1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE
CUPRINS
1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE
1.1. Considerații generale
1.1.1. Generalități privind energia
1.1.2. Condiții energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile4
1.1.3. Câteva tipuri de energii regenerabile și folosirea acestora în România
1.2. Energiile regenerabile și încălzirea clădirilor
1.2.1. Noțiuni de eficiență termică a clădirilor
1.2.2. Case pasive energeti
1.2.3. Sisteme de încălzire cu energie regenerabilă
1.2.4. Importanța acumulării energiei termice
2. ENERGIA SOLARĂ
2.1. Particularități ale energiei solare
2.1.1. Considerații privind radiația solară
2.1.2. Compoziția spectrală a radiației solare
2.1.3. Captarea radiației solare 3
2.2. Construcția captatorilor solari
2.2.1. Colectori plani
2.2.2. Colectori cu tuburi vidate
2.2.3. Colectori cu tuburi termice
2.3. Randamentul colectorilor solari
2.4. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
2.4.1. Caracterul variabil al radiației solare
2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
2.4.3. Concluzii
2.5. Monitorizarea intensității radiației solare
2.5.1. Noțiuni introductive
2.5.2. Senzori
2.5.3. Rezultate
3. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
3.1. Efectul fotovoltaic
3.2. Caracteristici ale celulelor fotovoltaice
3.3. Tipuri de celule fotovoltaice
3.4. Noi tendințe în fabricația celulelor fotovoltaice
3.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute prin efect fotovoltaic
3.5.1. Sistem pentru producerea și utilizarea curentului continuu
3.5.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ88
5.5.3. Sistem fotovoltaic hibrid
3.5.4. Sistem fotovoltaic racordat la rețea
4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
4.1. Principiul de funcționare al turbinelor eoliene
4.2. Clasificarea turbinelor eoliene
4.3. Părțile componente ale turbinei eoliene
4.4. Aerodinamica turbinelor eoliene
4.4.1. Lucrul mecanic, energia cinetică și puterea vântului
4.4.2. Noțiuni introductive de aerodinamică
4.4.3. Aerodinamica biciclistului
4.4.4. Aerodinamica paletei turbinei
6.4.5. Portanța
4.4.6. Modificarea forțelor în lungul paletei
4.4.7. Geometria profilului paletei
4.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute din energie eoliană
4.5.1. Sistem pentru utilizarea casnică a energiei electrice eoliene
4.5.2. Sistem pentru pomparea apei cu ajutorul unei turbine eoliene
4.5.3. Sisteme eoliene hibride pentru producerea energiei electrice
CUPRINS
1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE
1.1. Considerații generale
1.1.1. Generalități privind energia
1.1.2. Condiții energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile4
1.1.3. Câteva tipuri de energii regenerabile și folosirea acestora în România
1.2. Energiile regenerabile și încălzirea clădirilor
1.2.1. Noțiuni de eficiență termică a clădirilor
1.2.2. Case pasive energeti
1.2.3. Sisteme de încălzire cu energie regenerabilă
1.2.4. Importanța acumulării energiei termice
2. ENERGIA SOLARĂ
2.1. Particularități ale energiei solare
2.1.1. Considerații privind radiația solară
2.1.2. Compoziția spectrală a radiației solare
2.1.3. Captarea radiației solare 3
2.2. Construcția captatorilor solari
2.2.1. Colectori plani
2.2.2. Colectori cu tuburi vidate
2.2.3. Colectori cu tuburi termice
2.3. Randamentul colectorilor solari
2.4. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
2.4.1. Caracterul variabil al radiației solare
2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
2.4.3. Concluzii
2.5. Monitorizarea intensității radiației solare
2.5.1. Noțiuni introductive
2.5.2. Senzori
2.5.3. Rezultate
3. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
3.1. Efectul fotovoltaic
3.2. Caracteristici ale celulelor fotovoltaice
3.3. Tipuri de celule fotovoltaice
3.4. Noi tendințe în fabricația celulelor fotovoltaice
3.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute prin efect fotovoltaic
3.5.1. Sistem pentru producerea și utilizarea curentului continuu
3.5.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ88
5.5.3. Sistem fotovoltaic hibrid
3.5.4. Sistem fotovoltaic racordat la rețea
4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
4.1. Principiul de funcționare al turbinelor eoliene
4.2. Clasificarea turbinelor eoliene
4.3. Părțile componente ale turbinei eoliene
4.4. Aerodinamica turbinelor eoliene
4.4.1. Lucrul mecanic, energia cinetică și puterea vântului
4.4.2. Noțiuni introductive de aerodinamică
4.4.3. Aerodinamica biciclistului
4.4.4. Aerodinamica paletei turbinei
6.4.5. Portanța
4.4.6. Modificarea forțelor în lungul paletei
4.4.7. Geometria profilului paletei
4.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute din energie eoliană
4.5.1. Sistem pentru utilizarea casnică a energiei electrice eoliene
4.5.2. Sistem pentru pomparea apei cu ajutorul unei turbine eoliene
4.5.3. Sisteme eoliene hibride pentru producerea energiei electrice
1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE
1.1. Considerații generale
1.1.1. Generalități privind energia
Energia, este definită în [NUME_REDACTAT] al [NUME_REDACTAT], în literatura de specialitate din țară și din străinătate, ca și pe numeroase site-uri web, în diverse limbi de circulație internațională, ca fiind capacitatea unui sistem fizic de a produce lucru mecanic. Uneori se menționează în definiția energiei și capacitatea unui sistem fizic de a produce căldură. Cu toate acestea, noțiunea de energie este mult mai complexă, fiind evident, asociată și cu alte sisteme în afară de cele fizice și anume sisteme biologice, chimice, etc. Unele mențiuni din literatura tehnică de specialitate, consideră că energia este implicată în toate procesele care presupun orice fel de schimbare sau transformare, fiind responsabilă de producerea acestor schimbări sau modificări. Se poate considera chiar că material în sine, reprezintă o formă “condensată” de energie, iar această energie este înmagazinată în atomii și moleculele din care este alcătuită materia.
Legătura dintre cele două forme de manifestare, energia și materia, este reprezentată de celebra ecuație a lui [NUME_REDACTAT]:
E = m · c2
unde:
E este energia; – M este masa;
c este viteza luminii.
Este demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriașă de energie, conținută în atomi și molecule poate fi eliberată și utilizată în diverse scopuri, iar în urma desfășurării acestor procese, materia utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformări considerabile. Două dintre cele mai reprezentative exemple ale acestor genuri de transformări sunt producerea energiei electrice prin fisiune nucleară, respectiv explozia focoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări ale materiei în cantități uriașe de energie.
În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate în continuare, pot fi întâlnite mai multe forme de energie și numeroase tipuri de transformare a energiei dintr-o formă în alta.
Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile disponibile, sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri de asemenea combustibili fiind petrolul și produsele obținute din acesta, gazele naturale și cărbunii.
Disponibilitățile energetice actuale se pot împărți în două categorii și anume rezerve energetice și resurse energetice.
Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate în condiții de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente.
Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în condiții de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creșterii prețului energiei.
În prezent, cca. 85…90% din energia consumată anual pe Pământ, este produsă prin arderea combustibililor fosili.
În anul 2030, se estimează că din punct de vedere al sursei utilizate, structura producției energetice va fi aproximativ următoarea:
75…85% din arderea combustibililor convenționali;
10…20% din fisiune nucleară; – 3…5% din energie hidraulică;
cca. 3% din energie solară și eoliană.
În anul 1975, producția energetică mondială a fost de cca. 8,5 TWan/an, iar în prezent nivelul producției energetice este de cca. 10 TWan/an. Pentru anul 2030, ținând seama de ritmul creșterii populației, se estimează că producția de energie va ajunge la 22 TWan/an și ținând seama de ritmul creșterii economice, se va ajunge la 36 TWan/an. Din aceste valori, energia electrică reprezintă doar cca. 18…20%, un procent mult mai mare fiind reprezentat de energia termică.
Din punct de vedere dimensional, 1 TWan = 1·1012 Wan
1.1.2. Condiții energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile
Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol, este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale și cărbuni.
Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internațional au fost create numeroase organizații pentru studierea fenomenelor legate de evoluția consumurilor și rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizație de acest tip este [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] (ASPO) Asociația pentru [NUME_REDACTAT] de Petrol și [NUME_REDACTAT]. Această asociație se autodefinește ca fiind o rețea de oameni de știință și alte categorii de persoane, interesați de identificarea informațiilor și impactului produs de deficitul petrolului și gazelor naturale.
ASPO definește deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferența dintre cantitatea de petrol extrasă (producția) și cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definit deficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunță că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv a producției, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menținut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului și a gazelor naturale.
Deficitul de petrol este sugestiv prezentat în figura 1.1, conform datelor publicate de ASPO în anul 2004.
Fig. 1.1. Evoluția producției de petrol și a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004. www.peakoil.net
Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10 noiembrie 2005 ASPO a anunțat că în Kuweit, după șase decenii de exploatare intensivă, cel mai important câmp petrolier din această țară și al doilea din lume, a început să dea semne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le conține. Acest fapt a fost recunoscut și de Kuweit, în martie 2006.
Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcământ al lumii, s-a impus reducerea producției de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit abandonata o tentativa de a stabili nivelul producției la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al producției care s-a dovedit a fi prea ridicat.
Datorită existenței actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată o reducere constantă a producției de petrol, începând cu anul 2010, așa cum este indicat în figura 1.2. Creșterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prin faptul că este necesar să treacă o perioadă de timp până când în economie, se vor putea lua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.
