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

MEDIUL ŞI SURSE NECONVENŢIONALE DE ENERGIE

Conf.dr.ing. ION V. ION

CUPRINS

i. Formele de energie şi conversia lor ii. Sursele de energie regenerabilă 1. Energia solară. Radiaţia solară

1.1. Constanta solară 1.2. Distribuţia spectrală a radiaţiei solare 1.3. Variaţia radiaţiei extraterestre 1.4. Caracteristicile radiaţiei solare la nivelul solului 1.5. Raportul dintre radiaţia directă incidentă pe o suprafaţă înclinată şi cea pe o suprafaţă orizontală 1.6. Măsurarea iradianţei solare

1.7. Baze de date cu radiţia solară 1.8. Estimarea radiaţiei solare

2. Utilizări 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 radiaţiei şi colectoare cu sisteme de urmărire 3.4. Analiza termică a colectoarelor solare plane

3.4.1. Performanţele unui colector solar plan cu lichid 3.4.2. Factorul de eficienţă a colectorului

4. Aplicaţii ale colectoarelor solare 4.1. Instalaţie mixtă de încălzire (solar - biomasă) 4.2. Instalaţie solară de răcire cu absorbţie 4.3. Instalaţie solară de pompare a apei 4.4. Centrale electrice solare

5. Conversia directă a energiei solare în energie electrică 5.1. Construcţia celulelor fotovoltaice

6. Energia eoliană 6.1. Evaluarea potenţialului eolian 6.2. Turbine eoliene

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

6.3. Utilizări ale turbinelor eoliene 7. Energie şi combustibili din biomasă

7.1. Introducere 7.2. Resursele de biomasă 7.3. Conversia biomasei în combustibili şi energie

7.3.1. Arderea biomasei 7.3.1.1. Puterea calorică a biomasei 7.3.1.2. Probleme ce apar la arderea biomasei în 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) 231–295 3. Şen Z., Solar energy in progress and future research trends, Progress in Energy and

Combustion Science 30 (2004) 367–416 4. Lysen E., Photovoltaics: an outlook for the 21st century, Renewable Energy World

2003;6(1):43–53. 5. Kalogirou S., The potential of solar industrial process heat applications, Appl Energy

2003;76:337–61. 6. Sørensen 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. Şahin A.,D., Progress and recent trends in wind energy, Progress in Energy and Combustion

Science 30 (2004) 501–543. 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;6:19–41.

12. Demirbas A., Sustainable cofiring of biomass with coal, Energy Conversion and Management 2003;44:1465–79.

13. Demirbas A., Combustion characteristics of different biomass fuels, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 219–230.

14. Niţu, V., Pantelimon, L., Ionescu, C., Energeticã generalã şi 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 ŞI CONVERSIA LOR

În funcţie de etapele de conversie şi utilizare, energia are următoarele forme: − energie primară, care poate fi finită sau reînoibilă (regenerabilă). Este energia recuperată din natură; − energie secundară, care este definită ca forma de energie obţinută din conversia energiei primare şi care poate fi folosită într-o gamă largă de aplicaţii (ex.: energia electrică, benzina, mangalul, cărbunele sortat şi de calitate superioară, lemnul de foc tăiat şi spart); − energia finală, adică energia obţinută prin conversia energiei secundare într-un motor, cazan, sobă, calculator, bec de iluminat; − energie utilă, energia obţinută prin conversia energiei finale. Este energia efectiv înmagazinată într-un produs sau utilizată pentru un serviciu.

În fig. 1 sunt prezentate principalele forme de energie şi posibilităţile lor de transformare.

Pile de combustie

Motoare cu ardere internă

Energie luminoasă Energia dată de

mişcarea planetelor

Energie mecanică

Combustibili fosili

Deşeuri combustibile

Energie electrică

Ener

gie

elec

trică

Ener

gia

term

ică

(căl

dură

)

Căldura scoarţei Pământului (energia geotermală)

Energie nucleară (uraniu)

Benzină Motorină

Gaze naturale Cărbune

Energie termică

Ener

gie

mec

anică

Forme intermediare de energie

Păcură

Forme finalede energie

Energie primară

Energie chimică

Energie de sinteză chimică

Conversie MHD Conversie termoelectrică

Petrol

Energie fotoelectrică

Energia cinetică şi potenţială a apei Energia solară Vânt, valuri

Radiaţia solară captată

Biomasa

Instalaţii cu turbine cu abur Instalaţii cu turbine cu gaze Motoare Stirling

Ener

gie

finită

En

ergi

e re

gene

rabi

lă

Fig. 1. Principalele forme de energie.

Trecerea de la energia primară la cea secundară este însoţită de pierderi de conversie, iar transportul de la locul de producere a energiei la consumator este însoţit de pierderi de transmitere.

Sursele de energie primară pot fi grupate astfel: − surse convenţionale/clasice (care s-au impus prin folosire îndelungată)

• combustibili fosili, • deşeuri combustibile;

− surse neconvenţionale (care nu au o folosire îndelungată) • energia nucleară/uraniu, • energie primară regenerabilă: - energia solară,

- energia geotermală, - energia dată de mişcarea planetelor.

1

Sursele regenerabile de energie sunt sursele care se regenerează constant pe măsură ce sunt consumate şi sunt mai puţin poluante. Toate sursele de energie regenerabilă – energia solară, energia hidro, biomasa şi energia vântului - îşi au originea în activitatea Soarelui. Energia geotermală, care datorită potenţialului ei inepuizabil, este considerată regenerabilă primeşte energie din scoarţa Pământului.

2

SURSELE DE ENERGIE REGENERABILĂ

Energia regenerabilă este virtual inepuizabilă şi are disponibilitate infinită datorită largii răspândiri a technologiilor complementare ceea ce se potriveşte perfect politicii de diversificare a surselor de alimentare cu energie. Resursele de energie regenerabilă sunt recunoscute ca cea mai buna cale de a proteja economia unei ţări împotriva fluctuaţiilor de preţ şi împotriva eventualeleor costuri de mediu. Tehnologiile bazate pe energie regenerabilă sunt aproape nepoluante şi au o contribuţie aproape nulă la efectul de seră. Ele nu produc deşeuri nucleare şi corespund astfel politicilor de protecţie a mediului ambiant, de construire a unui mediu mai bun şi dezvoltării durabile.

Aproximativ 30% din radiaţia primită de Pământ este reflectată în spaţiu de nori şi de suprafaţa Pământului şi circa 70% este absorbită, ea regăsindu-se în căldura aerului şi a apei (47 %), în căldura latentă de evaporare a apei din mări, oceane şi de pe suprafeţele de uscat umede (23%) şi în biomasă, datorat procesului de fotosinteză al plantelor (0,5 %). Căldura absorbită de aer şi apă este remisă în cele din urmă spaţiului sub forma radiaţiei infraroşii (căldurii). Căldura latentă de evaporare a apei este eliberată şi ea prin condensare.

A doua sursă de energie reînoibilă, energia geotermală, produce un flux de energie comparativ mic (35⋅1012 Wan/an) dinspre litosferă spre atmosferă şi ocean, prin conducţia căldurii. Din această energie, doar 1% se regăseşte în vulcani sau câmpuri geotermale active. Mişcarea planetelor din sistemul solar, cea de a treia sursă de energie reînoibilă reprezintă 3⋅1012Wan/an disipaţi prin maree în oceane. Fluxurile de energie generate de radiaţia solară (fluxuri naturale de energie „secundară”) şi de celelalte două surse în mediul înconjurător al omului sunt mult mai mici decât fluxurile rezultate prin transferul direct de energie de la lumina solară. Energia potenţială a cursurilor de apă continentale reprezintă 5⋅1012 Wan/an, vânturile, valurile şi energia cinetică a curenţilor oceanici reprezintă circa 370⋅1012 Wan/an, iar energia solară absorbită de biomasă prin fotosinteză este de 100⋅1012 Wan/an.

Cele mai importante fluxuri naturale de energie din mediul înconjurător direct al omului ce pot fi exploatate sunt: radiaţia solară absorbită la nivelul suprafeţei terestre (25 000⋅1012 Wan/an) şi vânturile care transportă aer fierbinte şi umed către poli şi aer rece şi uscat către ecuator cu o energie mecanică de 350⋅1012 Wan/an.

ENERGIA SOLARĂ 1. Radiaţia solară

Pământul primeşte aproape toată energia din spaţiu sub formă de radiaţie electromagnetică solară. Cantitatea totală de căldură a Pământului nu se schimbă semnificativ în timp, deoarece există egalitate între radiaţia solară absorbită şi radiaţia termică de joasă emisă de Pământ. Soarele este o sferă formată din gaze fierbinţi cu diametrul de 1,39·109 m şi se află la distanţa de 1,5·1011 m de Pământ. Aşa cum se vede de pe Pământ, Soarele se roteşte în jurul axei sale odată la fiecare patru săptămâni. El nu se roteşte ca un corp solid, astfel că regiunea din jurul ecuatorului se roteşte cu o perioadă de circa 27 de zile, iar regiunile polare cu o perioadă de circa 30 de zile. Soarele este de fapt un reactor de fuziune continuuă, în care hidrogenul este convertit în heliu cu o rată de 4·106tone/s, astfel că suprafaţa soarelui are temperatura efectivă egala cu cea a corpului negru (temperatura corpului negru ce radiază aceeaşi cantitate de energie ca şi soarele) de 5777K. Necesarul de energie actual la nivel mondial ar putea fi acoperit de energia colectată de pe numai 10 ha din suprafaţa soarelui. Se estimează că energia radiantă solară interceptată de Pământ timp de 10 zile este echivalentă cu căldura ce s-ar dezvolta prin arderea tuturor rezervelor cunoscute de combustibili fosili de pe Pământ.

Suprafaţa Soarelui radiază energie electromagnetică sub formă de fotoni şi neutroni. Fluxul total de energie radiantă a Soarelui este de 3,83·1026 W. Pământul primeşte numai o parte din această energie, circa 1,73·1017 W. Cea mai mare parte a radiaţiei electromagnetice ce ajunge pe Pământ este emisă de stratul sferic dens exterior format din gaze fierbinţi, numit fotosferă. La exteriorul fotosferei se găsesc cromosfera şi corona. Aceste regiuni sunt formate din gaze cu densitate mică ce au temperatură mare şi variaţii în timp ale diametrului şi energiei emise. Deoarece aceste gaze au densitate mică, emisia de energie din aceste zone este redusă şi nu prezintă importanţă pentru aplicaţiile termice solare de pe pământ.

1.1. Constanta solară În fig. 2. este prezentată schematic legătura dintre Soare şi Pământ. Excentricitatea orbitei Pământului

face ca distanţa dintre Soare şi Pământ să varieze cu 1,7%. La distanţa medie dintre Soare şi Pământ, care este egală cu o unitate astronomică (1,495·1011m=1UA), unghiul subîntins de Soare este de 32’. Intensitatea radiaţiei pe suprafaţa Soarelui este de aproximativ 6,33·107 W/m2. Dacă Ss este fluxul total de energie radiantă a Soarelui,

atunci la distanţa R de centrul Soarelui fluxul de energie radiantă va fi acelaşi, presupunând că radiaţia solară este aceeaşi în toate direcţiile. Dacă fluxul de energie radiantă incident pe unitatea de suprafaţă aflată la distanţa R este G(R), atunci fluxul total de energie radiantă va fi egal cu 4πR2G(R). De aici rezultă că putem calcula fluxul de energie radiantă primită de unitatea de suprafaţă dispusă la distanţa egală cu cea dintre Soare şi Pământ:

( )

136710495,14

1083,34 211

26

2 =⋅

⋅==

ππRSI s

sc W/m2 (1)

Constanta solară, Isc este fluxul de energie radiantă primită pe unitatea de suprafaţă dispusă

perpendicular pe direcţia razelor solare la distanţa medie dintre Soare şi Pământ, la limita exterioară a atmosferei terestre.

Fluxul de energie radiantă incident pe unitatea de suprafaţă se numeşte iradianţă (W/m2).

3

Soarele

Pământul

32’

1,495·1011m=1 UA

Constanta solară Isc=1367 W/m2

6,33·107 W/m2

0,695·109m

1,27·107m

Fig. 2. Legătura geometrică dintre Soare şi Pământ.

1.2. Distribuţia spectrală a radiaţiei solare Pe lângă energia totală în spectrul solar extraterestru, adică constanta solară, este util de ştiut şi distribuţia spectrală a acestei radiaţii. Spectrul solar conţine în cea mai mare parte radiaţii vizibile şi radiaţii ce au lungimi de undă prea mari (infraroşii) sau prea mici (ultraviolete) pentru a putea fi văzute cu ochiul liber, adică de la 0,3 la 25 μm (tabelul 1). Radiaţia solară din exteriorul atmosferei terestre are cea mai mare parte din energie în domeniul 0,25-3 μm, în timp ce energia solară primită de Pământ este în domeniul 0,29-2,5 μm.

Distribuţia spectrală a radiaţiei solare în W/m2 pe μm de lungime de undă reprezintă puterea pe unitatea de suprafaţă în intervalul de lungimi de undă λ şi (λ+1) μm. Spectrul solar este echivalent celui corespunzător corpului negru perfect având temperatura de 5777 K. După efectul combinat al vaporilor de apă, prafului şi absorbţiei de către diverse molecule din aer, câteva frecvenţe sunt absorbite şi prin urmare spectrul primit de pământ este modificat, aşa cum se vede din fig. 3.

Tabelul 1. Spectrul radiaţiei electromagnetice. Tipul radiaţiei Lungimea de undă (μm)

Gamma (γ) 10-8 < λ < 10-4

Röntgen (x) 10-5 < λ < 10-2

Ultraviolete (UV) 0,02 < λ < 0,38

Vizibile (V) 0,38 < λ < 0,78 ~9% ~45% ~46%

Radiaţia solară 0,3<λ<30

Infraroşii (IR) 0,78 < λ < 1000

Unde radio λ>1000

1.3. Variaţia radiaţiei extraterestre Variaţia distanţei Soare-Pământ duce la variaţia iradianţei solare extraterestre cu ±3,4%, valoarea maximă fiind la periheliu (3 ianuarie) şi minimă la afeliu (5 iulie). Dependenţa iradianţei extraterestre cu perioada din an (fig. 4) este dată de ecuaţia următore:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

36536003301 ncos,II scon (2)

unde Ion este iradianţa solară extraterestră măsurată pe un plan perpendicular pe direcţia razei în ziua n a anului.

Lungimea de undă, μm

Irad

ianţ

a sp

ectra

lă,

W/(m

2 μm

)

radiaţia solară extraterestră

Corpul negru 5650K

iradiaţia directă din atmosferă înorată

Fig. 3. Spectrul solar.

Luna

I on,

W/m

2

Fig. 4. Variaţia iradianţei solare extraterestre cu perioada din an.

1.4. Caracteristicile radiaţiei solare la nivelul solului La trecerea radiaţiei solare prin atmosfera terestră aceasta este absorbită (motiv pentru care atmosfera se încălzeşte uşor), este reflectată (aceasta face posibil ca Pământul să poată fi văzut din spaţiu), este împrăştiată (motivul pentru care există lumină şi la umbră) şi este transmisă direct (motivul pentru care există umbra). Atmosfera produce o reducere a energiei solare cu 30% în condiţiile unui cer senin şi cu aproape 90% în condiţiile de cer înorat. În fig. 5 sunt indicate proporţiile în care au loc împrăştierea şi absorbţia produsă de diferite componente ale atmosferei. Când radiaţia solară sub forma de undă electromagnetică loveşte o particulă, o parte din energia incidentă este împrăştiată în toate direcţiile ca radiaţie difuză. Dacă particulele sunt sferice şi mult mai mici decât lungimea de undă a radiaţiei incidente se numeşte împrăştiere Rayleigh a radiaţiei solare (provocată de aerosolii prezenţi în atmosferă: praf, nuclee de condensare a vaporilor de apă), împrăştierea realizîndu-se identic în cele două direcţii înainte şi înapoi. Când mărimea particulelor este de acelaşi ordin cu lungimea de undă a radiaţiei se împrăştie mai multă energie în direcţia înainte decât înapoi, ea numindu-se împrăştiere Mie. Energia solară incidentă este absorbită pe anumite domenii de lungimi de undă şi împrăştiată de către moleculele gazelor triatomice (O3, H2O, CO2, N2O), ale gazelor ce compun aerul atmosferic (N2, O2) şi particulele de praf.

Pe suprafaţa Pământului, noi primim iradianţă solară directă, care vine direct de la discul solar şi iradianţa solară difuză sau împrăştiată ce vine din toate direcţiile dinspre cer. Vom folosi indicele inferior b (de la beam, în engleză) pentru a desemna iradianţa solară directă şi indicele inferior d (de la difuz) pentru a

4

desemna componenta difuză a iradianţei solare. Suma celor două iradianţe este numită iradianţa solară globală sau totală. Pentru desemnarea ei se foloseşte indicele inferior t.

O parte din radiaţia solară incidentă pe Pământ este reflectată înapoi în atmosferă. Cantitatea de radiaţie solară reflectată depinde de coeficientul de reflexie sau albedo, definit ca raportul dintre radiaţia solară reflectată (împrăştiată) şi radiaţia solară incidentă măsurată deasupra atmosferei. Deoarece calculul potenţialului energetic solar într-un anumit loc de pe Pământ depinde direct de albedo, caracteristicile suprafeţei devin importante. În general, albedo depinde de următorii factori:

– tipul de suprafaţă; – înălţimea soarelui şi geometria suprafeţei relativ la soare; – distribuţia spectrală a radiaţiei solare. În tabelul 2 este dat procentajul radiaţiei solare reflectate de către diferite suprafeţe.

5

Fig. 5. absorbţia şi împrăştierea energiei solare incidente.

Sateliţi

Isc=1367 W/m2

Soare

Ozon

Stratul de praf superior

Moleculele de aer

Total Pierderi prin absorbţie

Ozon

Stratul de praf superior

Moleculele de aer

Vapori de apă

Stratul de praf inferior

Nori

împrăştiat pe pământ(insolaţia difuă)

5-26% direct spre pământ(insolaţia directă)

83-33% vapori de apă şi strat inferior de

praf

40km (limita atmosferei terestre)

Împrăştire în spaţiu

Tabelul 2. Valoarea coeficientului de reflexie a diferitelor suprafeţe. Suprafaţa Albedo (%) Zăpadă proaspătă 85 Zăpadă veche 70 Sol argilos 29-31 Peluză 8-27 Pădure de pini 6-19 Granit 12-18 Apă (depinde de unghiul de incidenţă) 2-78 Nori înalţi 21 Nori la înălţime medie (3-6km) 48 Pătură de nori de joasă înălţime 69 Aglomeraţie de nori 70

Există trei efecte astronomice care determină variaţia sezonieră a radiaţiei solare incidente pe Pământ

aşa cum se vede în fig. 6 şi 7. Deoarece axa Pământului este înclinată, iar mişcarea sa în jurul Soarelui se face după o traiectorie eliptică, Pământul îşi modifică distanţa faţă de Soare, cele două emisfere (de nord sau boreală şi de sud sau australă) fiind luminate inegal în timpul anului. Astfel, la echinocţiul de primăvară (21 martie) razele soarelui cad perpendicular pe ecuator şi ambele emisfere primesc la fel energia radiantă. În această zi începe primăvara în emisfera nordică, iar în emisfera sudică începe toamna. În jurul datei de 21 sau 22 iunie (solstiţiul de vară) razele Soarelui cad perpendicular pe Tropicul de Nord. În emisfera sudică începe iarna, iar în cea nordică vara. Pe 23 septembrie (echinocţiul de toamnă) ambele emisfere primesc la fel razele de soare. În emisfera sudică începe primăvara, iar în cea nordică, toamna. În jurul datei de 21 sau 22 decembrie (solstiţiul de iarnă) razele soarelui cad perpendicular pe Tropicul de Sud. Începând cu această dată, emisfera sudică va fi luminată mai mult. În emisfera australă începe vara, iar în emisfera boreală, iarna.

365¼ zile planul eliptic

21-22 decembrie 21-22 iunie

21 martie

Soare

24 ore23 septembrie

axa eliptică

axa polară

23 ½ °

21-22 dec21 martie23 sept

21-22 iunie

Fig. 6. Mişcarea de revoluţie a Pământului în jurul Soarelui.

6

Fig. 7. Luminarea Pământului la solstiţii.

21-22 dec N 23 ½°

Ecuator

S 21-22 iunie

Ecuator

N 23 ½°

Tropicul Racului 23 ½ ° N

23 ½ °

Axa mişcării de revoluţie

a Pamântului

23 ½ °

Tropicul Capricornului 23 ½ ° S

S

Razele soarelui Razele soareluiSoare

iarnă

vară

vară

iarnă

Radiaţia solară incidentă pe Pământ mai depinde şi de longitudinea şi latitudinea locului şi de starea

atmosferică. Pentru o suprafaţă orizontală ce se deplasează dinspre ecuator spre unul dintre poli în lungul aceleeaşi longitudini iradianţa solară incidentă se reduce. Dacă axa de rotaţie diurnă a Pământului nu ar fi

înclinată ci verticală, un punct de pe suprafaţa Pământului ar primi aceeaşi cantitate de radiaţie solară în orice zi din an. Cum axa de rotaţie diurnă este înclinată, acelaşi punct primeşte cantităţi diferite de radiaţie solară în funcţie de ziua din an şi ora din zi. Astfel, anotimpurile joacă un rol important în variaţia radiaţiei solare incidente. În plus, variaţiile diurne ale radiaţiei solare incidente se datorează succesiunii zi noapte. Ca rezultat al rotirii Pământului în jurul axei sale înclinate, în mod surprinzător, o regiune polară primeşte mai multă radiaţie în timpul verii decât ecuatorul. Un aspect important îl reprezintă absenţa anotimpurilor la tropice şi existenţa verilor şi a iernilor extreme de şase luni la poli.

În proiectarea instalaţiilor solare este necesar să se cunoască densitatea de putere ce variază în timpul zilei, de la un anotimp la altul şi de asemeni efectul înclinării colectorului cu un anumit unghi faţă de orizontală.

Iradianţa sau insolaţia (W/m2) este rata cu care energia solară ajunge o unitate de suprafaţă de pe Pământ. Iradianţa solară este o măsurare instantanee a ratei şi poate varia în timp. Cunoaşterea valoarii maxime a iradianţei solare este utilă în proiectarea sistemelor pentru determinarea vârfului de putere primită de sistem. Dacă sistemul este prevăzut şi cu stocarea energiei este necesar să se cunoască şi variaţia iradianţei solare în timp în vederea optimizării sistemului.

Proiectantul de sisteme de colectare a energiei solare este de asemeni interesat să ştie câtă energie este incidentă pe un colector într-o anumită perioadă de timp (zi, săptămână, lună sau an). Această însumare se numeşte radiaţie solară sau iradiaţie. Unitatea de măsură este Joule pe metru pătrat (J/m2), dar se foloseşte şi Wat oră pe metru pătrat (Wh/m2). Radiaţia solară reprezintă rezultatul integrării sau însumării iradianţei solare pe o perioadă de timp.

Pentru a descrie poziţia Soarelui (care determină direcţia razelor solare) faţă de un plan cu orientare oarecare faţă de Pământ se folosesc următoarele unghiuri (fig. 8, 9 şi 10): • latitudinea, ϕ este unghiul dintre verticala locului şi planul ecuatorial, măsurat în planul meridian definit de

axa de rotaţie a pământului şi poziţia locului respectiv(-90°≤ϕ≤90°); • unghiul de înălţare a soarelui, H este unhiul măsurat în planul cercului vertical al Soarelui între direcţia

razei Soarelui în locul considerat şi planul orizontal. Acest unghi depinde de latitudinea locului (ϕ), declinaţia Soarelui (δ) şi unghiul orar (ω):

ω⋅δ⋅ϕ+δ⋅ϕ= coscoscossinsinsin H (3) • declinaţia Soarelui, δ este unghiul măsurat în planul meridian al Soarelui (planul determinat de axa polilor

şi poziţia soarelui) dintre direcţia razei solare în locul considerat şi planul ecuatorial (-23,45°≤δ≤23,45°) Declinaţia depinde de ziua şi luna din an şi se calculează cu relaţia lui Cooper:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

°°=δ365

284360sin45,23 n (4)

unde: n-numărul de zile scurse de la începutul anului. • unghiul orar, ω este unghiul dintre planul meridian al locului şi planul meridian al soarelui măsurat în

planul ecuatorului. Acest unghi este datorat rotirii pământului în jurul axei lui cu 15° pe oră. Dimineaţa este negativ, iar după-amiaza pozitiv;

• unghiul de azimut al suprafeţei, γ este unghiul dintre direcţia sud şi proiecţia normalei la suprafaţă pe planul orizontal. Este măsurat pozitiv spre vest (-180°≤γ≤180°);

• înclinarea, β este unghiul dintre suprafaţă considerată şi planul orizontal (0≤β≤180°); • unghiul azimutului solar, γs este unghiul dintre proiecţia razei soarelui pe planul orizontal şi direcţia sud.

