtura geometric dintre Soare i Pmnt.

1.2. Distribuia spectral a radiaiei solare Pe lng energia total n spectrul solar extraterestru, adic constanta solar, este util de tiut i distribuia spectral a acestei radiaii. Spectrul solar conine n cea mai mare parte radiaii vizibile i radiaii ce au lungimi de und prea mari (infraroii) sau prea mici (ultraviolete) pentru a putea fi vzute cu ochiul liber, adic de la 0,3 la 25 m (tabelul 1). Radiaia solar din exteriorul atmosferei terestre are cea mai mare parte din energie n domeniul 0,25-3 m, n timp ce energia solar primit de Pmnt este n domeniul 0,29-2,5 m.

Distribuia spectral a radiaiei solare n W/m2 pe m de lungime de und reprezint puterea pe unitatea de suprafa n intervalul de lungimi de und i (+1) m. Spectrul solar este echivalent celui corespunztor corpului negru perfect avnd temperatura de 5777 K. Dup efectul combinat al vaporilor de ap, prafului i absorbiei de ctre diverse molecule din aer, cteva frecvene sunt absorbite i prin urmare spectrul primit de pmnt este modificat, aa cum se vede din fig. 3.

Tabelul 1. Spectrul radiaiei electromagnetice. Tipul radiaiei Lungimea de und (m)

Gamma () 10-8 < < 10-4Rntgen (x) 10-5 < < 10-2

Ultraviolete (UV) 0,02 < < 0,38 Vizibile (V) 0,38 < < 0,78

~9% ~45% ~46%

Radiaia solar 0,3

1.3. Variaia radiaiei extraterestre Variaia distanei Soare-Pmnt duce la variaia iradianei solare extraterestre cu 3,4%, valoarea maxim fiind la periheliu (3 ianuarie) i minim la afeliu (5 iulie). Dependena iradianei extraterestre cu perioada din an (fig. 4) este dat de ecuaia urmtore:

+=365

36003301 ncos,II scon (2)

unde Ion este iradiana solar extraterestr msurat pe un plan perpendicular pe direcia razei n ziua n a anului.

Lungimea de und, m

Irad

ian

a sp

ectra

l,

W/(m

2 m

)

radiaia solar extraterestr

Corpul negru 5650K

iradiaia direct din atmosfer norat

Fig. 3. Spectrul solar.

Luna

I on,

W/m

2

Fig. 4. Variaia iradianei solare extraterestre cu perioada din an.

1.4. Caracteristicile radiaiei solare la nivelul solului La trecerea radiaiei solare prin atmosfera terestr aceasta este absorbit (motiv pentru care atmosfera se nclzete uor), este reflectat (aceasta face posibil ca Pmntul s poat fi vzut din spaiu), este mprtiat (motivul pentru care exist lumin i la umbr) i este transmis direct (motivul pentru care exist umbra). Atmosfera produce o reducere a energiei solare cu 30% n condiiile unui cer senin i cu aproape 90% n condiiile de cer norat. n fig. 5 sunt indicate proporiile n care au loc mprtierea i absorbia produs de diferite componente ale atmosferei. Cnd radiaia solar sub forma de und electromagnetic lovete o particul, o parte din energia incident este mprtiat n toate direciile ca radiaie difuz. Dac particulele sunt sferice i mult mai mici dect lungimea de und a radiaiei incidente se numete mprtiere Rayleigh a radiaiei solare (provocat de aerosolii prezeni n atmosfer: praf, nuclee de condensare a vaporilor de ap), mprtierea realizndu-se identic n cele dou direcii nainte i napoi. Cnd mrimea particulelor este de acelai ordin cu lungimea de und a radiaiei se mprtie mai mult energie n direcia nainte dect napoi, ea numindu-se mprtiere Mie. Energia solar incident este absorbit pe anumite domenii de lungimi de und i mprtiat de ctre moleculele gazelor triatomice (O3, H2O, CO2, N2O), ale gazelor ce compun aerul atmosferic (N2, O2) i particulele de praf.

Pe suprafaa Pmntului, noi primim iradian solar direct, care vine direct de la discul solar i iradiana solar difuz sau mprtiat ce vine din toate direciile dinspre cer. Vom folosi indicele inferior b (de la beam, n englez) pentru a desemna iradiana solar direct i indicele inferior d (de la difuz) pentru a

4

desemna componenta difuz a iradianei solare. Suma celor dou iradiane este numit iradiana solar global sau total. Pentru desemnarea ei se folosete indicele inferior t.

O parte din radiaia solar incident pe Pmnt este reflectat napoi n atmosfer. Cantitatea de radiaie solar reflectat depinde de coeficientul de reflexie sau albedo, definit ca raportul dintre radiaia solar reflectat (mprtiat) i radiaia solar incident msurat deasupra atmosferei. Deoarece calculul potenialului energetic solar ntr-un anumit loc de pe Pmnt depinde direct de albedo, caracteristicile suprafeei devin importante. n general, albedo depinde de urmtorii factori:

tipul de suprafa; nlimea soarelui i geometria suprafeei relativ la soare; distribuia spectral a radiaiei solare. n tabelul 2 este dat procentajul radiaiei solare reflectate de ctre diferite suprafee.

5

Fig. 5. absorbia i mprtierea energiei solare incidente.

Satelii

Isc=1367 W/m2

Soare

Ozon

Stratul de praf superior

Moleculele de aer

Total Pierderi prin absorbie

Ozon

Stratul de praf superior

Moleculele de aer

Vapori de ap

Stratul de praf inferior

Nori

mprtiat pe pmnt(insolaia difu)

5-26% direct spre pmnt(insolaia direct)83-33%

vapori de ap i strat inferior de

praf

40km (limita atmosferei terestre)

mprtire n spaiu

Tabelul 2. Valoarea coeficientului de reflexie a diferitelor suprafee. Suprafaa Albedo (%) Zpad proaspt 85 Zpad veche 70 Sol argilos 29-31 Peluz 8-27 Pdure de pini 6-19 Granit 12-18 Ap (depinde de unghiul de inciden) 2-78 Nori nali 21 Nori la nlime medie (3-6km) 48 Ptur de nori de joas nlime 69 Aglomeraie de nori 70

Exist trei efecte astronomice care determin variaia sezonier a radiaiei solare incidente pe Pmnt

aa cum se vede n fig. 6 i 7. Deoarece axa Pmntului este nclinat, iar micarea sa n jurul Soarelui se face dup o traiectorie eliptic, Pmntul i modific distana fa de Soare, cele dou emisfere (de nord sau boreal i de sud sau austral) fiind luminate inegal n timpul anului. Astfel, la echinociul de primvar (21 martie) razele soarelui cad perpendicular pe ecuator i ambele emisfere primesc la fel energia radiant. n aceast zi ncepe primvara n emisfera nordic, iar n emisfera sudic ncepe toamna. n jurul datei de 21 sau 22 iunie (solstiiul de var) razele Soarelui cad perpendicular pe Tropicul de Nord. n emisfera sudic ncepe iarna, iar n cea nordic vara. Pe 23 septembrie (echinociul de toamn) ambele emisfere primesc la fel razele de soare. n emisfera sudic ncepe primvara, iar n cea nordic, toamna. n jurul datei de 21 sau 22 decembrie (solstiiul de iarn) razele soarelui cad perpendicular pe Tropicul de Sud. ncepnd cu aceast dat, emisfera sudic va fi luminat mai mult. n emisfera austral ncepe vara, iar n emisfera boreal, iarna.

365 zile planul eliptic

21-22 decembrie 21-22 iunie

21 martie

Soare

24 ore23 septembrie

axa eliptic

axa polar

23

21-22 dec21 martie23 sept

21-22 iunie

Fig. 6. Micarea de revoluie a Pmntului n jurul Soarelui.

6

Fig. 7. Luminarea Pmntului la solstiii.

21-22 dec N 23

Ecuator

S 21-22 iunie

Ecuator

N 23

Tropicul Racului 23 N

23

Axa micrii de revoluie

a Pamntului

23

Tropicul Capricornului 23 S

S

Razele soarelui Razele soareluiSoare

iarn

var

var

iarn

Radiaia solar incident pe Pmnt mai depinde i de longitudinea i latitudinea locului i de starea

atmosferic. Pentru o suprafa orizontal ce se deplaseaz dinspre ecuator spre unul dintre poli n lungul aceleeai longitudini iradiana solar incident se reduce. Dac axa de rotaie diurn a Pmntului nu ar fi

nclinat ci vertical, un punct de pe suprafaa Pmntului ar primi aceeai cantitate de radiaie solar n orice zi din an. Cum axa de rotaie diurn este nclinat, acelai punct primete cantiti diferite de radiaie solar n funcie de ziua din an i ora din zi. Astfel, anotimpurile joac un rol important n variaia radiaiei solare incidente. n plus, variaiile diurne ale radiaiei solare incidente se datoreaz succesiunii zi noapte. Ca rezultat al rotirii Pmntului n jurul axei sale nclinate, n mod surprinztor, o regiune polar primete mai mult radiaie n timpul verii dect ecuatorul. Un aspect important l reprezint absena anotimpurilor la tropice i existena verilor i a iernilor extreme de ase luni la poli.

n proiectarea instalaiilor solare este necesar s se cunoasc densitatea de putere ce variaz n timpul zilei, de la un anotimp la altul i de asemeni efectul nclinrii colectorului cu un anumit unghi fa de orizontal.

Iradiana sau insolaia (W/m2) este rata cu care energia solar ajunge o unitate de suprafa de pe Pmnt. Iradiana solar este o msurare instantanee a ratei i poate varia n timp. Cunoaterea valoarii maxime a iradianei solare este util n proiectarea sistemelor pentru determinarea vrfului de putere primit de sistem. Dac sistemul este prevzut i cu stocarea energiei este necesar s se cunoasc i variaia iradianei solare n timp n vederea optimizrii sistemului.

