Universitatea din PiteştiFacultatea de Electronică, Comunicaţii şi CalculatoareDomeniul: INGINERIE ELECTRICĂSpecializarea: ELECTROMECANICĂ

CONCENTRATOR SOLAR CU OGLINZI CARE SA PRODUCA ENERGIE

ELECTRICA CU AJUTORUL UNEI PILE TERMOELECTRICE(COMBUSTIE)

Îndrumători:

Prof. univ. dr. ing. Cicerone

ABSOLVENT: Anca Mihaela ANGHEL

PITEŞTI 2014

INTRODUCERE

Lucrarea de diplomă “Concentrator solar cu oglinzi care sa produca energie electrica cu ajutrul unei pile de combustie” a fost elaborată sub îndrumarea domnului Prof. Univ. Dr. Cicerone.

Obiectivele proiectului de diplomă sunt ……………………..

Proiectul de diplomă este structurat în ……..părţi mari, şi anume:1. Prima parte a proiectului o constituie capitolul:

2. În partea a doua este prezentat capitolul:

3. In partea a treia este prezentata:4. In partea a patra sunt prezentate: 5. Ultima parte este destinata concluziilor si contributiilor personale.

Bibliografia consultată pentru studiul de caz a fost selectată din domeniul Ingineriei şi

Managementul Producţiei, accentul fiind pus pe pilele de combustie care produc energie electrica.

CAPITOLUL I

CPNCENTRATORUL SOLAR CU OGLINZI

1. ENERGIA SOLARA

Generalităţi

Soarele reprezintă sursa de energie a Pamântului, contribuind la mentinerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K, întâlnită în spaţiul interplanetar şi este singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ.

Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a existenţei radiaţiei solare de încă aproximativ 4…5 miliarde de ani.

Pentru studiul radiaţiei solare, este important să fie definite câteva mărimi importante.Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la Soare,

măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcţia razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliţilor de cercetare ştiinţifică.

Atmosfera terestră şi suprafaţa Pământului interacţionează cu radiaţia solară, producând o serie de transformări ale acesteia, aşa cum se observă în figura 1.1

Fig.1.1. Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectiv suprafaţa terestră

Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafaţa Pământului este mai mic decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbţia şi difuzia.

În atmosferă este absorbită (reţinută, filtrată) aproape total radiaţia X şi o parte din radiaţia ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon şi alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbţia radiaţiei solare de către atmosferă.

Radiaţia absorbită este în general transformată în căldură, iar radiaţia difuză astfel obţinută este retrimisă în toate direcţiile în atmosferă.

Prin aceste procese, atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei, o radiaţie cu lungime de undă mare, denumită radiaţie atmosferică.

În plus, faţa de cele două mecanisme de modificare a intensităţii radiaţiei solare, o parte din radiaţia solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer şi anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiaţia solară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiaţia bolţii cereşti.

Radiaţia globală ajunsă de la Soare, pe o suprafaţă orizontală la nivelul solului într-o o zi senină, reprezintă suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză.

Radiaţia solară directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare.Radiaţia solară difuză poate fi considerată aceeaşi, indiferent de orientarea suprafeţei

receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferenţe.Figura 1.2 prezintă proporţia dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă, în radiaţia globală.

Este interesant de remarcat că radiaţia difuză prezintă o pondere mai mare decât radiaţia directă.

Fig 1. 2 Raportul dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeţei Pământului, perpendicular pe direcţia razelor solare, pentru condiţiile în care cerul este perfect senin şi lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale şi Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintă suma dintre radiaţia directă şi difuză.

Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanţi, cum sunt:

Înălţimea soarelui pe cer (unghiul format de direcţia razelor soarelui cu planul orizontal); Unghiul de înclinare a axei Pământului; Modificarea distanţei Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie

eliptică, uşor excentrică.); Latitudinea geografică.