Sensul pozitiv este de la sud spre vest; • unghiul zenitului solar, θz este unghiul format de verticala locului cu direcţia razei soarelui; • unghiul altitudinii solare, αs este unghiul dintre raza solară şi planul orizontal, adică este complementul

unghiului de zenit; • unghiul de incidenţă, θ al razei soarelui pe o suprafaţă plană înclinată este unghiul dintre direcţia razei şi

normala la suprafaţă şi se poate calcula cu relaţia: ( ) βγ−γθ+βθ=θ sincossincoscoscos szz (5) Relaţiile de legătură dintre unghiul de incidenţă al radiaţiei directe pe o suprafaţă, θ şi celelalte unghiuri:

ωγβδ+ωγβϕδ+

+ωβϕδ+γβϕδ−βϕδ=θsinsinsincoscoscossinsincos

coscoscoscoscossincossincossinsincos (6)

( )γ−γβθ+βθ=θ 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

δφ ω

H

B

S

Fig. 8. Poziţia Soarelui pe bolta cerească.

Est

Sud Nord

Vest

αs

γs

Zenit

Soarele

θz

Fig. 9. Traiectoria soarelui pe bolta cerească de la răsărit la apus cu indicarea unghiurilor de azimut solar (γs) şi

altitudine solară (αs). Un alt unghi important este unghiul de profil al radiaţiei directe pe o suprafaţă receptoare R ce are unghiul de azimut al suprafeţei γ (fig. 11). El este proiecţia unghiului altitudinii solare pe un plan vertical perpendicular pe planul considerat. Cu alte cuvinte, el este unghiul cu care trebuie rotit un plan orizontal în jurul unei axe din planul suprafeţei considerate pentru a cuprinde soarele. Acest unghi este util în calculul umbririi cu copertine şi console (fig. 12). Există mai multe tipuri de probleme legate de umbrire ce necesită rezolvare. Acestea se referă la umbrirea colectoarelor, ferestrelor şi a altor receptori de către copaci şi construcţii şi la umbrirea colectoarelor de către primul rând de colectoare şi a ferestrelor de către copertine. În primul caz, obturatorii pot avea forme geometrice neregulate şi rezolvarea este dificilă, iar în al doilea caz obturatorii au forme geometrice regulate şi în acest caz umbrirea este simplu de rezolvat. În orice moment în timp şi o anumită latitudine, δ şi ω sunt fixe. Cu ajutorul relaţiilor (5), (6) şi (7) pot fi calculate unghiurile θz, αs şi γs. Poziţia soarelui, dată de unghiul de zenit, θz sau unghiul altitudinii solare, αs poate fi reprezentată grafic în funcţie de unghiul de azimut solar, γs, aşa cum se vede în fig. 12. Dacă pentru clădirea sau construcţia ce umbreşte un receptor (colector, fereastră) se cunosc dimensiunile, orientarea şi distanţa faţă de receptor, coordonatele unghiulare ale acesteia (unghiul de azimut şi unghiul altitudinii) pot fi calculate şi reprezentate în acelaşi grafic. Copertinele şi parasolarele sunt elemente arhitecturale aplicate clădirilor pentru a umbri ferestrele. Pentru a determina în ce momente ale zilei puncte ale suprafeţei receptoare sunt umbrite pot fi folosite diagrame cu

8

poziţia soarelui. O secţiune prin peretele cu parasolar pentru umbrirea ferestei verticale de înălţime W este prezentată în fig. 13.

9

Sud

Vest

Estsuprafaţa plană

Suprafaţa înclinată

θ

αs

Nord

normala la suprafaţă

γs90

β

γ

90

Fig. 10. Unghiul de incidenţă (θ), înclinarea (β), unghiul de azimut al suprafeţei (γ) şi unghiul de azimut solar (γs) pentru o suprafaţă înclinată.

Fig. 11. Unghiul altitudinii solare αs=∠BAC şi unghiul de profil αp=∠DEF pentru o suprafaţă R.

A

C

B

D

αpβ

E

R

αs

soarele

F

θ z

amiază 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, γs

Ung

hiul

alti

tudi

nii s

olar

e, α

s

Fig. 12. Poziţia soarelui pentru latitudinea de ±45° (unghiul altitudinii solare şi unghiul azimutului solar în funcţie de declinaţia şi unghiul orar indicate prin ziua şi ora din zi) [1].

planul de umbrire 1

αp1

W

αp2

ψ2

ψ1

L

H

HLarctg

HWLarctg

=ψ

+=ψ

2

1

planul de umbrire 2

Fig. 13. Secţiune prin peretele cu parasolar şi evidenţierea planurilor de umbrire.

Unghiul de incidenţă a radiaţiei solare directe pe unul din planurile de umbrire poate fi determinat în funcţie de unghiul de azimut al planului γ şi înclinarea planului β=90+ψ cu ajutorul relaţiei (6). Pentru ca fereastra să fie umbrită trebuie ca unghiul de profil αp să fie mai mare de 90-ψ1, 1.5. Raportul dintre radiaţia directă incidentă pe o suprafaţă înclinată şi cea pe o suprafaţă orizontală

În proiectarea şi calcularea performanţelor instalaţiilor solare este necesar să se calculeze radiaţia pe o suprafaţă înclinată folosind măsurătorile sau estimările radiaţiei solare pe o suprafaţă orizontală.

Raportul dintre radiaţia directă incidentă pe o suprafaţă înclinată (Gb,T) şi cea pe o suprafaţă orizontală (Gb) denumit factor geometric, Rb este dat de relaţia (fig. 14):

zsc

sc

b

Tbb G

GG

GR

θθ

==coscos, (8)

normala la

suprafaţa orizontală

limita atmosferei terestre

pământul

suprafaţă normală la razele soarelui

soarele suprafaţa orizontală

Gsc

θz

Zenit

θ

βθz

θ

normala lasuprafaţa înclinată

Fig. 14. Radiaţia directă pe o suprafaţă orizontală şi una înclinată.

1.6. Măsurarea iradianţei solare Instrumentul folosit la măsurarea iradianţei solare totale este piranometrul, care măsoară energia soarelui ce vine dint toate direcţiile în semisfera aflată deasupra planului instrumentului. Rezultatul măsurării reprezintă suma iradianţei solare directe şi difuze, adică iradianţa solară globală pe o suprafaţă orizontală sau înclinată după cum piranometrul este aşezat pe o suprafaţă orizontală sau înclinată. Cele mai utilizate piranometre folosesc o pilă termoelectrică (mai multe termocuple legate în serie) ataşată la o suprafaţă absorbantă neagră şi subţire, protejată împotriva pierderilor prin convecţie şi izolată împotriva pierderilor prin conducţie (fig. 15). Când este plasată la soare, suprafaţa se încălzeşte, atingând o temperatură proporţională cu

10

cantitatea de energie radiantă incidentă la suprafaţă. Temperatura este măsurată şi convertită printr-o calibrare precisă într-o indicaţie a iradianţei solare globale incidente pe suprafaţa absorbantă.

11

semisferă din sticlă

termocuple

suprafaţa neagră absorbantă

voltmetru

izolaţie

Gb Gd

compensator de

temperatură

Fig. 15. Piranometru [4].

Pentru aşezarea orizontală a pyranometrului, iradianţa solară normală este redusă cu cosinusul unghiului de incidenţă, care în acest caz este unghiul zenitului solar θz. Iradianţa solară globală orizontală măsurată este:

o,dzn,bo,t GcosGG +⋅= θ (9) Piranometrul este folosit atât la măsurarea iradianţei globale incidente pe suprafaţe orizontale cât şi pe suprafeţe înclinate. În cel de-al doilea caz, măsurătoarea va include şi energia solară reflectată de către suprafeţele înconjurătoare. În locul suprafeţei absorbante înegrite cu termocuple ataşate pot fi folosite celule fotovoltaice din silicon ca o alternativă ieftină la pila termoelectrică. Curentul produs de celulele fotovoltaice este proporţional cu intensitatea radiaţiei incidente pe suprafaţă. Viteza de răspuns la schimbarea intensităţii solare este rapidă. Există totuşi două efecte ce limitează precizia piranometrelor cu celule fotovoltaice. Acestea sunt: răspunsul unei celule fotovoltaice neacoperite din silicon este imprecis şi răspunsul spectral este neuniform (fotocelulele sunt sensibile la componentele apropiate de infraroşii şi insensibile la lumina albastră şi violetă şi radiaţiile infraroşii cu lungime de undă mai mare de 1,2μm). Pentru măsurarea numai a componentei normale directe a iradianţei solare se foloseşte pirheliometru (actinometru). Acest aparat (fig. 16), numit şi pirheliometru de incidenţă normală, constă dintr-un piranometru cu pilă termoelectrică plasat la capătul unui tub lung care se orientează spre soare. Tubul este construit astfel încât să primească radiaţie într-un con cu unghi de 5°. Un mecanism cu două axe este incorporat pentru a menţine discul solar într-un con acceptabil pentru aparat. Cum unghiul aparent al discului solar este de 0,553° (32’), pirheliometrul măsoară atât radiaţia directă venită de la discul solar cât şi radiaţia circumsolară. Când se folosesc colectoare cu concentrare mare a radiaţiei, pentru energia ce vine din direcţia soarelui trebuie luaţi în consideraţie doi factori: existenţa unei variaţii a intensităţii în lungul diametrului discului solar şi radiaţia aparentă ce vine din jurul discului solar (radiaţia circumsolară) poate avea un conţinut însemnat de energie. Radiaţia circumsolară (cauzată de împrăştierea de către atmosferă) este importantă pentru că multe concentratoare sunt proiectate să colecteze numai radiaţia venită de la discul solar, nu şi radiaţia circumsolară, cauzând astfel o reducere a capacităţii concentratorului de captare a energiei. Unghiul de recepţie al pirheliometrului de 5° elimină necesitatea unui sistem de orientare şi urmărire extrem de precis. Prin modificarea piranometrului utilizând un dispozitiv de umbrire suficient de larg pentru a bloca adiaţia ce vine direct de la discul solar se poate măsura numai compenenta difuză a radiaţiei globale (fig. 17). Pentru a se evita discul umbritor ce işi modifică poziţia în cursul zilei se foloseşte adesea o bandă de umbrire. Această bandă trebuie ajustată în timpul anului pentru a rămâne în planul eliptic al Soarelui. Prin combinarea a două piranometre, unul cu faţa în sus şi celălalt cu faţa în jos se obţine albedometru (fig. 18). Piranometrul cu faţa în sus măsoară radiaţia globală, în timp ce piranometrul cu faţa în jos măsoară radiaţia solară reflectată. Semnalele produse de fiecare piranometru pot fi înregistrate împreună. Albedo, fracţia

radiaţiei incidente reflectate de o suprafaţă, poate fi calculat cu ajutorul semnalelor oferite de piranometre

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ãglobalradiatiaãreflectatiatradiaalbedo .

Compensator detemperatură

voltmetru

tub (de culoare neagră la interior)

indicator de aliniere

termocuple absorber vopsit în negru izolaţie

mecanism de urmarire

cu doua axe

5°

Fig. 16. Pirheliometru [4].

bandă de umbrireGb

Gd

Fig. 17. Măsurarea radiaţiei solare difuze.

Fig. 18. Albedometru.

12

1.7. Baze de date cu radiţia solară

Pentru evaluarea performanţei energetice a unui sistem energetic solar în faza de proiectare este necesar să se cunoască nivelul iradianţei solare în fiecare minut de-a lungul duratei de viaţă a sistemlui şi în locul exact de funcţionare a acestuia. Deoarece starea vremii este variabilă în timp şi spaţiu şi predicţia ei este extrem de dificilă, proiectantul este nevoit să folosească baze de date cu radiaţia solară, înregistrată într-o perioadă de timp în diferite locaţii.

Următoarele informaţii sunt importante în interpretarea şi folosirea datelor despre radiaţia solară: − dacă reprezintă măsuratori instantanee (iradianţa) sau sunt valori integrate pe o perioadă de timp, de obicei oră sau zi (iradiaţie); − timpul sau perioada de timp corespunzătoare măsurătorilor; − dacă măsurătorile reprezintă radiaţia directă, difuză sau totală; − instrumentele folosite pentru realizarea măsurătorilor; − orientarea suprafeţei receptoare (de obicei este orizontală); − perioada de timp pentru care s-a făcut media, dacă este cazul (de exemplu media lunară a radiaţiei zilnice). Două tipuri de date referitoare la radiaţia solară sunt disponibile: media lunară a radiaţiei totale zilnice pe o suprafaţă orizontală ( H ) şi radiaţia totală orară pe o suprafaţă orizontală (I) pentru fiecare oră a perioadei considerate (unul sau mai mulţi ani). Aceste date pot fi găsite la serviciile meteorologice (Meteonorm - Global Meteorological Database, Solar Radiation Resource Atlas of the United States, Satel-light, NASA Surface meteorology and Solar Energy) şi în literatura de specialitate.

Când se doreşte să se facă modelarea numerică pentru studiul performanţele unui sistem ce foloseşte energia solară se poate recurge la utilizarea unor modele analitice ale iradianţei solare, în locul bazelor de date ce necesita un volum mare de lucru pentru prelucrare.

În tabelul 3 sunt date valorile mediei lunare a radiaţiei zilnice pe o suprafaţă orizontală, valori mediate pentru 10 ani, potrivit datelor oferite de NASA Surface meteorology and Solar Energy, iar în fig. 19 este prezentată harta României cu potenţialul energetic solar. Harta radiaţiei solare din România a fost elaborată pe baza datelor medii multianuale înregistrate de Institutul Naţional de Meteorologie şi Hidrologie (INMH), procesate şi corelate cu observaţii şi măsurători fizice efectuate pe teren de instituţii specializate. Aşa cum se vede pe hartă, zonele cu radiaţie solară importantă sunt: Dobrogea, Câmpia Română, Câmpia de Vest, Banat şi o parte din podişurile Transilvaniei şi Moldovei. Tab. 3. Media lunară a radiaţiei zilnice pe o suprafaţă orizontală.

Media lunară a radiaţiei solare globale zilnice pe o suprafaţă orizontală*, H kWh/m²/zi

Luna Constanţa Lat 44,22°

Long 28,63°

Bucureşti 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°

Iaşi Lat 47,17°

Long 27,63°

Timişoara 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

Radiaţia solară

MJ/m2/an

Fig. 19. Harta potenţialului energetic solar a României. În fig. 20 este prezentată harta cu ptentialul solar a Europei realizată de către Institutul pentru mediu şi

durabilitate (the European Commission’s Institute for Environment and Sustainability - IES) cu ajutorul PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System). Acest sistem (PVGIS) poate oferi date despre iradianţa solară globală corespunzătoare cerului senin sau normal estimată pentru fiecare 15 minute ale unei zile tipice dintr-o lună pentru o suprafaţă orizontală sau suprafaţă cu diferite înclinări şi orientări pentru majoritatea oraşelor din Europa.

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

1.8. Estimarea radiaţiei solare Efectele atmosferei de împrăştiere şi absorbţie a radiaţiei sunt variabile în timp datorită schimbării

condiţiilor atmosferice şi a masei de aer. Din acest motiv s-a recurs la estimarea radiaţiei directe transmisă prin atmosfera curată ţinând cont de unghiul zenitului solar şi altitudinea locului pentru patru tipuri de climă. Transmitanţa atmosferică pentru radiaţia directă este dată de relaţia:

z

k

b eaa θτ cos10

−

+= (9) unde: A - altitudinea locului exprimată în km; a0, a1 şi k constante pentru altitudini mai mici de 2,5 km, având valori diferite în funcţie de tipul de atmosferă;

Atmosferă cu vizibilitatea de 23 km Atmosferă cu vizibilitatea de 5 km

( )[ ]200 600821,04237,0 Ara −−= ( )[ ]2

00 60063,02538,0 Ara −−=

( )[ ]211 5,600595,05055,0 Ara −+= ( )[ ]2

11 5,60010,07678,0 Ara −+=

( )[ ]25,201858,02711,0 Ark k −+= ( )[ ]25,2081,0249,0 Ark k −+=

r0, r1 şi rk - factori de corecţie (tab. 4). Tab. 4. Factori de corecţie pentru tipul de climă

Tipul de climă r0 r1 rk

Tropicală 0,95 0,98 1,02 Vară la latitudinea de 45° 0,97 0,99 1,02 Vară subarctică 0,99 0,99 1,01 Iarnă la latitudinea de 45° 1,03 1,01 1,00

Astfel, iradianţa solară directă pe o suprafaţă normală, pentru atmosfera senină este dată de relaţia:

bnb II τ0, = [W/m2] (10) Iradianţa solară directă pe o suprafaţă orizontală, pentru atmosfera senină este:

zbb II θτ cos00, = [W/m2] (11) Iradianţa solară difuză pe o suprafaţă orizontală poate fi calculată cu relaţia:

( )[ zk

hdzeaaII θθ cos2939,02710,0 sec

100,−+−= ] [W/m2] (12)

15

2. Utilizări ale energiei solare

Energia solară este curată, inepuizabilă şi inofensivă pentru organismele vii de pe Pământ deoarece razele ultraviolete de lungimi de undă scurte sunt absorbite de către straturile de ozon înainte să atingă troposfera şi slăbite de compoziţia aerului şi umiditatea din troposferă. O parte din energia solară activează atmosfera generând fenomene climatice, iar o parte este absorbită de moleculele materiei de pe Pământ fiind convertită în căldură de joasă temperatură. Utilizările artificiale ale energiei solare sunt prezentate în fig. 1. Formele energiei solare sunt grupate în căldură şi energie luminoasă (de calitate şi cantitate superioare căldurii).

Energia solară pe Pământ

Lumina

Căldură

Fotovoltaic

Fotoliză

Centrală fotovoltaică

Pregătirea hranei

Producerea industrială de hidrogen

Reacţii fotochimice în industrie

Iluminat şi aplicaţii sanitare

Producere locală de electricitate

Producere de electricitate cu motoare termice

Uscare

Refrigerare

Distilare

Încălzire (sere, clădiri, piscine)

Cuptor solar

Fig. 1. Utilizarea energiei solare.

Radiaţia solară poate fi utilizată în principal ca sursă de căldură pentru încălzirea apei de consum şi a apei din piscine, uscarea cerealelor şi a lemnului, pentru producerea de energie mecanică cu motoare termice, pentru a produce energie mecanică de antrenare a instalaţiilor de condiţionare şi refrigerare şi ca sursă de lumină pentru producerea directă de electricitate cu celule fotovoltaice. Radiaţia solară poate fi convertită în energie utilă 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 căldura este transferată prin mijloace naturale datorita proiectării speciale a clădirii.

Există 3 căi prin care căldura este transferată prin geam: conducţia, radiaţia si convecţia. Valoarea R a unei ferestre din sticlă, adică proprietatea de izolare sau rezistenţa la transmiterea căldurii este determinată de gradul de conducţie, radiaţie si convecţie a căldurii prin fereastră. Infiltraţiile de aer influenţează valoarea globală a lui R.

Ultimele realizări in domeniul ferestrelor cuprind: • ferestre duble sau triple cu valoare de izolare mare; • sticlă cu emisivitate redusă (sticla acoperită ce lasă căldura să intre in clădire, dar nu o lasă să iasă; • ferestre umplute cu argon, krypton sau alte gaze pentru a mări gradul de izolare; • sticlă care devine translucidă din opacă atunci când i se aplică o tensiune.

Pe lângă funcţia decorativă, draperiile pot fi folosite ca să reducă pierderile de căldură din perioadele reci cât şi pentru reducerea câştigului de căldura in timpul lunilor calde. Pentru a-şi îndeplini funcţiile, draperiile trebuie sa atârne cu cel puţin 30 cm sub fereastra.

Radiaţia solara ce cade pe pereţi, ferestre, acoperişuri si alte suprafeţe este absorbita si acumulata in masa termica. Ea este radiata apoi in interiorul clădirii. Masa termica din sistemul de încălzire pasiv solar are aceeaşi funcţie ca şi bateriile din sistemul electric solar (panouri fotovoltaice). Masa termica dintr-o clădire solară pasivă poate fi constituită din pereţii din beton, pardoseală sau pereţi acoperiţi cu ceramică, rezervoare umplute cu apă sau

16

cu materiale cu schimbare de fază sau chiar din roci. De fapt poate fi folosit orice material cu căldură specifică mare şi conductibilitate termică mare.

Fig. 2. Încălzirea solară directă.

ziua noaptea

canal deschis fereastră

fereastră canal închis

ziua

noaptea

Fig. 2. Încălzirea solară indirectă.

canal deschis

canal închis

ziua

noaptea

Fig. 3. Sistem hibrid (direct şi indirect) de încălzire solară. 17

Există numeroase strategii şi soluţii de iluminat natural, bazate pe controlul distribuţiei spectrale şi/sau

spaţiale sau al intensităţii luminoase specifice radiaţiilor transmise şi/sau reflectate în interior, dar numai una dintre acestea permite accesul luminii naturale în spaţii fără deschideri către exterior sau în spaţii cu aport redus de lumină naturală prin utilizarea celorlalte tipuri de sisteme. Această soluţie este reprezentată de tubul de lumină sursă secundară de lumină care transmite lumina de la sursa primară (naturală sau electrică) în spaţiul de interes, către un obiectiv specific sau către anumite suprafeţe reflectante sau transmiţătoare. Transmisia luminii se realizează la capătul tubului, unde lumina este distribuită sau direcţionată, în funcţie de particularităţile sarcinii vizuale, sau prin transfer lateral către obiectivele specifice.

Există trei tipuri principale de tuburi de lumină: • 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 firmă din Marea Britanie, este supranumit Super Silver SunPipe – tubul solar super-argintat (SSSP) şi constă într-un tub oglindă din aluminiu de 0,5mm grosime, impregnat cu argint pur şi stabilizat prin depunere de vapori, având reflectanţa 0,98. Acest sistem maximizează conceptul de energie recuperabilă prin reflexia şi concentrarea luminii directe solare şi a luminii difuzate de atmosfera terestră, prin intermediul tubului din aluminiu oglindat la interior şi impregnat cu argint pur. Figura 4 prezintă structura de bază a unui sistem destinat montajului la acoperiş înclinat (stânga) şi la acoperiş orizontal (dreapta). În partea superioară a sistemului se află un dom în formă de diamant, fabricat din policarbonat stabilizat UV, montarea acestuia realizându-se etanş, împiedicându-se astfel pătrunderea apei, condensului sau a prafului în tub. Forma de diamant a domului superior (Fig. 5) este menită să maximizeze transmisia luminii solare şi a luminii difuze a cerului în interiorul tubului prin prismele plane şi captarea luminii solare dimineaţa devreme şi după-amiaza târziu, prin prismele verticale de pe circumferinţa domului. La nivelul plafonului, un difuzor din policarbonat difuzează uniform lumina naturală în încăpere sau în spaţiul de interes. Acest sistem este extrem de eficient atât în condiţii de cer senin, cât şi pentru cerul acoperit sau chiar atunci când plouă. Tubul oglindat din aluminiu ce stă la baza acestui sistem modern este garantat 25 de ani împotriva decolorării şi o durată de funcţionare estimată la 35 de ani. Tratamentul special, prin stabilizarea stratului de argint pur prin depunere de vapori, şi prezenţa unei substanţe cu rol de absorbţie a radiaţiilor UV, asigură redarea excelentă a culorilor specifică luminii naturale.

Fig. 4. Structura unui tub solar. Fig. 5. Domul superior în formă de

diamant (compus din prisme plane şi

18

19

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

energia razelor solare si o transforma in căldură. Această căldură este apoi transferata unui lichid sau aerului care este folosit pentru încălzirea clădirilor, a apei, producerii de energie electrică, uscării lemnului şi a produselor agricole sau pentru prepararea hranei. Colectoarele funcţionează pe principiul unei sere, captând căldura sub învelitoarea din sticlă. Deoarece radiaţia solara este in mare parte difuză, colectoarele trebuie să aibe suprafeţe mari.