Proiectantul de sisteme de colectare a energiei solare este de asemeni interesat s tie ct energie este incident pe un colector ntr-o anumit perioad de timp (zi, sptmn, lun sau an). Aceast nsumare se numete radiaie solar sau iradiaie. Unitatea de msur este Joule pe metru ptrat (J/m2), dar se folosete i Wat or pe metru ptrat (Wh/m2). Radiaia solar reprezint rezultatul integrrii sau nsumrii iradianei solare pe o perioad de timp.

Pentru a descrie poziia Soarelui (care determin direcia razelor solare) fa de un plan cu orientare oarecare fa de Pmnt se folosesc urmtoarele unghiuri (fig. 8, 9 i 10): latitudinea, este unghiul dintre verticala locului i planul ecuatorial, msurat n planul meridian definit de

axa de rotaie a pmntului i poziia locului respectiv(-9090); unghiul de nlare a soarelui, H este unhiul msurat n planul cercului vertical al Soarelui ntre direcia

razei Soarelui n locul considerat i planul orizontal. Acest unghi depinde de latitudinea locului (), declinaia Soarelui () i unghiul orar ():

+= coscoscossinsinsin H (3) declinaia Soarelui, este unghiul msurat n planul meridian al Soarelui (planul determinat de axa polilor

i poziia soarelui) dintre direcia razei solare n locul considerat i planul ecuatorial (-23,4523,45) Declinaia depinde de ziua i luna din an i se calculeaz cu relaia lui Cooper:

+=365

284360sin45,23 n (4)

unde: n-numrul de zile scurse de la nceputul anului. unghiul orar, este unghiul dintre planul meridian al locului i planul meridian al soarelui msurat n

planul ecuatorului. Acest unghi este datorat rotirii pmntului n jurul axei lui cu 15 pe or. Dimineaa este negativ, iar dup-amiaza pozitiv;

unghiul de azimut al suprafeei, este unghiul dintre direcia sud i proiecia normalei la suprafa pe planul orizontal. Este msurat pozitiv spre vest (-180180);

nclinarea, este unghiul dintre suprafa considerat i planul orizontal (0180); unghiul azimutului solar, s este unghiul dintre proiecia razei soarelui pe planul orizontal i direcia sud.

Sensul pozitiv este de la sud spre vest; unghiul zenitului solar, z este unghiul format de verticala locului cu direcia razei soarelui; unghiul altitudinii solare, s este unghiul dintre raza solar i planul orizontal, adic este complementul

unghiului de zenit; unghiul de inciden, al razei soarelui pe o suprafa plan nclinat este unghiul dintre direcia razei i

normala la suprafa i se poate calcula cu relaia: ( ) += sincossincoscoscos szz (5) Relaiile de legtur dintre unghiul de inciden al radiaiei directe pe o suprafa, i celelalte unghiuri:

++++=

sinsinsincoscoscossinsincoscoscoscoscoscossincossincossinsincos

(6)

( )+= szz cossinsincoscoscos (7)

7

cercul meridianal soarelui

Sud

NordZenit

O

C

A

Soarele

Ecuator

Axa polilor

M

planul orizontal

cercul meridianal locului

cercul verticalal soarelui

H

B

S

Fig. 8. Poziia Soarelui pe bolta cereasc.

Est

Sud Nord

Vest

ss

Zenit

Soarele

z

Fig. 9. Traiectoria soarelui pe bolta cereasc de la rsrit la apus cu indicarea unghiurilor de azimut solar (s) i

altitudine solar (s). Un alt unghi important este unghiul de profil al radiaiei directe pe o suprafa receptoare R ce are unghiul de azimut al suprafeei (fig. 11). El este proiecia unghiului altitudinii solare pe un plan vertical perpendicular pe planul considerat. Cu alte cuvinte, el este unghiul cu care trebuie rotit un plan orizontal n jurul unei axe din planul suprafeei considerate pentru a cuprinde soarele. Acest unghi este util n calculul umbririi cu copertine i console (fig. 12). Exist mai multe tipuri de probleme legate de umbrire ce necesit rezolvare. Acestea se refer la umbrirea colectoarelor, ferestrelor i a altor receptori de ctre copaci i construcii i la umbrirea colectoarelor de ctre primul rnd de colectoare i a ferestrelor de ctre copertine. n primul caz, obturatorii pot avea forme geometrice neregulate i rezolvarea este dificil, iar n al doilea caz obturatorii au forme geometrice regulate i n acest caz umbrirea este simplu de rezolvat. n orice moment n timp i o anumit latitudine, i sunt fixe. Cu ajutorul relaiilor (5), (6) i (7) pot fi calculate unghiurile z, s i s. Poziia soarelui, dat de unghiul de zenit, z sau unghiul altitudinii solare, s poate fi reprezentat grafic n funcie de unghiul de azimut solar, s, aa cum se vede n fig. 12. Dac pentru cldirea sau construcia ce umbrete un receptor (colector, fereastr) se cunosc dimensiunile, orientarea i distana fa de receptor, coordonatele unghiulare ale acesteia (unghiul de azimut i unghiul altitudinii) pot fi calculate i reprezentate n acelai grafic. Copertinele i parasolarele sunt elemente arhitecturale aplicate cldirilor pentru a umbri ferestrele. Pentru a determina n ce momente ale zilei puncte ale suprafeei receptoare sunt umbrite pot fi folosite diagrame cu

8

poziia soarelui. O seciune prin peretele cu parasolar pentru umbrirea ferestei verticale de nlime W este prezentat n fig. 13.

9

Sud

Vest

Estsuprafaa plan

Suprafaa nclinat

s

Nord

normala la suprafa

s 90

90

Fig. 10. Unghiul de inciden (), nclinarea (), unghiul de azimut al suprafeei () i unghiul de azimut solar (s) pentru o suprafa nclinat.

Fig. 11. Unghiul altitudinii solare s=BAC i unghiul de profil p=DEF pentru o suprafa R.

A

C

B

D

p

E

R

s

soarele

F

z

amiaz 11 iunie17 iulie

15 mai

Est Vest

16 febr 14 nov 17 ian 10 dec

15 oct

15 sep 16 mar

15 apr 16 aug

Unghiul azimutului solar, s

Ung

hiul

alti

tudi

nii s

olar

e,

s

Fig. 12. Poziia soarelui pentru latitudinea de 45 (unghiul altitudinii solare i unghiul azimutului solar n funcie de declinaia i unghiul orar indicate prin ziua i ora din zi) [1].

planul de umbrire 1

p1

W

p2

2

1

L

H

HLarctg

HWLarctg

=+=

2

1

planul de umbrire 2

Fig. 13. Seciune prin peretele cu parasolar i evidenierea planurilor de umbrire.

Unghiul de inciden a radiaiei solare directe pe unul din planurile de umbrire poate fi determinat n funcie de unghiul de azimut al planului i nclinarea planului =90+ cu ajutorul relaiei (6). Pentru ca fereastra s fie umbrit trebuie ca unghiul de profil p s fie mai mare de 90-1, 1.5. Raportul dintre radiaia direct incident pe o suprafa nclinat i cea pe o suprafa orizontal

n proiectarea i calcularea performanelor instalaiilor solare este necesar s se calculeze radiaia pe o suprafa nclinat folosind msurtorile sau estimrile radiaiei solare pe o suprafa orizontal.

Raportul dintre radiaia direct incident pe o suprafa nclinat (Gb,T) i cea pe o suprafa orizontal (Gb) denumit factor geometric, Rb este dat de relaia (fig. 14):

zsc

sc

b

Tbb G

GG

GR

==coscos, (8)

normala la

suprafaa orizontal

limita atmosferei terestre

pmntul

suprafa normal la razele soarelui

soarele suprafaa orizontal

Gsc

z

Zenit

z

normala lasuprafaa nclinat

Fig. 14. Radiaia direct pe o suprafa orizontal i una nclinat.

1.6. Msurarea iradianei solare Instrumentul folosit la msurarea iradianei solare totale este piranometrul, care msoar energia soarelui ce vine dint toate direciile n semisfera aflat deasupra planului instrumentului. Rezultatul msurrii reprezint suma iradianei solare directe i difuze, adic iradiana solar global pe o suprafa orizontal sau nclinat dup cum piranometrul este aezat pe o suprafa orizontal sau nclinat. Cele mai utilizate piranometre folosesc o pil termoelectric (mai multe termocuple legate n serie) ataat la o suprafa absorbant neagr i subire, protejat mpotriva pierderilor prin convecie i izolat mpotriva pierderilor prin conducie (fig. 15). Cnd este plasat la soare, suprafaa se nclzete, atingnd o temperatur proporional cu

10

cantitatea de energie radiant incident la suprafa. Temperatura este msurat i convertit printr-o calibrare precis ntr-o indicaie a iradianei solare globale incidente pe suprafaa absorbant.

11

semisfer din sticl

termocuple

suprafaa neagr absorbant

voltmetru

izolaie

Gb Gd

compensator de

temperatur

Fig. 15. Piranometru [4].