Fig. 1.2. Evoluția estimată a producției mondiale de petrol. ASPO 2006 www.peakoil.net
În condițiile prezentate, apare ca explicabilă continua creștere a prețului petrolului din ultima perioadă, așa cum se observă în figura 1.3.
Fig. 1.3. Evoluția prețului petrolului în perioada 1996 – 2005. ASPO 2006. www.peakoil.net
Spre deosebire de criza petrolului de la sfârșitul anilor ’70, încheiată cu scăderea prețului petrolului, se estimează că actuala tendință crescătoare a prețului este continuă și ireversibilă, iar impactul pe care acest preț îl va avea asupra economiei mondiale este dificil de estimat, dar va fi cu siguranță unul extrem de important.
Estimările actuale ale ASPO, privind perioadele rămase până la epuizarea rezervelor de combustibili fosili, sunt prezentate în tabelul următor.
Analizând aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas până la epuizarea resurselor existente, cel puțin în cazul petrolului și a gazelor naturale, impune găsirea unor soluții rapide și eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce până atunci cu ajutorul acestor combustibili. Aceste soluții sunt cu atât mai necesare cu cât consumurile de energie ale economiei mondiale sunt în continuă creștere și nu se estimează o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluție previzibilă este reprezentată de utilizarea energiilor regenerabile.
O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenționali, este reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere a energiei. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră și la accelerarea modificărilor climatice conexe acestui fenomen. În figura 1.4, este prezentat nivelul acestor emisii.
Fig. 1.4. Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă www.renewables-made-in-germany.com Analizând acest grafic, se observă că de la începutul epocii industriale, până în prezent, nivelul emisiilor de CO2, a crescut cu peste 30%.
Pentru a justifica importanța problemei emisiilor de CO2, sunt prezentate în figura 1.5, valorile pagubelor produse din cauze naturale în perioada ianuarie – septembrie 2002, iar în figura 1.6, valorile pagubelor produse datorate modificărilor climatice, în perioada 1950 – 1999.
Fig. 1.5. Valorile pagubelor produse din cauze naturale în ianuarie – septembrie 2002. [NUME_REDACTAT] Agency 2004: www.dena.de/en
Se observă că pagubele produse de furtuni și inundații, care au legătură cu modificările climatice, sunt mult mai mari decât pagubele produse de cutremure, sau de alte evenimente.
Fig. 1.6. Valorile pagubelor produse datorită modificărilor climatice.
[NUME_REDACTAT] Agency 2004: www.dena.de/en
Este evident că modificările climatice din ultimii ani, caracterizați printr-un nivel crescut al emisiilor de CO2, au produs mult mai multe pagube decât în perioadele caracterizate de un nivel mult mai redus al poluării.
Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelul ridicat al pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că este foarte posibil să existe o corelație între nivelul ridicat al emisiilor de CO2 și modificările climatice, cu impact negativ asupra mediului.
Una din cele mai eficiente soluții pentru reducerea nivelului emisiilor de CO2, îl reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem de redus al acestor emisii.
1.1.3. Câteva tipuri de energii regenerabile și folosirea acestora în [NUME_REDACTAT] mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate în continuare:
Energia vântului Energia biomasei
Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele:
Sunt ecologice;
Nu generează emisii de CO2;
Sunt disponibile în cantități teoretic nelimitate;
Pot fi utilizate local;
Reprezintă soluții pentru toate nevoile.
Deci se poate spune că sursele regenerabile de energie avute in vedere pentru a fi stimulate sunt: energia eoliana, hidroenergia, energia geotermala, biomasa si energia solara.
Din fericire, România poate dezvolta sisteme de producție pe toate tipurile de surse regenerabile, in funcție de specificul fiecărei zone geografice din tara. In urma studiilor realizate la nivelul tarii noastre, potențialul in domeniul producerii de energie verde este de 65% biomasa, 17% energie eoliana, 12 % energie solara, 4% microhidrocentrale si 2% voltaic si geotermal.
Conform hărții elaborate de câtre [NUME_REDACTAT] de Meteorologie, potențialul energetic al României este repartizat zonal, astfel:
[NUME_REDACTAT] – energie solara;
Dobrogea – energie solara si eoliana;
Moldova – micro-hidro, energie eoliana, biomasa;
Carpați – potențial ridicat de biomasa si micro-hidro;
Transilvania – potențial ridicat pentru micro-hidro;
Câmpia de Vest – posibilități de valorificare a energiei geotermale;
Subcarpați – potențial pentru biomasa si micro-hidro;
[NUME_REDACTAT] – biomasa, energie geotermica si energia solara.
Energia regenerabilă se referă deci la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie nereînnoibile includ energia nucleară precum și energia generată prin arderea combustibililor fosili, așa cum ar fi țițeiul, cărbunele și gazele naturale. Aceste resurse sunt, în chip evident, limitate la existența zăcămintelor respective și sunt considerate în general (a se vedea teoria academicianului român [NUME_REDACTAT] de formare anorganică a țițeiului și a gazelor naturale) ne-regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:
energia eoliană
energia solară
energia apei o energia hidraulică o energia mareelor
energia geotermică
energie derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz
Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc.
Energie eoliană
Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei turbine eoliene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pământului de către energia radiată de Soare care ajunge la suprafața planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer produce zone de aer de densități diferite, fapt care creează diferite mișcări ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea
elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine eoliene sunt capabile de a produce până la 5 MW de energie electrică, deși acestea necesită o viteză constantă a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe oră. În puține zone ale Pământului există vânturi având viteze constante de această valoare, deși vânturi mai puternice se pot găsi la altitudine mai mare și în zonele oceanice. Singurul dezavantaj al energiei eoliene este ca necesita service datorita uzurii.
Pentru amplasarea agregatelor eoliene sunt interesante doar zonele in care viteza medie a vântului este cel puțin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului (la care, de altfel, se fac măsurătorile in cadrul stațiilor meteorologice).
Cu excepția zonelor montane, unde condițiile meteorologice vitrege fac dificila instalarea și întreținerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare pragului de 4m/s se regăsesc in: [NUME_REDACTAT] Moldovenesc si in [NUME_REDACTAT] prezintă și el potențial energetic întrucât, in aceasta zona, viteza medie anuala a vântului depășește pragul de 4m/s. Pe baza evaluării și interpretării datelor înregistrate, în România se pot monta instalații eoliene cu o capacitate de pana la 14000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrica de aproape 23000 GWh/an.
In zona litoralului, pe termen scurt si mediu, potențialul energetic eolian amenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrica de 4500 GWh/an.
Energie solară
Panouri solare
Conceptul de "energie solară" se referă la energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deși energia solară este reînnoibilă și ușor de produs, problema principală este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotației Pământului în jurul axei sale, și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilele noroase, când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicațiile acestei forme de energie reînnoibilă.
Nu există nici un dezavantaj deoarece instalațiile solare aduc beneficii din toate punctele de vedere.
Panourile solare produc energie electrică 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore) Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică și în același timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea.
Instalațiile solare sunt de 2 tipuri: termice și fotovoltaice. Cele fotovoltaice produc energie electrică gratis. Cele termice ajută la economisirea gazului în proporție de 75% pe an. O casă care are la dispoziție ambele instalații solare (cu panouri fotovoltaice și termice în vid) este considerată "FARA FACTURI" deoarece energia acumulată ziua în baterii este trimisă în rețea).
Instalațiile solare funcționează chiar și atunci când cerul este înnorat. De asemenea sunt rezistente la grindină (în cazul celor mai bune panouri).
Hidroenergia
O alta sursa de energie regenerabila in care România are potențial imens este apa. Potrivit datelor autorităților de mediu, in momentul de fata, potențialul hidroenergetic al României este folosit in proporție de 48%.
[NUME_REDACTAT], potențialul hidroenergetic al râurilor principale este de circa 40000 GWh/an, care se poate obține în amenajări
hidroenergetice de mare putere (10 MW/unitate hidro) sau de mica putere ( 10 MW/unitate hidro).
[NUME_REDACTAT] este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. (Definiție cuprinsă în Hotărârea nr.
1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanților și a altor carburanți regenerabili pentru transport).
Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.
Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca forma de păstrare a energiei Soarelui in forma chimica, biomasa este unul din cele mai populare si universale resurse de pe Pământ. Ea asigura nu doar hrana, ci si energie, materiale de construcție, hârtie, țesături, medicamente si substanțe chimice.
Biomasa este utilizata in scopuri energetice din momentul descoperirii de câtre om a focului. Astăzi combustibilul din biomasa poate fi utilizat in diferite scopuri – de la încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice si a combustibililor pentru automobile. Compoziția chimica a biomasei poate fi diferențiată în câteva tipuri. De obicei, plantele conțin 25% lignina si 75% glucide (celuloza si hemiceluloza) sau zaharide. Fracțiunea glucidica este compusa dintr-o mulțime de molecule de zaharide, unite intre ele prin lanțuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta ligninica este compusa din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloza la formarea țesuturilor, care asigura integritatea plantelor. Lignina apare in plante sub o forma asemănătoare lipiciului, care leagă moleculele celulozice intre ele.
Bioxidul de carbon din atmosfera si apa din sol participa in procesul obținerii glucidelor (zaharidelor), care formează “blocurile de construcție” a biomasei. Astfel, energia solara utilizata la fotosinteza își păstrează forma chimica in structura biomasei. Daca se arde efectiv biomasa (extragem energia chimica), atunci oxigenul din atmosfera și carbonul din plante reacționează formând dioxid de carbon si apa. Acest proces este ciclic, deoarece bioxidul de carbon poate participa din nou la procesul de formare a biomasei.