Ele pot fi împărţite după temperatura pe care o pot realiza astfel: • colectoare de temperatură joasă, care pot realiza temperaturi de pană la 50°C folosind suprafeţe

absorbante metalice sau nemetalice pentru încălzirea bazinelor de înot sau a apei; • colectoare de temperatură medie care oferă căldură de temperaturi 60-80°C. Acestea sunt colectoare cu

suprafaţă absorbantă plană acoperite cu geam şi folosesc ca fluid de lucru aerul sau apa, sau sunt colectoare cu concentrare. Tot aici sunt incluse şi colectoarele cu tuburi vidate folosite pentru încălzirea apei pentru uz casnic;

• colectoarele de temperatură înaltă 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

Staţionar

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 singură axă de urmărire a Soarelui

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

punct 100-1000 100-500 Cu două axe de urmărire a Soarelui

Colector de câmp heliostatic

punct 100-1500 150-2000

* Raportul de concentrare este definit ca raportul dintre suprafaţă incidentă şi suprafaţa absorberului. În fig. 6 sunt reprezentate principalele tipuri de colectoare. Cel mai simplu colector este colectorul cu masă absorbantă sub forma unei plăci în care apa este încălzită şi

acumulată în acelaşi timp. Un colector solar plan plat (fig. 6) este format dintr-o cutie izolată termic ce are o învelitoare din geam sau

plastic (suprafaţa transparentă) şi o placă absorbantă de culoare neagră. Colectoarele plane pot fi cu lichid sau cu aer şi ambele pot fi acoperite sau nu. Într-un colector cu lichid energia solară încălzeşte lichidul ce curge prin tuburile ataşate plăcii absorbante. Tuburile pot fi aşezate în paralel folosind colectoare de intrare şi ieşire sau în serpentine. Serpentinele asigura o curgere uniformă, dar ridică probleme la golire, serpentinele neputând fi golite total pentru a se evita îngheţarea.

Colectoarele cu aer (fig. 7) au avantajul ca fluidul de lucru nu îngheaţă şi nu fierbe, fenomene prezente la colectoarele cu apă. Acestea pot folosi materiale mai ieftine cum ar fi materialelor plastice pentru suprafaţa transparentă, deoarece temperaturile de lucru sunt mai reduse decât la colectoarele cu lichid. Colectoarele cu aer sunt simple cu placi absorbante plane şi sunt folosite pentru încălzirea spaţiilor şi uscarea culturilor agricole şi a lemnului. Plăcile absorbante sunt confecţionate din metal, dintr-o singură placă, din mai multe plăci perforate sau ţesături din sârmă sau materiale nemetalice. Absorberul realizat din materiale poroase sau sub formă de strat compact de ţesătură metalică sau nemetalică absoarbe radiaţia solară în adâncime şi are un raport mai mare între suprafaţa de schimb de căldură şi volum şi are o capacitate mai mare de a transfera căldura, rezultând o temperatură mai scăzută a absorberului. Aceasta va duce la reducerea pierderilor de căldură spre mediul ambiant şi implicit la creşterea eficienţei termice. Totodată creşte şi pierderea de presiune a aerului la trecerea prin colector, ceea ce face să crească puterea consumată de ventilator pentru vehicularea aerului prin colector.

Limitările în construcţia încălzitoarelor solare cu aer sunt date de costul ridicat al producerii comerciale, suprafaţa mare a colectorului, conducte mari pentru aer, puterea ridicată pentru vehicularea aerului prin colector şi dificultatea acumulării de căldură. Colectoarele cu aer pot fi clasificate după modul de curgere a aerului. În colectoarele fără suprafaţă transparentă, care sunt cele mai simple, aerul curge pe sub absorber. Pierderile de căldură de deasupra absorberului pot fi reduse prin acoperirea cu un material transparent. în acest caza aerul poate curge fie pe deasupra absorberului, fie pe sub absorber, fie şi pe deasupra si pe sub absorber. Pierderile de căldură prin radiaţie vor fi reduse în acest mod deoarece mărirea suprafeţei de schimb de căldură duce la reducerea temperaturii absorberului.

Masă absorbantă de culoare neagră

Canale de apă Placă absorbantă Izolaţie

Învelitoare transparentă

Carcasă

Colector fără geam Colector plan cu apă Colector plan cu aer

Izolaţie Curent aer Placă plană absorbantă

CarcasăCanale de aer

Învelitoare transparentă

Colector cu concentrare liniară (tip uluc)

Colector cu tuburi vidate Colector cu concentrare punctuală (tip farfurie parabolică)

Intrare apă Ieşire apă

Oglindă

Focalizare

Focalizare

Curentul de apă

Capăt

Placă cu absorbţie selectivă

Tub vidat din sticlă

Ţeavă cu apă

Racord

Lichid

Fig. 6. Tipuri de colectoare.

Colectoarele solare plane sunt folosite numai în locuri cu climă însorită şi caldă. Eficienţa lor se reduce considerabil când condiţiile devin nefavorabile pe timp înnorat, rece şi cu vânt. În plus condensarea umidităţii din aer pe suprafeţele metalice interioare ale colectorului duce la deteriorarea lor şi la reducerea performanţelor. Aceste neajunsuri pot fi reduse în colectoarele cu tuburi vidate. Acestea sunt alcătuite din două tuburi coaxiale, cel exterior din sticlă şi cel interior-absorberul din metal, între care se găseşte vid. Apa circulă prin tubul interior. Datorită vidului, pierderile de căldură prin conducţie şi convecţie sunt eliminate iar efectele negative ale umidităţii aerului sunt eliminate nemaifiind aer între absorber şi suprafaţa transparentă. Construcţia acestor colectoare este dificilă deoarece necesită o bună etanşare pentru păstrarea vidului. În regiunile cu climă mai caldă, aceste colectoare sunt mai eficiente decât cele plane din următoarele motive:

• ele primesc şi radiaţia solară directă şi pe cea difuză; • datorită formei circulare a tuburilor , radiaţia solară este perpendiculară pe absorber o durată mai

mare de timp a zilei. Colectoarele cu tuburi vidate realizează temperaturi mai mari şi eficienţe mai ridicate decât colectoarele

plane, dar ele sunt mai scumpe. Colectoarele cu concentrare folosesc suprafeţe oglindă pentru concentrarea energiei soarelui pe un absorber numit receptor. Ele realizează temperaturi mai ridicate decât colectoarele plane, chiar dacă ele concentrează numai

20

radiaţia solară directă. Eficienţa lor este mai mică în zilele fără soare. Ele sunt folosite mai mult în zonele cu insolaţie mare apropiate de ecuator. Concentratoarele funcţionează cel mai bine când ele sunt direcţionate direct spre soare. Pentru aceasta, aceste sisteme folosesc mecanismele de urmărire pentru a muta colectorul în timpul zilei pentru a fi mereu îndreptate spre soare. Mecanismele de urmărire cu o singură axă se mişcă de la est la vest, iar cele cu două axe se mişcă de la est la vest şi de la nord la sud. Cutiile solare de gătit constau dintr-o cutie pe pereţii căreia se găseşte un material reflectant, este acoperită

cu geam şi are un reflector extern.

învelitoare transparentă

carcasă

izolaţie termică

învelitoare transparentă ţeavă din cupru

tub colector

ramă de fixare

ramă de fixare

garnitură tub colector învelitoare transparentă placa absorbantă izolaţie termică carcasă

Fig. 7. Colector solar plan cu apă.

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

translucid cu conţinut redus de fier este materialul cel mai folosit deoarece sticla cu puţin fier transmite un procent mare al energiei solare, Geamul permite lumini să ajungă la placa absorbantă şi reduce cantitatea de căldură ce poate fi pierdută, Deoarece aproape toate vopselele negre reflecta circa 10% din radiaţia incidentă unele plăci

21

absorbante sunt supuse acoperirii selective, care reţine lumina soarelui absorbită mai bine şi mai mult timp decât vopseaua neagră obişnuită. Acoperirile selective au valoare ridicată pentru absorbţie în domeniul vizibil şi valoare redusă pentru emisivitate în domeniul lungimilor de undă lungi infraroşii,

Plăcile absorbante sunt cele mai adesea confecţionate din metal, de obicei cupru sau aluminiu pentru ca ambele metale sunt bune cunducătoare de căldură, O placă absorbantă trebuie sa aibe o conductivitate termică ridicată să transfere căldura colectată apei cu pierderi minime.

În tabele 1 şi 2 sunt date caracteristicile principalelor materiale folosite ca învelotoari şi absorberi.

Fig. 8. Colector solar cu aer.

Tab. 1. Proprietăţile materialelor folosite ca învelitori.

Material Grosime (mm)

Transmitanţa pentru radiaţia

vizibilă

Transmitanţa pentru radiaţiile

infraroşii

Rezistenţa la condiţiile

atmosferice

Rezistenţa la presiune

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

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

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

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

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

Sticlă cu conţinut redus de fier 4 0,91 0,73 Foarte bună Reflectanţa

8%

22

23

Table 2. Proprietăţile materialelor absorbante

Acoperirea Substratul Absorptivitatea Emisivitatea Temp.

maximă Durabilitatea

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

Crom negru Nichel, aluminiu, cupru, fier 0,82-0,96 0,04-0,15 427ºC foarte bună

Cupru negru cupru 0,85-0,95 0,10-0,15 316ºC - 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, sticlă 0,82-0,93 0,02-0,05 - - Vopsea sulfură

de plumb orice 0,90 0,30 - -

Vopsea selectivă orice 0,93 0,30 - -

Vopsea neagră orice 0,95-0,97 0,95-0,97 - -

În practică cele mai multe colectoare sunt fixe şi de aceea ele trebuie orientate astfel încât pe parcursul unei zile să colecteze maximum de radiaţie solară. Din acest motiv, colectoarele fixe sunt aşezate înclinat cu faţa spre ecuator. De regulă, pentru latitudini mici, unghiul de înclinare a colectorului este egal cu unghiul latitudinii, dar creşte cu 10° la latitudini mai mari de 40°. Unghiul de înclinare a colectorului depinde de latitudine şi de ziua din an. Dacă unghiul de înclinare este egal cu latitudinea, atunci razele solare vor fi perpendiculare pe suprafaţa colectorului la mijlocul lunilor martie şi septembrie. Pentru maximiza radiaţia colectată pe timpul verii, unghiul de înclinare a colectorului trebuie să fie mai mic, iar pentru maximizarea radiaţiei colectate pe timpul iernii, unghiul de înclinare trebuie să fie mai mare. Pentru a vedea influenţa unghiului de înclinare asupra radiaţiei solare colectate, în tab. 1 se prezintă radiaţia totala incidentă pe o suprafaţă cu înclinări diferite, situată la latitudinea de 53° N.

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

(°) Radiaţia totală anuală

(kWh/m2) Radiaţia totală în iunie

(kWh/m2) Radiaţia totală în

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 În figura 8 sunt prezentate pierderile de căldură ale unui colector solar plan plat. Posibilităţile de îmbunătăţire a colectorului plan (reducere a pierderilor de căldură) sunt:

- instalarea de paravane care sa reducă viteza vântului la exteriorul invelişului transparent pentru a reduce pierderea de căldura prin convecţie;

- introducerea suprafeţei absorbante într-un tub vidat. Astfel, pierderile de căldură prin convecţie nu mai au loc, iar cele prin radiaţie sunt minimizate prin utilizarea suprafeţelor absorbante cu emisivitate redusă.;

- acoperirea parţială a învelişului transparent pentru a reduce pierderile prin reflexie. Pentru un colector plan fără nici o măsură de reducere a pierderilor de căldură, fluxul de căldură captat

scade rapid cu creşterea temperaturii colectorului. Şi cum pierderile de căldura sunt proporţionale cu suprafaţa colectorului, există interesul de reducere a acesteia relativ la suprafaţa absorberului.

Fig. 9. Colector solar plan plat şi pierderile de căldură.

3.2. Colectorul cu tuburi vidate Performanţele colectorului plan plat convenţional se reduc mult pe timp noros, rece sau cu vânt. Şi mai

mult, condensul şi umiditatea deteriorează materialul din interiorul colectorului, având drept rezultat scăderea performanţelor şi în cele din urmă distrugerea sistemului. Anvelopa vidată reduce pierderile de căldură prin convecţie şi conducţie, astfel că pot fi atinse temperaturi mai mari decât la colectorul plan plat. Ca şi colectorul plan plat, acesta colectează atât radiaţia directă cât şi cea difuză. Oricum, eficienţa acestuia este mai mare la unghiuri de incidenţă mici. Aceasta face ca în decursul unei zile, performanţa să fie mai bună. Tubul vidat este realizat din sticlă transparentă borosilicată, iar absorberul sub formă de placă sau tub din cupru cu acoperire selectivă.

Colectoarele solare cu tuburi din sticlă vidate s-au dezvoltat în trei variante constructive, după metoda folosită pentru extragerea căldurii din tubul vidat:

radiaţia solară

reflexie ρ

ρ+α=1

absorbţie, α

pierderile de căldură

1

convecţie căldura utilă

conducţie

radiaţie

căldura utilă

radiaţia solară primită

pierderi prin conducţie pierderi prin

radiaţie pierderi prin convecţie

pierderi prin reflexie

• colectorul ce foloseşte un tub termic încorporat într-un tub vidat (fig. 10). Tubul termic are ataşat absorberul şi penetrează spaţiul vidat la unul din capete printr-o etanşare sticlă-metal; • colectorul alcătuit din tuburi vidate din sticlă, care la interior au fie un tub din cupru în formă de “U” ataşat de absorberul metalic sub formă de placă sau tub (fig. 11), fie două tuburi metalice concentrice, cel exterior având rol de absorber (fig. 12). Căldura este preluată de lichidul ce circulă, în primul caz, prin tubul în formă de “U”, sau în interiorul tubului coaxial cu tubul absorbant şi apoi prin spaţiul inelar dintre cele două tuburi, în al doilea caz; • colectorul alcătuit din tuburi vidate de tip Dewar, cu suprafaţa absorbantă pe suprafaţa interioară a tubului. Căldura este preluată de către lichidul ce poate circula în interiorul tubului pe principiul termosifonului sau poate fi dirijat cu ajutorul unui tub interior.

24

25

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

Colectoarele cu tuburi vidate pot fi prevăzute cu suprafeţe concentratoare ce pot fi plasate în interiorul sau exteriorul tuburilor. Dintre toate aceste variante, cele care au arătat rezistenţă îndelungată la intemperiile atmosferice sunt colectoarele cu tuburi vidate tip Dewar şi cele cu tuburi vidate cu tuburi termice. Configuraţiile care încorporează etanşări sticlă – metal sunt mai scumpe şi trebuie protejate împotriva şocurilor termice şi ferite de căderile de grindină. Etanşările sticlă-metal de la tuburile vidate cu tuburi termice sunt protejate parţial de şocurile termice deoarece lichidul rece, care preia căldura de la tubul termic, nu trece prin etanşarea sticlă-metal.

Tuburile vidate de tip Dewar sunt cele mai simple şi ieftine. Ele au dezavantajul că extragerea căldurii se face cu dificultate. Cele care folosesc tub interior realizează o mai bună circulaţie a lichidului ce preia căldura, îmbunătăţind astfel extragerea căldurii. La aceste tuburi presiunea lichidului de lucru este de doar câţiva metri coloană apă.

Colectoarele cu tuburi vidate pot fi folosite în instalaţii de încălzire a apei cu circulaţia apei prin pompare sau în termosifon. Tuburile vidat de tip Dewar cu tuburi interioare metalice de diametru mare pot folosi şi aerul pentru preluarea căldurii.

tubul colector

condensatorul tubului termic

lichid ce preia căldura

placa

absorbantă tub din

evaporatorul tubului termic

sticlă vidat

26

Fig. 11. Tuburi din sticlă vidate cu tub interior în formă de “U”.

Fig. 12. Tub din sticlă vidat având la interior tuburi concentrice.

tubul vidat

suprafaţă absorbantă

fluidul de lucru

etanşare sticlă-metal

suprafaţă absorbantă

vid

tub de ducere

tub de întoarcere

tub metalic absorbant

suprafaţă reflectantă

tub de sticlă vidat

tub metalic absorbant

tub metalic de alimentare

27

Fig. 13. Tuburi vidate de tip Dewar.

3.3. Colectoare cu concentrarea radiaţiei şi colectoare cu sisteme de urmărire Mărirea temperaturii fluidului de lucru din colectorul solar se poate face şi prin reducerea suprafeţei prin

care au loc pierderile de căldură. Temperaturi mai mari decât cele ce se obţin cu colectoarele solare plane pot fi atinse dacă o cantitate mare a radiaţiei solare este concentrată pe o suprafaţă relativ mică. Aceasta se poate realiza prin interpunerea unui dispozitiv optic între sursa de radiaţie şi suprafaţa absorbantă.

Colectoarele cu concentrare prezintă comparativ cu cele plane plate următoarele avantaje: • fluidul de lucru poate atinge temperaturi mai mari, ceea ce înseamnă o eficienţă termodinamică mai mare; • eficienţa termică este mai mare deoarece pierderile de căldură sunt mai mici raportate la suprafaţa de primire a

radiaţiei; • suprafeţele reflectante necesită mai puţin material şi sunt structural mai simple. Costul unui colector cu

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

• colectează mai puţină radiaţie difuză, în funcţie de raportul de concentrare; • necesită sisteme care să orienteze colectorul în direcţia Soarelui; • suprafeţele reflectante pot pierde reflectanţa lor în timp ceea ce necesită curăţirea şi lustruirea lor periodică.

Concentratorii pot fi de tip reflector sau refractor, pot fi cilindrici sau parabolici şi pot fi continui sau segmentaţi. Receptorii pot fi convecşi, plani, cilindrici sau concavi.

acoperire selectivă

tub vidat tip Dewar

rezervor

intrare

ieşire

acoperire selectivă

tub vidat tip Dewar

tub vidat ti

acoperire selectivă

p Dewar

de a reflecta spre absorber toată radiaţia incidentă.

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

Necesitatea de mişcare a concentratorului pentru a se adapta la orientarea solară poate fi redusă prin utilizare

Cel mai simplu tip de concentrator solar (fig. 14) îl reprezintă colectorul plan plat prevăzut cu reflectoare plane care pot mări cantitatea radiaţiei 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 circulaţie

colectorplan plat

reflector plan

raze solare

28

3a racorduri în formă de „U”, 5 acoperitoarea transparentă. Fig. 15. Colectorul plan parabolic compus.

a a două secţiuni de parabolă aşezate faţă în faţă ca în figura 14. Prin reflecţii interne multiple orice radiaţie care intră în deschizătura concentratorului îşi găseşte drumul spre suprafaţa absorberului situat la partea inferioară a colectorului. Părţile inferioare ale reflectorului (AB şi AC) sunt circulare, în timp ce porţiunile superioare (BD şi CE) sunt parabolice. Cum părţile superioare contribuie în mică măsură la concentrarea radiaţiei, ele sunt retezate pentru a forma o versiune mai scurtă de colector. De unghiul de recepţie, definit ca unghiul prin care o rază de lumină în mişcare rămâne convergentă la absorber (unghiul cθ din fig. 16), depinde orientarea colectorului şi dacă acesta va fi staţionar sau cu sistem de urmărire a soarelui. Colectorul poate fi orientat cu axa lungă pe direcţia N-S sau direcţia E-V şi în acest caz deschizătura lui este orientată spre ecuator cu un unghi egal cu latitudinea locului. Când este orientat pe direcţia N-S, el trebuie să urmărească Soarele prin rotirea în jurul axei proprii pentru a primi tot timpul maximum de radiaţie. În acest caz, unghiul de înclinare spre ecuator nu mai trebuie ajustat în funcţie de sezon. La orientarea E-V sunt necesare mici ajustări sezoniere ale unghiului de înclinare spre ecuator pentru a

după-amiază dimineaţa amiază

menţine unghiul de recepţie cât mai mare. În cazul în care colectorul ce are această orientare este fix, unghiul minim de recepţie este egal cu 47°. Acest unghi acoperă declinaţia soarelui de la solstiţiul de vară la cel de iarnă. (2 x 23,5°). În practică se folosesc unghiuri mai mari pentru a permite colectorului să colecteze radiaţia difuză pe seama raportului de concentrare mai redus.

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

29

3.4. ANALIZA TERMICĂ A COLECTOARELOR SOLARE PLANE 3.4.1. Performanţele unui colector solar plan cu lichid Ecuaţia de bilanţ termic în regim staţionar pentru un colector plan cu lichid (fig. 17) este:

][0)( 0 kWQQttcm siep =−+− &&&

unde: -debitul masic de lichid ce circulă prin colector, kg/s; m& cp – căldura specifică la presiune constantă a lichidului, kJ/(kg·K); - fluxul de energie solară absorbită de suprafaţa absorbantă a colectorului: sQ&

SAQ cs ⋅=& , [kW] Ac – suprafaţa absorberului, m2; S – radiaţia solară absorbită de o suprafaţă înclinată, kW/m2. Deoarece radiaţia incidentă are 3 componente spaţiale: radiaţia directă, radiaţia difuză şi radiaţia reflectată de sol, calculul lui S depinde de modelul ales pentru cerul difuz. Considerând difuzia izotropă şi luând ca bază de timp ora putem scrie:

( )2cos1)(

2cos1)()( βταρβτατα −

+++

+= gdbgddbbb IIIRIS [kW/m2]

unde: 2cos1 β+

şi 2cos1 β−

sunt coeficienţii unghiulari ai colectorului de la colector spre cer şi respectiv de la

colector la sol; I- radiaţia incidentă pe suprafaţă colectorului, kW/m2; ρg – reflectanţa solului (albedo); Rb – raportul dintre radiaţia pe o suprfaţă înclinată şi radiaţia pe o suprafaţă orizontală;

cQ&

colector solar plan plat

it,m& et,m&

suprafaţa de referinţă

0Q&

Fig. 17. Bilanţul termic pentru un colector solar plan. (τα) – produsul transmitanţă-absorbtanţă (factor optic mediu). Din radiaţia incidentă (fig. 18), fracţia (τα) este absorbită de asorber şi fracţia (1-α)τ este refelctată înapoi spre suprafaţa transparentă. Radiaţia reflectată de absorber se consideră a fi difuză şi astfel fracţia (1-α)τ ce loveşte învelitoarea este radiaţie difuză şi (1-α)·τ·ρd este reflectată înapoi spre absorber. Multipla reflexie a radiaţiei difuze

[ ]∑∞

= −−=−=

0 )1(1)1()(

n d

nd ρα

ταρατατα

τ – transmitanţa suprafeţei transparente. Se poate lua din fig. 19 sau se poate calcula cu relaţia:

ra τττ ⋅=

30

radiaţia incidentă

τ (1-α)τ

suprafaţa transparentă (învelitoare)

(1-α)τ·ρd (1-α)2τ·ρd (1-α)2τ·ρ2d

absorberτα τα(1-α)ρd τα(1-α)2ρ2

d

Fig. 18. Absorbţia radiaţiei solare de către o suprafaţă absorbantă aflată sub o suprafaţă transparentă.

KL=0,0524 (per învelitoare)

KL=0,0370 (per învelitoare)

KL=0,0125 (per învelitoare)

Unghiul de incidenţă (grade)

Tran

smita

nţa,

τ

Fig. 19. Transmitanţa pentru 1, 2, 3 şi 4 învelitori şi trei tipuri de sticlă.

31

τa – transmitanţa ce ţine seama numai de pierderile prin absorbţie:

2cosθτKL

a e−

= în care: K – coeficient de extincţie. Variază de la 4 m-1 pentru sticla water white (apare albă când este privită în secţiune) la 32 m-1 pentru sticla ce apare verzuie când este privită în secţiune; L – grosimea sticlei, m; θ2 – unghiul de refracţie (fig. 20). Se determină cu ajutorul legii lui Snell:

1

2

2

1

θθ

=sinsin

nn

n1, n2 – indicele de refracţie a mediului 1, respectiv mediului 2; θ1 – unghiul de incidenţă: τr – transmitanţa ce ţine seama numai de pierderile prin reflexie:

( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

−+

−+−

=τ⊥

⊥

r1N21r1

r1N21r1

21

II

IIr

( )( )12

212

2

rθ+θθ−θ

=⊥ sinsin

; ( )( )12

212

2

IIrθ+θθ−θ

=tantan

N – numărul de învelitori;

θ2

θ1 mediul 1

mediul 2

n1

n2

Ii

Ir

Fig. 20. Unghiurile de incidenţă şi refracţie în mediile cu indicii de refracţie n1, n2. ρd – reflectanţa suprafeţei transparente pentru radiaţia difuză incidentă disnpre absorber:

ττρ −= ad (τa, τ corespund unghiului de incidenţă de 60°); n – numărul suprafeţelor transparente.