Pentru aezarea orizontal a pyranometrului, iradiana solar normal este redus cu cosinusul unghiului de inciden, care n acest caz este unghiul zenitului solar z. Iradiana solar global orizontal msurat este:

o,dzn,bo,t GcosGG += (9) Piranometrul este folosit att la msurarea iradianei globale incidente pe suprafae orizontale ct i pe suprafee nclinate. n cel de-al doilea caz, msurtoarea va include i energia solar reflectat de ctre suprafeele nconjurtoare. n locul suprafeei absorbante negrite cu termocuple ataate pot fi folosite celule fotovoltaice din silicon ca o alternativ ieftin la pila termoelectric. Curentul produs de celulele fotovoltaice este proporional cu intensitatea radiaiei incidente pe suprafa. Viteza de rspuns la schimbarea intensitii solare este rapid. Exist totui dou efecte ce limiteaz precizia piranometrelor cu celule fotovoltaice. Acestea sunt: rspunsul unei celule fotovoltaice neacoperite din silicon este imprecis i rspunsul spectral este neuniform (fotocelulele sunt sensibile la componentele apropiate de infraroii i insensibile la lumina albastr i violet i radiaiile infraroii cu lungime de und mai mare de 1,2m). Pentru msurarea numai a componentei normale directe a iradianei solare se folosete pirheliometru (actinometru). Acest aparat (fig. 16), numit i pirheliometru de inciden normal, const dintr-un piranometru cu pil termoelectric plasat la captul unui tub lung care se orienteaz spre soare. Tubul este construit astfel nct s primeasc radiaie ntr-un con cu unghi de 5. Un mecanism cu dou axe este incorporat pentru a menine discul solar ntr-un con acceptabil pentru aparat. Cum unghiul aparent al discului solar este de 0,553 (32), pirheliometrul msoar att radiaia direct venit de la discul solar ct i radiaia circumsolar. Cnd se folosesc colectoare cu concentrare mare a radiaiei, pentru energia ce vine din direcia soarelui trebuie luai n consideraie doi factori: existena unei variaii a intensitii n lungul diametrului discului solar i radiaia aparent ce vine din jurul discului solar (radiaia circumsolar) poate avea un coninut nsemnat de energie. Radiaia circumsolar (cauzat de mprtierea de ctre atmosfer) este important pentru c multe concentratoare sunt proiectate s colecteze numai radiaia venit de la discul solar, nu i radiaia circumsolar, cauznd astfel o reducere a capacitii concentratorului de captare a energiei. Unghiul de recepie al pirheliometrului de 5 elimin necesitatea unui sistem de orientare i urmrire extrem de precis. Prin modificarea piranometrului utiliznd un dispozitiv de umbrire suficient de larg pentru a bloca adiaia ce vine direct de la discul solar se poate msura numai compenenta difuz a radiaiei globale (fig. 17). Pentru a se evita discul umbritor ce ii modific poziia n cursul zilei se folosete adesea o band de umbrire. Aceast band trebuie ajustat n timpul anului pentru a rmne n planul eliptic al Soarelui. Prin combinarea a dou piranometre, unul cu faa n sus i cellalt cu faa n jos se obine albedometru (fig. 18). Piranometrul cu faa n sus msoar radiaia global, n timp ce piranometrul cu faa n jos msoar radiaia solar reflectat. Semnalele produse de fiecare piranometru pot fi nregistrate mpreun. Albedo, fracia

radiaiei incidente reflectate de o suprafa, poate fi calculat cu ajutorul semnalelor oferite de piranometre

=

globalradiatiareflectatiatradiaalbedo .

Compensator detemperatur

voltmetru

tub (de culoare neagr la interior)

indicator de aliniere

termocuple absorber vopsit n negru izolaie

mecanism de urmarire

cu doua axe

5

Fig. 16. Pirheliometru [4].

band de umbrireGb

Gd

Fig. 17. Msurarea radiaiei solare difuze.

Fig. 18. Albedometru.

12

1.7. Baze de date cu radiia solar

Pentru evaluarea performanei energetice a unui sistem energetic solar n faza de proiectare este necesar s se cunoasc nivelul iradianei solare n fiecare minut de-a lungul duratei de via a sistemlui i n locul exact de funcionare a acestuia. Deoarece starea vremii este variabil n timp i spaiu i predicia ei este extrem de dificil, proiectantul este nevoit s foloseasc baze de date cu radiaia solar, nregistrat ntr-o perioad de timp n diferite locaii.

Urmtoarele informaii sunt importante n interpretarea i folosirea datelor despre radiaia solar: dac reprezint msuratori instantanee (iradiana) sau sunt valori integrate pe o perioad de timp, de obicei or sau zi (iradiaie); timpul sau perioada de timp corespunztoare msurtorilor; dac msurtorile reprezint radiaia direct, difuz sau total; instrumentele folosite pentru realizarea msurtorilor; orientarea suprafeei receptoare (de obicei este orizontal); perioada de timp pentru care s-a fcut media, dac este cazul (de exemplu media lunar a radiaiei zilnice). Dou tipuri de date referitoare la radiaia solar sunt disponibile: media lunar a radiaiei totale zilnice pe o suprafa orizontal ( H ) i radiaia total orar pe o suprafa orizontal (I) pentru fiecare or a perioadei considerate (unul sau mai muli ani). Aceste date pot fi gsite la serviciile meteorologice (Meteonorm - Global Meteorological Database, Solar Radiation Resource Atlas of the United States, Satel-light, NASA Surface meteorology and Solar Energy) i n literatura de specialitate.

Cnd se dorete s se fac modelarea numeric pentru studiul performanele unui sistem ce folosete energia solar se poate recurge la utilizarea unor modele analitice ale iradianei solare, n locul bazelor de date ce necesita un volum mare de lucru pentru prelucrare.

n tabelul 3 sunt date valorile mediei lunare a radiaiei zilnice pe o suprafa orizontal, valori mediate pentru 10 ani, potrivit datelor oferite de NASA Surface meteorology and Solar Energy, iar n fig. 19 este prezentat harta Romniei cu potenialul energetic solar. Harta radiaiei solare din Romnia a fost elaborat pe baza datelor medii multianuale nregistrate de Institutul Naional de Meteorologie i Hidrologie (INMH), procesate i corelate cu observaii i msurtori fizice efectuate pe teren de instituii specializate. Aa cum se vede pe hart, zonele cu radiaie solar important sunt: Dobrogea, Cmpia Romn, Cmpia de Vest, Banat i o parte din podiurile Transilvaniei i Moldovei. Tab. 3. Media lunar a radiaiei zilnice pe o suprafa orizontal.

Media lunar a radiaiei solare globale zilnice pe o suprafa orizontal*, H kWh/m/zi

Luna Constana Lat 44,22

Long 28,63

Bucureti Lat 45,5

Long 26,13

Galati Lat 45,5 Long 28,02

Cluj Napoca Lat 46,78

Long 23,57

Craiova Lat 44,23

Long 23,87

Iai Lat 47,17

Long 27,63

Timioara Lat 45,77

Long 21,25

Ianuarie 1,47 1,45 1,39 1,28 1,58 1,22 1,33 Februarie 2,17 2,04 2,09 2,00 2,17 1,99 2,09 Martie 2,94 2,98 2,98 3,00 3,06 2,78 3,13 Aprilie 4,24 3,75 4,09 3,94 4,26 3,77 4,36 Mai 5,41 4,78 5,32 4,76 5,29 4,84 5,31 Iunie 5,95 5,13 5,79 5,28 6,07 5,28 5,93 Iulie 6,18 5,41 5,96 5,72 6,29 5,50 6,22 August 5,61 4,93 5,43 4,91 5,51 4,87 5,40 Septembrie 4,16 3,66 4,03 3,60 4,16 3,47 3,98 Octombrie 2,69 2,44 2,54 2,35 2,57 2,21 2,58 Noiembrie 1,55 1,50 1,45 1,43 1,63 1,30 1,54 Decembrie 1,15 1,15 1,10 1,05 1,30 1,00 1,15

* media pe 10 ani

13

Radiaia solar

MJ/m2/an

Fig. 19. Harta potenialului energetic solar a Romniei. n fig. 20 este prezentat harta cu ptentialul solar a Europei realizat de ctre Institutul pentru mediu i

durabilitate (the European Commissions Institute for Environment and Sustainability - IES) cu ajutorul PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System). Acest sistem (PVGIS) poate oferi date despre iradiana solar global corespunztoare cerului senin sau normal estimat pentru fiecare 15 minute ale unei zile tipice dintr-o lun pentru o suprafa orizontal sau suprafa cu diferite nclinri i orientri pentru majoritatea oraelor din Europa.

Fig. 20. Harta cu potenialul solar al Europei. 14

1.8. Estimarea radiaiei solare Efectele atmosferei de mprtiere i absorbie a radiaiei sunt variabile n timp datorit schimbrii

condiiilor atmosferice i a masei de aer. Din acest motiv s-a recurs la estimarea radiaiei directe transmis prin atmosfera curat innd cont de unghiul zenitului solar i altitudinea locului pentru patru tipuri de clim. Transmitana atmosferic pentru radiaia direct este dat de relaia:

z

k

b eaa cos10

+= (9) unde: A - altitudinea locului exprimat n km; a0, a1 i k constante pentru altitudini mai mici de 2,5 km, avnd valori diferite n funcie de tipul de atmosfer;

Atmosfer cu vizibilitatea de 23 km Atmosfer cu vizibilitatea de 5 km

( )[ ]200 600821,04237,0 Ara = ( )[ ]200 60063,02538,0 Ara = ( )[ ]211 5,600595,05055,0 Ara += ( )[ ]211 5,60010,07678,0 Ara += ( )[ ]25,201858,02711,0 Ark k += ( )[ ]25,2081,0249,0 Ark k +=

r0, r1 i rk - factori de corecie (tab. 4). Tab. 4. Factori de corecie pentru tipul de clim

Tipul de clim r0 r1 rkTropical 0,95 0,98 1,02 Var la latitudinea de 45 0,97 0,99 1,02 Var subarctic 0,99 0,99 1,01 Iarn la latitudinea de 45 1,03 1,01 1,00

Astfel, iradiana solar direct pe o suprafa normal, pentru atmosfera senin este dat de relaia:

bnb II 0, = [W/m2] (10) Iradiana solar direct pe o suprafa orizontal, pentru atmosfera senin este:

zbb II cos00, = [W/m2] (11) Iradiana solar difuz pe o suprafa orizontal poate fi calculat cu relaia: ( )[ zkhd zeaaII cos2939,02710,0 sec100, += ] [W/m2] (12)

15

2. Utilizri ale energiei solare

Energia solar este curat, inepuizabil i inofensiv pentru organismele vii de pe Pmnt deoarece razele ultraviolete de lungimi de und scurte sunt absorbite de ctre straturile de ozon nainte s ating troposfera i slbite de compoziia aerului i umiditatea din troposfer. O parte din energia solar activeaz atmosfera genernd fenomene climatice, iar o parte este absorbit de moleculele materiei de pe Pmnt fiind convertit n cldur de joas temperatur. Utilizrile artificiale ale energiei solare sunt prezentate n fig. 1. Formele energiei solare sunt grupate n cldur i energie luminoas (de calitate i cantitate superioare cldurii).