Captarea radiţiei solare

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă. Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 1.3 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 1.4

Fig 1. 3 Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

Fig 1. 4 Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)

Energia solară termică

La originea tuturor tipurilor (cu excepţia a două - geotermală şi a mareelor) de surse regenerabile este soarele. Orice suprafaţă neagră expusă razelor, numită suprafaţă absorbantă, transformă energia solară în căldură. Această suprafaţă absorbantă prezintă cel mai simplu exemplu de convertor direct a radiaţiei solare în energie termică, numit colector solar plan,. Conversia termică a energie solare cuprinde mai multe tehnologii: încălzirea apei cu colectoare plane sau vidate, uscarea produselor agricole şi plantelor medicinale, semifabricatelor în procesarea lemnului, refrigerarea solară, distilarea apei, producerea energiei electrice folosind procesul termodinamic, etc. În prezentul capitol accentul se pune pe trei tehnologii - producerea apei calde, uscarea produselor şi încălzirea spatiilor .Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi fotovoltaice.

Instalaţiile termice ajută la economisirea gazului metan, în proporţie de circa 75% pe an.

Instalaţiile fotovoltaice produc energie electrică gratis (cu lumina soarelui).

Panourile solare fotovoltaice produc energie electrică 4h/zi. Aceste panouri solare produc energie electrică şi în acelaşi timp înmagazinează energie în baterii, pentru a fi folosită dealungul nopţii fără legatură la reţeaua electrică natională.Pereţii clădirilor sunt acumulatoare de energie termică, iar ferestrele şi camerele colectoare solare de căldură, care permit pătrunderea radiaţiei solare în banda vizibilă (unde scurte) în interior şi nu permit radiaţiei infraroşii (unde lungi) să părăsească încăperea. Această tehnologie şi respectiv sistemele folosite pentru realizarea ei, mau târziu, au fost denumite sisteme pasive de utilizare a energiei solare. Sistemele pasive se deosebesc prin următoarele două particularităţi distincte:- Procesele de colectare, stocare şi

folosire a energiei sunt integrate în structura clădirii. Razele solare încălzesc nemijlocit consumatorul de căldură;- Sistemele pasive nu necesită energie mecanică pentru transportul energiei termice către consumator sau rezervorul pentru stocare. Mişcarea fluxurilor de aer are loc în virtutea diferenţelor de temperatură între diferite straturi. Sistemele active de conversie a energiei solare sunt dotate cu colectoare solare speciale, în care radiaţia solară este transformată în căldură, apoi prin intermediul unui caloportor (de obicei apă sau aer) este transportată la locul de consum sau stocată în rezervor.

Cele mai răspândite tipuri de colectoare solare sunt: colectorul plan solar fără concentrarea radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de maximum 1500C şi colectorul solar cu concentrarea radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de sute de grade.Colectorul solar diferă de majoritatea schimbătoarelor de căldură convenţionale în care transferul de căldură prin radiaţie joacă un rol nesemnificativ. În colectorul solar, transferul de energie către lichid sau gaz se realizează la distanta prin intermediul radiaţiei solare cu lungimea de undă cuprinsă între 0,3 şi 3 μm şi densitatea de putere de maximul 1000-1100 W/m2.Colectorul solar de formă plană poate fi proiectat pentru a furniza apă caldă la temperaturi medii, de circa 40-150 oC. El foloseşte ambele componente ale radiaţiei solare - directă şi difuză, nu necesită urmărirea soarelui pe bolta cerească, generează mici cheltuieli în exploatare şi are o construcţie mult mai simplă în comparare cu colectoarele cu concentrarea radiaţiei solare. Acest tip de colector este parte componentă a oricărui sistem pentru încălzirea apei, spatiilor locative, uscătoriilor solare şi sistemelor de refrigerare. Are un grad avansat de perfecţiune tehnică şi tehnologică.Schema constructiv a colectorului solar pentru încălzirea apei este prezentată în figura 1.5.

Principalele părţi componente sunt: lada neagră- 5 cu izolaţie termică- 4 a trei pereţi, acoperită din partea frontală cu su`prafaţa transparentă-3. Schimbătorul de căldură este de tip placă metalică-ţeavă, respectiv suprafaţa absorbantă-1 şi ţevile 2. În cazul colectorului cu aer, schimbătorul de căldură este de tip placă metalică - canal pentru aer.

Fig 1. 5 Schema constructivă a colectorului solar

Fig 1. 6 Shimbătoare de căldură utilizate în colectoarele solare

Funcţionarea colectorului solar se bazează pe două fenomene fizice: absorbţia de către un corp negru a radiaţiei solare realizate pe suprafaţa absorbantă şi efectul de seră realizată pe suprafaţa transparentă. În cazul colectorului solar, se realizează un efect de seră artificial. O suprafaţa este transparentă pentru razele solare şi opacă pentru radiaţia infraroşie.