0Q& -fluxul de căldură pierdută de colector în mediul ambiant prin conducţie, convecţie şi radiaţie (pierderi termice):

( ) capmL ATTUQ ⋅−=0& [kW]

UL – coeficientul global de transfer termic corespunzător pierderilor termice, kW/(m2·grd); Tpm – temperatura medie a absorberului, K; Ta – temperatura mediului ambiant, K.

Puterea termică a colectorului este:

( )[ ]apmLcu TTUSAQ −−=& [kW] Eficienţa termică a colectorului este dată de raportul dintre puteea termică pentru o anumită perioadă de timp şi energia solară incidentă pentru aceeaşi perioadă de timp:

32

∫∫=

dtGAdtQ

Tc

u&

η

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

ebtL UUUU ++= [kW/(m2·grd)] unde: Ut – coeficientul pierderilor de căldură pe la partea superioară a colectorului. Se poate alege din nomograme sau se calculează cu relaţia empirică:

( )( )( ) N

fNhN

TTTTh

fNTT

TC

NU

g

pwp

apmapm

we

apm

pm

t

−+−+

+⋅+

++⋅+

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+

−=

−

−

−

εε

ε133,012

00591,0

1067,511

2211

1

[kW/(m2·grd)]

în care: N – numărul de învelitori;

( )( )Nhhf pww 07866,011166,0089,01 +⋅−+= ε

) pentru 0°<β<70°. Când 70°<β<90°se va folosi β=70°; ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

pmTe 100143,0 ( 2000051,01520 β−=C

β – unghiul de înclinare a colectorului; εg – emitanţa sticlei (εg=0,88); εp – emitanţa absorberului; Ta – temperatura aerului ambiant, K; Tpm – temperatura medie a absorberului, K; hw – coeficientul de transfer de căldură datorat vântului, kW(m2·grd). Ub – coeficientul pierderilor de căldură pe la partea inferioară a colectorului se claculează cu relaţia:

LkUb = [kW/(m2·grd)]

k – conductivitatea termică a izolaţiei, kW/(m·grd); L – grosimea izolaţiei termice, m. Ue – coeficientul pierderilor de căldură prin părţile laterale ale colectorului se claculează cu relaţia:

( )c

ee A

AUU ⋅= [kW/(m2·grd]

unde: (U·A)e – produsul dintre suprafaţa şi coeficientul pierderilor de căldură laterale, kW/grd; Ac – suprafaţa colectorului, m2.

3.4.2. Factorul de eficienţă a colectorului Este definit ca raportul dintre coeficientul schimbului de căldură de la fluidul de lucru la aerul ambiant şi coeficientul schimbului de căldură de la absorber la erul ambniant:

LUUF 0'=

Pentru colectorul plan cu lichid F’ este dat de relaţia (fig. 21):

33

[ ] ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

π++

−+

=

fiibL

L

hDCF)Dw(DUW

U'F111

1

unde:

2

2)(tanh

DWm

DWm

F−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

= ; δ⋅

=kUm L ;

γbkC b

b⋅

=

k – conductivitatea termică a materialului ţevii, kW/(m·grd); kb – conductivitatea termică a sudurii (lipiturii), kW/(m·grd); b- lăţimea sudurii, m; γ – grosimea medie a sudurii, m; hfi – coeficient de transfer termic dintre fluid şi peretele tubului, kW/(m2·grd).

lipitură/sudură

Fig. 21. Configuraţia plăcii absorbante şi a tubului.

Factorul de extragere a căldurii Acesta este definit ca raportul dintre energia utilă reală obţinută de colector şi energia utilă pe care ar obţine-o colectorul dacă întreaga suprafaţă a colectorului ar avea temperatura de intrare a fluidului:

( )( )[ ] ⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

⋅=

−−

−⋅= ⋅

−p

Lc

cmFUA

Lc

p

aiLc

iepR e

UAcm

TTUSATTcm

F &&&'

1

Mărimea FR este schivalentă cu eficienţa unui schimbător de căldură convenţional, care este definită ca raportul dintre transferul de căldură real şi cel maxim posibil. Maximum de energie utilă poate fi obţinută dacă întreg colectorul are temperatura egală cu temperatura de intrare a fluidului de lucru, situaţie în care pierderile termice spre mediul ambiant sunt minime. Energia utilă ce poate fi obţinută de un colector plan poate fi calculată cu ecuaţia:

( )[ ]aiLRcu TTUSFAQ −−=

Această ecuaţie este deosebit de utilă la calculul colectoarelor deoarece, de obicei temperatura de intrare a fluidului este constantă. 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 căldurii în funcţie de

capacitanţa adimensională a colectorului

'FUAcm

Lc

p& (fig. 22).

Fig. 22. Factorul de extragere a căldurii în funcţie de 'FUA Lc

cm p&.

4. APLICAŢII ALE COLECTOARELOR SOLARE Colectoarele solare sunt folosite într-o gamă lar ta cele mai importante aplicaţii.

icaţiile termice ale energiei solare şi tipul de colectoare folosite. Tipul de sistem T

gă de aplicaţii. În belul 2 sunt listate

Tab. 2. AplAplicaţia ipul de colector

Încălzirea apei Sisteme termosifon Sistem cu stocare

pasiv CPP CPPC

CPP, CPPC, CTV Sistem cu circulaţie directă activ Sisteme de încălzire indirectă a apei

r ncălzirea apei menajere

CPP, C CTV a apei

activ FFR

CP V CPP, CPPC, CTV

de încălzire ă

activ CPP, C CTV

activ CPP, CPPC, CTV CPP Sisteme cu aer activ

Încălzirea şi răcirea spaţiilo Încălzirea spaţiilor şi î activ CPP, CPPC, CTV Sisteme cu aer activ CPP Sisteme cu apă activ PPC,Sisteme de pompare activ

activ CPP, CPPC, CTV CPP, CPPC, CTV Sisteme cu absorbţie

Răcire prin adsorbţie Sisteme mecanice

activ CPP, CPPC, CTV

Refrigerare solară Unităţi cu adsorbţie activ P, CPPC, CTUnităţi cu absorbţie activ

Procese industriale Sisteme industriale cu aer şi ap activ CPP, CPPC, CTV Producerea aburului activ CCP, RLF Desalinizarea solară Distilatoare solare - Vaporizare bruscă în cascadă 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 parabolică 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 câmp de heliostate; FFP - reflector farf rie parabolică; RLF - reflector liniar Fresnel; uCCP - colector cilindro-parabolic.

4.1. Instalaţie mixtă de încălzire (solar, combustibil solid)

Această aplicaţie presupune utilizarea unei instalaţii solare active, indirecte, pentru prepararea apei calde menajere şi încălzirea spaţiilor de locuit (fig. 23). Pe perioada iernii se foloseşte o centrală termică pe combustibil solid pentru suplimentarea cantităţii de căldură necesară încălzirii locuinţei. Rezervorul de stocare este folosit şi pentru acumularea căldurii, eliminându-se astfel nevoia alimentării centralei cu combustibil în flux continuu. În funcţie de cantitatea de apă din rezervor, dimensiunile clădirii ce trebuie încălzite şi gradul de izolaţie termică a acesteia, sistemul se poate dimensiona astfel încât centrala să fie alimentată doar odata la câteva zile.

Pentru a contribui la încălzirea locuinţei pe durata iernii, bateria de colectoare solare se poate dimensiona ţinând cont de insolaţia medie anuală sau de valoarea inferioară acesteia, însă nu mai mică decât media lunilor octombrie-ianuarie. Surplusul de energie de pe durata verii poate fi folosit la încălzirea unei piscine redirecţionând agentul termic care încălzeşte boilerul printr-un schimbător de căldură auxiliar.

Pompa PS1 recirculă agentul termic prin circuitul colectorului solar când temperatura agentului termic de pe returul colectorul solar (TC) este mai mare decât temperatura apei din rezervorul de stocare (TB). Comanda pompei se realizează cu ajutorul controlerului dT. Valva de unic sens de pe circuitul colectorului solar previne circulaţia apei prin termosifonare din rezervor înspre colector, atunci când temperatura în colector este inferioară temperaturii apei din rezervor (de exemplu pe durata nopţii). Pompa PS2 recirculă agentul termic din instalaţia de încă bustibil solid lzire în pardoseală. Această pompă este comandată de termostatul de ambient. Centrala pe comîncălzeşte esară încălzirii direct apa din rezervor. În această cantitate de apă se stochează pe termen scurt căldura neclocuinţei. Apa caldă menajeră este preparată folosind schimbătorul de căldură intermediar.

apă caldă menajeră

36

37

Fig. 23. Schema înstalaţiei de încălzire mixtă (solar, combustibil solid).

Un sistem solar de răcire poate cuprinde colectoare plane ce livrează energia absorbită unui acumulator de căldură şi care este apoi folosită într-un ciclu de răcire cu absorbţie (fig. 24).

bitor

vaporizare şi absorbţie.

ai întâi să fie uscat şi poi răcit prin evaporarea apei, până când se recăpătă umiditatea iniţială.

re poate fi de asemenea realizată prin convertirea radiaţiei olare în electricitate şi apoi utilizarea energiei electrice într-un ciclu termodinamic de răcire.

4.2. Instalaţie solară de răcire cu absorbţie

Fig. 24. Sistem solar de răcire cu absorbţie.

agent frigorific-soluţie săracă

colector generator condensatoracumulare căldură

agent de răcire

agent frigorific lichid

schimbător de căldură ajutaj de destindere agent frigorific

gazos

agent de răcire spaţiul răcit acumulare frig vaporizator absorbitor

agent frigorific-soluţie bogată

In principiu este necesar un singur acumulator, dar cu două acumulatoare (unul de căldură şi unul de frig) sistemul poate acoperi simultan necesităţile de încălzire (apă caldă) şi pe cele de răcire (aer condiţionat). Cicul de răcire cu absorbţie 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, având o eficienţă mai mare decât amestecul apă-amoniac pentru temperaturile specifice colectoarelor plane. Bromura de litiu (LiBr) este higroscopică şi prin urmare se poate amesteca cu apa în orice proporţie. Căldura solară este folosită într-un generator pentru vaporizarea soluţiei bogate. Vaporii sunt conduşi spre condensator, unde se condensează cu ajutorul agentului de răcire şi apoi condensul se laminează într-un ajutaj pentru a reveni la faza gazoasă preluând astfel căldura din spaţiul ce necesită a fi răcit. Vaporii reci sunt apoi absorbiţi în absorbitor de către soluţia săracă, refăcându-se soluţia bogată, care este introdusă sub presiunea creată de pompa P în generator. Temperatura agentului de răcire este de obicei egală cu cea a mediului ambiant şi acelaşi agent de răcire trece şi prin absorbitor şi prin condensator. Temperatura agentului de răcire la ieşire poate fi mai mare decât a mediului ambiant. Circuitul agentului de răcire poate fi închis prin cedarea de căldură mediului ambiant într-un turn de răcire. Amestecul bogat din absorbitr este pompat în generator şi înlocuieşte amestecul sărac din generator care este recirculat în absorprintr-un sistem de duze. Pentru a nu se pierde căldura de la soare sau agent de răcire, aceste două fluxuri de amestec absorbant-refrigerent schimbă căldură intr-un schimbător de căldură. Utilitatea unei perechi date absorbant-refrigerent este determinată de dependenţa de temperaturile proceselor de In zonele cu climat uscat o metodă simplă de răcire constă în pulverizarea de apă într-un curent de aer (răcire evaporativă). Dacă umiditatea aerului trebuie să rămână neschimbată, aerul trebuie ma

In principiu, răcirea cu ajutorul energiei solas

4.3. Instalaţie solară de pompare a apei

Radiaţia solară poate fi folosită pentru producerea de lucru mecanic de pompare, într-un ciclu termodinamic. În figura 25 sunt prezentate două instalaţii ce funcţionează după ciclul Stirling, folosind ca fluid de lucru aerul sau alt gaz. In figura 25.a, aerul sau gazul de lucru se încălzeşte cu ajutorul colectorului solar. Prin încălzire el se dilată şi împinge pistonul, ceea ce face să crească presiunea apei din tub şi aceasta să fie refulată. Datorită răcirii aerului realizată cu ajutorul agentului de răcire acesta se contractă, adică presiunea lui scade, ceea ce face ca pistonul să u să creeze o depresiune în camera de aer. Această depresiune face ca apa să fie aspirată până când aerul se încalzeşte din nou şi astfel se reia ciclul format din încălzirea izocoră (1-2), comprimarea izotermă (2-3), răcirea izocoră (3-4) şi destinderea (4-1). In figura 25.b, cele două pistoane au mase diferite şi sunt defazate între ele cu ½ perioade. Astfel, în timp ce pistonul uşor stă nemişcat pe durata transformării (1’-2’), pistonul greu se deplasează de la 1 la 2 aspirând apa cu ajutorul diafragmei fixată de acesta. Când pistonul uşor se deplasează de la 2’ la 3’ (datorită creşterii presiunii p

rce şi

răcire izocoră a aerului (aerul cedează căldură agentului de răcire), pistonul greu se deplasează de la 3 la 4 împingând apa aspirată. Pistonul uşor după răcirea aerului (3’-4’) se deplasează de la 4’ la 1’ datorită contractării aerului. In acest timp, pistonul greu rămâne nemişcat, după care el se deplasează de la 1 la 2 aspirând apă şi ciclul se reia.

g a aerului prin încălzirea lui), pistonul greu rămâne nemişcat. Când pistonul uşor rămâne nemişcat în transformarea 3’-4’ de

Fig. 25. Instalaţii solare de pompare a apei ce funcţionează după ciclul Stirling.

agent răcire diafragmă

valve unic sens

refulare apă

aspiraţie apă

colector solar

pistonul uşor

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 răcire

refulare apă

aspiraţie apă

apă

a)

valve tip bilă 1

2 3

4 piston

T=ct

T=ct

4

3 1

2 p

v

aspiraţie apă

Ciclul Stirling

1-2 încălzire izocoră 2-3 destindere izotermă 3-4 răcire izocoră 4-1 compresie izotermă

38

Atunci când se folosesc colectoare cu concentrarea radiaţiei solare este mai eficient să se folosească pompe ce funcţionează după ciclul Rankine.In figura 32 sunt prezentate două pompe solare ce funcţionează după ciclul Rankine.

În fig. 26.a, formarea vaporilor, transferul lor prin tubul în formă de „U” şi condensarea conduc la o variaţie ciclică presiune-vacuum, care realizează aspiraţia şi refularea apei. Căldura primită de la colectorul solar este folosită pentru vaporizarea apei din rezervor. Aburul format pompează apa prin valva cu sens unic. Când aburul atinge partea inferioara a tubului “U”, la contactul cu apa rece se condensează, creându-se astfel o depresiune în spaţiul de abur care duce la aspiraţia apei proaspete.

organice au temperatură de vaporizare scăzută, iar amestecurile acestora sunt caracterizate prin schimbarea de fază

refulare apă

valvă sens unic

vapori de apă

condensator colector solar

valvă unic sens apă

a) aspiraţie apă

acumulator/schimbător de căldurăcolector solar

refulare apă

condensatorturbină

pompă

valve unic sens

b) aspiraţie apă

Fig. 26. Instalaţii solare de pompare a apei ce funcţioneză după ciclul Rankine.

În fig. 26.b, pompa este antrenată de o turbină în care se destinde aburul saturat format în acumulatorul/schimbătorul de căldură. Aburul umed ce iese din turbină se condensează cu ajutorul apei pompate, iarcondensul este apoi returnat cu ajutorul unei pompe în acumulator / schimbător de căldură. Agentul de lucru este un fluid organic (amoniac, pentan, butan, etanol, benzen, toluen) sau amestecuri de fluide organice. Fluidele

39

la fierbere şi condensare într-un interval de temperatură şi nu la temperatură fixă cum au substanţele pure. Acest lucru face să se menţină temperatura de fierbere mai aproape de temperatura sursei de căldură, reducându-se astfel

eversibilităţile datorate schimbului de căldură la diferenţă finită de temperaturi.

4.4. CENTRALE ELECTRICE SOLARE

ind un anumit prag minim. Totodatată sunt exploata

termice. Cele mai folosite

ambele cazuri c

utilizarea unor maşini mai mici în focarul fiecărui colector şi transpor

e de asemeni mai uşor să se transporte energia electrică de la receptorul aflat în mişcare. Alte avantaje

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

2. cen

i mai mult, ajustarea şi întreţinerea a unei maşini t

puterea în prezent de 354 MW, ea este cea mai mare centrală solară cu colectoare cilindro-parabol

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

ir

Centralele solare termice, în funcţie de modul de construcţie pot atinge randamente mai mari la costuri de

investiţii mai reduse decât instalaţiile pe bază de panouri solare fotovoltaice, necesită în schimb cheltuieli de întreţinere mai mari şi sunt realizabile doar pentru puteri instalate depăş

bile economic doar în zone cu foarte multe zile însorite pe an. Cele mai multe realizări au fost orientate spre încălzirea unui fluid ce circulă printr-un colector solar.

Adeseori, necesităţile industriale sunt satisfăcute de această căldură. O formă mai valoroasă de energie ca cea mecanică sau electrică este uneori cerută fie în exclusivitate, fie în combinaţie cu energia termică. Generarea energiei mecanice sau electrice din căldura produsă de soare se face cu ajutorul motoarelor

motoare termice sunt cele care functionează după ciclurile Rankine, Stirling şi Brayton. Pentru aplicaţiile cu colectoare cilindro-parabolice şi cele cu captator central se foloseşte de regulă o

singură maşină termică de capacitate suficientă să acopere necesarul de energie mecanică sau electrică. În ăldura produsă de soare este adusă într-un singur punct, acolo unde poate fi plasată maşina termică. În cazul colectoarelor farfurie parabolică, proiectantul poate alege între aducerea fluidului încălzit de la

câmpul de colectoare la o singură maşină termică şitul energiei electrice acolo unde este cerută. Avantajul principal al utilizării mai multor maşini termice mici este acela că de cele mai multe ori este mai

uşor de transportat energia electrică decât cea termică. Nu numai ca pierderile energetice prin transport sunt mai mici, dar estconstau în:

scoaterea din funcţiune a maşinilor să producă aproape aceeaşi putere;

trala poate fi mărită prin adăugarea cu uşurinţă de noi module. Principalul dezavantaj al modularităţii constă în aceea că trebuie folosite multe maşini termice mici (10-

100KW) şi prin urmare centrala nu se poate bucura de avantajele economice şi eficienţa crescută a unităţilor mari. În plus, incorporarea unui număr considerabil de unităţi de acumulare a căldurii în aceste module este practic considerata nefezabilă. O altă problemă este aceea că maşinile plasate în focarele colectoarelor trebuie proiectate să funcţioneze la diferite orientări, un lucru important pentru maşinile în care are loc schimbarea de fază a fluidului de lucru şi trebuie luat în considerare la proiectarea sistemului de ungere. Ş

ermice plasate undeva deasupra solului sunt mai dificil de făcut. În fig. 27 este prezentată schema centralei solare Solel ce funcţionează în deşertul Mojave din sudul

Californiei, SUA. Avândice în funcţiune. În fig. 34 este prezentată harta lumii cu zonele propice construirii de centrale solare. Un studiu efectuat de German Aerospace Center estimează că energia soarelui colectată de pe o suprafaţă

de numai 6 000 km2 din nordul Africii poate înlocui echivalentul a întregii producţii de petrol din Orientul Mijlociu de 9 miliarde de barili pe an. Studiul arată că prin construirea de centrale electrice termo-solare de capacitate cuprinsă între 50 şi 200MW în diferite locaţii din nordul Africii se poate acoperi 68% din necesarul de electricitate al Africii de nord cât şi cel al Europei din

tăţ

40

turn de răcire

circuitul apei de răcire

condensator circuitul uleiului siliconic

cazan

vas expansiune ulei siliconic câmpul de colectoare

supraîncălzitor

vaporizator

preîncălzitor

CIP

CJP

gene

rato

r

condensat

Fig. 27. Schema centralei electrice termo-solare Solel din deşertul Mojave, SUA.

Adecvanţa construirii de centrale electrice termo-solare: excelentă foarte bună bună nepotrivită

Fig. 28. Harta cu zonele propice construirii de centrale solare.

41

5. CONVERSIA DIRECTĂ A ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ

Această conversie se poate realiza cu generatoare termoelectrice şi element fotoelectrice. Principiul de funcţionare a generatoarelor termoelectrice este efectul Seebeck. Dacă sudurile unui

circuit electric închis, alcătuit din două conductoare sau semiconductoare diferite (termocuplu), se află la temperaturi diferite, în circuitul închis apare un curent electric. Efectul este o consecinţă a dependenţei energiei cinetice a electronilor de temperatură. La sudura încălzită, energia electronilor este mai mare decât cea inversă. Concentraţia diferită a electronilor în materialele conductoare sau semiconductoare “sudate” face ca şi intensitatea curenţilor din ele să difere şi astfel în circuit apare un curent electric global ce este de fapt suma algebrică a curenţilor individuali.

Generatorul termoelectric este un ansamblu de termocupluri conectate în paralel şi/sau serie. Randamentul generatoarelor termoelectrice cu semiconductori este de circa 10-15%, ele fiind folosite ca sursă de energie electrică în diferite instalaţii de pe Pământ şi din cosmos.

O răspândire tot mai larga o capătă generatoarele cu elemente fotoelectrice (fotovoltaice). Termenul “photovoltaic” derivă din combinaţia cuvântului grecesc pentru lumină, photos cu volt, numele unităţii de măsură a forţei electromotoare. Descoperirea efectului fotovoltaic este atribuită fizicianului francez Edmond Becquerel, care în 1939 a publicat o lucrare în care a descris cum în timpul experimentelor cu o baterie de celule a observat că voltajul acesteia creşte atunci când plăcile din argint sunt expuse la lumina. efectul fotovoltaic constă în aceea că sub acţiunea fotonilor, electronii unui metal îşi măresc esenţial energia şi pot părăsi limitele corpului. Cea mai simplă fotocelulă poate fi prezentată schematic ca o construcţie alcătuită dintr-o placă de metal (catodul) şi o grilă situată în faţa ei-anodul. Electronii emişi de placă sub acţiunea razelor de lumină sunt colectaţi de grilă. Un randament superior (practic până la 15-28% şi teoretic până la 60-90%) îl au fotocelulele cu strat de baraj alcătuit din două semiconductoare (joncţiunea p-n) şi straturi fine de metal (Fig. 29).

42

Fig. 29. Schema unei fotocelule.

Voltajul obţinut de la celulele solare depinde de materialul semiconductor. Pentru silicon acesta este de circa 0,5V. Voltajul depinde foarte puţin de radiaţia solară, în timp ce intensitatea curentului creşte cu creşterea luminozităţii. O celulă din silicon cu suprafaţa de 100 cm2, de exemplu, atinge maximum de intensitate de circa 2A când radiaţia solară este de 1000W/m2 (fig. 30). Asta înseamnă că pentru 1m2 de baterii fotoelectrice se pot obţine circa 80-100W.

Puterea produsă de o celulă solară depinde de temperatura de lucru conform relaţiei:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=⋅=

kTeUexppIIUIUP ext

sextexte 1 [W]

unde: k- constanta lui Boltzmann: k=1,38054·10-23 J/K;

T- temperatura, K; e – sarcina electronului (e=1,6·10-19 A·s); Is – curentul de scurt-circuit, A.

Se observă că o temperatură ridicată conduce la o putere redusă şi prin urmare şi la o eficienţă redusă. Eficienţa reprezentând raportul dintre radiaţia solară incidentă totală pe suprafaţa celulei şi puterea electrică produsă de celulă. Ca semiconductoare se folosesc siliciul, teluridul de cadmiu, arseniura de galiu şi altele.

acoperire antireflexivă învelitoare din sticlă

semiconductor de tip p

joncţiune

semiconductor de tip n

grilă metalică (anod)

catod curent

raze solare

fluxul protonilor

fluxul electronilor

fotoni

Cerinţele privind gradul ridicat de puritate a metalelor, complexitatea constructivă necesară funcţionării fotocelulelor, sunt factori ce sporesc preţul de până la câţiva dolari pe cm2, însă fiabilitatea şi simplitatea exploatării datorită lipsei elementelor mobile le fac tot mai răspândite.

Fig. 30. Caracteristica intensitate-tensiune a unei celule solare din siliciu (suprafaţa de 100 cm2).