Energia solar pe Pmnt

Lumina

Cldur

Fotovoltaic

Fotoliz

Central fotovoltaic

Pregtirea hranei

Producerea industrial de hidrogen

Reacii fotochimice n industrie

Iluminat i aplicaii sanitare

Producere local de electricitate

Producere de electricitate cu motoare termice

Uscare

Refrigerare

Distilare

nclzire (sere, cldiri, piscine)

Cuptor solar

Fig. 1. Utilizarea energiei solare.

Radiaia solar poate fi utilizat n principal ca surs de cldur pentru nclzirea apei de consum i a apei din piscine, uscarea cerealelor i a lemnului, pentru producerea de energie mecanic cu motoare termice, pentru a produce energie mecanic de antrenare a instalaiilor de condiionare i refrigerare i ca surs de lumin pentru producerea direct de electricitate cu celule fotovoltaice. Radiaia solar poate fi convertit n energie util folosind sisteme active sau sisteme pasive. Cele active sunt acelea care sunt vizibile precum colectoarele solare si panourile solare (fotovoltaice). Sistemele pasive sunt acelea in care cldura este transferat prin mijloace naturale datorita proiectrii speciale a cldirii.

Exist 3 ci prin care cldura este transferat prin geam: conducia, radiaia si convecia. Valoarea R a unei ferestre din sticl, adic proprietatea de izolare sau rezistena la transmiterea cldurii este determinat de gradul de conducie, radiaie si convecie a cldurii prin fereastr. Infiltraiile de aer influeneaz valoarea global a lui R.

Ultimele realizri in domeniul ferestrelor cuprind: ferestre duble sau triple cu valoare de izolare mare; sticl cu emisivitate redus (sticla acoperit ce las cldura s intre in cldire, dar nu o las s ias; ferestre umplute cu argon, krypton sau alte gaze pentru a mri gradul de izolare; sticl care devine translucid din opac atunci cnd i se aplic o tensiune.

Pe lng funcia decorativ, draperiile pot fi folosite ca s reduc pierderile de cldur din perioadele reci ct i pentru reducerea ctigului de cldura in timpul lunilor calde. Pentru a-i ndeplini funciile, draperiile trebuie sa atrne cu cel puin 30 cm sub fereastra.

Radiaia solara ce cade pe perei, ferestre, acoperiuri si alte suprafee este absorbita si acumulata in masa termica. Ea este radiata apoi in interiorul cldirii. Masa termica din sistemul de nclzire pasiv solar are aceeai funcie ca i bateriile din sistemul electric solar (panouri fotovoltaice). Masa termica dintr-o cldire solar pasiv poate fi constituit din pereii din beton, pardoseal sau perei acoperii cu ceramic, rezervoare umplute cu ap sau

16

cu materiale cu schimbare de faz sau chiar din roci. De fapt poate fi folosit orice material cu cldur specific mare i conductibilitate termic mare.

Fig. 2. nclzirea solar direct.

ziua noaptea

canal deschis fereastr

fereastr canal nchis

ziua

noaptea

Fig. 2. nclzirea solar indirect.

canal deschis

canal nchis

ziua

noaptea

Fig. 3. Sistem hibrid (direct i indirect) de nclzire solar. 17

Exist numeroase strategii i soluii de iluminat natural, bazate pe controlul distribuiei spectrale i/sau

spaiale sau al intensitii luminoase specifice radiaiilor transmise i/sau reflectate n interior, dar numai una dintre acestea permite accesul luminii naturale n spaii fr deschideri ctre exterior sau n spaii cu aport redus de lumin natural prin utilizarea celorlalte tipuri de sisteme. Aceast soluie este reprezentat de tubul de lumin surs secundar de lumin care transmite lumina de la sursa primar (natural sau electric) n spaiul de interes, ctre un obiectiv specific sau ctre anumite suprafee reflectante sau transmitoare. Transmisia luminii se realizeaz la captul tubului, unde lumina este distribuit sau direcionat, n funcie de particularitile sarcinii vizuale, sau prin transfer lateral ctre obiectivele specifice.

Exist trei tipuri principale de tuburi de lumin: tubul din aluminiu anodizat; tubul din aluminiu cu filmul optic polimeric multistrat 3M montat la interior; tubul flexibil spiralat din aluminiu.

Un sistem modern, lansat recent de o firm din Marea Britanie, este supranumit Super Silver SunPipe tubul solar super-argintat (SSSP) i const ntr-un tub oglind din aluminiu de 0,5mm grosime, impregnat cu argint pur i stabilizat prin depunere de vapori, avnd reflectana 0,98. Acest sistem maximizeaz conceptul de energie recuperabil prin reflexia i concentrarea luminii directe solare i a luminii difuzate de atmosfera terestr, prin intermediul tubului din aluminiu oglindat la interior i impregnat cu argint pur. Figura 4 prezint structura de baz a unui sistem destinat montajului la acoperi nclinat (stnga) i la acoperi orizontal (dreapta). n partea superioar a sistemului se afl un dom n form de diamant, fabricat din policarbonat stabilizat UV, montarea acestuia realizndu-se etan, mpiedicndu-se astfel ptrunderea apei, condensului sau a prafului n tub. Forma de diamant a domului superior (Fig. 5) este menit s maximizeze transmisia luminii solare i a luminii difuze a cerului n interiorul tubului prin prismele plane i captarea luminii solare dimineaa devreme i dup-amiaza trziu, prin prismele verticale de pe circumferina domului. La nivelul plafonului, un difuzor din policarbonat difuzeaz uniform lumina natural n ncpere sau n spaiul de interes. Acest sistem este extrem de eficient att n condiii de cer senin, ct i pentru cerul acoperit sau chiar atunci cnd plou. Tubul oglindat din aluminiu ce st la baza acestui sistem modern este garantat 25 de ani mpotriva decolorrii i o durat de funcionare estimat la 35 de ani. Tratamentul special, prin stabilizarea stratului de argint pur prin depunere de vapori, i prezena unei substane cu rol de absorbie a radiaiilor UV, asigur redarea excelent a culorilor specific luminii naturale.

Fig. 4. Structura unui tub solar. Fig. 5. Domul superior n form de

diamant (compus din prisme plane i

18

19

3. Colectoare solare 3.1. Tipuri de colectoare Acestea reprezint elementul principal al celor mai multe sisteme energetice solare. Colectoarele absorb

energia razelor solare si o transforma in cldur. Aceast cldur este apoi transferata unui lichid sau aerului care este folosit pentru nclzirea cldirilor, a apei, producerii de energie electric, uscrii lemnului i a produselor agricole sau pentru prepararea hranei. Colectoarele funcioneaz pe principiul unei sere, captnd cldura sub nvelitoarea din sticl. Deoarece radiaia solara este in mare parte difuz, colectoarele trebuie s aibe suprafee mari.

Ele pot fi mprite dup temperatura pe care o pot realiza astfel: colectoare de temperatur joas, care pot realiza temperaturi de pan la 50C folosind suprafee

absorbante metalice sau nemetalice pentru nclzirea bazinelor de not sau a apei; colectoare de temperatur medie care ofer cldur de temperaturi 60-80C. Acestea sunt colectoare cu

suprafa absorbant plan acoperite cu geam i folosesc ca fluid de lucru aerul sau apa, sau sunt colectoare cu concentrare. Tot aici sunt incluse i colectoarele cu tuburi vidate folosite pentru nclzirea apei pentru uz casnic;

colectoarele de temperatur nalt sunt farfuriile parabolice sau colectoarele cilindro-parabolice folosite pentru producerea de electricitate.

Mobilitate Tip colector Tip absorber Raport de concentrare* Domeniul de

temperaturi (C) Colector plan plat plan 1 30-80 Colector cu tuburi vidate plan 1 50-200

Staionar

Colector plan compus din uluce parabolice

tubular 1-5 60-240

Reflector Fresnel liniar tubular 10-40 60-250 Colector uluc parabolic tubular 15-45 60-300

Cu o singur ax de urmrire a Soarelui

Colector uluc cilindric tubular 10-15 60-300 Reflector farfurie parabolic

punct 100-1000 100-500 Cu dou axe de urmrire a Soarelui Colector de cmp heliostatic

punct 100-1500 150-2000

* Raportul de concentrare este definit ca raportul dintre suprafa incident i suprafaa absorberului. n fig. 6 sunt reprezentate principalele tipuri de colectoare. Cel mai simplu colector este colectorul cu mas absorbant sub forma unei plci n care apa este nclzit i

acumulat n acelai timp. Un colector solar plan plat (fig. 6) este format dintr-o cutie izolat termic ce are o nvelitoare din geam sau

plastic (suprafaa transparent) i o plac absorbant de culoare neagr. Colectoarele plane pot fi cu lichid sau cu aer i ambele pot fi acoperite sau nu. ntr-un colector cu lichid energia solar nclzete lichidul ce curge prin tuburile ataate plcii absorbante. Tuburile pot fi aezate n paralel folosind colectoare de intrare i ieire sau n serpentine. Serpentinele asigura o curgere uniform, dar ridic probleme la golire, serpentinele neputnd fi golite total pentru a se evita nghearea.

Colectoarele cu aer (fig. 7) au avantajul ca fluidul de lucru nu nghea i nu fierbe, fenomene prezente la colectoarele cu ap. Acestea pot folosi materiale mai ieftine cum ar fi materialelor plastice pentru suprafaa transparent, deoarece temperaturile de lucru sunt mai reduse dect la colectoarele cu lichid. Colectoarele cu aer sunt simple cu placi absorbante plane i sunt folosite pentru nclzirea spaiilor i uscarea culturilor agricole i a lemnului. Plcile absorbante sunt confecionate din metal, dintr-o singur plac, din mai multe plci perforate sau esturi din srm sau materiale nemetalice. Absorberul realizat din materiale poroase sau sub form de strat compact de estur metalic sau nemetalic absoarbe radiaia solar n adncime i are un raport mai mare ntre suprafaa de schimb de cldur i volum i are o capacitate mai mare de a transfera cldura, rezultnd o temperatur mai sczut a absorberului. Aceasta va duce la reducerea pierderilor de cldur spre mediul ambiant i implicit la creterea eficienei termice. Totodat crete i pierderea de presiune a aerului la trecerea prin colector, ceea ce face s creasc puterea consumat de ventilator pentru vehicularea aerului prin colector.