Utilizarea biomasei crește foarte rapid, în unele state dezvoltate fiind utilizată destul de intens, cum este cazul Suediei, care își asigura astfel 15% din necesitatea in surse energetice primare. Suedia planifica pe viitor creșterea volumului biomasei utilizate concomitent cu închiderea stațiilor atomo- și termo-electrice, care utilizează combustibil fosil. |n SUA, ponderea biomasei in totalul energiei utilizate este de 4%.
Biomasa poate asigura cu ușurința peste 20% din necesitățile energetice a tarii. Altfel spus, resursele funciare existente și infrastructura sectorului agrar permite înlocuirea completa a tuturor stațiilor atomice, fără a influenta preturile la produsele alimentare. De asemenea, utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micșora importul petrolului cu 50%. în România, biomasa ar putea acoperi aproape o cincime din consumul total de resurse primare sau 89% din căldura necesara încălzirii locuințelor și preparării hranei in mediul rural, numai prin consumul de reziduuri si deșeuri vegetale.
Energia înglobata in biomasa se eliberează prin metode variate, care insa, in cele din urma, reprezintă procesul chimic de ardere.
Forme de valorificare energetica a biomasei (biocarburanti): – arderea directa cu generare de energie termica.
arderea prin piroliza, cu generare de singaz (CO plus H2).
fermentarea cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH) – in cazul fermentării produșilor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, in amestec cu benzina, poate fi utilizat in motoarele cu combustie interna.
transformarea chimica a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool si generare de esteri, de exemplu, metil esteri (biodiesel) si glicerol. |n etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde in motoarele diesel.
degradarea enzimatica a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel.
Rezervele de biomasa sunt in special deșeurile de lemn, deșeurile agricole, gunoiul menajer si culturile energetice.
Avantajele valorificării deșeurilor lemnoase:
valorificarea produsului rezultat prin comercializarea sa atât pe piața internă, cat si la export;
aplicarea standardelor de calitate si de mediu existente la nivel european;
asigurarea unei protecții ecologice eficiente a populației, precum si a apei, a pădurii etc.;
reciclarea materialelor;
eliminarea deșeurilor de material lemnos de pe suprafețele de depozitare;
utilizarea eficienta a deșeurilor de material lemnos rezultate prin prelucrarea lemnului;
reducerea volumului de depozitare a materialelor combustibile, ținând seama ca volumul unei brichete este de circa șapte-opt ori mai mic decât volumul ocupat de aceeași cantitate de rumeguș înainte de brichetare;
realizarea unei alternative simple pentru producerea căldurii in domeniul casnic sau in întreprinderi din mica industrie;
Concluzie: Materialul organic de biomasa utilizat pentru producția biocarburanților poate fi lemnul, culturile agricole, reziduurile forestiere, reziduurile agricole și deșeurile organice.
În prezent, în întreaga lume, trei biocarburanti se justifica pentru consum în sectorul de transport: bioetanol, biodiesel si biogaz.
Principalul biocarburant din lume este bioetanolul, urmat de biodiesel.
Obținerea bioetanolului se realizează din materii prime de natura vegetala sub forma de porumb si melasa. Furnizorii de materii prime sunt producătorii agricoli din tara, cat si furnizorii externi. Bioetanolul se utilizează ca si combustibil ecologic pentru motoarele cu ardere interna. Bioetanolul este un produs nou pe piața româneasca si cea internaționala, la un preț mai mic decât prețul combustibilului mineral.
Biodieselul se utilizează drept carburant pentru motoarele cu aprindere prin compresie, pentru centralele termice cu combustibil lichid. Utilizarea biodieselului este motivata de: reducerea consumului combustibilului fosil reducerea poluării mediului
diminuarea posibilităților de poluare accidentala a solului si apelor
Biomasa este principalul combustibil rural – folosit mai ales pentru încălzirea caselor si a apei, precum si pentru gătit.
Exploatarea la maximum a potențialului de biomasa presupune utilizarea in totalitate a reziduurilor din exploatările forestiere, a rumegușului si altor resturi din lemn, a deșeurilor agricole rezultate din cereale sau tulpini de porumb, resturi vegetale de vita de vie precum și deșeuri si reziduuri menajere urbane.
România are un potențial energetic ridicat de biomasă, ce reprezintă aproape 19% din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000.
Energia geotermala
Energia geotermică este o formă de energie obținută din căldura aflată în interiorul Pământului. Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanică și tectonică, sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității.
Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această data pe glob pentru transformarea puterea apei
geotermala in electricitate: 'uscat'; 'flash' si 'binar', depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.
Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.
Centralele 'Flash' sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafață.
Centralele cu ciclu binar diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa folosita atinge temperaturi de până la 200°C).
Energia geotermală este folosita pentru încălzirea spațiului și a apei. [NUME_REDACTAT], temperatura surselor hidrogeotermale, are temperaturi cuprinse intre 2500 C si 6000 C (in ape de adâncime), iar la geotermia de temperatura medie temperaturile variază de la 600oC până la 1250oC ('ape mezotermale').
Producerea energiei electrice în vederea furnizării în rețelele energetice naționale
Producerea locală a energiei electrice
Încălzire și răcire
Transport auto și naval
În toate țările cu realizări notabile în ceea ce privește energiile regenerabile, un impact esențial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptatea unui număr mare de reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenții. La ora actuală, piața este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile.
În figurile 1.7…1.9, sunt prezentate câteva grafice care ilustrează atât dinamica tuturor componentelor acestui domeniu, cât și impactul reglementărilor legislative, în Germania, țara din Europa cu cea mai largă preocupare în domeniul energiilor regenerabile.
Fig. 1.7. Evoluția producției energiei electrice eoliene, în Germania www.renewables-made-in-germany.com
Fig. 1.8. Evoluția diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, în Germania:
Fig.1. 9. Evoluția producției de energie electrică solară, în Germania www.renewables-made-in-germany.com
Pe toate aceste imagini se observă că cel puțin în Germania, domeniul energiilor regenerabile este într-o adevărată expansiune, influențată pozitiv de reglementări legislative stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenționarea prețului tuturor tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sau achiziționarea de către compania energetică națională din Germania, a curentului electric produs cu ajutorul panourilor fotovoltaice, la un preț mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o durată de până la 25 ani.
1.2. Energiile regenerabile și încălzirea clădirilor
Câteva dintre cele mai importante particularități ale sistemelor tehnice de producere a energiei termice cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt: Necesitatea utilizării unor soluții specifice de izolare termică;
Regimurile termice sunt caracterizate prin diferențe reduse de temperatură; Necesitatea acumulării energiei termice.
Toate aceste particularități, sunt impuse de condiții tehnico-economice particulare, care trebuie avute în vedere la proiectarea sistemelor de producere a energiei termice cu ajutorul energiilor regenerabile, condiții care vor fi prezentate detaliat în continuare.
1.2.1. Noțiuni de eficiență termică a clădirilor
În proiectarea sistemelor clasice de încălzire, se cunoaște că utilizarea izolațiilor termice are ca efect reducerea consumurilor specifice de combustibili. Experiența ultimilor ani, arată că în condițiile economice actuale, costurile inițiale ale investiției în izolația termică, sunt amortizate în cca. 2…4 ani, prin reducerea corespunzătoare a cheltuielilor cu combustibilii.
La proiectarea sistemelor de încălzire și producere a apei calde cu ajutorul energiilor regenerabile, necesitatea utilizării izolațiilor termice este și mai acută. Este evident că izolarea reduce pierderile de căldură, și prin urmare scade consumul de energie, dar în cazul utilizării energiilor regenerabile, scopul izolării este de a reduce cât mai mult posibil, necesarul de energie care trebuie asigurat. Acest obiectiv este extrem de important, deoarece tehnologiile de conversie în energie termică a surselor regenerabile de energie, sunt mult mai scumpe decât soluțiile clasice.
Structura cheltuielilor inițiale ale investiției, va avea două componente importante:
O izolație cu mult mai performantă decât în cazul sistemelor clasice; Echipamentele de conversie a energiilor regenerabile, în energie termică.
Pentru a fi posibilă reducerea costurilor echipamentelor, este obligatoriu să se reducă la minim, valorile sarcinilor termice care vor fi asigurate de aceste echipamente. Acest obiectiv este posibil numai printr-o izolare termică extrem de performantă. Astfel, costurile cu izolația se vor amortiza rapid, iar costurile echipamentelor având sarcini termice reduse, se vor amortiza în cca. 10…15 ani, ceea ce reprezintă un termen absolut rezonabil. În condițiile în care se estimează o creștere constantă a prețurilor combustibililor clasici se poate estima și că în viitorul apropiat, perioada de amortizare a costurilor echipamentelor de conversie a energiilor regenerabile în energie termică, se va reduce corespunzător.
În țările dezvoltate există reglementări precise în ceea ce privește consumurile de energie termică în care trebuie să se încadreze locuințele și există proceduri precise de evaluare energetică a clădirilor și locuințelor. Astfel de reglementări au fost introduse de exemplu, în Germania (1984), în Suedia (1990) și din nou în Germania (1995). Tot în Germania, țara europeană cu cele mai avansate preocupări în domeniul energiilor regenerabile și al reducerii consumurilor energetice în clădiri și locuințe, au fost definite și două tipuri de locuințe, ale căror consumuri de energie termică sunt și mai reduse decât cele prevăzute în reglementările obligatorii în vigoare. Denumirile acestor tipuri de locuințe sunt case cu consum energetic redus (low energy houses), respectiv case pasive energetic (passive houses).