Inte

nsita

te c

uren

t, A

Tensiune, V

5.1. Construcţia celulelor fotovoltaice Celulele individuale pe bazã de materiale monocristaline au dimensiuni cuprinse între 1-10cm

(limitate de tehnicile de creştere a barelor de material monocristalin). Celulele multicristaline şi fotoelectrochimice sunt formate prin depunerea de siliciu pe un suport, de obicei din sticlã şi, pot avea dimensiuni mai mari, iar celulele amorfe pot avea dimensiuni nelimitate. Celulele amorfe sunt produse din rulouri de materiale flexibile ca materiale suport, cu lăţime de 1-2 m şi lungime nelimitată. Acelaşi lucru este posibil şi pentru alte filme subţiri, cum ar fi cele obţinute prin depunerea prin pulverizare a materialelor multicristaline.

Celulele sunt asamblate în module prin conectarea mixtã (paralel şi serie) astfel încât tensiunea rezultatã sã fie potrivitã pentru echipamentele electrice standard, cum ar fi invertoarele ce transformã curentul continuu în curent alternativ la calitatea cerută de reţea (fig. 36). În fiecare modul sau fiecare celulă se pot integra invertoare microprocesoare pentru a reduce pierderile de transport.

fotocelulă

modul

baterie

Fig. 30. Alcătuirea unei baterii de celule fotovoltaice.

43

Celulele solare se caracterizează prin douã eficienţe de conversie a energiei solare: eficienţa fiecărei celule şi eficienţa modulului vândut către client. Cea din urmã este cu 5% mai micã decât prima datoritã nepotrivirii de fazã dintre curenţii celulelor individuale componente.

Eficienţa celulelor monocristaline de siliciu a fost mărită cu peste 25%. Captarea luminii fiind îmbunătăţită printr-o structurã „capcanã” ce minimizează reflexia razelor solare în direcţii ce nu ajung pe suprafaţa de colectare şi prin reflectarea razelor înapoi pe suprafeţele active (fig. 31). Gradul de dopare este alterat în jurul electrozilor (zonele n+ şi p+) şi un strat subţire de oxid ajută orientarea electronilor spre electrozi şi împiedicarea deplasării lor spre feţe. (proces de pasivizare). În plus, electrozii de la partea superioară pot fi îngropaţi pentru a nu produce efectul de umbrire.

oxid

contact spate

piramide răsturnate deget

oxid

Fig. 31. Structura unei celule de silicon monocristalin. O altă tehnologie de producere a celulelor solare foloseşte materiale multicristaline (denumite

uneori şi policristaline) în locul materialelor cu un sigur cristal. Materialele multicristaline constau din mai multe grupuri mici de grăunţi ai materialelor cristaline cu orientare aleatorie. Grăunţii de cristal din materialele multicristaline susţin conductivitatea în acelaşi mod ca şi cristalele singulare, dar transportul electronilor peste graniţa grăuntelui se face cu pierderi şi astfel scade conductivitatea făcând celulele mai puţin eficiente. Pe de altă parte, ele pot fi produse prin metode mai simple decât cele necesare pentru monocristale, cum ar fi evaporarea acoperirilor de pe un substrat. Această tehnologie este în plină dezvoltare, fiind posibilă depunerea numai a câtorva straturi atomice pe un substrat şi cu tehnici potrivite, cum ar fi utilizarea câmpului magnetic pentru alinierea grăunţilor, este posibilă formarea în acest mod a unor straturi aproape monocristaline fără să mai fie necesară mărirea cristalelor. Cu toate că eficienţa celulelor monocristaline a fost majorată cu 20%, tehnica depunerii materialelor multicristaline pe un suport potrivit este mult mai atractivã pentru producţia de masã datoritã costurilor reduse. Celulele solare amorfe, inventate de japonezi, sunt folosite la alimentarea calculatoarelor şi a altor dispozitive de mărime comparabilă. Ele se produc pe scarã industriala şi costul lor este foarte mic. Materialele semiconductoare amorfe prezintă proprietăţi favorabile pentru aplicaţii în celulele solare. În timp ce siliconul amorf elemental prezintă o distribuţie aproape uniformă a energiei între straturile de electroni au fost construite materiale compozite care prezintă un interval pronunţat de energie ca într-un cristal. Au fost produse aliaje de silicon-hidrogen şi silicon-flor-hidrogen care prezintă un interval energetic de 1,6 eV mult mai favorabil spectrului energiei solare decât cel al siliconului cristalin. Cercetările au arătat că doparea cu atomi de fosfor sau bor este posibilă, astfel că semiconductori amorfi de tip n şi de tip p pot fi realizaţi cu uşurinţă, iar ingineria materialelor poate oferi materiale ce posedă proprietăţile exact cele dorite în ceea ce priveşte eficienţa dopajului, conductivitatea, sensibilitatea la temperatură şi stabilitatea structurală

Pe lângă celulele solare bazate pe o singură joncţiune p-n este posibilă suprapunerea câtorva celule identice sau diferite pentru formarea celulelor solare tandem (fig. 32). Utilizarea de materiale diferite pentru celule are drept scop lărgirea domeniului de frecvenţe ce pot fi captate. În cazul suprapunerii de celulele identice, scopul este de a utiliza materiale de calitate redusă, cum ar fi celulele cristaline fin pulverizate, obţinând o eficienţă acceptabilă prin suprapunerea câtorva straturi cu eficienţă individuală scăzute. Eficienţa maximă de 15,2% a fost obţinută prin folosirea a 6 straturi de silicon multicristalin de calitate redusă (mărimea grăuntelui fiind de 3μm). Acest concept este ilustrat în fig. 33. Bateriile fotoelectrice alcătuiesc în prezent baza energeticii cosmice. În spaţiul cosmic eficacitatea generatoarelor fotoelectrice este mult mai mare decât cea la nivelul Pământului. Acolo fluxul de raze solare nu este redus şi denaturat de atmosferă, iar generatorul poate lucra continuu, deoarece nu există 44

periodicitatea zi-noapte şi în plus suprafaţa de captare a radiaţiei solare rămâne permanent curată. Pe Pământ, suprafeţele de captare ale generatoarelor trebuie curăţate periodic, deoarece praful depus micşorează randamentul lor cu circa 10% într-o lună.

substratul suport

Fig. 32. Celulă solară tandem. Deşi costul lor a scăzut foarte mult în ultimii ani, electricitatea produsă de acestea este încă de 4-6 ori mai scumpă decât cea produsă cu combustibili fosili. În curând vor fi realizate celule solare cu o eficienţa mult mai mare datorita unei tehnologii noi, de focalizare a energiei solare (fig. 33). Se poate reduce astfel de sute de ori numărul de elemente fotovoltaice, obţinând un randament mai mare si respectiv un preţ mult mai mic al energiei produse. Panourile fotovoltaice sunt folosite mult pentru alimentarea calculatoarelor electronice, echipamentelor de telecomunicăţie izolate, a pompelor de apă, a instalaţiilor electrice de iluminat.

celulă fotovoltaică

celulă fotovoltaică

modul

lumina solară oglindă

Fig. 33. Celule fotovoltaice cu concentrarea razelor solare.

45

6. ENERGIA EOLIANĂ

Repartiţia inegală a radiaţiei solare pe suprafaţa globului ca urmare a mişcării de rotaţie, a schimbării axei de înclinare, a unghiului de incidenţă variabil, a nebulozităţii aleatorii, a reliefului şi a capacităţii diferite de conversie şi preluare a energiei solare de către solul arid, solul vegetal şi respectiv de către mări şi oceane, determină o încălzire neuniformă a diferitelor zone terestre, ceea ce atrage după sine o neuniformitate a presiunii atmosferice şi ca urmare o deplasare a aerului între aceste zone de potenţial baric diferit.

Conform Dicţionarului Enciclopedic Român, mişcarea orizontală (sau aproape orizontală) a maselor de aer se numeşte vânt. Viteza de deplasare a aerului (viteza vântului) se măsoară în m/s. Se utilizează de asemenea, noţiunea de intensitate a vântului exprimată în grade pe scara Beaufort. Viteza vântului depinde de gradientul baric. După natura mişcării maselor de aer, vânturile pot fi laminare, caracteristice zonelor neaccidentate, turbulente cu direcţii şi viteze variabile în rafale. Se utilizează de asemenea, clasificarea vânturilor în: -vânturi normale, fără direcţie preferenţială de bătaie; -vânturi dominante cu o anumită direcţie (de ex.: crivăţul, austrul, etc.); -vânturi regulate (ex.: brizele); -vânturi neregulate (ex.: föhnul, vânt cald şi uscat prezent şi în ţara noastră sub denumirea de Vântul Mare care bate dinspre munţii Făgăraş spre Ţara Oltului, primăvara grăbind topirea zăpezilor).

Vântul a constituit prima sursă de energie la care omenirea a făcut apel şi a cărei utilizare s-a perpetuat până în secolul trecut dacă ne gândim la navigaţia cu vele, morile de vânt şi pompele de apă. În prezent energia eoliană figurează printre primele surse de energie alternativă, regenerabilă, inepuizabilă şi nepoluantă.

În folosirea energiei eoliene trebuie ţinut cont însă şi de inconvenientele generate de caracterul aleator al acesteia.

6.1. Evaluarea potenţialului eolian Puterea dezvoltată de masele de aer în mişcare în atmosfera Pământului a fost evaluată la nivelul de

3,6⋅1015W. Un studiu arată că ≈ 2% din energia solară incidentă pe Pământ este disipată sub forma energiei eoliene, iar potenţialul maxim de captare şi conversie a acesteia este de ≈ 2,67% din totalul energiei vânturilor.

Energia ce caracterizează o masă de aer în mişcare este dată de relaţia energiei cinetice totale a unui corp în mişcare;

E=21

mv2 [J]; m=ρAvτ [kg], E=21ρAv3τ [J]

m - masa de aer în mişcare [kg], care este la rândul ei dependentă de viteza v a vântului [m/s]; A – aria secţiunii de trecere [m2]; ρ - densitatea aerului [kg/m3]; τ - timpul [s];

Puterea P dezvoltată de masa de aer în mişcare este:

P=E/τ [W]

care pentru un curent de aer delimitat de suprafaţa cilindrică de diametru D devine:

P=81ρπD2v3 [W].

Conversia în totalitate a energiei cinetice a vântului duce la condiţia reducerii până la zero a vitezei acestuia în aval de generator, ceea ce practic este imposibil. În realitate, în urma impactului cu o instalaţie de captare şi conversie a energiei eoliene, masa de aer îşi reduce viteza, iar limita acesteia devine un înveliş în expansiune.

Fenomenul a fost studiat de Betz şi demonstrat în teoria ce-i poartă numele. Proporţia cu care viteza vântului este redusă la traversarea unei turbine eoliene a fost numită factor de interferenţă, notat cu a (0 ≤ a < 1). La o anumită distanţă de turbină, viteza vântului descreşte cu 2a (fig. 1).

Neglijând pierderile prin frecare, s-a demonstrat că puterea maximă ce se poate obţine prin conversia energiei eoliene este:

46

Pmax=4a(1-a2)P=21ρD2v3[a(1-a2)] ,

valoarea maximă rezultând pentru a=1/3 cu care: 4a(1-a2)=16/27=0,593 – coeficientul lui Betz.

v(1-a) v(1-2a)

disc de arie A

Fig. 1. Dilatarea curentului de aer după o turbină eoliană.

Energia maximă ce poate fi obţinută prin conversia energiei eoliene reprezintă numai 59,3% din

energia totală ce caracterizează masa de aer în mişcare. Ca urmare, coeficientul Betz defineşte raportul dintre energia furnizată de o turbină eoliană şi energia totală a curentului de aer delimitat de conturul descris de turbină.

Dacă se iau în consideraţie pierderile prin frecare ale aerului şi ale turbinei, energia (respectiv puterea) utilă obţinută prin conversie este diminuată cu 20 până la 50% din valoarea teoretică, funcţie de caracteristicile instalaţiei utilizate. Rezultă astfel coeficientul de putere cp care caracterizează un anumit tip de turbină.

Energia (respectiv puterea) unei instalaţii eoliene este direct proporţională cu cubul vitezei vântului (vezi relaţiile de mai sus), ceea ce înseamnă că o dublare a vitezei vântului duce la creşterea energiei dezvoltate de acesta de 8 ori.

De asemenea, puterea, respectiv energia obţinută cu o turbină eoliană este proporţională cu pătratul diametrului elicei.

În aprecierea potenţialului energetic eolian se utilizează: 1) densitatea de putere a vântului p, ca fiind puterea medie raportată la aria secţiunii transversale a

curentului de aer:

p=Ap

=21ρv3 [W/m2]

2) densitatea medie de putere a vântului în intervalul de timp τ:

pm= ∫τ

τττ 0

)(1 dp

Potenţialul eolian al unei zone geografice este:

E= [Wh/m∫τ

ττ0

)( dp 2⋅an]

Intervalul de timp considerat τ este de regulă 1 an (8760 h). Potenţialul eolian din România Energia eoliană este mai scumpă decât cea solară. Potenţialul eolian tehnic amenajabil în România este estimat la 8 TWh/an. În România s-au identificat cinci zone eoliene distincte (I - V) în funcţie de potenţialul energetic existent, de condiţiile de mediu si topogeografice. Harta eoliana a României s-a elaborat luând în considerare potenţialul energetic al surselor eoliene la înălţimea medie de 50 metri, pe baza datelor si informaţiilor meteogeografice colectate începând din anul 1990, până în prezent (fig. 2).

47

Pe baza evaluării si interpretării datelor înregistrate, rezulta ca în România se pot amplasa instalaţii eoliene cu o putere totala de până la 14 000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrica de aproape 23 000 GWh/an.

Pe baza evaluărilor preliminare în zona litoralului, inclusiv mediul off-shore, pe termen scurt si mediu, potenţialul energetic eolian amenajabil este de circa 2 000 MW, cu o cantitate medie de energie electrica de 4.500 GWh/an.

Valorificarea potenţialului energetic eolian, în condiţii de eficienta economica, impune folosirea unor tehnologii si echipamente adecvate (grupuri aerogeneratoare cu putere nominala de la 750 kW până la 2.000 kW).

În scop energetic interesează zonele în care viteza medie a vântului este cel puţin egală cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului. Viteze egale sau superioare pragului de 4m/s, (redate prin nuanţe de bleu), se regăsesc în Podişul Central Moldovenesc şi mai ales în Dobrogea. Peste 8m/s, redate prin culoare mai închisă, repartizate îndeosebi pe vârfurile cele mai înalte ale Lanţului Carpatic.

Fig. 2. Harta eoliană a României.

Viteza vântului creşte cu înălţimea de la sol. Astfel, din analiza datelor prelucrate la Administraţia Naţionala de Meteorologie, rezultă că in Câmpia Română viteza vântului înregistrează creşteri importante în primii 500 m de la sol şi rămâne practic constantă până la aproximativ 2000 m, după care creşte din nou. Pentru practică interesează domeniul cuprins între 10 şi 100 m de la sol în care funcţionează turbinele eoliene.

6.2. TURBINE EOLIENE

În etapa actuală, în lume sunt în funcţiune sau pe cale de realizare mii de turbine eoliene de diferite tipuri constructive şi de mărimi cu puteri variind între câteva sute de waţi şi câteva sute de kW, cele din urmă fiind conectate la reţelele naţionale de electricitate.

Turbinele eoliene se clasifică în: • turbine cu ax orizontal; • turbine cu ax vertical; • turbine de tip special.

48

6.2.1. Turbine eoliene cu ax orizontal Elementul principal al generatorului îl constituie o elice ce se roteşte intr-un plan perpendicular pe

direcţia vântului. Elicea este solidara cu un ax a cărui mişcare de rotaţie in lagăre dezvolta o energie mecanica ce poate fi utilizata ca atare sau poate fi convertita intr-o alta forma de energie. Sistemul este susţinut la înălţimea necesara de un stâlp fata de care elicea poate fi situata in aval- elice sub vant- respectiv in amonte- elice in vânt.

Numărul palelor elicei este variabil fiind imaginate elice unipaletate echilibrate de o contragreutate, elice cu doua pale sau elice cu trei pale (fig. 3), cele mai echilibrate dând mai puţine vibraţii, fiind cele din urma. Sunt cunoscute de asemenea, rotoarele multipaletate folosite cândva in fermele americane pentru pomparea apei din puţuri (fig. 4), apte pentru viteze ale vântului moderate.

turn de susţinere

înălţimeturn H

diametru rotor

D

pală rotor

cutie transmisie generator

nacelă

direcţie vânt pentru elice sub

vânt

direcţie vânt pentru elice în

vânt

Fig.3. Generator eolian cu ax orizontal cu trei pale.

Turbinele eoliene cu ax orizontal prezintă avantajul unor performante ridicate, dar si dezavantaje ca:

• necesitatea unor mecanisme de orientare pe direcţia vântului; • construcţia palei implica tehnologii scumpe; • turbioanele generate de stâlpul de susţinere produc vibraţii periculoase in pale.

Puterea aerodinamica a elicei in câmp liber este conform relaţiei: 23

215930 Dv,PA πρ= [W]

Puterea mecanica la axul elicei este diminuata fata de puterea aerodinamica cu un factor yA reprezentând randamentul elicei, astfel încât puterea mecanica nominala la axul generatorului devine:

23

215930 Dvy,P AA πρ= [W]

şi considerând densitatea normala a aerului ρ= 1,24 kg/m3 si efectuând operaţiile cu valorile constante se obţine:

231551 Dvy,P Am = [W]

49

aripă de orientare pe direcţia vântului

Fig. 4. Turbină eoliană americană cu rotor multipaletat.

Randamentul generatorului yA depinde de factorul de rapiditate λ:

vR

vU

ω==λ

unde: U-viteza periferica a elicei, m/s; R-raza elicei, m Viteza periferica este limitata in actualele condiţii tehnice la 100 m/s. Astfel:

λ=5, yA= 85%; λ=10, yA =70%; λ=15, yA =55%.

6.2.2. Turbine eoliene cu ax vertical Turbinele eoliene cu ax vertical, dintre care cele mai reprezentative sunt in prezent tipurile Darrieus

si Savonius, funcţionează datorita cuplului creat de diferenţele dintre forţele aerodinamice exercitate asupra bordului de atac si de fuga expuse pe rând vântului. Rotorul Darrieus (fig. 5) este format dintr-un ax vertical si un număr mic de pale verticale, paralele cu axul sau curbate ca o coarda obişnuita in jocurile copiilor. Axul vertical se roteşte liber în două lagăre, cel superior fiind fixat de un sistem de ancore, cel inferior de un stâlp. Puterea mecanică a generatorului Darrieus este:

DLvy,P Am35930

21

ρ= [W]

unde: yA – randamentul generatorului ce are valori cuprinse între 0,3 şi 0,4, mai mici cu 20% decât randamentul turbinelor cu ax orizontal;

D-diametrul rotorului, m; L-lungimea palei, m. Generatorul Darrieus are următoarele avantaje:

• simetria verticală elimină necesitatea mecanismelor de orientare; • priza de forţă plasată la partea inferioară simplifică transmisia; • palele rezistă mai bine solicitărilor; • tehnologia necesară este mai simplă decât în cazul turbinelor cu ax orizontal. Generatorul Savonius (fig. 6) are rotorul alcătuit dintr-un ax vertical solidar cu palele reprezentând aprox. două sferturi de cilindru. Pe acelaşi ax pot fi prinse mai multe perechi de pale decalate, în scopul uniformizării cuplului de forţe generate de vânt. Axul se roteşte în două lagăre solidarizate într-o structură de rezistenţă de tip cadru ancorat cu cabluri de oţel. Pe lângă avantajele generatorului Darrieus, generatorul Savonius prezintă în plus avantajul funcţionării chiar la viteze mici ale vântului (min. 2,5 m/s) ca şi avantajul că face apel la o tehnologie simplă. Puterea aerodinamică a turbinei Savonius este:

rA Dhv,P 3593021

ρ= [W]

unde: D-diametrul rotorului, m; hr – înălţimea rotorului, m.

50

Fig. 5. Turbină eoliană cu ax vertical tip Darrieus.

diametru rotor

înălţime rotor turn

rotor

înălţimeecuatorpală rotor

baza rotorului

generatorcutie de transmisie

Generatorul Savonius este întâlnit în combinaţie cu cel de tip Darrieus cu funcţia de demaror, datorită calităţii de a funcţiona şi la viteze mici. O variantă a turbinei Darrieus o reprezintă turbina Giromill (fig. 7) în care paletele curbate ale rotorului comun Darrieus sunt înlocuite cu secţiuni de palete verticale ataşate turnului central cu ajutorul unor suporturi orizontale. Palele Giromill sunt mai uşor de construit, dar ele aduc greutate în plus pentru structură şi pentru asta ele trebuie să fie mai rezistente.

vânt

diametru rotor înălţime

rotor Fig. 6. Turbină eoliană Savonius.

rotor cu ax vertical

Dezavantajele principale ale turbinelor cu ax vertical sunt: • trebuie să fie de 2 ori mai mari decât turbinele cu ax orizontal pentru a produse aceeaşi putere, deoarece

jumătate din turbină se mişcă în direcţia greşită (opusă vântului) în orice moment; • din motivul de mai sus, turbinele cu ax vertical trec printr-un ciclu de oboseală la fiecare rotaţie. Aceasta

înseamnă că structura trebuie să fie foarte rezistentă şi viguroasă; • o greutate mai mare înseamnă că turnul trebuie să fie mai rezistent, ceea ce înseamnă o cheltuială în plus.

Toate turbinele trebuie să fie înălţate în aer deasupra obstacolelor. Lângă sol, pe acoperiş sau în orice

51

direcţie dinspre obstacole cum ar fi clădiri, copaci, pante, turbulenţa duce la reducerea puterii şi cauzează oboseală în atât la turbinele cu ax orizontal cât şi la cele cu ax vertical; în general, turbinele cu ax vertical au eficienţa mai mică decât cele cu ax orizontal. •

6.3. Utilizări ale turbinelo

e sunt: • generarea de electricitate;

t; ecanice.

urbine eoliene este prezentată în fig. 8, iar în fig. 9. este prezentată liene.

anţa maximă a turbinelor moderne cu ax orizontal şi cu ax vertical este mult

la trecerea

ax central de rotaţiebraţ

radial

pală

Fig. 7. Turbină eoliană Giromill.

r eoliene

Principalele utilizări ale turbinelor eolien

• pomparea apei (irigaţii) şi producerea de aer comprima• antrenarea dispozitivelor m• telecomunicaţii. Caracteristica de putere a unei tevoluţia turbinelor eo Performanţa tipică a diferitelor tipuri de turbine eoliene este prezentată comparativ cu limita Betz în fig. 10. Chiar dacă performsuperioară performanţei maxime a turbinelor vechi, aceasta rămâne încă cu 10% sub limita Betz. Amplasarea turbinei eoliene se face pe dealuri, la distanţă mai mare de 5 ori înălţimea obstacolelor pentru a reduce din turbulenţa provocată aerului. Pentru a se evita efectele turbulenţei produsevântului printr-o turbină, în parcurile eoliene, acestea se aşează la distanţă mai mare de 3 diametre ale rotorului.

52

Fig. 8. Caracteristica de putere a unei turbine eoliene.

Fig. 9. Evoluţia turbinelor eoliene.

Conversia energiei eoliene in energie electrica prezintă avantajul unei soluţii simple, generatorul

electric si generatorul eolian fiind cuplate direct sau cel mult printr-un multiplicator de turaţie. De asemenea, transportul energiei electrice se face fără dificultăţi si cu pierderi mici. Soluţia e mai puţin avantajoasa in privinţa posibilitatilor de stocare a energiei electrice ca atare, daca se are in vedere pe de o parte randamentele scăzute ale conversiei electrochimice (60-65%), iar pe de alta parte costurile ridicate ale acumulatoarelor cu Pb, singurele care sunt disponibile in prezent. Astfel, un acumulator de 12V si 80 Ah costa aproximativ 800 lei fiind capabil sa stocheze o energie de 1 kWh. Pentru asigurarea exclusiv din stocaj a energiei electrice destinate iluminatului, televizorului, radioului, frigiderului si altor aparate casnice pentru o locuinţa unifamiliara, intr-o singura zi sunt necesari intre 2-5 kWh, deci ar trebui instalate tot atâtea acumulatoare a căror durata de viata e de ordinul a 4-5 ani. Capacitatea acumulatoarelor trebuie sa crească corespunzător duratei de calm eolian posibile in zona in care se afla instalaţia respectivă. La cheltuielile de mai sus trebuie adăugate si cele necesare transformării curentului continuu stocat in curent alternativ de tensiune corespunzătoare consumatorilor alimentaţi.

În fig. 11 sunt prezentate părţile componente ale unei turbine cu ax orizontal generatoare de electricitate.