Limitrile n construcia nclzitoarelor solare cu aer sunt date de costul ridicat al producerii comerciale, suprafaa mare a colectorului, conducte mari pentru aer, puterea ridicat pentru vehicularea aerului prin colector i dificultatea acumulrii de cldur. Colectoarele cu aer pot fi clasificate dup modul de curgere a aerului. n colectoarele fr suprafa transparent, care sunt cele mai simple, aerul curge pe sub absorber. Pierderile de cldur de deasupra absorberului pot fi reduse prin acoperirea cu un material transparent. n acest caza aerul poate curge fie pe deasupra absorberului, fie pe sub absorber, fie i pe deasupra si pe sub absorber. Pierderile de cldur prin radiaie vor fi reduse n acest mod deoarece mrirea suprafeei de schimb de cldur duce la reducerea temperaturii absorberului.

Mas absorbant de culoare neagr

Canale de ap Plac absorbant Izolaie

nvelitoare transparent

Carcas

Colector fr geam Colector plan cu ap Colector plan cu aer

Izolaie Curent aer Plac plan absorbant

CarcasCanale de aer

nvelitoare transparent

Colector cu concentrare liniar (tip uluc)

Colector cu tuburi vidate Colector cu concentrare punctual (tip farfurie parabolic)

Intrare ap Ieire ap

Oglind

Focalizare

Focalizare

Curentul de ap

Capt

Plac cu absorbie selectiv

Tub vidat din sticl

eav cu ap

Racord

Lichid

Fig. 6. Tipuri de colectoare.

Colectoarele solare plane sunt folosite numai n locuri cu clim nsorit i cald. Eficiena lor se reduce considerabil cnd condiiile devin nefavorabile pe timp nnorat, rece i cu vnt. n plus condensarea umiditii din aer pe suprafeele metalice interioare ale colectorului duce la deteriorarea lor i la reducerea performanelor. Aceste neajunsuri pot fi reduse n colectoarele cu tuburi vidate. Acestea sunt alctuite din dou tuburi coaxiale, cel exterior din sticl i cel interior-absorberul din metal, ntre care se gsete vid. Apa circul prin tubul interior. Datorit vidului, pierderile de cldur prin conducie i convecie sunt eliminate iar efectele negative ale umiditii aerului sunt eliminate nemaifiind aer ntre absorber i suprafaa transparent. Construcia acestor colectoare este dificil deoarece necesit o bun etanare pentru pstrarea vidului. n regiunile cu clim mai cald, aceste colectoare sunt mai eficiente dect cele plane din urmtoarele motive:

ele primesc i radiaia solar direct i pe cea difuz; datorit formei circulare a tuburilor , radiaia solar este perpendicular pe absorber o durat mai

mare de timp a zilei. Colectoarele cu tuburi vidate realizeaz temperaturi mai mari i eficiene mai ridicate dect colectoarele

plane, dar ele sunt mai scumpe. Colectoarele cu concentrare folosesc suprafee oglind pentru concentrarea energiei soarelui pe un absorber numit receptor. Ele realizeaz temperaturi mai ridicate dect colectoarele plane, chiar dac ele concentreaz numai

20

radiaia solar direct. Eficiena lor este mai mic n zilele fr soare. Ele sunt folosite mai mult n zonele cu insolaie mare apropiate de ecuator. Concentratoarele funcioneaz cel mai bine cnd ele sunt direcionate direct spre soare. Pentru aceasta, aceste sisteme folosesc mecanismele de urmrire pentru a muta colectorul n timpul zilei pentru a fi mereu ndreptate spre soare. Mecanismele de urmrire cu o singur ax se mic de la est la vest, iar cele cu dou axe se mic de la est la vest i de la nord la sud. Cutiile solare de gtit constau dintr-o cutie pe pereii creia se gsete un material reflectant, este acoperit

cu geam i are un reflector extern.

nvelitoare transparent

carcas

izolaie termic

nvelitoare transparent eav din cupru

tub colector

ram de fixare

ram de fixare

garnitur tub colector nvelitoare transparent placa absorbant izolaie termic carcas

Fig. 7. Colector solar plan cu ap.

Geamul poate fi transparent sau translucid (parial transparent, care transmite numai lumina), Geamul

translucid cu coninut redus de fier este materialul cel mai folosit deoarece sticla cu puin fier transmite un procent mare al energiei solare, Geamul permite lumini s ajung la placa absorbant i reduce cantitatea de cldur ce poate fi pierdut, Deoarece aproape toate vopselele negre reflecta circa 10% din radiaia incident unele plci

21

absorbante sunt supuse acoperirii selective, care reine lumina soarelui absorbit mai bine i mai mult timp dect vopseaua neagr obinuit. Acoperirile selective au valoare ridicat pentru absorbie n domeniul vizibil i valoare redus pentru emisivitate n domeniul lungimilor de und lungi infraroii,

Plcile absorbante sunt cele mai adesea confecionate din metal, de obicei cupru sau aluminiu pentru ca ambele metale sunt bune cunductoare de cldur, O plac absorbant trebuie sa aibe o conductivitate termic ridicat s transfere cldura colectat apei cu pierderi minime.

n tabele 1 i 2 sunt date caracteristicile principalelor materiale folosite ca nvelotoari i absorberi.

Fig. 8. Colector solar cu aer.

Tab. 1. Proprietile materialelor folosite ca nvelitori.

Material Grosime (mm)

Transmitana pentru radiaia

vizibil

Transmitana pentru radiaiile

infraroii

Rezistena la condiiile

atmosferice

Rezistena la presiune

(N mm--2) Polyethylene (PE) (u.v.- inhibited) 0,01 0,86 0,77 Slab 10-30

Polypropylene (PP) 0,01-0,25 0,92 - Slab 30-275 Polyvinyl chloride (PVC) 0,015-0,75 0,90 0,12 Foarte bun 10-70 Polyethylene teraphthalate (polyester) (PET) ex. MylarTM

0,002-0,35 0,88 0,24 Foarte bun 140-275

Polyvinyl fluoride (PVF) ex. TedlarTM 0,01-0,1 0,86-0,92 0,33 Foarte bun 50-125

Ethylene/tetra-fluoro-ethylene 0,05-0,2 0,95 0,20 Foarte bun 50-55

Sticl cu coninut redus de fier 4 0,91 0,73 Foarte bun

Reflectana 8%

22

23

Table 2. Proprietile materialelor absorbante

Acoperirea Substratul Absorptivitatea Emisivitatea Temp.

maxim Durabilitatea

Nichel negru Fier, cupru, zinc, aluminiu 0,85-0,96 0,05-0,15 288C medium

Crom negru Nichel, aluminiu, cupru, fier 0,82-0,96 0,04-0,15 427C foarte bun

Cupru negru cupru 0,85-0,95 0,10-0,15 316C - Oxid de cupru cupru, fier, aluminiu 0,87-0,90 0,08-0,16 - -

Aluminiu anodic Aluminiu 0,90-0,96 0,10-0,23 - -

Carbid metalic Cupru, sticl 0,82-0,93 0,02-0,05 - - Vopsea sulfur

de plumb orice 0,90 0,30 - -

Vopsea selectiv orice 0,93 0,30 - -

Vopsea neagr orice 0,95-0,97 0,95-0,97 - -

n practic cele mai multe colectoare sunt fixe i de aceea ele trebuie orientate astfel nct pe parcursul unei zile s colecteze maximum de radiaie solar. Din acest motiv, colectoarele fixe sunt aezate nclinat cu faa spre ecuator. De regul, pentru latitudini mici, unghiul de nclinare a colectorului este egal cu unghiul latitudinii, dar crete cu 10 la latitudini mai mari de 40. Unghiul de nclinare a colectorului depinde de latitudine i de ziua din an. Dac unghiul de nclinare este egal cu latitudinea, atunci razele solare vor fi perpendiculare pe suprafaa colectorului la mijlocul lunilor martie i septembrie. Pentru maximiza radiaia colectat pe timpul verii, unghiul de nclinare a colectorului trebuie s fie mai mic, iar pentru maximizarea radiaiei colectate pe timpul iernii, unghiul de nclinare trebuie s fie mai mare. Pentru a vedea influena unghiului de nclinare asupra radiaiei solare colectate, n tab. 1 se prezint radiaia totala incident pe o suprafa cu nclinri diferite, situat la latitudinea de 53 N.

Tab. 2. Colector plan plat situat la 53N Unghiul de nclinare

() Radiaia total anual

(kWh/m2) Radiaia total n iunie

(kWh/m2) Radiaia total n

decembrie (kWh/m2) 0 (orizontal) 944 155 16

30 1068 153 25 45 1053 143 29 60 990 126 30

90 (vertical) 745 82 29 n figura 8 sunt prezentate pierderile de cldur ale unui colector solar plan plat. Posibilitile de mbuntire a colectorului plan (reducere a pierderilor de cldur) sunt:

- instalarea de paravane care sa reduc viteza vntului la exteriorul inveliului transparent pentru a reduce pierderea de cldura prin convecie;

- introducerea suprafeei absorbante ntr-un tub vidat. Astfel, pierderile de cldur prin convecie nu mai au loc, iar cele prin radiaie sunt minimizate prin utilizarea suprafeelor absorbante cu emisivitate redus.;

- acoperirea parial a nveliului transparent pentru a reduce pierderile prin reflexie. Pentru un colector plan fr nici o msur de reducere a pierderilor de cldur, fluxul de cldur captat

scade rapid cu creterea temperaturii colectorului. i cum pierderile de cldura sunt proporionale cu suprafaa colectorului, exist interesul de reducere a acesteia relativ la suprafaa absorberului.

Fig. 9. Colector solar plan plat i pierderile de cldur.