Câteva caracteristici ale unor tipuri de locuințe menționate, sunt prezentate în tabelul de mai jos.
Consumurile anuale de energie termică ale locuințelor vechi din Germania, respectiv a celor construite în urma introducerii unor reglementări pricise, în Suedia, sau Germania, sunt prezentate în figura 1.10.
Fig. 1.10. Evoluția consumurilor energetice anuale în locuințe
CVG – case vechi Germania; G84 – reglementări Germania 1984;
S90 – reglementări Suedia 1990; G95 – reglementări Germania 1995;
CER – case cu consum energetic redus; CPE – case pasive energetic
Pentru casele de tipul S90/G95, respectiv CER și CPE, se poate analiza în mod defalcat, consumul anual de energie termică, având cele trei componente principale:
Pentru compensarea pierderilor de căldură perimetrale;
Pentru ventilare / aerisire;
Pentru prepararea apei calde menajere.
În figura 1.11, este reprezentă grafic structura consumului anual de energie termică pentru tipurile de case menționate.
Fig. 1.11. Structura consumului anual de energie termică
Analizând figurile 1.10 și 1.11, se observă că odată cu îmbunătățirea performanțelor termice ale locuințelor se reduce și consumul de energie termică pe care trebuie să în asigure echipamentele de încălzire. Este evident că energiile regenerabile vor fi utilizate cel mai eficient în casele cu consum energetic redus, respectiv în casele pasive energetic, deoarece aceste categorii de clădiri, au cele mai mici consumuri energetice și deci cheltuielile pentru echipamentele de conversie a energiilor regenerabile în căldură, vor fi cele mai reduse. Acest aspect este fundamental, deoarece s-a arătat deja că prețurile acestor echipamente sunt ridicate. Pe lângă costurile cele mai reduse posibile, ale investiției în echipamente, casele cu consum energetic redus și cele pasive sunt caracterizate și prin cele mai reduse cheltuieli propriu-zise de exploatare, facturile de energie termică fiind cele mai reduse, iar în aceste condiții, este posibilă amortizarea relativ rapidă a investițiilor.
1.2.2. Case pasive energetic
În continuare sunt prezentate câteva elemente caracteristice ale caselor pasive energetic.
Orientarea fațadei spre sud și evitarea zonelor umbrite;
Formă compactă și izolație termică performantă;
Ferestre eficiente din punct de vedere energetic;
Prezența unui sistem pentru evitarea infiltrării aerului;
Evitarea punților termice;
Împrospătarea aerului prin ventilație și un sistem eficient de recuperarea căldurii;
Utilizarea unor surse regenerabile de energie pentru prepararea apei calde; – Utilizarea de aparate electrocasnice cu consum energetic redus; – Utilizarea facultativă a încălzirii sau răcirii pasive a aerului proaspăt.
Noțiunea de casă pasivă energetic, reprezintă un concept care permite asigurarea unui confort termic ridicat, cu costuri reduse. Acest concept nu trebuie confundat cu un standard de performanță energetică ridicată. Casele pasive energetic au fost definite ca și clădiri în care condițiile de confort termic ridicat pot fi atinse prin simpla post-încălzire sau post-răcire a aerului proaspăt introdus în aceste clădiri. În aceste case, aerul nu este recirculat.
Izolația termică a caselor pasive energetic
În figura 1.12, este prezentat un detaliu de izolație termică utilizată la o casă pasivă energetic. Se observă că izolația este amplasată pe tot perimetrul exterior al clădirii, inclusiv pe acoperiș. De asemenea, trebuie remarcat că izolația se amplasează pe fața exterioară a peretelui de rezistență, la exteriorul clădirii. Dacă s-ar aplica izolația la interior (greșeală gravă care se produce frecvent la izolarea apartamentelor de bloc, în România), ar apare pericolul condensării umidității din aer, în stratul de izolație.
Fig. 1.12. Detaliu de izolație termică a unei case pasive energetic. www.passivhaustagung.de
Izolația caselor pasive energetic, trebuie să asigure un coeficient global de transfer termic, mai mic decât 0,1W/m2K. Coeficientul global de transfer termic k, reprezintă inversul rezistenței la transferul termic Rt. Astfel, valorii reduse a coeficientului global de transfer termic, îi corespunde o valoare ridicată a rezistenței termice:
1 1 m2 K
Rt = = =10
k 0,1 W
Deoarece între interiorul și exteriorul clădirii, căldura se transmite prin convecție de la interior la pereți, prin conducție, în interiorul pereților și prin convecție, de la perete la exterior, rezistența termică se poate calcula ca și sumă a rezistențelor parțiale la transferul termic:
+
Rt = k1=α1i ∑δλii +α1e
unde:
αi este coeficientul de convecție la interior, care depinde de viteza de circulație a aerului și de temperatura acestuia, având valoarea maximă de cca. αi=10W/m2K; – αe este coeficientul de convecție la exterior, care depinde de viteza vântului și de temperatura aerului exterior, având valoarea maximă de cca. αe=25W/m2K;
δi este grosimea fiecărui strat din care este realizat peretele;
λi este conductibilitatea termică a materialului din care este realizat fiecare strat al peretelui.
Valorile medii ale conductibilității termice pentru câteva materiale din care sunt realizați uzual pereții de rezistență ai clădirilor, respectiv straturile izolatoare, sunt indicate în tabelul următor:
Pentru a înțelege mai bine semnificația valorii coeficientului global de transfer termic de 0,1W/m2K, respectiv a rezistenței termice de 10m2K/W, se va considera cazul unui perete construit din cărămidă cu grosimea de 20cm (o cărămidă și jumătate), placat cu polistiren expandat și se va calcula grosimea necesară a stratului de polistiren, pentru a se asigura rezistența termică a unei case pasive energetic.
Din relația anterioară se poate obține grosimea necesară a stratului de izolație:
δiz =λiz k1 −α1i +δδPP +α1e [m]
unde s-a considerat că peretele este alcătuit din două straturi, structura de
rezistență notată cu indicele P și izolația notată cu indicele iz.
Înlocuind valorile numerice ale tuturor mărimilor care intervin, se obține:
1 1 0,2 1
δiz = 0,04∗ − + + = 0,385m ≈ 0,4m = 40cm
0,1 10 0,9 25
În concluzie, pentru ca o casă având peretele din cărămidă de 20 cm grosime, să devină casă pasivă energetic, este nevoie de un strat izolator din polistiren, cu grosimea de 40cm.
Dacă se calculează valoarea rezistenței termice Rt’ a aceluiași perete din cărămidă, fără stratul de izolație, se obține:
' 1 1 0,2 1 m 2 K
Rt = ' = + + = 0,362 k 10 0,9 25 W
iar coeficientul global de transfer termic k’, este în acest caz:
' 1 1 W
k = Rt' = 0,362 = 2,76 m 2 K
Raportul dintre rezistențele termice, sau dintre coeficienții globali de transfer termic, în cele două cazuri, este:
Rt k ' 10
' = = = 27,6
Rt k 0,36
deci prin izolare până la atingerea standardului de casă pasivă energetic, pierderile de căldură prin pereți se reduc de aproape 30 de ori. În aceste condiții, având în vedere și că prețurile energiei termice au fost în continuă creștere în ultimii ani, tendință care se va menține și în perioada următoare, devine evident că amortizarea cheltuielilor cu izolația, va fi extrem de rapidă. Dacă izolarea clădirii se realizează cu un credit ipotecar, pe o perioadă lungă de timp, practic acest credit împreună cu dobânzile aferente, vor fi suportate din economiile substanțiale realizate prin reducerea drastică a costurilor de încălzire. În aceste condiții izolarea se va realiza practic gratuit, odată cu îmbunătățirea considerabilă a confortului termic în clădire. Asemenea concluzii justifică pe deplin afirmația conform căreia casele pasive energetic permit obținerea unui confort termic ridicat, cu costuri reduse.
1.2.3. Sisteme de încălzire cu energie regenerabilă
Având în vedere necesarul de energie termică extrem de redus, datorat pierderilor perimetrale minime și faptului că se recuperează căldura aerului evacuat, în sistemul de ventilare, pentru casele pasive energetic, la fel ca ca și în cazul celor cu consum energetic redus dealtfel, este posibilă utilizarea eficientă a surselor regenerabile de energie, cum sunt biomasa solidă (de ex. peleți) sau pompele de căldură. Ambele soluții pot fi utilizate în combinație cu energia solară.
În figura 1.13 este prezentat un sistem de utilizare combinată a energiei biomasei solide și a energiei solare, iar în figura 1.14 este prezentat un sistem de încălzire tipic pentru casele pasive, care include ventilare cu recuperarea căldurii, o pompă de căldură și panouri solare.
Fig. 1.13. Utilizarea combinată a biomasei solide și a energiei solare
1 – unitate electronică de control; 2 – panou solar;
3 – senzor temperatură retur circuit solar; 4 – sistem de pompare pt. circuitul solar; 5 – senzor temperatură pt. apa din boiler; 6 – pompă circuit cazan cu biomasă www.viessmann.com
Fig. 1.14. Sistem tipic de încălzire a caselor pasive energetic www.viessmann.com
Toate sistemele de încălzire și preparare a apei calde menajere cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt caracterizate prin valori mult mai reduse ale temperaturii agentului termic și prin diferențe de temperatură mult mai mici decât în cazul sistemelor clasice. În continuare sunt prezentate două exemple tipice, care permit înțelegerea ușoară a diferențelor de regim termic dintre sistemele clasice și cele funcționând cu energii regenerabile:
În locul sistemelor clasice de încălzire cu calorifere, în care regimul termic al agentului de încălzire este de cca. 70…80°C pe tur și cca 50…60°C pe retur, la utilizarea energiilor regenerabile, se preferă adesea încălzirea prin pardosea, caracterizată de regimuri termice cu cca. 35…45°C pe tur și 30…40°C pe retur;
În locul sistemelor clasice de preparare a apei calde menajere, la temperatura de 60…65°C, cu energii regenerabile se prepară a.c.m. la temperaturi de cca. 45°C, evident în cantități mai mari.