Sistemul de conversie a energiei eoliene in energie electrica se compune din (fig. 12).: • turbina eoliană (1); • generatorul electric (alternatorul) axial sau radial care poate fi monofazic sau trifazic (2); • puntea redresoare monofazica sau trifazica (3); • disjunctor (izolare turbină de baterii) (4); • controller-ul pentru supravegherea incarcarii bancului de acumulatori si protecţia alternatorului (menţinerea acumulatorilor în bune condiţii) (5);

Viteză vânt (m/s)

Pute

re (M

W)

Viteză începutde funcţionare

Viteza tipicămedie

Oprire de protecţie

Viteza fixată

-diametru rotor

53

• bancul de acumulatori (6); • disjunctor (izolare baterii de inventor sau sarcină) (7); • convertor DC în AC (8); • consumatori (9); • contor electric (10).

Limita Betz

Turbină cu ax orizontal cu 3 pale

Turbină cu ax orizontal multipaletat

Turbină Darrieus

Coe

ficie

nt d

e pu

tere

,

Turbină Savonius

Turbină cu ax orizontal tip olandez

Viteză paletă/Viteză vânt

Fig. 10. Performanţa turbinelor eoliene.

turnpală

nacelă

direcţie

vânt

rotor

frână

transmisie

generator

controler anemometru

ax de mare viteză motor YAW

direcţionare Yaw

ax de mică viteză

reglare

aripă vânt

Fig. 11. Componenţa unei turbine generatoare de electricitate. Pentru ca furnizarea energiei nu este liniara, stocarea curentului electric se face intr-un banc de

acumulatori, dimensionat in funcţie de nevoile consumatorului. Protecţia bancului la incarcare/descarcare

54

excesiva, cat si protecţia turbinei eoliene la supraturare se face cu ajutorul unui circuit electronic. Protecţia turbinei eoliene se mai face si prin scoaterea din vânt a elicei cu ajutorul unor dispozitive mecanice.

Dacă sistemul este conectat la reţeaua de electricitate, în zilele cu vânt se poate vinde energia produsă în exces de generatorul eolian. Iar în zilele lipsite de vânt se poate cumpăra energie din reţea. Pentru a măsura cantitatea de energie electrică vândută sau cumpărată din reţea se foloseşte un contor electric.

la reţeaua

electrică

1

2 3 4 5

6

7 8

9

10

Fig. 12. Componentele unui sistem electric eolian.

Turbinele mici sunt atractive pentru populaţia ce necesită ceva mai mult de 100-200 W pentru alimentarea locuinţei, birourilor sau pentru alimentarea caselor izolate de reţeaua de electrificare. Spre deosebire de panourile fotovoltaice care au practic acelaşi cost pe Watt indiferent de mărimea panourilor, turbinele eoliene devin mai ieftine cu creşterea mărimii acestora. Pentru o putere de 300W, turbina eoliană costă 2,5 $/W, în timp ce panoul fotovoltaic costă 5 $/W. pentru 1500W, sistemul eolian costă 2 $/W şi la 10000W costul generatorului eolian (fără partea electronică) este de 1,5$/W. Costul regulatoarelor şi controlelor este acelaşi pentru turbina eoliană şi pentru panoul fotovoltaic. În mod surprinzător costul turnului pentru turbina eoliană este echivalent cu costul pentru sistemul de susţinere şi urmărire aferent panoului fotovoltaic.

Tehnologia Turbină eoliană mică

Sistem cu panouri fotovoltaice

Sistem solar termo-electric

Stadiul actual Comercial Comercial Demo Cost de instalare 4 $/W 8 $/W 10 $/W Perioadă de recuperare investiţie 15 ani 25 ani >30 ani Costul potenţial 1,5 $/W în 2010 3 $/W ? Amplasarea tipică Mediu rural Mediul suburban Mediul suburban Resurse disponibile Sărace-Mari Sărace-Bune Sărace-Bune

Sistemul de generare de energie electrica pentru zone izolate incorporează una sau mai multe

turbine de puteri diferite. Turbinele furnizează putere variabila care se transforma in invertor, in tensiune alternativa constanta 230 V AC si frecventa constanta 50 Hz, folosita pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ. Excesul de putere se acumulează in baterii pana ce acestea sunt plin încărcate. In perioadele cu vânt slab, energia acumulata in baterii alimentează consumatorii via invertor. Daca tensiunea din baterii scade sub un anumit presetat nivel, porneşte automat generatorul Diesel de rezerva, care functioneaza pana ce bateriile sunt încărcate. Încărcarea bateriilor este controlata de proprietatea acestui tip de invertor de a fi bi-modal (DC-AC sau AC-DC). In sistemele mai mari, invertorul se poate sincroniza cu generatorul de rezerva pentru preluarea vârfurilor de sarcina mari. In acest fel, timpul de funcţionare al generatorului este menţinut la minimum si combustibilul este folosit optim in timpul funcţionarii generatorului de rezerva. Tensiunile alternative de ieşire pot fi monofazate de 230V AC sau trifazate 380 V AC si 50 Hz.

Turbinele eoliene pot fi folosite si pentru ajutor la încălzirea locuinţelor. Energia generata ce poate fi 230 V AC monofazat sau 400 V AC trifazat alimentează rezistentele de încălzire dintr- un tanc acumulator de energie de pe reţeaua de încălzire a locuinţei. Energia este generata intr-un alternator de turaţie joasa, acţionat direct, cu magneţi permanenţi. Turaţia turbinei este menţinuta aproape constanta de computerul de proces, astfel atât timp cat bate vântul, avem la borne o tensiue de 240 V sau 400 V AC de putere variabila.

Daca utilizam o turbina suficient de puternica, de exemplu de 11 kW se poate asigura integral încălzirea unei locuinţe de circa 200 m2 in perioadele cu vânt. Surplusul de energie produsa se poate vinde la un furnizor de energie prin intermediul unui procesor complex de tip invertor sincron IGBT ( GridTek Power Procesor). Funcţionarea sistemului este automată.

55

7. ENERGIE DIN BIOMASĂ

7.1. Introducere Biomasa, ca energie solară acumulată sub formă chimică în materia de origină vegetală sau animală este

una dintre cele mai preţioase şi diversificată resursă de pe pământ. Ea oferă nu numai hrană ci şi energie, materiale de construcţie, hârtie, medicamente şi chimicale. Biomasa a fost folosită în scopuri energetice de când a fost descoperit focul. Termenul de biomasă acoperă un domeniu larg de produse, subproduse şi deşeuri provenite din domeniul forestier, agricultură inclusiv cele provenite de la creşterea animalelor, precum şi deşeurile municipale şi cele industriale. Conform legislaţiei Uniunii Europene, “biomasa reprezintă fracţia biodegradabilă a produselor deşeurilor şi reziduurilor din agricultură (inclusiv substanţele vegetale şi cele animale), domeniul forestier şi industriile conexe acestuia, precum şi fracţia biodegradabilă din deşeurile municipale şi cele industriale” [1].

Biomasa este considerată una dintre resursele regenerabile de bază ale viitorului ce poate fi folosită la scară mică şi mare. Ea contribuie in prezent cu 14% la consumul mondial de energie primară. Pentru ¾ din populaţia globului ce trăieşte în ţările în curs de dezvoltare, biomasa reprezintă cea mai importantă sursă de energie. În cele 25 de state ale Uniunii Europene, sursele regenerabile de energie au contribuit cu 6% la producţia totală de energie din 2002 [1]. Ţinta Comisiei Uniunii Europene este ca până în 2010, energia regenerabilă să aibe o contribuţie de 12%. Circa două treimi din energia din sursele regenerabile folosite în Europa revin biomasei.

Întreaga viaţă de pe pământ se bazează pe plantele verzi, care transformă dioxidul de carbon şi apa din atmosferă în materie organică şi oxigen folosind energia oferită de soare. Acest proces se numeşte fotosinteză. Dioxidul de carbon din atmosferă şi apa de pe pământ sunt combinate prin procesul de fotosinteză rezultând carbohidraţii care formează elementele constitutive ale biomasei. Energia solară este acumulată prin fotosinteză în legăturile chimice ale componentelor structurale ale biomasei. Când biomasa este arsă, oxigenul din atmosferă se combină cu carbonul din plante producând dioxid de carbon şi apă. Procesul este ciclic pentru că dioxidul de carbon ajuns în atmosferă este absorbit din nou de plante (fig. 2).

56

Fig. 2. Ciclul carbonului în natură.

Radiaţia solară

Nutrienţi

6CO2+6H2O → 6O2+C6H12O6 → 6CO2+6H2O+Energie+Cenuşă Ardere

Clorofilă

Biomasă

În ultimele câteva sute de ani, omul a exploatat biomasa fosilizată sub formă de cărbune. Acest combustibil

fosil este rezultatul unei transformări chimice foarte lente, ce converteşte fracţia polimerilor de glucide într-o compoziţie chimică ce seamănă cu fracţia lignină. Astfel, legăturile chimice suplimentare din cărbune fac din el ca şi combustibil o sursă mai concentrată de energie. Toţi combustibilii fosili-cărbunele, păcura şi gazul natural reprezintă o biomasă foarte veche. De-a lungul milioanelor de ani, pământul a îngropat plantele şi le-a transformat în aceşti combustibili valoroşi. Dar deşi combustibilii fosili conţin aceeaşi constituenţi-hidrogenul şi carbonul ca şi biomasa proaspătă ei nu sunt consideraţi regenerabili pentru că ei necesită un timp foarte îndelungat ca să se formeze. O altă diferenţă între biomasă şi combustibilii fosili este făcută de impacturile pe care le au asupra mediului. Când o plantă moare ea eliberează cea mai mare parte din materia ei chimică înapoi în atmosferă. Combustibilii fosili sunt înmagazinaţi în adâncul pământului şi nu afectează atmosfera pământului numai dacă ei sunt arşi.

Compoziţia chimică a biomasei diferă multă în funcţie de specie, însă se poate spune că plantele conţin (15-30% în stare uscată) lignină (C40H44O6) şi carbohidraţi (zaharuri sau glucide). Fracţia de carbohidraţi constă din mai multe molecule de glucide legate împreună în lanţuri lungi sau polimeri. Cele două categorii de carbohidraţi reprezentative sunt (40-45%) celuloza (C6H10O5) şi (20-35%) hemi-celuloza. Fracţia de lignină constă din molecule diferite de cele ale glucidelor. Polimerii celulozei lungi sunt folosiţi de către natură pentru a construi fibrele care conferă plantei soliditate. Fracţia de lignină acţionează ca un liant ce ţine fibrele de celuloză legate.

Biomasa prezintă multe avantaje ca sursă de energie. Ea poate fi folosită atât pentru producerea de electricitate şi căldură cât şi pentru producerea unei game largi de produse: combustibili lichizi pentru transport, combustibili solizi şi gazoşi şi alte produse. Biomasa ca materie primă se prezintă sub diverse forme, care se găsesc din abundenţă în toate părţile lumii inclusiv Europa. În ultimii ani s-au dezvoltat tehnologii avansate de conversie a

57

biomasei în combustibili sau de ardere eficientă. De sigur, nu toate resursele de biomasă pot fi folosite în scopuri energetice. Biomasa reprezintă în acelaşi timp o sursă importantă de alimente, cherestea, hârtie şi câteva chimicale valoroase. Din acest motiv, folosirea în scopuri energetice trebuie integrată cu alte aplicaţii prioritare.

Utilizarea biomasei în scopuri energetice poate aduce beneficii semnificative sociale şi economice atât pentru zonele rurale cât şi pentru cele urbane. Lipsa actuală de acces la surse convenabile limitează calitatea vieţii a milioane de oameni de pe întreg globul pământesc, în special din zonele rurale din ţările în curs de dezvoltare. Cultivarea biomasei este o activitate rurală, intensă, care poate duce la crearea de locuri de muncă în zonele rurale şi poate opri migraţia de la sate la oraşe oferind în acelaşi timp posibilitatea dezvoltării altor industrii rurale.

7.2. Resursele de biomasă

Principala sursă de biomasă o reprezintă lemnul. Alături de lemn există o largă varietate de resurse precum sunt: • culturile cu scopuri energetice:

o copaci cu viteză mare de creştere: plopul, salcia, eucaliptul; o culturile agricole: trestia de zahăr, rapiţa, sfecla de zahăr; o culturi perene: miscanthus; o plante erbacee cu viteză mare de creştere: Switchgrass sau Panicum virgatum (o plantă perenă ce

creşte in America de Nord), Miscanthus sau iarba elefant (iarba de Uganda). • reziduuri:

o lemnul provenit din toaletarea copacilor şi din construcţii; o paiele şi tulpinile cerealelor; o alte reziduuri provenite din prelucrarea unor produse alimentare (trestia de zahăr, ceaiul, cafeaua,

nucile, măslinele). • deşeuri şi sub-produse:

o deşeurile de la prelucrarea lemnului: talaş, rumeguş; o deşeurile de hârtie; o fracţia organică din deşeurile municipale; o uleiurile vegetale uzate şi grăsimile animale.

• metanul captat de la gropile de gunoi, de la staţiile de tratare a apelor uzate şi din bălegar. Există un potenţial mare de biomasă ce poate fi şi mai mult mărit printr-o utilizare mai bună a resurselor

existente şi prin creşterea productivităţii culturilor. În UE, suprafaţa împădurită acoperă 137 milioane hectare, iar suprafaţa agricolă reprezintă 178 milioane ha. Aceste resurse pot oferi, după ce se acoperă necesarul de hrană şi hârtie 11% din totalul anual de energie cerută în UE. Pentru atingerea obiectivelor propuse pentru energia regenerabilă până în 2010 este necesar pe lângă exploatarea actualei resurse şi stabilirea altora noi. Noile resurse, sub formă de culturi realizate în scop energetic, pot oferi circa 60% ca biomasă pentru producerea căldurii şi electricităţii şi 40% ca biocombustibili. Aceasta este posibilă printr-un bun management agricol şi utilizare a terenului. Folosirea de terenuri improprii agriculturii pentru plantarea de copaci adecvaţi solului respectiv. Recentele reforme agricole ale UE încurajează culturile destinate energeticii prin oferirea de subvenţii (45 euro/ha), asigurându-se astfel o suprafaţă de 1,5 milioane ha.

Lemnul este utilizat atât pentru producerea de cherestea, hârtie şi fibre cât şi ca sursă de energie. Ciclul normal de viaţă a unui copac cuprinde o perioadă de creştere rapidă în înălţime urmată de o perioadă de creştere constantă în diametru, înălţime si volum. Vârsta de recoltare depinde de specie, dar în general atinge 30-80 de ani. Circa (20-45)% din lemnul recoltat în fiecare an este sub formă de reziduuri, adică lemnul rezultat din toaletarea copacilor şi căderile din păduri. Pentru câteva specii de copaci cu viteză mare de creştere se poate reduce ciclul de viaţă la 3-15 ani. Aceste specii sunt plopul, salcia şi eucaliptul. Crearea unei scheme economice de producere a energiei din biomasa lemnoasă constă în stabilirea unor sisteme logistic efective de recoltare, recuperare, compactare, transport, înnobilare şi stocare. Recoltarea şi transportul pot avea o influenţă semnificativa asupra costului şi balanţei energetice. Din acest motiv trebuie acordată atenţie în alegerea metodei potrivite de transport şi localizarea instalaţiei de conversie cât mai aproape de sursa de biomasă.

Culturile cele mai utilizate în scopuri energetice sunt cele de grâu, orz, secară, trestie de zahăr, sfeclă de zahăr, plante leguminoase (lucernă sau trifoi), plante oleagenoase (rapiţa), plante erbacee (miscanthus, switchgrass). Multe alte specii au fost studiate în ceea ce priveşte optimizarea producţiei, recoltarea, păstrarea şi procesarea. Aceste plante oferă biomasă ce poate fi arsă direct sau supusă transformărilor termochimice sau biologice. Grâul, secara, orzul, trestia de zahăr şi sfecla de zahăr sunt în general convertite în etanol. Plantele leguminoase şi plante erbaceele pot fi procesate împreună cu bălegarul sau deşeurile pentru obţinerea de biogaz. Plantele oleagenoase sunt

folosite pentru producerea de biodiesel. Există plante care pot fi procesate pentru obţinerea simultană de material celulozic şi bioetanol. Astfel de plantă este sorgul dulce. Unele dintre plantele enumerate sunt perene, iar altele sunt anuale, dar toate sunt potrivite unei agriculturi convenţionale. Ambele culturi, cele destinate producţiei de energie şi cele destinate alimentaţiei trebuie realizate împreună pentru a maximiza eficienţa fermelor agricole. Avantajul celor destinate energeticii constă în faptul ca ele nu necesită cele mai bune terenuri şi nici prea multă îngrijire, apă şi fertilizatori. Acest lucru se datorează faptului că importantă este cantitatea şi nu calitatea.

Reziduurile şi sub-produsele agricole sunt cele provenite din prelucrarea lemnului (rumeguş, talaş, placaj, coajă, leşie rezultată din prelucrarea celulozei) şi din recoltarea şi procesarea plantelor alimentare (cereale, trestie de zahăr, ceai, cafea, orez, bumbac, arborele de cauciuc, palmierul de cocos). Numai 20% din producţia de paie poate fi folosită în scopuri energetice, restul de producţie este utilizată pentru acoperirea nevoilor din sectorul agricol şi altele. Bălegarul este o altă sursă utilă ce provine din sectorul agricol.

O sursă de biomasă care nu a fost exploatată până acum o reprezintă biomasa marină, formată din plancton şi alge. Având în vedere volumul mărilor, această sursă poate constitui o sursă majoră de energie pentru viitor. Deşeurile solide municipale rezultă în principal din activitatea domestică din gospodării. Fiecare cetăţean al UE produce în medie mai mult de 500 kg deşeuri pe an. Cantitatea totală produsă în UE este de 225 milioane tone pe an. Puterea calorică a fracţiei organice din deşeurile solide municipale se găseşte în intervalul (8000-12000) kJ/kg, ceea ce înseamnă circa o treime din puterea calorică a cărbunelui. Decizia asupra utilizării acestora ca sursă de energie este legată de politica de gestiune locală şi naţională a deşeurilor şi de dispoziţia populaţiei spre reciclare şi incinerare. Alegerea filierei de tratare a deşeurilor într-o localitate se face ţinând cont printre altele de compoziţia şi proprietăţile acestora, de tehnologiile disponibile şi de piaţa diferitelor materiale reciclabile. Întregul proces de gestiune trebuie să fie integrat pentru a se evita conflictele între diferitele filiere de tratare. În general, deşeurile cu putere calorică mare sunt folosite pentru producerea de căldură şi electricitate. Pentru asta, deşeurile sunt fie incinerate, fie transformate în combustibili solizi, lichizi sau gazoşi ce pot fi mai uşor de transportat şi folosiţi pentru producerea de căldură şi electricitate sau pentru alimentarea autovehiculelor (fig. 3). Fracţia biodegradabilă poate fi folosită împreună cu alte deşeuri pentru producerea de biogaz prin compostare sau digestie anaerobă. Biogazul poate fi recuperat de la haldele de deşeuri sau produs prin fermentaţia atât a deşeurilor solide municipale dar şi a nămolului de la staţiile de tratare a apelor uzate, a bălegarului şi a efluenţilor din agricultură şi industria alimentară. Prin producerea şi recuperarea biogazului, care conţine în cea mai mare parte metan se realizează şi reducerea emisiei unuia dintre gazele cu puternic efect de seră. În tabelul 3 este dată compoziţia masică orientativă a deşeurilor solide municipale din UE.

Procesare

Deşeuri solide municipale

Produşi intermediari

Materiale recuperate

Conversia în energie

Sticlă, metale, aluminiu, etc. Piroliza

Gazificarea

Arderea

Co-arderea

Separare mecanică

Incinerare

Materiale recuperate

Fermentarea anaerobă

Combustibili solizi

recuperaţi

Compost

Fracţia biodegradabilă

Fig. 3. Filierele de tratare şi conversie a deşeurilor solide municipale.

58

În România există două zone de distribuţie a biomasei (ISPE SA Bucureşti, „Renewable Energy Country Profile”, 2002). Circa 90% din lemnele de foc şi 55% din deşeurile de lemn se găsesc în zona Carpaţilor şi a Subcarpaţilor. Circa 54% din deşeurile agricole se găsesc în câmpiile de sud şi Moldova. Circa 52% din biogaz se găseşte în câmpiile de sud şi câmpiile de vest. Din suprafaţa totală a României, pentru agricultură se foloseşte circa 40%, iar cea împădurită reprezintă 27%. În prezent se foloseşte circa 70% din resursele de lemn de foc. Din întreaga

suprafaţă agricolă, pentru cultura cerealelor se foloseşte 66%, pentru culturi furajere 14% şi pentru culturi tehnice 13%. Potrivit Regiei Autonome a Pădurilor ROMSILVA producţia anuală de cherestea poate ajunge la 18000000m3 în anul 2020, cea mai mare parte fiind utilizată în construcţii şi industria hârtiei. În tabelul 4 sunt date cele mai importante resurse de biomasă din România.

7.3. Conversia biomasei în combustibili şi energie

Exceptând cazurile în care arderea directă este potrivită, biomasa brută necesită transformarea în combustibili solizi, lichizi sau gazoşi care pot fi folosiţi pentru producerea de căldură, electricitate şi drept combustibil pentru autovehicule. Această conversie se realizează prin procese mecanice, termice sau biologice. Procesele mecanice nu sunt strict de transformare deoarece ele nu schimbă natura biomasei. Exemple de astfel de procese sunt: sortarea şi compactarea deşeurilor, procesarea reziduurilor de lemn în baloţi, pelete şi brichete, tocarea paielor şi cocenilor, presarea seminţelor oleagenoase. Astfel de procese sunt folosite pentru pretratarea biomasei. Arderea, gazificarea şi piroliza sunt exemple de procese termice. Ele produc, fie căldură, fie un gaz sau lichid. Gazul poate fi folosit pentru alimentarea unui motor sau a unei pile de combustie. Lichidul poate fi transformat mai departe în combustibili lichizi sau gazoşi. Fermentaţia şi digestia sunt exemple de procese biologice. Acestea se bazează pe activitatea microbiană sau enzimatică de transformare a zahărului în etanol, sau a biomasei în combustibili solizi sau gazoşi. În fig. 4 sunt schematizate principalele direcţii de conversie a biomasei. Cele mai folosite tehnologii de transformare a biomasei folosesc căldura. O comparaţie între purtătorii de energie produşi din biomasă poate fi realizată pe baza abilităţii acestora de a produce căldură, electricitate şi combustibili pentru motoare. Un mijloc util de comparare a biomasei şi combustibililor fosili se bazează pe rapoartele lor O:C şi H:C, cunoscut ca diagrama Van Krevlen (fig. 5). Cu cât sunt mai mici rapoartele respective, cu atât este mai mare conţinutul de energie al materiei respective.

Pre-tratare

Uscare/ Compactare Brichetare

Conversie termică

Conversie mecanică

Gazificare

Ardere Co-ardere

Fermentaţie

Digestie

Extracţie

Piroliză

Utilizări

Produsul

Căldură

Ulei de rapiţă

Ulei de piroliză

Biogaz

Bioetanol

Combustibil gazos

Electricitate

Căldură

Combustibili pentru

autovehicole

Chimicale

Combustibil solid

pelete, chipsuri

Conversie biologică

Fig. 4. Căile de conversie a biomasei.

7.3.1. Arderea biomasei Arderea este cea mai veche şi utilizată. Eficienţa de transformare în electricitate este de 20-25%. Biomasa

poate fi arsă direct (aşa cum este ars lemnul pentru încălzire sau incinerate deşeurile) sau arsă simultan cu cărbunele (co-ardere). Cazanele moderne sunt proiectate să folosească co-arderea pentru a reduce emisiile de CO2. La proiectarea sistemului de ardere se ţine seama de caracteristicile combustibilului ce urmează să fie folosit, de legislaţia de mediu, costul şi performanţele echipamentelor disponibile. În timpul arderii, o particulă de biomasă

59

trece prin mai multe faze, mai mult sau mai puţin distincte. Mai întâi are loc uscarea, până la temperaturi de 100°C, apoi pe măsură ce încălzirea continuă, are loc piroliza şi/sau gazificarea, urmată de arderea propriu-zisă şi lichefierea.

Raportul atomic O:C

Rap

ortu

l ato

mic

H:C

x 1

0

Puterea calorifică

Biomasă Turbă Lignit Huilă Antracit Lemn Lignină

Fig. 5. Diagrama Van Krevelen pentru diferiţi combustibili fosili.