3.2. Colectorul cu tuburi vidate Performanele colectorului plan plat convenional se reduc mult pe timp noros, rece sau cu vnt. i mai

mult, condensul i umiditatea deterioreaz materialul din interiorul colectorului, avnd drept rezultat scderea performanelor i n cele din urm distrugerea sistemului. Anvelopa vidat reduce pierderile de cldur prin convecie i conducie, astfel c pot fi atinse temperaturi mai mari dect la colectorul plan plat. Ca i colectorul plan plat, acesta colecteaz att radiaia direct ct i cea difuz. Oricum, eficiena acestuia este mai mare la unghiuri de inciden mici. Aceasta face ca n decursul unei zile, performana s fie mai bun. Tubul vidat este realizat din sticl transparent borosilicat, iar absorberul sub form de plac sau tub din cupru cu acoperire selectiv.

Colectoarele solare cu tuburi din sticl vidate s-au dezvoltat n trei variante constructive, dup metoda folosit pentru extragerea cldurii din tubul vidat:

radiaia solar

reflexie

+=1

absorbie,

pierderile de cldur

1

convecie cldura util

conducie

radiaie

cldura util

radiaia solar primit

pierderi prin conducie pierderi prin

radiaie pierderi prin convecie

pierderi prin reflexie

colectorul ce folosete un tub termic ncorporat ntr-un tub vidat (fig. 10). Tubul termic are ataat absorberul i penetreaz spaiul vidat la unul din capete printr-o etanare sticl-metal; colectorul alctuit din tuburi vidate din sticl, care la interior au fie un tub din cupru n form de U ataat de absorberul metalic sub form de plac sau tub (fig. 11), fie dou tuburi metalice concentrice, cel exterior avnd rol de absorber (fig. 12). Cldura este preluat de lichidul ce circul, n primul caz, prin tubul n form de U, sau n interiorul tubului coaxial cu tubul absorbant i apoi prin spaiul inelar dintre cele dou tuburi, n al doilea caz; colectorul alctuit din tuburi vidate de tip Dewar, cu suprafaa absorbant pe suprafaa interioar a tubului. Cldura este preluat de ctre lichidul ce poate circula n interiorul tubului pe principiul termosifonului sau poate fi dirijat cu ajutorul unui tub interior.

24

25

Fig. 10. Colector cu tuburi vidate i tuburi termice.

Colectoarele cu tuburi vidate pot fi prevzute cu suprafee concentratoare ce pot fi plasate n interiorul sau exteriorul tuburilor. Dintre toate aceste variante, cele care au artat rezisten ndelungat la intemperiile atmosferice sunt colectoarele cu tuburi vidate tip Dewar i cele cu tuburi vidate cu tuburi termice. Configuraiile care ncorporeaz etanri sticl metal sunt mai scumpe i trebuie protejate mpotriva ocurilor termice i ferite de cderile de grindin. Etanrile sticl-metal de la tuburile vidate cu tuburi termice sunt protejate parial de ocurile termice deoarece lichidul rece, care preia cldura de la tubul termic, nu trece prin etanarea sticl-metal.

Tuburile vidate de tip Dewar sunt cele mai simple i ieftine. Ele au dezavantajul c extragerea cldurii se face cu dificultate. Cele care folosesc tub interior realizeaz o mai bun circulaie a lichidului ce preia cldura, mbuntind astfel extragerea cldurii. La aceste tuburi presiunea lichidului de lucru este de doar civa metri coloan ap.

Colectoarele cu tuburi vidate pot fi folosite n instalaii de nclzire a apei cu circulaia apei prin pompare sau n termosifon. Tuburile vidat de tip Dewar cu tuburi interioare metalice de diametru mare pot folosi i aerul pentru preluarea cldurii.

tubul colector

condensatorul tubului termic

lichid ce preia cldura

placa

absorbant tub din

evaporatorul tubului termic

sticl vidat

26

Fig. 11. Tuburi din sticl vidate cu tub interior n form de U.

Fig. 12. Tub din sticl vidat avnd la interior tuburi concentrice.

tubul vidat

suprafa absorbant

fluidul de lucru

etanare sticl-metal

suprafa absorbant

vid

tub de ducere

tub de ntoarcere

tub metalic absorbant

suprafa reflectant

tub de sticl vidat

tub metalic absorbant

tub metalic de alimentare

27

Fig. 13. Tuburi vidate de tip Dewar.

3.3. Colectoare cu concentrarea radiaiei i colectoare cu sisteme de urmrire Mrirea temperaturii fluidului de lucru din colectorul solar se poate face i prin reducerea suprafeei prin

care au loc pierderile de cldur. Temperaturi mai mari dect cele ce se obin cu colectoarele solare plane pot fi atinse dac o cantitate mare a radiaiei solare este concentrat pe o suprafa relativ mic. Aceasta se poate realiza prin interpunerea unui dispozitiv optic ntre sursa de radiaie i suprafaa absorbant.

Colectoarele cu concentrare prezint comparativ cu cele plane plate urmtoarele avantaje: fluidul de lucru poate atinge temperaturi mai mari, ceea ce nseamn o eficien termodinamic mai mare; eficiena termic este mai mare deoarece pierderile de cldur sunt mai mici raportate la suprafaa de primire a

radiaiei; suprafeele reflectante necesit mai puin material i sunt structural mai simple. Costul unui colector cu

concentrare raportat la unitatea de suprafa este prin urmare mai mic. Dezavantajele acestor colectoare sunt:

colecteaz mai puin radiaie difuz, n funcie de raportul de concentrare; necesit sisteme care s orienteze colectorul n direcia Soarelui; suprafeele reflectante pot pierde reflectana lor n timp ceea ce necesit curirea i lustruirea lor periodic.

Concentratorii pot fi de tip reflector sau refractor, pot fi cilindrici sau parabolici i pot fi continui sau segmentai. Receptorii pot fi conveci, plani, cilindrici sau concavi.

acoperire selectiv

tub vidat tip Dewar

rezervor

intrare

ieire

acoperire selectiv

tub vidat tip Dewar

tub vidat ti

acoperire selectiv

p Dewar

de a reflecta spre absorber toat radiaia incident.

a fluidului de lucru ce are rol i de absorber, 4 reflector concentrator,

Necesitatea de micare a concentratorului pentru a se adapta la orientarea solar poate fi redus prin utilizare

Cel mai simplu tip de concentrator solar (fig. 14) l reprezint colectorul plan plat prevzut cu reflectoare plane care pot mri cantitatea radiaiei directe ce atinge colectorul.

Fig. 14. Colector solar plan plat cu reflectori plani.

Un alt tip de colector cu concentrare este colectorul plan parabolic compus (fig. 15). Acesta are capacitatea

1 carcasa, 2 module colectoare, 3 conducta de circulaie

colectorplan plat

reflector plan

raze solare

28

3a racorduri n form de U, 5 acoperitoarea transparent. Fig. 15. Colectorul plan parabolic compus.

a a dou seciuni de parabol aezate fa n fa ca n figura 14. Prin reflecii interne multiple orice radiaie care intr n deschiztura concentratorului i gsete drumul spre suprafaa absorberului situat la partea inferioar a colectorului. Prile inferioare ale reflectorului (AB i AC) sunt circulare, n timp ce poriunile superioare (BD i CE) sunt parabolice. Cum prile superioare contribuie n mic msur la concentrarea radiaiei, ele sunt retezate pentru a forma o versiune mai scurt de colector. De unghiul de recepie, definit ca unghiul prin care o raz de lumin n micare rmne convergent la absorber (unghiul c din fig. 16), depinde orientarea colectorului i dac acesta va fi staionar sau cu sistem de urmrire a soarelui. Colectorul poate fi orientat cu axa lung pe direcia N-S sau direcia E-V i n acest caz deschiztura lui este orientat spre ecuator cu un unghi egal cu latitudinea locului. Cnd este orientat pe direcia N-S, el trebuie s urmreasc Soarele prin rotirea n jurul axei proprii pentru a primi tot timpul maximum de radiaie. n acest caz, unghiul de nclinare spre ecuator nu mai trebuie ajustat n funcie de sezon. La orientarea E-V sunt necesare mici ajustri sezoniere ale unghiului de nclinare spre ecuator pentru a

dup-amiaz dimineaa amiaz

menine unghiul de recepie ct mai mare. n cazul n care colectorul ce are aceast orientare este fix, unghiul minim de recepie este egal cu 47. Acest unghi acoper declinaia soarelui de la solstiiul de var la cel de iarn. (2 x 23,5). n practic se folosesc unghiuri mai mari pentru a permite colectorului s colecteze radiaia difuz pe seama raportului de concentrare mai redus.

Fig. 16. Reprezentarea schematic a unui colector solar plan parabolic compus.

29

3.4. ANALIZA TERMIC A COLECTOARELOR SOLARE PLANE 3.4.1. Performanele unui colector solar plan cu lichid Ecuaia de bilan termic n regim staionar pentru un colector plan cu lichid (fig. 17) este:

][0)( 0 kWQQttcm siep =+ &&& unde: -debitul masic de lichid ce circul prin colector, kg/s; m& cp cldura specific la presiune constant a lichidului, kJ/(kgK); - fluxul de energie solar absorbit de suprafaa absorbant a colectorului: sQ&

SAQ cs =& , [kW] Ac suprafaa absorberului, m2; S radiaia solar absorbit de o suprafa nclinat, kW/m2. Deoarece radiaia incident are 3 componente spaiale: radiaia direct, radiaia difuz i radiaia reflectat de sol, calculul lui S depinde de modelul ales pentru cerul difuz. Considernd difuzia izotrop i lund ca baz de timp ora putem scrie:

( )2cos1)(

2cos1)()( ++++= gdbgddbbb IIIRIS [kW/m2]

unde: 2cos1 +

i 2cos1

sunt coeficienii unghiulari ai colectorului de la colector spre cer i respectiv de la

colector la sol; I- radiaia incident pe suprafa colectorului, kW/m2; g reflectana solului (albedo); Rb raportul dintre radiaia pe o suprfa nclinat i radiaia pe o suprafa orizontal;

cQ&

colector solar plan plat

it,m& et,m&

suprafaa de referin

0Q&Fig. 17. Bilanul termic pentru un colector solar plan.