Cele mai drastice restricții în ceea ce privește reducerea temperaturii agentului termic, sunt impuse în cazul utilizării pompelor de căldură, deoarece la creșterea temperaturii agentului furnizat, scade sensibil eficiența termică a acestor echipamente. Cu ajutorul biomasei solide, sau a energiei solare, pot fi atinse regimurile termice ale sistemelor clasice, dar sunt preferate totuși regimurile cu temperaturi și diferențe de temperaturi mai reduse, caracterizate prin pierderi mult mai mici, datorate ireversibilităților mai reduse din procesele de transfer termic.
1.2.4. Importanța acumulării energiei termice
În cazul utilizării surselor regenerabile de energie pentru încălzire sau prepararea apei calde menajere, o atenție deosebită este acordată acumulării energiei termice.
Având în vedere prețurile ridicate ale echipamentelor de conversie a energiilor regenerabile în energie termică, se evită producerea căldurii și mai ales a apei calde în regim “instant”, deoarece acest regim solicită sarcini termice ridicate, iar costurile echipamentelor necesare ar fi de asemenea ridicate.
O alternativă eficientă este reprezentată de utilizarea unor boilere în care apa caldă să fie preparată în regim cvasi-permanent. La sfârșitul perioadelor de vârf de consum, adică dimineața și seara, se va reduce temperatura apei din boilere, iar în restul timpului, când consumul este foarte redus, echipamentele de încălzire utilizând energii regenerabile, vor ridica din nou temperatura apei. Pentru ca sistemul de acumulare a apei calde să facă față în perioadele de vârf de consum, volumul boilerelor trebuie dimensionat corect, în funcție de consumurile estimate. Un sistem de preparare a apei calde menajere într-un boiler, este prezentat în figura 1.15.
Fig. 1.15. Sistem de preparare a apei calde menajere în boiler, cu energie solară sau altă sursă de energie
www.viessmann.com
Este posibilă utilizarea sistemelor de acumulare a energiei termice și pentru utilizarea acesteia în sistemul de încălzire. Astfel de soluții permit de exemplu acumularea energiei termice solare ziua, pentru ca aceasta să fie utilizată la încălzire, noaptea.
Există astfel de sisteme extrem de performante, cu acumulare sezonieră a căldurii, ca cel din figura 1.16.
Fig. 1.16. Clădire pasivă energetic cu acumulare sezonieră a căldurii, în vederea încălzirii
Căldura provenită din energia solară, este acumulată vara în rezervorul de stocare având capacitatea de 87m3, pentru a fi utilizată iarna.
Clădirea este o construcție pasivă energetic, reprezintă sediul unei companii din Germania și a fost realizată în anul 1998, pe o suprafață de 2180m2. Sarcina termică necesară pentru încălzirea clădirii pe timp de iarnă, în plus față de sistemul de încălzire cu energie solară stocată sezonier, este de numai 12kW. (Pentru comparație, sarcina termică a unei centrale termice murale de apartament este de 24kW).
2. ENERGIA SOLARĂ
2.1. Particularități ale energiei solare
2.1.1. Considerații privind radiația solară
Soarele reprezintă sursa de energie a Pământului, contribuind la menținerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K, întâlnită în spațiul interplanetar și este singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ.
Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a existenței radiației solare de încă aproximativ 4…5 miliarde a ani.
Pentru studiul radiației 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 direcția razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliților de cercetare științifică.
Atmosfera terestră și suprafața Pământului interacționează cu radiația solară, producând o serie de transformări ale acesteia, așa cum se observă în figura 2.1.
Fig. 2.1. Schema interacțiunilor dintre energia solară și atmosfera, respectiv suprafața terestră: Rev. [NUME_REDACTAT] nr. 5/2003
Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafața Pământului este mai mic decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, intensitatea radiației solare este redusă treptat.
Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbția și difuzia.
În atmosferă este absorbită (reținută, filtrată) aproape total radiația X și o parte din radiația ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon și alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbția radiației solare de către atmosferă.
Radiația absorbită este în general transformată în căldură, iar radiația difuză astfel obținută este retrimisă în toate direcțiile în atmosferă.
Prin aceste procese, atmosfera se încălzește și produce la rândul ei, o radiație cu lungime de undă mare, denumită radiație atmosferică.
În plus, fața de cele două mecanisme de modificare a intensității radiației solare, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer și anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiația solară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiația bolții cerești.
Radiația globală ajunsă de la Soare, pe o suprafață orizontală la nivelul solului într-o o zi senină, reprezintă suma dintre radiația directă și radiația difuză.
Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare.
Radiația solară difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferențe.
Figura 2.2 prezintă proporția dintre radiația difuză și radiația directă, în radiația globală. Este interesant de remarcat că radiația difuză prezintă o pondere mai mare decât radiația directă.
Fig. 2.2. Raportul dintre radiația difuză și radiația directă
Rev. [NUME_REDACTAT] nr. 5/2003
Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeței Pământului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este perfect senin și lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, [NUME_REDACTAT] și Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintă suma dintre radiația directă și difuză.
Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanți, cum sunt:
Înălțimea soarelui pe cer (unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal);
Unghiul de înclinare a axei Pământului;
Modificarea distanței Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptică, ușor excentrică.); Latitudinea geografică.
În figura 2.3 este reprezentată variația densității radiației solare în funcție de înălțimea Soarelui, adică unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situații atmosferice.
Fig. 2.3. Variația radiației solare în funcție de direcția razelor solare, pentru diferite situații atmosferice: Rev. [NUME_REDACTAT] nr. 5/2004
Potențialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, așa cum se observă în figurile 2.4 și 2.5, care reprezintă hărți ale radiației solare globale. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600kWh/m2/an, în zona [NUME_REDACTAT] Negre și Dobrogea ca și în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor țării, fluxul energetic solar anual, depășește
Fig. 2.4. Harta intensității radiației solare în Europa și [NUME_REDACTAT]. 2.5. Harta schematică a radiației solare în [NUME_REDACTAT]. [NUME_REDACTAT] nr. 5/2003
Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta, în aceeași localitate și cu atât mai mult de la o localitate la alta. În figura 2.6, este prezentat nivelul mediu al insolației, reprezentând cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și cade pe suprafața pământului, în localitatea București.
Fig. 2.6. Nivelul mediu al insolației în [NUME_REDACTAT]. [NUME_REDACTAT] nr. 5/2003
Evident, radiația solară este distribuită neuniform pe suprafața Pământului, poziția geografică și condițiile climatice locale, având o influență deosebită pentru impactul radiației solare asupra suprafeței terestre. Câteva dintre datele statistice referitoare la radiația solară, disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1…3.
Tab. 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii [W/m2], pe o suprafață orizontală, în [NUME_REDACTAT]. 2. Durata medie orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 – 12:30)
Tab. 3. Sumele medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui
2.1.2. Compoziția spectrală a radiației solare
Principalele componente ale radiației solare care ajunge pe Pământ și participația fiecărei componente în radiația globală, din punct de vedere energetic, sunt:
radiație ultravioletă 3%
radiație vizibilă 42%
radiație infraroșie 55%
Fiecărei componente a radiației, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă:
radiație ultravioletă 0,28 – 0,38 µm (microni); – radiație vizibilă 0,38 – 0,78 µm (microni);
radiația infraroșie 0,78 – 2,50 µm (microni).
Contribuția energetică a radiației solare globale, în funcție de lungimea de undă, între 0,3 și 2,5 µm (microni), pentru o suprafață perpendiculară pe acea radiație, este reprezentată calitativ în figura 2.7.
Fig. 2.7. Distribuția energiei radiației solare, în funcție de lungimea de undă (microni) www.stgobain.ro/
Se observă că cea mai mare cantitate de energie termică se regăsește în domeniul radiației infraroșii și nu în domeniul radiației vizibile, ceea ce sugerează ideea că această radiație poate fi captată eficient și în condițiile în care cerul nu este perfect senin. Pentru realizarea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iar pentru captarea eficientă a radiației solare, chiar și la temperaturi sub 0°C, s-au realizat panouri solare cu tuburi termice.
Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv și deci mai ieftine, sunt mai puțin performante, din punct de vedere al capacității de a capta radiația difuză, decât panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice.
2.1.3. Captarea radiației solare
Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcționarea 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.
Poziția captatorilor solari este definită prin două unghiuri și anume, unghiul de înclinare față de orizontală, prezentat în figura 2.8 și notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea față de direcția sudului, prezentat în figura 2.9.
Fig. 2.8. Unghiul de înclinare a captatorilor solari față de orizontală www.viessmann.com
Fig. 2.9. Unghiul azimutului (orientarea față de direcția Sud) www.viessmann.com
Figura 2.10 prezintă într-un mod sintetic, influența combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile.
Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obține cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea țărilor din Europa, inclusiv pentru România.
Fig. 2.10. Influența combinată a unghiului de înclinare și a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile www.viessmann.com
Analizând figura 2.10, se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea optimă a radiației solare, este de cca. 15…55°, iar abaterea de la direcția Sud, poate să se situeze între ±40° fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiația solară poate fi recuperată în proporție de 90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeței captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutățirea performanțelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcția Sud, de ±60°, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% din radiația solară. Chiar și colectorii montați vertical, cu o abatere de până la ±20° față de direcția Sud, pot recupera 80% din radiația solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe fațadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30° și a unei abateri de la direcția Sud de 45°, care corespunde direcției SV, gradul de captare a radiației solare este de 95%.