Umiditatea limită a biomasei pentru susţinerea arderii nu trebuie să depăşească 60% din masă. Umiditatea este o proprietate a biomasei foarte importantă de care depinde proiectarea instalaţiei de ardere şi desfăşurarea procesului de ardere. În tabelul 5 sunt prezentate schematizat caracteristicile biocombustibilior masici şi efectele lor mai importante. Tabelul 5. Caracteristicile combustibililor masici obţinuţi din biomasă şi efectele lor mai importante.

Caracteristica Efectul Proprietăţile fizice conţinutul de umiditate durata de stocare, puterea calorică inferioară, autoaprindrea, proiectarea instalaţiei puterea calorică inferioară, puterea calorică superioară

utilizarea combustibilului, proiectarea instalaţiei

conţinutul de volatile comportamentul la descompunerea termică

conţinutul de cenuşă emisia de particule solide, manipularea cenuşii, utilizarea/îndepărtarea cenuşii, tehnologia de ardere

temperatura de topire a cenuşii siguranţa în funcţionare, tehnologia de ardere, sistemul de control a procesului densitatea în vrac stocarea, transportul şi manipularea combustibilului dimensiuni, formă manipulare, tehnologia de ardere granulaţie uscare, formarea prafului rezistenţa la abraziune schimbarea calităţii, segregarea Proprietăţi chimice conţinutul de C puterea calorică superioară conţinutul de H puterea calorică superioară, puterea calorică inferioară conţinutul de O puterea calorică superioară conţinutul de Cl coroziune, emisii de HCl, dioxine şi furani conţinutul de N emisia de NOx, N2O, coroziune conţinutul de S emisia de SOx, coroziune

conţinutul de K coroziunea schimbătoarelor de căldură, reduce temperatura de topire a cenuşii, formarea aerosolilor, utilizarea cenuşii

conţinutul de Na reduce temperatura de topire a cenuşii, coroziunea schimbătoarelor de căldură, formarea aerosolilor

conţinutul de Mg măreşte temperatura de topire a cenuşii, utilizarea cenuşii conţinutul de Ca măreşte temperatura de topire a cenuşii, utilizarea cenuşii conţinutul de metale grele emisii poluante, utilizarea cenuşii, formarea aerosolilor Biomasa este diferită de cărbune în ceea ce priveşte conţinutul de materii organice şi anorganice, puterea calorică şi proprietăţile fizice. Faţă de cărbune, biomasa are în general mai puţin carbon, aluminiu şi fier şi mai mult

60

oxigen, silice şi potasiu, are putere calorică mai mică, conţinut de apă mai mare, densitate mai mică şi friabilitate redusă. Arderea biomasei implică modificarea procesului de ardere în orice instalaţie, datorită compoziţiei biomasei, mai ales conţinutului de volatile. Puterea calorică a biomasei este mult mai mică decât cea a cărbunelui datorită conţinutului ridicat de umiditate şi de oxigen.

Este recomandat ca biocombustibili solizi ce vor fi folosiţi în instalaţiile casnice, comerciale şi industriale să fie supuşi unor procese de pretratare cum ar fi: spălarea, uscarea, reducerea mărimii şi compactarea (fig. 6), pentru a se obţine o mai mare uniformitate, a face mai uşoară manipularea şi a reduce umiditatea la un nivel acceptabil.

Pelete cu secţiune pătrată

Lungime (mm) Înălţime (mm)

Pelete cu secţiune circulară

Diametru(mm) Înălţime (mm)

Coji seminţe de orez

bagasse rumeguş

reziduuri de lemn

tulpini de porumb

Mostre de brichete

Mostre de pelete Reziduuri compactate

Balot de paie de grâu

Fig. 6. Mostre de biomasă compactată.

Lemnul este cel mai folosit biocombustibil solid. Materialul brut poate avea următoarele forme: buşteni, butuci, tulpini, frunze şi ace din pădure, scoarţă, rumeguş, surcele şi talaş din industria lemnului şi lemnul recuperat din construcţii. Acestea pot fi folosite când este posibil direct ca un combustibil, sau pot fi procesate în forme mai uşor de transportat, stocat şi ars cum ar fi: peletele, brichetele şi praful de lemn. Lemnul de foc este combustibil forestier în formă de tulpină tratată sau nu de copac. Pentru manipularea mai uşoară, tulpinele sunt făcute snopi prin presarea împreună a ramurilor în snopi având mărimi egale, asemănători unui buştean.

Peletele sunt produse prin mărunţirea rumeguşului, aşchiilor, surcelelor sau a cojii de copac şi presarea prafului obţinut printr-o matriţă. Căldura rezultată în urma frecării este suficientă pentru înmuierea ligninei. Prin răcire, lignina devine rigidă şi leagă materialul. Peletele au formă cilindrică sau sferică cu diametrul mai mic de 25 mm.

61

Brichetele au formă rectangulară sau cilindrică şi sunt obţinute prin presarea împreună a rumeguşului, aşchiilor, surcelelor sau a cojii de copac într-o presă cu piston sau şurub. Conţinutul de energie al peletelor şi brichetelor este de circa 17 GJ/tonă cu un conţinut de umiditate de 10% şi o densitate de circa 600-700kg/m3.

7.3.1.1. Puterea calorifică a biomasei Există multe încercări de corelare a puterii calorifice cu compoziţia. Celuloza are o putere calorică mai mică decât a ligninei datorită gradului mare de oxidare. Alţi compuşi, precum sunt hidrocarburile cu un grad redus de oxidare fac să crească puterea calorică a biomasei. Puterea calorică a biomasei este strâns legată de conţinutul de lignină. Astfel, puterea calorică superioară pentru o probă uscată şi lipsită de cenuşă se poate calcula cu relaţia [7]:

8,16821)(9,88 +⋅= LCQs , kJ/kg unde (LC) reprezintă conţinutul de lignină raportat la starea uscată şi lipsită de cenuşă, %. Puterea calorică superioară a biocombustibililor poate fi calculată în funcţie de conţinutul de carbon fix, Cf (%) cu formula [7]:

Qs=196 Cf+14119 , kJ/kg

În literatură au fost dezvoltate formule de estimare a puterii calorifice pentru combustibilii din diferite materiale ligno-celulozice şi uleiurile vegetale pe baza analizei lor chimice. Pentru biocombustibilii solizi se poate folosi formula modificată a lui Dulong, ca funcţie de conţinutul de carbon, C (%), hidrogen, H (%), oxigen O (%) şi azot, N (%) [7]:

Qs=33 500 C+142 300 H-15400 O-14500 N , kJ/kg

În literatura de specialitate poate fi găsită şi formula [6]:

anhanhanhanhanhanhanhs A,O,N,S,H,C,Q ⋅−⋅−⋅−⋅+⋅+⋅= 12141031155100311781349 , kJ/kg

unde Canh, Hanh, Sanh, Nanh, Oanh, Aanh reprezintă conţinuturile în procente de carbon, hidrogen, sulf, azot, oxigen şi respectiv cenuşă raportate la starea anhidră.

7.3.1.2. Probleme ce apar la arderea biomasei în cazane

Tehnologiile de ardere a biomasei prezintă câteva probleme. Cele mai importante ţin de murdărirea şi coroziunea suprafeţelor de schimb de căldură. Zgurificarea şi murdărirea reduc schimbul de căldură al suprafeţelor şi cauzează coroziunea. Coroziunea şi eroziunea duc la scurtarea duratei de viaţa a echipamentelor. Depunerile sau murdărirea suprafeţelor este provocată de materia anorganică prezentă în biomasa ce arde. Sodiul, Na şi potasiul, K coboară temperatura de topire a cenuşii şi prin urmare este intensificată depunerea de cenuşă pe ţevile cazanului. Calciul, Ca şi magneziul, Mg fac să crească temperatura de topire a cenuşii. Siliciul, Si se poate combina cu K producând silicaţi cu temperatură redusă de topire în particulele volatile. Acest proces este important pe de-o parte în evitarea sinterizării/aglomerării şi topirii cenuşii pe grătarul de ardere sau în stratul fluidizat instalaţiilor de ardere şi pe de altă parte în împiedicarea zgurificării cenuşii pe suprafaţa schimbătoarelor de căldură. Paiele de cereale şi iarba au un conţinut ridicat de K, Cl şi sulfaţi şi redus de Ca. Arderea cojilor de migdale este însoţită de murdărirea şi corodarea puternică a suprafeţelor de schimb de căldură. Deşi acestea au un conţinut ridicat de metale alcaline, conţinutul lor în clor şi sulf este redus faţă de alţi combustibili. Potasiul şi sodiul combinate cu clorul şi sulful au un rol determinant în mecanismul de corodare. Aceste elemente se evaporă în timpul arderii formând cloruri ce se condensează pe ţevile schimbătoarelor de căldură şi reacţionează formând sulfaţi şi eliberând clorul. Clorul are o funcţie catalitică asupra reacţiei de oxidare a ţevilor schimbătoarelor de căldură, în special la temperatură redusă (100-150°C). Combustibilii ce prezintă un raport molar S:Cl mai mic de 2 provoacă coroziunea deoarece în acest caz se formează clorurile metalelor alcaline. Volatilizarea urmată de condensarea metalelor volatile duce la formarea de cenuşă zburătoare de dimensiuni mai mici de 1μm (aerosoli) ce este greu de reţinut în instalaţiile de filtrare. Depunerea de cenuşă pe suprafeţele de schimb de căldură la arderea biomasei poate avea loc într-o măsură mai mare sau mai mică decât la arderea cărbunelui. La arderea amestecului de biomasă şi cărbune,

62

depunerea de cenuşă are loc într-o măsură mai mică decât la arderea numai a unuia dintre combustibili. Aderenţa şi duritatea depunerilor la arderea biomasei sunt mai ridicate decât cele de la arderea cărbunelui.

Instalaţiile de ardere în strat fluidizat circulant sunt potrivite pentru rearderea cenuşii, pentru că ele sunt flexibile la schimbarea combustibilului şi produc cenuşă fără combustibil nears. Conţinutul ridicat de carbon nears în cenuşă reduce stabilitatea chimică a cenuşii şi măreşte foarte mult volumul cenuşii, ceea ce face să crească costul de manipulare, transportare şi depozitare a cenuşii. Pentru a diminua aceste efecte, cenuşa trebuie recirculată în vederea rearderii sau trebuie îmbunătăţit procesul de ardere. Rearderea cenuşii duce la reducerea emisiei de NOx cu 20%, dar şi la creşterea emisiei de CO la circa 100-140ppm. Cantitatea de cenuşă recirculată trebuie să fie redusă pentru a evita creşterea tendinţei de coroziune în cazan. Beneficiile economice ale instalaţiilor de ardere în start fluidizat circulant se rezumă la costul redus al combustibilului şi manipulării cenuşii. Cenuşa rezultată poate fi reciclată şi folosită drept nutrient pentru terenurile împădurite. Cenuşa zburătoare de la arderea biomasei în strat fix are un conţinut ridicat de carbon nears şi de aceea nu este potrivită reciclării directe. Instalaţiile de ardere în strat fix produc o cenuşă zburătoare cu peste 50% carbon nears. Coroziunea preîncălzitorului de aer este provocată de prezenţa speciilor higroscopice în depuneri (în particular cloruri ale fierului) ce sunt supuse unor variaţii largi de temperatură determinate de funcţionarea intermitentă a instalaţiei. S-a observat că metalele alcaline în general şi potasiul cu sodiul în particular au reactivitate mai mare în cenuşa combustibililor obţinuţi din biomasă decât în cenuşa cărbunilor. În comparaţie cu depunerile generate în timpul arderii cărbunelui, depunerile rezultate la arderea biocombustibililor sunt mai dense şi mai greu de înlăturat. Coroziunea de înaltă temperatură a suprafeţelor de schimb de căldură se datorează prezenţei clorului în cenuşa depusă. Conţinutul în clor al cenuşii scade brusc cu creşterea conţinutului în sulf şi de aceea la arderea simultană (co-arderea) biomasei cu conţinut ridicat de Cl şi redus de S cu cărbune ce conţine S rezultă depuneri cu conţinut redus de Cl, ceea ce facilitează controlul N2O. În concluzie se poate spune că fenomenul de corodare depinde de conţinutul de Cl, de metale alcaline şi S în combustibil.

7.3.1.3. Tehnologii de ardere a biomasei Principalele tipuri de instalaţii de ardere a biomasei sunt următoarele:

♦ instalaţii de ardere în strat fix

♦ instalaţii de ardere în strat fluidizat

cu strat liniştit

♦ instalaţii de ardere în stare pulverizată

staţionar recirculant

cu strat răscolit

• grătar vibrant • grătar mobil înclinat sau orizontal • grătar rotativ cu alimentare inferioară

• grătar fix • grătar rulant • focar tip trabuc • focar conic rotativ • focar adânc pentru arderea buştenilor întregi cu grătar

cu alimentare inferioară

Focarele cu grătar, care în general au o putere de 20 MWt sunt folosite pentru arderea biomasei cu conţinut mai mare de umiditate şi cenuşa şi de dimensiuni variabile, dar nu prea mici. Pot fi arse amestecuri de biocombustibili pe bază de lemn dar nu şi amestecuri ale acestora cu paiele datorită diferenţei dintre caracteristicile de ardere, umiditate şi temperatură de topire a cenuşii. Arderea se realizează în trepte (fig. 7). Turbulenţa în camera primară, de ardere a mangalului, trebuie să fie mică pentru a asigura un strat cu material incandescent stabil. Turbulenţa în camera secundară de ardere trebuie să fie ridicată pentru a asigura o amestecare corespunzătoare între gazele combustibile şi aerul secundar. Funcţionează bine şi la sarcini reduse de până la 25% prin controlarea aerului primar. Grătarul poate fi răcit cu apă.

În fig. 8 este prezentată o instalaţie de uz casnic de încălzire ce foloseşte arderea inversă a lemnelor de foc. Arderea inversă, adică curgerea gazelor de ardere de sus în jos prin stratul de ardere şi cu alimentarea aerului atât

63

deasupra grătarului cât şi sub acesta este tot mai folosită în instalaţiile casnice datorită avantajelor pe care le prezintă:

– reducerea emisiilor de compuşi organici volatili; – procesul de ardere este continuu şi staţionar, spre deosebire de arderea obişnuită, care este nestaţionară, ciclică

determinată de alimentarea cu combustibil; – oprirea alimentării cu aer face ca arderea să înceteze spre deosebire de arderea obişnuită, unde după

întreruperea alimentării cu aer se continuă degajarea volatilelor cu evacuarea lor din camera de ardere; – exploatarea şi controlul sunt mai facile.

arderea obişnuită

⎩⎨⎧

→+→+

COOCCOOC

221

22

arderea secundară 222

1 COOCO →+

O2 O2

CO

CO2

½O2

CO2

Fig. 7. Schema arderii în trepte.

64

Fig. 8. Instalaţie casnică de ardere cu grătar fix.

camera secundarăde ardere

alimentare cu aer de ardere

exhaustor

întoarcere gaze de ardere

grătar din material ceramic

Focarele cu alimentare inferioară, ce reprezintă o tehnologie ieftină şi sigură pentru instalaţii până la 6MWt sunt destinate arderii combustibililor cu conţinut redus de cenuşă şi de dimensiuni mici ca: pelete, rumeguş şi talaş. Alimentarea cu combustibil se face pe la partea inferioară a camerei de ardere cu ajutorul unui transportor elicoidal.

Instalaţiile de ardere în strat fluidizat sunt folosite încă din 1960 pentru arderea deşeurilor solide municipale şi industriale. Camerele de ardere sunt verticale de formă cilindrică cu pereţi refractari sau ecranaţi. Aceste instalaţii folosite pentru biocombustibili pot depăşi puteri de 30MWt. Biomasa este arsă într-o suspensie formată din gaz şi materialul inert granular al stratului (nisip, alumina, olivina şi dolomită) în care aerul de ardere este insuflat pe la partea inferioară. Sistemele cu strat fluidizat sunt flexibile în ceea ce priveşte combustibilii. Arderea în strat fluidizat este tot mai folosită deoarece materialul inert din stratul fluid, care reprezintă 90-98% din amestecul

material inert-combustibil acţionează ca un regulator termic ce compensează variaţiile conţinutului de umiditate şi menţine constant fluxul de căldură produsă şi calitatea gazelor. De asemeni, mediul oferă avantajul unei bune amestecări şi al unui transfer termic intens, ceea ce conferă condiţii uniforme de ardere cu un coeficient de exces de aer mic (1,1-1,2 pentru stratul recirculant şi 1,2-1,4 pentru stratul staţionar). În ciuda arderii la temperatură relativ redusă, regula “trei T” (temperatură, timp de rezidenţă şi turbulenţă) pentru o ardere de înaltă calitate este bine respectată, eficienţa arderii fiind de 99-100%. Temperatura trebuie menţinută sub 800°C pentru a se evita sinterizarea în strat. Controlul temperaturii se face prin recircularea gazelor de ardere sau prin injecţie de apă.

Co-arderea biomasei cu cărbunele în cazanele proiectate pentru cărbune este tot mai utilizată pentru că se folosesc investiţiile şi infrastructura asociate centralelor termoelectrice cu combustibili fosili şi în acelaşi timp se reduc emisiile de poluanţi (SOx, NOx etc.) şi de gaze cu efect de seră (CO2, CH4, N2O). Instalaţiile existente de ardere a cărbunelui pot folosi pe lângă cărbune până la 10% biomasă fără nici o modificare. Co-arderea poate fi directă atunci când se realizează arderea biomasei împreună cu cărbunele într-o cameră de ardere şi indirectă atunci când arderea biomasei se realizează într-un focar separat iar gazele de ardere rezultate sunt trimise în cazanul de abur pe cărbune, sau când biomasa este gazificată separat, iar gazele combustibile alimentează camera de ardere a cărbunelui. Eficienţa arderii biomasei în cazul co-arderii este de 34% ca şi la arderea cărbunelui. Utilizarea biomasei în ciclurile combinate cu instalaţie de gazificare se face cu o eficienţă de 35-45%. Tratarea gazelor de ardere a biomasei este similară gazelor de ardere a cărbunilor. Emisiile de NOx sunt controlate prin tehnici de ardere. Pentru eliminarea SOx nu sunt necesare măsuri secundare, deoarece prin arderea biocombustibililor nu se produce aşa mult SOx ca la arderea cărbunelui. Deoarece emisiile de cenuşă şi funingine pot duce la formarea aerosolilor sunt necesare măsuri suplimentare de curăţire a gazelor de ardere.

7.3.2. Gazificarea biomasei Procesele de gazificare pot fi privite ca şi conversia prin ardere, dar la care participă mai puţin oxigen decât

la ardere. În funcţie de raportul dintre cantitatea de oxigen ce intră în reacţie şi cea necesară arderii complete, denumit raport echivalent, se poate calcula compoziţia gazului produs (fig. 9). Pentru un raport sub 0,1, procesul se numeşte piroliză şi numai o mică parte din energia chimică a biomasei se regăseşte în gazul produs, restul regăsindu-se în carbonul şi biouleiul produs. Dacă raportul este cuprins între 0,2 şi 0,4, procesul se numeşte gazificare. Aici are loc transferul maxim de energie de la biomasă la gazul produs.

Rap

ort

mol

ar

Raport echivalent

Fig. 9. Compoziţia calculată a gazului rezultat din reacţia la echilibru dintre biomasă şi aer.

65

Gazificarea termochimică este procesul de conversie prin oxidare parţială la temperatură ridicată a materiei ce conţine carbon, ca biomasa sau cărbunele, cu formarea unui gaz denumit gaz de gazogen, “gaz cu putere calorică medie” (MHV gas) sau “gaz de calitate medie”. Acest gaz conţine CO, CO2, H2, CH4 şi cantităţi mici de hidrocarburi mai grele ca etanul şi etena, apă, azot (dacă se foloseşte aerul ca agent de oxidare) şi diferiţi contaminanţi precum particule mici de cocs, cenuşă, gudroane şi uleiuri. Oxidarea parţială poate fi realizată utilizând aer, oxigen, abur sau amestecuri ale acestora. Gazificarea cu aer produce un gaz cu putere calorică redusă (4000-7000 kJ/m3

N, putere calorică superioară), care este potrivit pentru utilizarea la cazane, motoare şi turbine, dar

nu este potrivit transportării prin conducte datorită densităţii energetice scăzute. Gazificarea cu oxigen produce un gaz cu putere calorică mai mare (10000-18000kJ/m3

N, putere calorică superioară), care este potrivit pentru o distribuţie limitată cu ajutorul conductelor şi pentru utilizarea ca gaz de sinteză (amestecul format din CO, H2 şi urme de CO2 obţinut prin curăţirea gazului de gazogen). Acest gaz mai poate fi produs şi prin gazificare pirolitică sau cu abur, căldura necesară procesului fiind asigurată prin arderea produsului auxiliar-carbonul într-un reactor secundar.

Gazificarea se poate aplică biomasei cu conţinut de umiditate mai mic de 35%. Gazul de sinteză poate fi convertit în alţi combustibili mai valoroşi, chimicale sau materiale. Procesul

Fischer-Tropsch converteşte gazul de sinteză în combustibili lichizi pentru transport. O varietate de procese catalitice pot transforma gazul de sinteză într-o mare număr de chimicale sau alţi combustibili şi produse.

Gazificarea cu aer este tehnologia cea mai utilizată deoarece sunt evitate costurile şi pericolele asociate producerii şi utilizării oxigenului aferente gazificării cu oxigen, precum şi complexitatea şi costul reactoarelor multiple de la gazificarea pirolitică sau cu abur, unde sunt necesare două reactoare.

Gazul de sinteză poate fi transformat la presiune ridicată folosind catalizatori (pentru păstrarea raportului stoechiometric optim dintre reactanţi) în biometanol (CH3OH). Eficienţa conversiei gazului de sinteză în biometanol este de circa 85%, iar cea a întregului proces incluzând conversia biomasei prin gazificare este de 40-45%. Biometanolul are aceeaşi cifră octanică ca şi bioetanolul, dar puterea calorică este mai mică (18 000 kJ/kg). Totuşi eficienţa motorului funcţionând cu biometanol este mai mare cu 20% faţă de cel ce funcţionează cu benzină. Biometanolul poate fi folosit în amestec cu benzina în motoarele Otto normale sau în motoare Otto şi Diesel modificate, cum ar fi motoarele cu aprindere prin scânteie funcţionând cu biometanol vaporizat, vaporizarea realizându-se cu căldura preluată de la agentul de răcire a motorului. Biometanolul este mai toxic şi mai agresiv pentru materialul motorului faţă de bioetanol.

7.3.3. Piroliza biomasei Piroliza reprezintă descompunerea termică ce are loc în absenţa oxigenului. Este primul pas în procesele de

ardere şi gazificare. Este cunoscută de sute de ani ca tehnologia de producere a mangalului şi a unor chimicale. Au fost propuse mai multe căi şi mecanisme. În fig. 10 este prezentat un model de piroliză a celulozei cu căile şi posibilităţile de maximizare a produselor.

66

Celuloză Celuloză “activă”

Vapori→lichid CH4, H2, CO, C2H2

Produse secundare: gudron, carbon

Apă, carbon, CO, CO2

Fig. 10. Piroliza celulozei.

Produsele obţinute prin diferite procedee de piroliză a biomasei sunt date în tabelul 7. Se poate observa cum temperatura şi timpul de rezidenţă influenţează producţia de mangal, produse lichide sau gazoase.

Tabelul 7. Produsele pirolizei biomasei.

Produsul % din biomasa uscată Procesul

Lichid Mangal Gaz Piroliza rapidă

temperatură moderată timp de rezidenţă mic

75 12 13

Carbonizarea temperatură redusă timp de rezidenţă mare

30 35 35

Gazificarea temperatură înaltă timp de rezidenţă mare

5 10 85

Cea mai folosită metodă este piroliza rapidă. Aceasta constă în încălzirea rapidă a biomasei la temperatura bine controlată de circa 500°C urmată de răcirea foarte rapidă (<2sec) a volatilelor formate în reactor. Oferă avantajul unic al producerii unui lichid ce poate fi acumulat şi transportat. Această metodă deşi este în dezvoltare cunoaşte deja mai multe configuraţii.

Cele mai folosite tipuri de reactoare sunt cu strat fluidizat staţionar sau cu curgere globulară, strat fluidizat circulant, con rotativ, strat mişcător sub vacuum şi tip Auger.

Biouleiul produs prin piroliză este miscibil cu apa şi este format din mai multe substanţe chimice organice oxigenate.