() produsul transmitan-absorbtan (factor optic mediu). Din radiaia incident (fig. 18), fracia () este absorbit de asorber i fracia (1-) este refelctat napoi spre suprafaa transparent. Radiaia reflectat de absorber se consider a fi difuz i astfel fracia (1-) ce lovete nvelitoarea este radiaie difuz i (1-)d este reflectat napoi spre absorber. Multipla reflexie a radiaiei difuze

[ ]= == 0 )1(1)1()( n d

nd

transmitana suprafeei transparente. Se poate lua din fig. 19 sau se poate calcula cu relaia:

ra =

30

radiaia incident

(1-)

suprafaa transparent (nvelitoare)

(1-)d (1-)2d (1-)22d

absorber (1-)d (1-)22d

Fig. 18. Absorbia radiaiei solare de ctre o suprafa absorbant aflat sub o suprafa transparent.

KL=0,0524 (per nvelitoare)

KL=0,0370 (per nvelitoare)

KL=0,0125 (per nvelitoare)

Unghiul de inciden (grade)

Tran

smita

na,

Fig. 19. Transmitana pentru 1, 2, 3 i 4 nvelitori i trei tipuri de sticl.

31

a transmitana ce ine seama numai de pierderile prin absorbie:

2cosKL

a e=

n care: K coeficient de extincie. Variaz de la 4 m-1 pentru sticla water white (apare alb cnd este privit n seciune) la 32 m-1 pentru sticla ce apare verzuie cnd este privit n seciune; L grosimea sticlei, m; 2 unghiul de refracie (fig. 20). Se determin cu ajutorul legii lui Snell:

1

2

2

1

=

sinsin

nn

n1, n2 indicele de refracie a mediului 1, respectiv mediului 2; 1 unghiul de inciden: r transmitana ce ine seama numai de pierderile prin reflexie:

( ) ( )

+

++=

r1N21r1

r1N21r1

21

II

IIr

( )( )122

122

r += sin

sin;

( )( )122

122

IIr +=

tantan

N numrul de nvelitori;

2

1 mediul 1

mediul 2

n1

n2

IiIr

Fig. 20. Unghiurile de inciden i refracie n mediile cu indicii de refracie n1, n2. d reflectana suprafeei transparente pentru radiaia difuz incident disnpre absorber:

= ad (a, corespund unghiului de inciden de 60); n numrul suprafeelor transparente.

0Q& -fluxul de cldur pierdut de colector n mediul ambiant prin conducie, convecie i radiaie (pierderi termice): ( ) capmL ATTUQ =0& [kW]

UL coeficientul global de transfer termic corespunztor pierderilor termice, kW/(m2grd); Tpm temperatura medie a absorberului, K; Ta temperatura mediului ambiant, K.

Puterea termic a colectorului este: ( )[ ]apmLcu TTUSAQ =& [kW] Eficiena termic a colectorului este dat de raportul dintre puteea termic pentru o anumit perioad de timp i energia solar incident pentru aceeai perioad de timp:

32

=

dtGAdtQ

Tc

u&

Coeficientul global de transfer termic corespunztor pierderilor termice este dat de suma:

ebtL UUUU ++= [kW/(m2grd)] unde: Ut coeficientul pierderilor de cldur pe la partea superioar a colectorului. Se poate alege din nomograme sau se calculeaz cu relaia empiric:

( )( )( ) NfNhN

TTTTh

fNTT

TC

NU

g

pwp

apmapm

we

apm

pm

t

+++++++

+

+=

133,01200591,0

1067,511

2211

1

[kW/(m2grd)]

n care: N numrul de nvelitori; ( )( )Nhhf pww 07866,011166,0089,01 ++=

) pentru 0

[ ]

+++=

fiibL

L

hDCF)Dw(DUW

U'F111

1

unde:

2

2)(tanh

DWm

DWm

F

= ;

= kUm L ;

bkC bb=

k conductivitatea termic a materialului evii, kW/(mgrd); kb conductivitatea termic a sudurii (lipiturii), kW/(mgrd); b- limea sudurii, m; grosimea medie a sudurii, m; hfi coeficient de transfer termic dintre fluid i peretele tubului, kW/(m2grd).

lipitur/sudur

Fig. 21. Configuraia plcii absorbante i a tubului.

Factorul de extragere a cldurii Acesta este definit ca raportul dintre energia util real obinut de colector i energia util pe care ar obine-o colectorul dac ntreaga suprafa a colectorului ar avea temperatura de intrare a fluidului:

( )( )[ ]

=

=

p

Lc

cmFUA

Lc

p

aiLc

iepR eUA

cmTTUSA

TTcmF &

&& '1

Mrimea FR este schivalent cu eficiena unui schimbtor de cldur convenional, care este definit ca raportul dintre transferul de cldur real i cel maxim posibil. Maximum de energie util poate fi obinut dac ntreg colectorul are temperatura egal cu temperatura de intrare a fluidului de lucru, situaie n care pierderile termice spre mediul ambiant sunt minime. Energia util ce poate fi obinut de un colector plan poate fi calculat cu ecuaia:

( )[ ]aiLRcu TTUSFAQ =

Aceast ecuaie este deosebit de util la calculul colectoarelor deoarece, de obicei temperatura de intrare a fluidului este constant. Factorul de curgere al colectorului este:

34

Lc FUA

Lc FUAcm

F& '

'== pcmpR e

FF &1

'"

Cu ajutorul factorului de curgere se poate reprezenta grafic factorul de extragere a cldurii n funcie de

capacitana adimensional a colectorului

'FUAcm

Lc

p& (fig. 22).

Fig. 22. Factorul de extragere a cldurii n funcie de 'FUA Lc

cm p& .

4. APLICAII ALE COLECTOARELOR SOLARE Colectoarele solare sunt folosite ntr-o gam lar ta cele mai importante aplicaii.

icaiile termice ale energiei solare i tipul de colectoare folosite. Tipul de sistem T

g de aplicaii. n belul 2 sunt listate

Tab. 2. AplAplicaia ipul de colector

nclzirea apei Sisteme termosifon Sistem cu stocare

pasiv CPP CPPC

CPP, CPPC, CTV Sistem cu circulaie direct activ Sisteme de nclzire indirect a apei

r nclzirea apei menajere

CPP, C CTV a apei

activ FFR

CP V CPP, CPPC, CTV

de nclzire

activ CPP, C CTV

activ CPP, CPPC, CTV CPP Sisteme cu aer activ

nclzirea i rcirea spaiilo nclzirea spaiilor i activ CPP, CPPC, CTV Sisteme cu aer activ CPP Sisteme cu ap activ PPC,Sisteme de pompare activ

activ CPP, CPPC, CTV CPP, CPPC, CTV Sisteme cu absorbie

Rcire prin adsorbie Sisteme mecanice

activ CPP, CPPC, CTV

Refrigerare solar Uniti cu adsorbie activ P, CPPC, CTUniti cu absorbie activ

Procese industriale Sisteme industriale cu aer i ap activ CPP, CPPC, CTV Producerea aburului activ CCP, RLF Desalinizarea solar Distilatoare solare - Vaporizare brusc n cascad activ PPC,

35

Fierbere cu efect multiplu activ CPP, CPPC, CTV CPP, C CTV

solare lindro-parabolice

SistemSistemCupto activ CCH, FFR

CPPC, CCP, RLF

Comprimare de vapori activ PPC,Centrale termice Sisteme cu colectoare ci activ CCP

e cu turn parabolic activ CCH e cu colector farfurie parabolic activ FFR

are solare Sisteme chimice solare activ

CPP - colector plan plat; CPPC colector plan parabolic compus; CTV - colector cu tuburi vidate; CCH - colector cu cmp de heliostate; FFP - reflector farf rie parabolic; RLF - reflector liniar Fresnel; uCCP - colector cilindro-parabolic.

4.1. Instalaie mixt de nclzire (solar, combustibil solid)

Aceast aplicaie presupune utilizarea unei instalaii solare active, indirecte, pentru prepararea apei calde menajere i nclzirea spaiilor de locuit (fig. 23). Pe perioada iernii se folosete o central termic pe combustibil solid pentru suplimentarea cantitii de cldur necesar nclzirii locuinei. Rezervorul de stocare este folosit i pentru acumularea cldurii, eliminndu-se astfel nevoia alimentrii centralei cu combustibil n flux continuu. n funcie de cantitatea de ap din rezervor, dimensiunile cldirii ce trebuie nclzite i gradul de izolaie termic a acesteia, sistemul se poate dimensiona astfel nct centrala s fie alimentat doar odata la cteva zile.

Pentru a contribui la nclzirea locuinei pe durata iernii, bateria de colectoare solare se poate dimensiona innd cont de insolaia medie anual sau de valoarea inferioar acesteia, ns nu mai mic dect media lunilor octombrie-ianuarie. Surplusul de energie de pe durata verii poate fi folosit la nclzirea unei piscine redirecionnd agentul termic care nclzete boilerul printr-un schimbtor de cldur auxiliar.

Pompa PS1 recircul agentul termic prin circuitul colectorului solar cnd temperatura agentului termic de pe returul colectorul solar (TC) este mai mare dect temperatura apei din rezervorul de stocare (TB). Comanda pompei se realizeaz cu ajutorul controlerului dT. Valva de unic sens de pe circuitul colectorului solar previne circulaia apei prin termosifonare din rezervor nspre colector, atunci cnd temperatura n colector este inferioar temperaturii apei din rezervor (de exemplu pe durata nopii). Pompa PS2 recircul agentul termic din instalaia de nc bustibil solid lzire n pardoseal. Aceast pomp este comandat de termostatul de ambient. Centrala pe comnclzete esar nclzirii direct apa din rezervor. n aceast cantitate de ap se stocheaz pe termen scurt cldura neclocuinei. Apa cald menajer este preparat folosind schimbtorul de cldur intermediar.

ap cald menajer

36

37

Fig. 23. Schema nstalaiei de nclzire mixt (solar, combustibil solid).