Ca o consecință a celor menționate, se poate spune că orientarea captatorilor solari față de orizontală și față de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară la prima vedere.
Mult mai importantă, din punct de vedere a capacității de captare a energiei solare, este tehnologia utilizată pentru o construcția colectorilor solari, deoarece în mod inevitabil, conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea fiind evidențiate în figura 2.11.
Fig. 2.11. Pierderi care apar la conversia energiei solare în energie termică
A – radiația difuză; B – radiația directă;
C – convecție datorată vântului, ploilor și zăpezii; D – pierderi prin convecție;
E – pierderi prin conducție; F – radiația suprafeței absorbante;
G – radiația panoului din sticlă; H – fluxul termic util; K – radiație reflectată www.viessmann.com
Evoluțiile tehnologice ale colectorilor solari, de la captatorul plan reprezentat în figură, până la cele mai moderne construcții existente la ora actuală, au avut ca scop creșterea capacității de absorbție a radiației solare și reducerea într-o proporție cât mai mare a diverselor tipuri de pierderi.
2.2. Construcția captatorilor solari
Pentru construcția captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate și colectorii cu tuburi termice.
2.2.1. Colectori plani
Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluție tehnică de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcție fiind prezentată în figura 2.12.
Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material absorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conținut scăzut de fier, pentru creșterea capacității de transfer a radiației termice. Rezistența mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face față solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea pierderilor prin convecție, în mediul ambiant.
Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de ridicat, dacă radiația solară este intensă, în condițiile unor costuri relativ reduse ale investiției.
Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecție relativ ridicate, la diferențe mari de temperatură între agentul termic și mediul ambiant.
2.2.2. Colectori cu tuburi vidate
Principiul de funcționare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura
2.13.
Fig. 2.13. Principiul de funcționare a colectorilor cu tuburi vidate
Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal și izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereți dubli, din sticlă. între pereții din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereții exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material absorbant, pentru a capta cât mai eficient radiația solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcție de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiației solare și prin efect de termosifon, datorită diferenței de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulânduse în vederea utilizării ulterioare.
Avantajul unor asemenea sisteme este reprezentat de absorbția directă a radiației solare, fără intermediul unui schimbător de căldură.
Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăți mecanice bune.
Astfel, circulația apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată încet și treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruște în tuburi.
În figura 2.14, este prezentată o construcție performantă de colector solar cu tuburi vidate, în care circulația agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafața metalică absorbantă.
Fig. 2.14. Colector cu tuburi vidate și schimbător de căldură coaxial www.viessmann.com
Această construcție, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de căldură în mediul ambiant (chiar la diferențe mari de temperatură între acesta și apa din tuburi), cu avantajele circulației agentului termic prin elemente metalice.
În figura 15, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul prezentat anterior, la conductele de apă rece și caldă.
Fig. 2.15. Sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate la conductele de apă caldă și rece www.viessmann.com
În figurile 2.16 și 2.17 sunt prezentate schema, respectiv construcția unui colector cu tuburi vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazul spargerii accidentale a acestora.
Fig. 2.16. Schema unui colector cu tuburi vidate, interschimbabile www.viessmann.com
Fig. 2.17. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile www.viessmann.com
Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalație nu se pierde, fenomen care ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl deservește.
2.2.3. Colectori cu tuburi termice
Principiul de funcționare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura 2.18.
Fig. 18. Principiul de funcționare al colectorilor cu tuburi termice www.solarserver.de
În interiorul unui tub de sticlă cu pereți dubli, între care se realizează vid, pentru diminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanș, încărcat cu o substanță care vaporizează sub acțiunea radiației solare. Vaporii astfel formați, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găsește în contact termic cu agentul termic din instalația solară.
Acest agent, răcește capătul superior al tubului termic și determină astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel încât capătul superior al tubului termic, poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalația solară, care curge prin conducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice.
Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.
În figurile 2.19 și 2.20, sunt prezentate schema, respectiv construcția unui colector cu tuburi termice. În ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice.
Fig. 2.19. Schema unui colector cu tuburi termice www.viessmann.com
www.viessmann.com
Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate.
Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, în condiții caracterizate prin radiație solară nu foarte intensă, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiației solare.
Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat și de necesitatea asigurării unui contact termic foarte bun între condensator și agentul termic din conducta colectoare a instalației solare.
2.3. Randamentul colectorilor solari
Randamentul colectorilor solari η, reprezintă eficiența cu care este transformată în căldură radiația solară și poate fi calculat cu relația:
qu η= Ig
unde:
qu [W/m2 ] densitatea fluxului de căldură utilă, acumulată în agentul termic din colectori;
Ig [W/m2 ] este densitatea fluxului radiației solare globale.
O variantă simplificată de calcul a randamentului colectorilor solari, permite utilizarea relației:
qu = q0 − q p = q0 − q p η=
I I I I g g g g unde
q0 [W/m2 ] este densitatea fluxului termic produs pe suprafața absorbantă, sau fracția din densitatea fluxului radiației solare globale Ig, care pe suprafața absorbantă, se transformă efectiv în căldură transmisă agentului termic din colectorul solar;
qp [W/m2 ] este densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant, de la agentul termic.
Raportul dintre q0 și Ig, reprezintă o mărime caracteristică importantă a colectorilor solari, denumită randament optic și notată η0:
η0 = q0
[NUME_REDACTAT] această notație, randamentul colectorilor solari se poate calcula cu relația:
q p η=η0 −
I g
Densitatea fluxului termic q0 produs de colectorul solar, depinde atât de proprietățile sticlei colectorului solar, cât și de proprietățile materialului care acoperă suprafața absorbantă. Randamentul optic poate fi determinat în funcție de cele două proprietăți de material, menționate anterior, cu ajutorul relației:
η0 =τ∗α
unde:
τ este factorul de transmisie, al materialului care asigură rezistența mecanică a colectorului solar (de regulă sticlă), având valorile prezentate în tabelul 4, pentru câteva materiale uzuale;
α este factorul de absorbție al materialului absorbant.
Tab. 4. Valori ale factorului de transmisie, pentru diferite materiale
Procesul de absorbție a radiației solare pe suprafața absorbantă a colectorilor solari, este caracterizat de coeficientul de absorbție al materialului absorbant. Astfel emailul negru pentru metale, are un coeficient de absorbție α=0,9 ceea ce înseamnă că 90% din radiația solară care ajunge pe acest material, este transformată în căldură. În mod normal, materialele absorbante utilizate în construcția colectorilor solari, asigură valori ale coeficientului de absorbție, în intervalul α=0,85…0,98.
Observație: Sticla utilizată la construcția captatorilor solari, pe lângă valori ridicate ale factorului de transfer, datorat conținutului redus de fier din compoziție, este caracterizată și printr-o rezistență mecanică foarte mare. Astfel numeroși producători de colectori solari, testează rezistența mecanică a acestora cu ajutorul unor bile de oțel, având diametrul de cca. 1 inch (1inch≈2,54cm). Aceste bile sunt lăsate să cadă pe colectorii solari, în timpul testelor, de la o înălțime de cca. 1m. Având în vedere că majoritatea colectorilor solari trec asemenea teste de rezistență mecanică, există un grad ridicat de probabilitate, ca ele să reziste în condiții foarte bune la cele mai grele condiții care ar putea să apară în timpul exploatării, din punct de vedere al solicitărilor mecanice, și anume la grindină cu bucăți mari de gheață. Cu toate acestea, producătorii recomandă clienților să încheie polițe de asigurare care să acopere integral valoarea colectorilor solari.
Revenind la calculul randamentului colectorilor solari, densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant qp, se poate determina cu o relație de tipul:
qp = k ∗∆t
unde
k [W/m2K] este coeficientul global de transfer termic între colector și mediul ambiant. Valorile uzuale ale coeficientului global de transfer termic sunt de 2…4 [W m2K];
∆t este diferența dintre temperatura medie a colectorului (care poate fi considerată temperatura medie a agentului termic) și temperatura mediul ambiant.
Înlocuind în relația prezentată anterior pentru calculul randamentului colectorilor, se obține:
k *∆t ∆t
η=η − =η − k
0 I g 0 I g
Considerând că materialul din care sunt realizați colectorii solari este sticla solară, cu o valoare medie a factorului de transmisie τ=0,84, între valoarea de 0,87 corespunzătoare radiației directe și cea de 0,8 corespunzătoare radiației difuze (conform tabelului 4) și considerând că materialul absorbant este de cea mai bună calitate, având un coeficient de absorbție α=0,98, pentru randamentul optic, se obține valoarea η0 = τ · α = 0,84 · 0,98 = 0,82. Considerând o valoare medie și pentru coeficientul global de transfer termic k=3W/m2K, cu ajutorul relației prezentate anterior, se pot determina prin calcul, curbe de variație a randamentului colectorilor solari în funcție de diferența de temperatură ∆t pentru diferite valori ale densității fluxului radiației solare globale Ig. Asemenea curbe sunt prezentate în figura 2.21.
Fig. 2.21. Variația randamentului colectorilor solari,
calculată considerând o dependență liniară de diferența de temperatură
Curbele de variație a randamentului colectorilor solari, de tipul celor prezentate în figura 2.21, considerând o variație liniară a randamentului, cu diferența de temperatură, sunt obținute așa cum s-a arătat deja, prin utilizarea unei relații de calcul simplificate dar intuitive. Această relație, ca și curbele trasate cu ajutorul ei, sunt valabile numai pentru diferențe de temperatură relativ reduse și numai pentru colectori plani.