Datorită complexităţii şi naturii biouleiului acesta are unele proprietăţi mai puţin comune (depunerile, creşterea viscozităţii, scăderea volatilităţii şi separarea fazelor în timp). De aici rezultă necesitatea îmbunătăţirii calităţii biouleiului. Aceasta poate fi făcută prin metode fizice: reţinerea mangalului prin filtrare, emulsionarea cu hidrocarburi, adiţie de solvent şi metode chimice: reacţie cu alcooli şi dezoxigenare catalitică.

Costul biouleiului poate fi calculat cu relaţia [22]:

347,087,810

−⋅+= ll

BU MC

C , lei/GJ

unde: CBU – costul biouleiului, lei/GJ; Cl – costul lemnului folosit pentru piroliză, lei/(tona de lemn uscat); M – cantitatea de lemn uscat folosită pentru producerea de bioulei, t/h. Biouleiul nu este mult utilizat din următoarele motive: • costul este mai mare cu 10-100% decât al combustibililor fosili; • disponibilitatea este limitată; • lipsa standardelor şi calitatea schimbătoare inhibă utilizarea largă; • nu este compatibil cu combustibilii convenţionali; • utilizatorii nu sunt familiarizaţi cu biouleiul; • necesită manipulare specială.

Deşi cele mai multe procese de piroliză sunt proiectate pentru producerea biocombustibililor, hidrogenul poate fi produs în mod direct prin piroliză rapidă, dacă temperatura este ridicată şi timpul de rezidenţă a fazei volatile este suficient. Uleiul produs prin piroliză poate fi separat în două fracţiuni în funcţie de solubilitatea în apă. Fracţia solubilă în apă poate fi folosită pentru producerea de hidrogen.

7.3.4. Procese biochimice de conversie a biomasei Principalele procese biochimice de conversie a biomasei sunt fermentaţia şi digestia anaerobă. Fermentaţia este folosită pe scară largă în diferite ţări pentru producerea de bioetanol (C2H3OH) din trestie de zahăr, sfeclă de zahăr, grâu sau porumb. Fermentaţia cuprinde următoarele etape: biomasa este zdrobită şi amidonul convertit în zaharuri de către enzime, apoi zaharurile sunt convertite în bioetanol de către drojdie (un organism ce secretă enzime catalitice) şi în final separarea şi purificarea bioetanolului prin distilare. Dintr-o tonă de boabe de porumb uscat se obţin circa 450 l de bioetanol. Reziduul solid al procesului de fermentaţie poate fi folosit ca hrană pentru animale, iar în cazul trestiei de zahăr, reziduul poate fi folosit drept combustibil în cazane, materie primă pentru gazificare sau pentru producerea plăcilor fibroase.

Conversia prin fermentaţie a biomasei ligno-celulozice cum ar fi lemnul şi plantele erbacee este un proces mai complex datorită prezenţei polizaharidelor cu moleculă mare şi necesită hidroliza acidă sau enzimatică înainte ca glucidele rezultate să treacă în bioetanol prin fermentaţie.

Motoarele cu aprindere prin scânteie normale pot funcţiona cu benzină amestecată cu bioetanol în proporţie de 15%. Pentru utilizarea bioetanolului pur este necesară modificarea acestora. Motoarele modificate pot funcţiona cu amestec ce pot atinge 85% bioetanol, amestec cunoscut ca E85. Costurile suplimentare necesare construirii unui astfel de motor flexibil la combustibil reprezintă 150€. Folosirea de către autovehicule a bioetanolului duce la reducerea emisiilor poluante. Folosirea amestecului format din 85% bioetanol şi 15% benzină reduce emisia de gaze 67

68

cu efect de seră cu 60-80% comparativ cu folosirea numai a benzinei. Amestecul de 10% bioetanol şi 90% benzină duce la reducerea emisiei cu până la 8%. Reducerea emisiilor depinde de materia primă din care a fost realizat bioetanolul. Amestecul cu 10% bioetanol produs din zahăr face sa se reducă emisiile cu numai 4%.

Bio-ETBE (etil-terţo-butil-ester) este un combustibil ce se obţine din bioetanol, are cifra octanică de 112 şi poate fi amestecat cu benzina în proporţie de până la 17%. Bio-MTBE (metil-terţo-butil-ester) este un combustibil ce se obţine din biometanol şi are proprietăţi asemănătoare cu bio-ETBE. Fermentaţia materiei bogate în carbohidraţi cu ajutorul bacteriilor anaerobe sau a algelor verzi la 30-80°C poate produce hidrogen, în special în lipsa luminii. Prin procesul ce foloseşte fermentaţia la întuneric se produce H2 şi CO2 combinat cu alte gaze ca CH4 sau H2S, în funcţie de biomasa folosită şi de reacţiile din proces.

Digestia anaerobă este un proces ce are loc în absenţa oxigenului, prin care o populaţie mixtă de bacterii catalizează scindarea polimerilor din materia organică cu formarea unui gaz, numit biogaz, conţinând în principal metan şi dioxid de carbon şi mici cantităţi de amoniac, hidrogen sulfurat şi mercaptani ce sunt corozivi, otrăvitori şi au miros pronunţat. Procesul are loc în mai multe etape (fig. 9). Mai întâi are loc descompunerea într-un mediu nu neapărat anaerob a materialului biomasic complex de către o populaţie eterogenă de microorganisme. Această descompunere cuprinde hidroliza materialului celulozic la glucide simple (utilizând enzimele produse de către microorganisme drept catalizator), a proteinelor la aminoacizi, a lipidelor la acizi graşi, a amidonului şi ligninei la compuşi aromatici. Rezultatul primei etape este o biomasă solubilă în apă, cu o formă chimică mai simplă, potrivită pentru etapa următoare. În a doua etapă are loc înlăturarea atomilor de hidrogen ai materialului biomasic (conversia glucidelor în acid acetic), înlăturarea grupării carboxil a aminoacizilor şi scindarea acizilor graşi cu masă moleculară mare în acizi graşi cu masă moleculară mică, obţinându-se din nou ca produs final acidul acetic. Aceste reacţii sunt reacţii de fermentaţie realizate de către bacteriile acidofile. Pentru desfăşurarea optimă este necesar un pH=6-7, dar pentru că acizii deja formaţi reduc pH-ul soluţiei este necesară corectarea pH-ului prin adăugare de CaO. În a treia etapă are loc formarea biogazului (amestec de metan şi dioxid de carbon) din acid acetic, printr-un set de reacţii de fermentare realizate de către bacteriile metanogene. Aceste bacterii necesită un mediu strict anaerob. Toate procesele pot avea loc într-un singur container, dar separarea lor pe etape face să crească eficienţa. Primele două etape pot dura câteva ore sau zile, iar ultima etapă câteva săptămâni, în funcţie de natura materiei prime.

Pentru ca digestia să aibă loc trebuie îndeplinite anumite condiţii. Activitatea bacteriilor este inhibată de prezenţa sărurilor ale metalelor, penicilinei, sulfurilor solubile, sau a amoniacului în concentraţie mare. Raportul numărului atomilor de carbon şi de azot din materialul ce urmează a fi transformat trebuie să fie sub 15. Prea mult azot duce la otrăvirea bacteriilor cu amoniac, iar prea puţin azot duce la dezvoltarea insuficientă a culturii de bacterii şi la producţia scăzută de biogaz. Pentru fiecare tip de biomasă corespunde un anumit raport C:N. Amestecarea biomasei poate fi uneori dezavantajoasă din punct de vedere al producţiei de biogaz. Paiele şi rumeguşul ar trebui amestecate cu materiale ce au un raport C:N redus, cum ar fi urina provenită de la fermele de animale sau lucerna/trifoiul.

Digestia materialului celulozic necesită o durată de timp mai mare. La început sunt necesare câteva luni până când se atinge compoziţia optimă a bacteriilor. Deşi viteza de reacţie este redusă, recuperarea de energie este similară digestiei bălegarului.

Reziduurile digestiei anaerobe sunt foarte buni fertilizatori. Substanţele organice insolubile sunt făcute solubile, iar azotul este fixat de către microorganisme.

Prin digestia anaerobă a deşeurilor lichide provenite de la fermele de animale, populaţiile patogene din acestea sunt reduse. Din aceste motive, digestia anaerobă este aplicată larg în procesul de curăţare a nămolului rezultat la tratarea apelor uzate, fie direct nămolului, fie după creşterea algelor pe nămol pentru a creşte potenţialul de fermentare.

Biogazul are un conţinut energetic de circa 22 000 kJ/m3N, deci este un gaz de calitate medie.

Pentru producerea biogazului prin digestie anaerobă se poate folosi nămolul provenit de la tratarea apelor uzate, iarba si orice cultură agricolă, bălegar şi deşeuri agricole şi alimentare, inclusiv cele de la abatoare, restaurante, magazine alimentare şi deşeurile din industria farmaceutică. Biogazul mai poate fi extras de la rampele de gunoi, unde acesta se formează spontan şi dacă nu este colectat poate provoca probleme de mediu pentru că este un gaz cu puternic efect de seră.

În mod uzual, biogazul este folosit aproape de locul în care este produs. Principalele utilizări sunt producerea de căldură, electricitate şi combinat căldură şi electricitate. Principalul avantaj al biogazului faţă de ceilalţi biocombustibili este că poate fi ars direct în orice instalaţie de ardere a combustibililor gazoşi. El poate fi de asemeni injectat în conductele reţelei de alimentare cu gaz natural. În plus, biogazul poate fi folosit la autovehicule adaptate să funcţioneze şi cu gaz. Stocarea biogazului se poate face în recipienţi realizaţi din materiale zeolitice.

69

Beneficiile de mediu rezultate prin înlocuirea benzinei şi a motorinei cu biogaz sunt considerabile. Pentru a fi injectat în conductele de gaz natural sau folosit la autovehicule este necesară înlăturarea dioxidului de carbon din biogaz. Prin spălare cu jet de apă se elimină CO2 până la 90%. Aceasta permite obţinerea biometanului sub presiune din biogaz ce poate fi folosit la autovehicule. Prin digestie anaerobă poate fi produs şi hidrogenul. Se obţin 0,6 până la 3,3 molecule de hidrogen dintr-o moleculă de glucide, în funcţie de bacteria utilizată. Bacteriile termofilice, ce operează la temperaturi de până la 70°C, dau o producţie mai mare de hidrogen decât cele care operează la temperatura mediului ambiant. Producţia poate fi mărită dacă se folosesc bacterii fototropice (îşi realizează nutriţia cu ajutorul luminii solare) ce convertesc acidul acetic în hidrogen.

Digestia aerobă sau compostarea este procesul prin care se obţine direct căldură din bălegar şi mai rar din reziduuri ale biomasei. Două forme ale compostării sunt folosite, una foloseşte bălegar fluid (mai puţin de 10% materie uscată) şi cealaltă foloseşte bălegar solid (50-80% materie uscată). În ambele cazuri are loc descompunerea produsă de bacterii în condiţii aerobe. Bacteriile necesare procesului sunt acidofile (producătoare de acid lactic) şi se găsesc în mod normal în bălegar, cu condiţia ca reziduurile antibiotice ce ucid bacteriile au fost reţinute după unele tratamente veterinare. Procesele implicate în compostare sunt foarte complicate, dar se ştie că descompunerea carbohidraţilor are loc cu producere de căldură. O instalaţie de compostare a bălegarului fluid constă dintr-un container cu insuflare uniform distribuită de aer proaspăt peste bălegar şi un canal de ieşire a aerului încălzit spre un schimbător de căldură. Un exemplu de variaţie a temperaturii bălegarului lichid cu temperatură exterioară este prezentat în fig. 10. Energia necesară vehiculării aerului (sub formă electricitate) reprezintă circa 50% din căldura obţinută. Producerea de căldură în cazul bălegarului solid este similară primului caz. Temperatura în mijlocul grămezii de bălegar solid poate fi mai mare datorită capacităţii calorice mai mici a bălegarului solid. Aerul poate fi ventilat de ventilatoare aşezate sub grămadă şi pentru menţinerea canalelor de trecere prin grămadă şi eliminarea umidităţii este necesară rearanjarea periodică a grămezii. Extragerea căldurii este mai dificilă, iar energia necesară vehiculării aerului este mai mare decât în cazul bălegarului lichid. Dacă aerul insuflat este insuficient poate avea loc stoparea procesului de compostare înainte să se extragă maximum de căldură. Extracţia mecanică este un proces de conversie folosit pentru producerea de ulei din seminţele diverselor plante, cum ar fi rapiţa, bumbacul, alunele de pădure. În urma extracţiei se obţine nu numai ulei dar şi un reziduu solid, care este utilizat ca hrană pentru animale. Pentru producerea unei tone de ulei sunt necesare trei tone de seminţe de rapiţă. Uleiul vegetal a fost folosit drept combustibil în motoarele Diesel încă din 1900, când Rudolf Diesel a demonstrat funcţionarea unui motor Diesel cu ulei de arahide.

Pentru a putea fi folosit în motoarele Diesel convenţionale, uleiul vegetal mai trebuie procesat în primul rând pentru a-i reduce viscozitatea. Cel mai utilizat proces este transesterificarea (producerea esterului) uleiurilor vegetale utilizând alcool în prezenţa unui catalizator. Pe lângă uleiurile vegetale mai pot fi folosite şi grăsimile animale. Pentru fiecare 100 unităţi de biodiesel produse prin acest procedeu se mai obţin 11 unităţi de glicerină ca produs auxiliar. Glicerina se foloseşte la producerea unor produse precum sunt cremele de mâini, pasta de dinţi şi lubrifianţii. Biodieselul mai poate fi obţinut şi prin presarea la rece a seminţelor de rapiţă, dar acesta are utilizări limitate şi nici glicerina nu mai este produsă ca produs auxiliar. Biodieselul poate fi folosit în stare pură sau în amestec cu motorina în motoarele Diesel normale.

Utilizarea biodieselului are mai multe avantaje ce pot fi grupate în strategice (creşterea independenţei energetice a ţărilor importatoare de petrol prin reducerea importului), economice (creşterea interesului pentru produsele agricole) şi de mediu (biodieselul este biodegradabil, calitatea aerului se îmbunătăţeşte prin reducerea emisiilor de oxizi de sulf, dioxid de carbon, hidrocarburi şi particule solide). Principalul dezavantaj al biodieselului, în prezent este costul de producţie mai mare decât al motorinei.

Teste 1. Enumeraţi principalele tipuri de instalaţii de ardere a biomasei: a). b). c). 2. Constanta solară este: 1). iradianţa pe o suprafată dispusă perpendicular pe direcţia razelor solare la suprafaţa Pământului; 2). fluxul de energie radiantă primită pe unitatea de suprafaţă dispusă perpendicular pe direcţia razelor solare la distanţa medie dintre Soare şi Pământ, la limita exterioară a atmosferei terestre; 3). fluxul de energie radiantă primită pe unitatea de suprafaţă dispusă la distanţa dintre Soare şi Pământ, care este egală cu o unitate astronomică. 3. Unghiul de azimut al suprafetei ( ) este definit ca: a). unghiul dintre suprafata considerate si planul vertical; b). unghiul dintre planul meridian al locului si planul meridian al soarelui masurat in planul ecuatorului; c). unghiul dintre directia sud si proiectia normalei la suprafata pe planul orizontal. 4. Albedo poate fi calculat cu relatia: a).

b).

c).

5. Arătaţi corespondenţa prin săgeţi dintre coloanele A şi B:

A B

a.colector plan plat 1. se dispun pe campuri formate din fasii de oglinzi liniare ce concentreaza lumina solara pe un receptor fix

d.colector tip farfurie parabolica 2. colector cu focalizare punctuala ce urmareste soarele dupa 2 axe, concentrand energia solara pe un punct;

b.colector cu tuburi vidate 3. este format dintr-o cutie izolata termic ce are o invelitoare din geam sau plastic si o placa absorbanta de culoare neagra;

c.colector cu reflectoare liniare Fresnel 4. este alcatuit din 2 tuburi coaxiale,cel din exterior din sticla si cel din interior din metal.

6. Factorul de eficienta a colectorului este:

a) F’ = LU

U 0

b) F’ = LK

c) F’ = U0 + UL 7. Puterea calorica superioara pentru o proba uscata si lipsita de cenusa se poate determina cu relatia: a) KJ/Kg; 8,16821)(9,88 +⋅= LCQs

b) KJ/Kg; 141199,88 +⋅= fs CQc) KJ/Kg. 8,168219,88 +⋅= fs CQ 8. Transmitanţa unei suprafeţe transparente este:

a). ττρ −= ad

b). ra τττ ⋅=

c). 2cosθτKL

a e−

= 9. Puterea termică a unui colector solar este: a). ; ( ) capmL ATTUQ ⋅−=0

&

b). ; ( )[ ]apmLcu TTUSAQ −−=&

c). . SAQ cs ⋅=&

10. Arătaţi corespondenţa prin săgeţi dintre coloanele A şi B:

A B

1. τττ

dpE )(0∫= a) densitatea medie de putere a vantului in

intervalul de timpτ ;

2. τρ 3

21 AvE = b) potentialul eolian al unei zone geografice;

3. 32

81 vDP ρπ= c) puterea dezvoltata de masa de aer in miscare.

4. τττ

τ

dppm )(1

0∫= d) energia cinetica totala a unui corp in miscare;

11. Celulele multicristaline si fotoelectrochimice sunt formate prin: a) depunerea de siliciu pe un suport din materiale flexibile; b) depunerea de siliciu pe un suport din materiale plastice; c) depunerea de siliciu pe un suport din sticla. 12. Amplasarea turbinei eoliene se face pe dealuri: a) la distanta mai mare de 3 ori inaltimea obstacolelor şi la distanta mai mare de 5 ori diametrul rotorului; b) la distanta mai mare de 4 ori decat inaltimea obstacolelor şi la distanta mai mare de 5 ori diametrul rotorului; c) la distanta mai mare de 5 ori inaltimea obstacolelor şi la distanta mai mare de 3 ori diametrul rotorului. 13. Caracteristica de putere a unei turbine eoliene are următoarele zone: a). viteză început de funcţionare; viteza tipică medie; viteza fixată; viteza de oprire; b). înălţime turn susţinere; diametru rotor; viteza de funcţionare; c). factorul de rapiditate; coeficientul Betz; puterea aerodinamică. 14. Completaţi tabelul

Culturile cu scopuri energetice sunt

1 2 3 4

Reziduurile folosite drept biomasă sunt

1 2 3

Deseuri si sub-produsele folosite ca biomasă sunt:

1 2 3 4

15. Enumeraţi speciile de copaci cu viteză mare de creştere: a. b. c. 16. Completaţi tabelul: procese mecanice

- sortarea şi compactarea deşeurilor; - balotare, peletizare şi brichetare; - tocarea paielor şi cocenilor, presarea seminţelor oleagenoase

termice

- - -

biologice

- -

17. Arătaţi corespondenţa prin săgeţi dintre coloanele A şi B:

A B conţinutul de Cl măreşte temperatura de topire a cenuşii, utilizarea cenuşii

conţinutul de N reduce temperatura de topire a cenuşii, coroziunea schimbătoarelor de căldură, formarea aerosolilor

conţinutul de S coroziune, emisii de HCl, dioxine şi furani conţinutul de K emisia de NOx, N2O, coroziune conţinutul de Na emisia de SOx, coroziune

conţinutul de Mg coroziunea schimbătoarelor de căldură, reduce temperatura de topire a cenuşii, formarea aerosolilor, utilizarea cenuşii

conţinutul de Ca măreşte temperatura de topire a cenuşii, utilizarea cenuşii 18. Iradianţa sau insolaţia este; a). rata cu care energia solară ajunge o unitate de suprafaţă de pe Pământ şi se exprimă în W/m2; b). cantitatea de energie solară incidentă pe o suprafaţă într-o anumită perioadă de timp şi se exprimă în J/m2

c). rezultatul integrării sau însumării radianţei solare pe o perioadă de timp şi se exprimă în Wh/m2. 19. Factorul geometric, Rb este: a). raportul dintre radiaţia solară reflectată şi radiaţia solară incidentă măsurată deasupra atmosferei; b). raportul dintre radiaţia directă incidentă pe o suprafaţă înclinată şi cea pe o suprafaţă orizontală; c). raportul dintre radiaţia directă incidentă pe o suprafaţă orizontală şi cea pe o suprafaţă înclinată. 20. În bazele de date cu radiaţia solară sunt disponibile: a). media lunară a radiaţiei totale zilnice pe o suprafaţă orizontală şi radiaţia totală orară pe o suprafaţă orizontală pentru fiecare oră a perioadei considerate (unul sau mai mulţi ani); b). iradianţa solară globală corespunzătoare cerului senin sau normal estimată pentru fiecare 15 minute ale unei zile tipice dintr-o lună pentru o suprafaţă orizontală sau suprafaţă cu diferite înclinări şi orientări c). iradianţa solară directă pe o suprafaţă normală, pentru atmosfera senină. 21. Puterea produsă de o celulă solară depinde de: a). temperatura aerului; b). luminozitate; c). radiaţia solară. 22. Cu o suprafaţă de1m2 de baterii fotoelectrice din siliciu situate la suprafaţa Pământului se pot obţine: a) 1000 W; b). 1367 W c). 100 W. 23. Arătaţi corespondenţa prin săgeţi dintre urmatoarele unghiuri si definitiile lor:

unghiul de inaltare a soarelui unghiul dintre proiectia razei soarelui pe planul orizontal si directia sud

unghiul orar unghiul dintre raza solara si planul orizontal

unghiul azimutului solar unghiul dintre planul meridian al locului si planul meridian al soarelui masurat in planul ecuatorului

unghiul altitudinii solare unghiul masurat in planul cercului vertical al Soarelui intre directia razei Soarelui in locul considerat si planul orizontal

24. Care dintre urmatoarele afirmatii este adevarata: a. trecerea de la energia primara la cea secundara este insotita de pierderi de conversie; b. energia utila este efectiv inmagazinata intr-un produs sau utilizata pentru un serviciu; c. ambele afirmatii sunt adevarate. 25. Soarele radiaza energie elctromagnetica sub forma de: a. fotoni si neutroni; b. protoni si neutron; c. protoni, electroni si neutron. 26. Ce se intampla la echinoctiul de primavara (21 martie)?: a. Incepe vara in emisfera sudica si iarna in emisfera nordica; b. Incepe primavara in emisfera sudica si toamna in emisfera nordica; c. Incepe primavara in emisfera nordica si toamna in emisfera sudica.

27. Echinoctiul de toamna este in data de: a. 23 septembrie; b. 21 septembrie; c. 22 octombrie. 28. La ce data incepe vara in emisfera australă si iarna in emisfera boreala: a. 21 sau 22 iunie (solstitiul de vara); b. 21 sau 22 decembrie (solstitiul de iarna); c. 23 septembrie (echinoctiul de toamna). 29. Piranometrul este un instrument folosit la masurarea iradiatiei solare. Care dintre urmatoarele afirmatii este adevarata: a. piranometrul este folosit atat la masurarea iradiantei globale incidente pe suprafete orizontale cat sip e suprafete inclinate; b. piranometrul este folosit numai pentru masurarea componentei normale directe a iradiantei solare. c. piranometrul masoara atat radiatia directa venita de la discul solar cat si radiatia circumsolara. 30. Performantele colectorului plan plat conventional : a) se reduc mult pe timp noros, rece sau vant b) cresc mult pe timp noros, rece sau vant c) nu depind de timpul noros, rece sau vant. 31. Unitatea de masura pentru radiatia solara absorbita de o suprafata inclinata (S) este : a) kW/(m2·grd) b) kW/m2 c) kW/ (m·grd) 32. La reflectoarele Fresnel liniare, umbrirea si blocarea dintre reflectoarele adiacente a) Conduce la micsorarea spatiilor dintre reflectoare; b) Conduce la marirea spatiilor dintre reflectoare; c) Nu influenteaza dimensiunile spatiilor dintre reflectoare.

33. Componentele spatiale ale radiatiei incidente sunt: a) radiatia directa si radiatia difuza; b) radiatia difuza si radiatia reflectata de sol; c) radiatia directa, radiatia difuza si radiatia reflectata de sol. d) 34. Eficienta de transformare in electricitate a biomasei prin ardere este de: a) 20-25%; b) 30-35%; c) 40-45% 35. Umiditatea limita a biomasei pentru sustinerea arderii nu trebuie sa depaseasca: a) 40% din masa; b) 50% din masa; c) 60% din masa. 36. Gasiti corespondenta intre termenii din coloana A si coloana B.

A B piroliza rapida temperatura inalta si timp de rezidenta mare carbonizarea temperatura redusa si timp de rezidenta mare gazificarea temperatura moderata si timp de rezidenta mic