Temperatura suprafeţei absorbante creşte şi căldura este transmisă apei care circulă prin ţevile 2. Schimbătorul de căldură de tip placă–ţeavă este principalul element al colectorului. Există diferite soluţii tehnice de îmbinare a plăcii 1 cu ţevile 2. Cele mai optime soluţii sunt prezentate în figura 2: serpentină (a), cu ţevi paralele (b), cu canale formate din două plăci metalice sudate prin metoda de contact (c) sau canale formate în interiorul unei plăci din masă plastică (d). Cu scopul de-a micşora pierderile termice prin spaţiul dintre suprafaţa absorbantă şi cea transparentă, schimbătorul de căldură tip placă-ţeavă se montează într-un cilindru (tub) de sticlă din care se scoate aerul. Astfel, scade considerabil transferul de căldură prin convecţie dintre cele două suprafeţe şi creşte randamentul colectorului. În figura 3 sunt prezentate două scheme constructive de colectoare vidate. În tubul de sticlă 1 sunt amplasate etanş suprafaţele absorbante 2 şi ţeava 3. Între aceste două scheme există o diferenţă esenţială. În schema a) apa rece intră prin ştuţul 5 se încălzeşte şi prin ştuţul 4 este transportată în rezervorul de acumulare.

Ambele ştuţuri trebuie să fie montate etanş cu tubul de sticlă. Tubul 1 şi ţeava 3 se dilată diferit, ceia ce provocă pierderea etanşului ştuţ-tubul de sticlă. În schema a doua există o singură conexiune etanş - a capătului 6 a ţevii 3. Transferul de căldură se realizează în schimbătorul de căldură 8, unde sunt montate capătului ţevii 6, care joacă rolul de condensator şi ţeava 7 prin care circulă apa. Ţeava 3 este umplută parţial cu un lichid cu o temperatură relativ joasă de evaporare. Sub acţiunea căldurii absorbită de placa 2, lichidul se evaporează, presiunea create şi vaporii se mişcă spre condensator - capătul 6 a ţevii. Aici, vaporii se condensează, cedând căldura apei care circulă prin ţeava 7. Lichidul din condensator se scurge în direcţie opusă în ţeava 3. Colectorul solar cu tuburi vidate conţine câteva tuburi unite în paralel şi montate într-o carcasă comună, formând un registru.

Dezavantajele colectoarelor solare cu vid: sunt mai scumpe; au o masă mai mare; există pericolul deteriorării conexiunilor etanşate şi nu pot fi reparate în condiţii de exploatare. Schema constructivă a colectorului solar pentru încălzirea aerului are următoarele componente(figura 4): suprafaţa absorbantă 1, suprafaţa transparentă 2, izolaţia termică 3 şi carcasa 4. Transferul de căldură are loc între suprafaţa absorbantă şi fluxul de aer care circulă prin canalul dintre cele două suprafeţe sau suprafaţa absorbantă şi stratul de izolaţie termică. Densitatea aerului este de circa 900 ori mai mică decât a apei şi va fi nevoie de o circulaţie cu mult mai intensă a aerului. În acest scop se foloseşte ventilatorul 5 pentru a transporta aerul rece spre suprafaţa absorbantă şi mai departe la consumator. Conductivitatea termică a aerului este de circa 25 ori mai mică decât a apei şi va trebui să mărim substanţial suprafaţa de contact dintre suprafaţa transparentă şi fluxul de aer pentru a obţine acelaşi transfer de căldură.

Fig 1. 7 Scheme constructive de colectoare vidate

Fig 1. 8 Colector solar pentru încălzirea aeruluiVariantele constructive ale suprafaţei transparente au ca scop mărirea suprafeţei de

contact dintre aer şi suprafaţa absorbantă, crearea circulaţiei turbulente a aerului şi majorarea eficienţei transferului de căldură-fig. 5:

a) Suprafaţă ondulată, fluxul de aer circulă prin ambele canale; b) Fluxul de aer circulă prin canale dreptunghiulare formate din plăci metalice sudate pe

partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru; c) Fluxul de aer circulă prin canale triunghiulare formate din plăci metalice sudate pe

partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru; d) Suprafaţa absorbantă este formată din plasă metalică sau plasă metalică umplută cu

material granulat prin care circulă fluxul de aer.