Un sistem solar de rcire poate cuprinde colectoare plane ce livreaz energia absorbit unui acumulator de cldur i care este apoi folosit ntr-un ciclu de rcire cu absorbie (fig. 24).

bitor

vaporizare i absorbie.

ai nti s fie uscat i poi rcit prin evaporarea apei, pn cnd se recpt umiditatea iniial.

re poate fi de asemenea realizat prin convertirea radiaiei olare n electricitate i apoi utilizarea energiei electrice ntr-un ciclu termodinamic de rcire.

4.2. Instalaie solar de rcire cu absorbie

Fig. 24. Sistem solar de rcire cu absorbie.

agent frigorific-soluie srac

colector generator condensatoracumulare cldur

agent de rcire

agent frigorific lichid

schimbtor de cldur ajutaj de destindere agent frigorific

gazos

agent de rcire spaiul rcit acumulare frig vaporizator absorbitor

agent frigorific-soluie bogat

In principiu este necesar un singur acumulator, dar cu dou acumulatoare (unul de cldur i unul de frig) sistemul poate acoperi simultan necesitile de nclzire (ap cald) i pe cele de rcire (aer condiionat). Cicul de rcire cu absorbie este realizat cu ajutorul unui amestec refrigerent-absorbant cum ar fi LiBr-H2O sau H2O-NH3. Amestecul LiBr-H2O este mai potrivit pentru sistemele cu colectoare solare plane, avnd o eficien mai mare dect amestecul ap-amoniac pentru temperaturile specifice colectoarelor plane. Bromura de litiu (LiBr) este higroscopic i prin urmare se poate amesteca cu apa n orice proporie. Cldura solar este folosit ntr-un generator pentru vaporizarea soluiei bogate. Vaporii sunt condui spre condensator, unde se condenseaz cu ajutorul agentului de rcire i apoi condensul se lamineaz ntr-un ajutaj pentru a reveni la faza gazoas prelund astfel cldura din spaiul ce necesit a fi rcit. Vaporii reci sunt apoi absorbii n absorbitor de ctre soluia srac, refcndu-se soluia bogat, care este introdus sub presiunea creat de pompa P n generator. Temperatura agentului de rcire este de obicei egal cu cea a mediului ambiant i acelai agent de rcire trece i prin absorbitor i prin condensator. Temperatura agentului de rcire la ieire poate fi mai mare dect a mediului ambiant. Circuitul agentului de rcire poate fi nchis prin cedarea de cldur mediului ambiant ntr-un turn de rcire. Amestecul bogat din absorbitr este pompat n generator i nlocuiete amestecul srac din generator care este recirculat n absorprintr-un sistem de duze. Pentru a nu se pierde cldura de la soare sau agent de rcire, aceste dou fluxuri de amestec absorbant-refrigerent schimb cldur intr-un schimbtor de cldur. Utilitatea unei perechi date absorbant-refrigerent este determinat de dependena de temperaturile proceselor de In zonele cu climat uscat o metod simpl de rcire const n pulverizarea de ap ntr-un curent de aer (rcire evaporativ). Dac umiditatea aerului trebuie s rmn neschimbat, aerul trebuie ma

In principiu, rcirea cu ajutorul energiei solas

4.3. Instalaie solar de pompare a apei

Radiaia solar poate fi folosit pentru producerea de lucru mecanic de pompare, ntr-un ciclu termodinamic. n figura 25 sunt prezentate dou instalaii ce funcioneaz dup ciclul Stirling, folosind ca fluid de lucru aerul sau alt gaz. In figura 25.a, aerul sau gazul de lucru se nclzete cu ajutorul colectorului solar. Prin nclzire el se dilat i mpinge pistonul, ceea ce face s creasc presiunea apei din tub i aceasta s fie refulat. Datorit rcirii aerului realizat cu ajutorul agentului de rcire acesta se contract, adic presiunea lui scade, ceea ce face ca pistonul s u s creeze o depresiune n camera de aer. Aceast depresiune face ca apa s fie aspirat pn cnd aerul se ncalzete din nou i astfel se reia ciclul format din nclzirea izocor (1-2), comprimarea izoterm (2-3), rcirea izocor (3-4) i destinderea (4-1). In figura 25.b, cele dou pistoane au mase diferite i sunt defazate ntre ele cu perioade. Astfel, n timp ce pistonul uor st nemicat pe durata transformrii (1-2), pistonul greu se deplaseaz de la 1 la 2 aspirnd apa cu ajutorul diafragmei fixat de acesta. Cnd pistonul uor se deplaseaz de la 2 la 3 (datorit creterii presiunii p

rce i

rcire izocor a aerului (aerul cedeaz cldur agentului de rcire), pistonul greu se deplaseaz de la 3 la 4 mpingnd apa aspirat. Pistonul uor dup rcirea aerului (3-4) se deplaseaz de la 4 la 1 datorit contractrii aerului. In acest timp, pistonul greu rmne nemicat, dup care el se deplaseaz de la 1 la 2 aspirnd ap i ciclul se reia.

g a aerului prin nclzirea lui), pistonul greu rmne nemicat. Cnd pistonul uor rmne nemicat n transformarea 3-4 de

Fig. 25. Instalaii solare de pompare a apei ce funcioneaz dup ciclul Stirling.

agent rcire diafragm

valve unic sens

refulare ap

aspiraie ap

colector solar

pistonul uor

pistonul greu b)

pd

1 fluid de lucru (aer)

2

pg 4 2 1

4 3 3

3

3

p

v

T=ct

T=ct

2

1

4

T=ct

T=ct

4

1

2

colector solar

fluid de lucru (aer)

agent de rcire

refulare ap

aspiraie ap

ap

a)

valve tip bil 1

2 3

4 piston

T=ct

T=ct

4

3 1

2 p

v

aspiraie ap

Ciclul Stirling

1-2 nclzire izocor 2-3 destindere izoterm 3-4 rcire izocor 4-1 compresie izoterm

38

Atunci cnd se folosesc colectoare cu concentrarea radiaiei solare este mai eficient s se foloseasc pompe ce funcioneaz dup ciclul Rankine.In figura 32 sunt prezentate dou pompe solare ce funcioneaz dup ciclul Rankine.

n fig. 26.a, formarea vaporilor, transferul lor prin tubul n form de U i condensarea conduc la o variaie ciclic presiune-vacuum, care realizeaz aspiraia i refularea apei. Cldura primit de la colectorul solar este folosit pentru vaporizarea apei din rezervor. Aburul format pompeaz apa prin valva cu sens unic. Cnd aburul atinge partea inferioara a tubului U, la contactul cu apa rece se condenseaz, crendu-se astfel o depresiune n spaiul de abur care duce la aspiraia apei proaspete.

organice au temperatur de vaporizare sczut, iar amestecurile acestora sunt caracterizate prin schimbarea de faz

refulare ap

valv sens unic

vapori de ap

condensator colector solar

valv unic sens ap

a) aspiraie ap

acumulator/schimbtor de cldurcolector solar

refulare ap

condensatorturbin

pomp

valve unic sens

b) aspiraie ap

Fig. 26. Instalaii solare de pompare a apei ce funcionez dup ciclul Rankine.

n fig. 26.b, pompa este antrenat de o turbin n care se destinde aburul saturat format n acumulatorul/schimbtorul de cldur. Aburul umed ce iese din turbin se condenseaz cu ajutorul apei pompate, iarcondensul este apoi returnat cu ajutorul unei pompe n acumulator / schimbtor de cldur. Agentul de lucru este un fluid organic (amoniac, pentan, butan, etanol, benzen, toluen) sau amestecuri de fluide organice. Fluidele

39

la fierbere i condensare ntr-un interval de temperatur i nu la temperatur fix cum au substanele pure. Acest lucru face s se menin temperatura de fierbere mai aproape de temperatura sursei de cldur, reducndu-se astfel

eversibilitile datorate schimbului de cldur la diferen finit de temperaturi.

4.4. CENTRALE ELECTRICE SOLARE

ind un anumit prag minim. Totodatat sunt exploata

termice. Cele mai folosite

ambele cazuri c

utilizarea unor maini mai mici n focarul fiecrui colector i transpor

e de asemeni mai uor s se transporte energia electric de la receptorul aflat n micare. Alte avantaje

1. termice mici pentru a fi nlocuite sau reparate se poate face astfel ca centrala

2. cen

i mai mult, ajustarea i ntreinerea a unei maini t

puterea n prezent de 354 MW, ea este cea mai mare central solar cu colectoare cilindro-parabol

anul 2050. Deja au fost construite cablurile submarine pentru transportul electrici ii din nordul Africii n Europa.

ir

Centralele solare termice, n funcie de modul de construcie pot atinge randamente mai mari la costuri de

investiii mai reduse dect instalaiile pe baz de panouri solare fotovoltaice, necesit n schimb cheltuieli de ntreinere mai mari i sunt realizabile doar pentru puteri instalate dep

bile economic doar n zone cu foarte multe zile nsorite pe an. Cele mai multe realizri au fost orientate spre nclzirea unui fluid ce circul printr-un colector solar.

Adeseori, necesitile industriale sunt satisfcute de aceast cldur. O form mai valoroas de energie ca cea mecanic sau electric este uneori cerut fie n exclusivitate, fie n combinaie cu energia termic. Generarea energiei mecanice sau electrice din cldura produs de soare se face cu ajutorul motoarelor

motoare termice sunt cele care functioneaz dup ciclurile Rankine, Stirling i Brayton. Pentru aplicaiile cu colectoare cilindro-parabolice i cele cu captator central se folosete de regul o

singur main termic de capacitate suficient s acopere necesarul de energie mecanic sau electric. n ldura produs de soare este adus ntr-un singur punct, acolo unde poate fi plasat maina termic. n cazul colectoarelor farfurie parabolic, proiectantul poate alege ntre aducerea fluidului nclzit de la

cmpul de colectoare