Fig 1. 9 Colectoare solare pentru încălzirea aerului: scheme constructive ale suprafeţelor absorbante

Funcţionarea concentratoarelor solare se bazează pe două fenomene: reflecţia şi refracţia luminii. Cele mai răspândite tipuri de concentratoare a energiei solare folosite în conversia termică sunt: cilindro-parabolice, paraboloidale şi cu heliostate. Toate au în componenţa sa trei elemente principale: reflectorul care recepţionează radiaţia solară şi o direcţionează în focar; receptorul amplasat în focar şi care transformă radiaţia solară în căldură; sistemul de urmărire a traiectoriei soarelui. Parametrii de bază, care caracterizează un concentrator solar sunt coeficienţii de concentrare care reprezintă

- raportul dintre aria suprafeţei deschise razelor solare, Aa şi aria suprafeţei receptorului, Ar- cel geometric :

- raportul dintre densitatea de putere a radiaţiei directe pe suprafaţa receptorului, Br şi densitatea de putere a radiaţiei directe pe apertură, Ba- cel optic:

Pentru un concentrator ideal Cg=Cr, în realitate C<Gg. Luând în consideraţie distanţa dintre pământ şi soare, diametrul discului solar , coeficientul de concentrare geometric nu poate fi mai mare decât:

Concentratorul( fig. 1.10) cuprinde: oglinda cilindro-parabolică reflectoare - 1, receptorul de radiaţie solară - 2 care prezintă o conductă prin care circulă lichidul caloportor(apă). Receptorul 2 este montat în focarul cilindrului parabolic. O particularitate importantă a concentratorului cilindro-parabolic constă în urmărirea doar a unei coordonate a traiectoriei soarelui - unghiul de înălţare as. În construcţia din figură se urmăreşte rotirea oglinzilor 1 în jurul axei 3. Temperatura receptorului atinge valori de 400 - 5000C şi permite obţinerea aburului şi generarea energiei electrice.

Fig 1. 10 Concentrator cilindro-parabolicPentru estimarea temperaturii receptorului se prezintă schema simplificată a

concentratorului cu oglindă parabolică: 1- este o oglindă cilindro-parabolică sau paraboloidală; 2 - receptorul amplasat în focarul parabolei sau paraboloidului; 3 - ecranul receptorului. Oglinda cilindro-parabolică are lungimea l şi deschiderea D, iar în cazul oglinzii paraboloidale - diametrul deschiderii este egal cu D. Receptorul concentratorului cilindro-parabolic prezintă o ţeavă cu diametrul d şi lungimea l sau este de formă sferică cu diametrul d pentru concentratorul

paraboloidal. Dimensiunea unghiulară a discului solar este egală cu , unde (vezi figura 1.11)

Fig 1. 11 Schema simplificată a concentratorului parabolic

Puterea radiaţiei solare absorbită de receptor este:

Receptorul, având temperatura TR, emite în spaţiu puterea radiantă, care se determina cu expresia:

În regim staţionar termic puterea absorbită este egală cu puterea radiată (alte pierderi de putere a receptorului sunt neglijate), de unde determinăm temperatura maximală a receptorului:

Caracteristicile termice şi constructive ale colectorului plan solar În figura 1.12 se prezintă bilanţul energetic simplificat al unui colector plan standard.

Fig 1. 12 Bilanţul energetic simplificat al colectorului plan solar

Din radiaţia solară totală incidentă(G) de unde scurte, directă(B) şi difuză (D) şireflectată (R) pe suprafaţa transparentă,o parte importantă G, determinată de coeficientulde transparenţă , ajunge pe suprafaţa absorbantă unde se transformă în căldură.

Suprafaţatransparentă reflectă în spaţiu radiaţia G şi absoarbe T G. O parte din radiaţia Gincidentă pe suprafaţa absorbantă este reflectată, iar cea mai mare parte se transformă încăldură. Pentru suprafaţa transparentă suma coeficienţilor este unitară.