O variantă corectată de calcul a randamentului colectorilor solari, recomandată în numeroase lucrări de specialitate publicate în străinătate, se poate aplica atât pentru colectori plani cât și pentru colectori având construcții mai performante (de exemplu colectori cu tuburi vidate sau cu tuburi termice). Relația de calcul corectată este:
∆t ∆t 2 η=η0 − k1 − k2
[NUME_REDACTAT] unde:
η0 este randamentul optic, ce ține seama de eficiența cu care este absorbită energia radiației solare;
k1 și k2 [W/m2K]sunt factori de corecție caracteristici pierderilor termice;
∆t este diferența dintre temperatura medie a agentului termic din colector și temperatura mediului ambiant;
Factorii de corecție k1 și k2 caracteristici pierderilor termice care se manifestă în colectorii solari, datorită diferenței de temperatură dintre agentul termic încălzit de radiația solară și mediul ambiant, depind de construcția colectorilor. În tabelul 5, sunt prezentate valorile randamentelor optice și ale coeficienților de corecție k1 și k2, pentru câteva tipuri de colectori solari produși în Germania.
Analizând valorile din acest tabel, se observă că deși colectorii plani au cele mai bune randamente optice, acestea prezintă și cele mai ridicate valori ale pierderilor termice.
Tab. 5. Valori ale randamentului optic și ale factorilor de corecție, pentru diferite tipuri de colectori
În figura 2.22 sunt prezentate câteva curbe de variație a randamentului unor colectori solari, calculate considerând valori ale randamentului optic și ale coeficienților de corecție, prezentate în tabelul 5 și valoarea Ig=1000 [W m2 ].
Fig. 2.22. Variația calculată a randamentului în funcție de diferența de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari; Ig=1000 W/m2
În figura 2.23 sunt prezentate câteva curbe de variație a randamentului, pentru câteva tipuri de colectori solari, produși de firma Viessmann (Germania).
Fig. 2.23. Variația randamentului în funcție de diferența de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari Viessmann (Germania)
A – colectori plani; B – colectori cu tuburi vidate;
C – colectori cu tuburi vidate amplasate vertical; D – colectori cu tuburi termice www.viessmann.com
Efectuând o analiză comparativă a curbelor de variație a randamentului colectorilor solari, se observă că alura curbelor calculate considerând dependența de gradul doi a randamentului colectorilor în funcție de diferența de temperatură, este aceeași cu alura curbelor determinate experimental, ceea ce indică faptul că această formă a relației de calcul a randamentului colectorilor, este mult mai corectă decât cea considerând o variație liniară a randamentului cu diferența de temperatură.
Totuși valorile randamentelor determinate experimental sunt ceva mai reduse decât cele calculate, ceea ce sugerează că valorile determinate experimental, au fost măsurate pentru valori mai reduse ale densității fluxului radiației solare globale Ig. Această ipoteză este confirmată de faptul că pentru valoarea Ig=750W/m2, curbele calculate se suprapun mult mai bine peste cele determinate experimental, așa cum se observă în figura 2.23.
2.24. Variația calculată a randamentului în funcție de diferența de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari; Ig=750 W/m2
Pentru trasarea curbelor din figurile 2.22 și 2.24, valorile randamentelor fiecărui colector în parte, au fost determinate utilizând pentru coeficienții care intervin în relația de calcul, valorile furnizate de firma Viessmann, producătoarea colectorilor solari pentru care au fost ridicate si curbele experimentale prezentate în figura 2.23. Valorile randamentelor termice pentru colectori montați vertical nu au fost calculate, deci nici nu au fost comparate cu valorile determinate experimental.
2.4. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
2.4.1. Caracterul variabil al radiației solare
Intensitatea radiației solare prezintă un caracter foarte variabil, atât în timpul anului, cât și zilnic, astfel încât este evident că și sarcina termică realizată de colectorii solari va fi la fel de variabilă.
Fig. 2.25. Curbă tipică de variație a intensității radiației solare
În figura 2.25 este prezentată o variație tipică a intensității radiației solare, într-o zi foarte călduroasă de vară, în condiții de cer perfect senin, manifestată pe o suprafață unitară, plană și orizontală. Se observă că la ora 12, când intensitatea radiației solare este maximă, valoarea acesteia depășește 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarte ridicată, chiar și față de media din timpul verii, în timp ce pe durata nopții, valoarea intensității radiației solare este evident nulă. Dimineața și după-masa, intensitatea radiației solare, variază rapid între 0 și valoarea maximă, respectiv între valoarea maximă și 0. Pentru curba de variație a intensității radiației solare reprezentate în figura 1, valoarea medie a intensității radiației solare, pe durata zilei, este ușor superioară valorii de 500W/m2. În zilele anului, caracterizate prin radiație solară mai puțin intensă decât cea prezentată în figura 2.25, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime și medii ale intensității radiației solare, chiar și în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot să scadă mult sub valorile prezentate anterior.
Ca și radiația solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă un caracter variabil, astfel încât se poate vorbi despre valoarea maximă și medie a acestei mărimi. Pentru calcule termice de dimensionare, prezintă importanță cunoașterea valorii medii a sarcinii termice a colectorilor solari.
Cu cât randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atât fiecare suprafață unitară de colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată de valoarea medie a intensității radiației solare.
2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari
Având în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorile sarcinilor termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este interesant de realizat o evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura sarcina termică necesară diverselor aplicații.
În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fi determinată utilizând informațiile privind selecția acestor echipamente, furnizate de diverși producători.
Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea apei calde menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicații pentru panourile solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, în primul rând pentru că în perioadele reci ale anului, când necesarul de sarcină termică pentru încălzire este important, intensitatea radiației solare prezintă valori foarte reduse și este dificil de captat și de utilizat în aceste condiții. Chiar dacă există și numeroase realizări interesante în care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorul energiei solare, aceste aplicații nu vor fi abordate în continuare, deoarece reprezintă situații speciale.
Încălzirea apei calde menajere
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Qacm , se poate calcula cu relația:
= n*m*cw *(tb −tr ) [kW]
Qacm τ*3600
unde:
n este numărul de persoane;
m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca și consum zilnic;
cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;
tb [°C] este temperatura apei din boiler;
tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler;
τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice.
Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere necesare unei persoane, m=50kg – valoare medie recomandată de literatura de specialitate, tb=45°C – valoare recomandată pentru temperatura apei calde din boiler; tr=10°C – valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarna ceva mai rece și τ=8h – valoare care coincide aproximativ și cu durata medie în care se manifestă radiația solară, deci cu durata medie în care poate fi captată aceasta.
Înlocuind valorile numerice considerate, se obține pentru sarcina termică necesară în vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:
1*50*4,186*(45−10)
Qacm = = 0,254kW ≈ 0,25kW = 250kW 8*3600
Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizarea unor suprafețe diferite ale colectori solari în funcție de tipul colectorilor și de procentul din necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca în tabelul 1.
Tabelul 1. Suprafața necesară de colectori solari, pentru prepararea a.c.m. [m2/pers.]
Se observă că suprafețele de colectori solari, recomandate ca necesare, sunt aceleași în cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă performanțele colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decât cele ale colectorilor solari cu tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferențele de performanță sunt totuși reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, față de cei cu tuburi vidate nu se va concretiza printr-o suprafață mai redusă de colectori solari, ci printr-un procent ceva mai ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, decât în cazul colectorilor cu tuburi vidate.
Având în vedere că suprafețele de colectori solari, recomandate în tabelul 1, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari acm1 Qacm1 , în regim de preparare a apei calde menajere, este:
W
Qacm
Qacm1 = S S1
1
unde:
– S1 reprezintă suprafața colectorilor solari recomandată în tabelul 1.
Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 2.
Tabelul 2. Sarcina termică unitară a colectorilor solari, pentru prepararea a.c.m.
[W/m2]
Analizând valorile din tabelul 2, se constată că sarcina termică unitară a colectorilor solari este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal, deoarece acești colectori sunt prevăzuți să funcționeze mai ales în perioada de vară, când intensitatea radiației solare este mai mare.
În tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai ușor de utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale suprafețelor de colectori solari, destinați preparării apei calde menajere.
Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari pentru prepararea a.c.m.
Este evident că dacă panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termică unitară medie a acestora poate fi considerată mai mare decât dacă sunt utilizate din primăvară până în toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redusă, pentru că și valoarea medie a intensității radiației solare este mai redusă. Din acest motiv și suprafața necesară a colectorilor solari care sunt utilizați doar vara, este mai redusă decât cea necesară pentru o utilizare din primăvară până în toamnă, dar și procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dacă aceste panouri sunt dimensionate pentru a funcționa doar pe durata sezonului cald.
Considerând valorile particulare ale sarcinilor termice unitare Qacm1 , prezentate în tabelul 3, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizați pentru prepararea apei calde menajere.
= Qacm [m2] S Qacm1
Cu ajutorul acestei relații pot fi calculate suprafețele necesare de colectori solari, pentru orice tip de aplicație în care este necesară prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei solare. Exemple de asemenea situații pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri, vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.:
Suprafețele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 1.
Încălzirea apei din piscine
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex, care să țină seama de temperatura apei din piscină și de o serie de pierderi de căldură, între care o importanță deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei, transferul termic prin convecție de la suprafața apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.,.
Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar de încălzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerând doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiții reale în piscine, duc la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.
În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de colectori solari.
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Qp , se poate calcula cu relația:
= m*cw *∆t [kW]
Qp τ*3600
unde:
m [kg] este cantitatea de apă din piscină;
cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;
∆t [°C] este variația temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de căldură;
τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice.
Cantitatea de apă din piscine se determină cu relația:
m = Sp *H *ρ [kg]
unde:
Sp [m2] este suprafața piscinei;
H [m] este adâncimea medie a apei din piscină;
ρ [kg/m3] este densitatea apei, mărime care depinde de temperatură, dar pentru care se poate considera valoarea ρ=1000kg/m3.
În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafața unitară a piscinei, deci se va considera Sp=1m2. m = 1*1,3*1000 = 1300 kg
Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeței unitare a piscinei, considerând că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C și că durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:
Qp1 = 13008**36004,186*1 / m 2 ≈ 0,190kW / m 2 =190W / m 2
= 0,189kW
În cazul în care variația temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de 0,5°C, situație posibilă în cazul piscinelor realizate în spații închise, sarcina termică unitară pentru încălzirea apei, s-ar reduce și aceasta la jumătate.
Acoperirea suprafeței apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atât în cazul celor închise cât și în cazul celor aflate în aer liber, pe lângă faptul că previne producerea accidentelor, permite și reducerea substanțială a pierderilor de căldură prin convecție și prin evaporarea apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei. Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera că acoperirea suprafeței apei, în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei.
În tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafață a piscinei, pentru diferite condiții de lucru, considerând adâncimea medie a apei, de 1,3m.
Tabelul 4. Valori orientative ale sarcinilor termice pentru încălzirea apei din piscine, considerând adâncimea medie a apei de 1,3m [W/m2 piscină]
Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare recomandă utilizarea unor suprafețe diferite de colectori solari, în funcție de tipul piscinelor, de tipul colectorilor și de perioada prevăzută pentru funcționarea sistemului de încălzire cu energie solară, așa cum se observă în tabelul 5.
Tabelul 5. Suprafața necesară de colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [m2/m2 piscină]
În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul piscinelor în aer liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 1°C/24h.
Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeași suprafață de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece în condițiile în care intensitatea radiației solare este mare, performanțele tuturor tipurilor de colectori sunt relativ apropiate.
Având în vedere că suprafețele de colectori solari recomandate în tabelul 5, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari Qp1 , în regim de încălzire a apei din piscine, este:
Q p W
Qp1 = S1 m 2
unde:
– S1 reprezintă suprafața colectorilor solari recomandată în tabelul 5.
Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 6, considerându-se pentru sarcinile termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 4. Faptul că valorile obținute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleași condiții de lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt corecte și în nici un caz nu introduc erori semnificative.
Tabelul 6. Sarcinile termice unitare ale colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [W/m2 colector]
Considerând valorile particulare ale sarcinilor termice unitare Qp1 , prezentate în tabelul 6, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizați pentru prepararea apei calde menajere.
Qp
S = [m2]
Qp1
Suprafețele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 5.
2.4.3. [NUME_REDACTAT] tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obținute pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerând funcționarea acestora în regim de preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din piscine situate în aer liber fără acoperire, ca și valorile medii obținute pentru sarcina termică unitară a colectorilor solari utilizați pentru încălzirea piscinelor.
Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizați în diferite regimuri de lucru [W/m2 colector]
Valorile obținute pentru sarcina termică unitară a colectorilor plani, utilizați la încălzirea piscinelor în aer liber fără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizarea numai în lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decât în cazul preparării apei calde menajere. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu s-a considerat o perioadă atât de scurtă de funcționare, ci una care să asigure totuși acoperirea a 40…50% din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceea ce reprezintă mult mai mult decât doar două luni de funcționare. În cele două luni, intensitatea radiației solare este maximă și atunci se pot atinge valori mai ridicate pentru sarcina termică unitară a colectorilor.
În afara acestei situații, se observă că așa cum era normal, indiferent de tipul aplicației, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip de colector solar asigură aproximativ aceleași valori ale sarcinilor termice unitare medii pe care le realizează.
În consecință pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare ale colectorilor solari, indiferent de tipul de aplicație, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 8.
Tabelul 8. Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, în funcție de perioada de exploatare [W/m2 colector]
Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu ușurință în calcule orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectori solari, fiind cu atât mai utile cu cât, de regulă, asemenea valori nu sunt indicate de firmele producătoare.
Considerând pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vârf pentru cele mai calde zile ale anului și nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puțin raportat la condițiile climatice din România, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectori solari:
η=60% pentru colectori plani;
η=76% pentru colectori cu tuburi vidate și pentru colectori cu tuburi termice.
Considerând tot pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condițiile medii din România, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectori solari:
η=67% pentru colectori plani;
η=84% pentru colectori cu tuburi vidate și pentru colectori cu tuburi termice.
Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată în plus, că ipotezele considerate în calculele prezentate, ca și valorile obținute pentru sarcinile termice unitare medii ale diverselor tipuri de colectori solari sunt corecte.
2.5. Monitorizarea intensității radiației solare
2.5.1. Noțiuni introductive
În contextul actualei crize energetice relativ acute, comunitatea științifică internațională, reconsideră toate abordările referitoare la energiile regenerabile. Între acestea, energia solară prezintă unul dintre cele mai importante potențiale, peste tot în lume, deoarece pentru o perioadă de timp foarte lungă, Soarele poate fi considerat o uriașa sursă sursă gratuită de energie.
Așa cum s-a arătat anterior, nivelul intensității radiației solare, în afara limitelor atmosferei, este relativ constant, a fost denumit constanta solară și această valoare a fost determinată experimental prin măsurători cu tehnologie specifică sateliților, obținându-se o valoare de cca. 1350…1366W/m2.
De la limita atmosferei, până la suprafața terestră, intensitatea radiației solare se reduce datorită câtorva efecte cunoscute (reflexie, dispersie, absorbție, etc.), iar valoarea intensității radiației solare, la nivelul solului, prezintă valori diferite, în funcție de:
Poziția geografică (latitudine, longitudine, altitudine);
Condiții meteorologice;
Prezența sau absența poluării, etc.
Există două tipuri de radiație solară, care se manifestă la nivelul solului și anume radiația directă și radiația difuză, suma dintre cele două reprezentând radiația totală.
În continuare va fi prezentat un sistem original de monitorizare a intensității radiației solare, realizat pentru a măsura și a permite calculul intensității tuturor celor trei tipuri de radiație solară.
Acest sistem de monitorizare a fost implementat în localitatea [NUME_REDACTAT], la sediul Facultății de Mecanică.
2.5.2. [NUME_REDACTAT] măsurarea intensității radiației solare totale și difuze, au fost utilizate două piranometre de tip CMP3, ale companiei Kipp & Zonen din Olanda. Unul a fost utilizat pentru determinarea intensității radiației totale, iar celălalt (umbrit în timpul realizării experimentelor), a fost utilizat pentru determinarea intensității radiației solare difuze. În figura 2.26, este prezentat modelul 3D al unui piranometru, iar în figura 2.27, schema constructivă a unui piranometru.
Fig. 2.26. Model 3D al unui piranometru
Fig. 2.27. Schema constructivă a unui piranometru
1 – circuit electronic imprimat; 2 – senzor de radiație solară; 3 – dom de sticlă;
4 – corp; 5 – conector electric; 6 – cablu electric; 7 – șurub pentru reglarea nivelului orizontal; 8 – elemente de fixare; 9 – capac pt acces la conexiunile electrice; 10 – conector electric filetat; 11 – poloboc.
În tabelul de mai jos sunt prezentate câteva caracteristici ale piranometrelor utilizate.
În figura 2.28, este prezentată schema sistemului original de achiziție a datelor și de monitorizare a intensității radiației solare, utilizat la [NUME_REDACTAT] din [NUME_REDACTAT].
Fig. 2.28. Schema de funcționare a sistemului de achiziție a datelor și monitorizare
Echipamentul indicat pe schemă, este reprezentat de două piranometre, conectate la sistemul original de achiziție a datelor și de monitorizare.
Valorile intensităților radiației solare totale și difuze, sunt citite de un microcontroler, prin intermediul modulului electronic original de conversie indicat pe figura 2.29 prin CONV.
Componentele software ale modulului sunt de asemenea originale.
Fig. 2.29. Schema de principiu a sistemului de achiziție a datelor, cu microcontroler
Cele două tensiuni electrice, proporționale cu valorile intensităților radiației solare, reprezentând mărimile de ieșire ale celor două piranometre, sunt convertite în valorile efective ale intensităților radiației solare totale, respectiv difuze, în modulul electronic de conversie și apoi sunt înregistrate în memoria microcontrolerului. Este realizată de asemenea transmiterea valorilor înregistrate, la un calculator compatibil IBM-PC, cu sistem de operare Linux, prin interfața serială COM. Intensitatea radiației solare totale, a fost notată cu I0, iar intensitatea radiației solare difuze, cu I1.
Prezența calculatorului, utilizat ca server, este obligatorie, deoarece s-a urmărit monitorizarea de la distanță prin internet.
Aplicația de monitorizare prin internet a intensității radiației solare, cuprinde mai multe programe de calcul.
Funcțiile realizate de programele componente ale aplicației de monitorizare sunt:
Stocarea într-o bază de date a valorilor intensităților radiației solare, citite de piranometru și de microcontroler;
Citirea intensităților radiației solare din baza de date;
Afișarea mărimilor citite din baza de date, pe un panou virtual de monitorizare, realizat sub forma unei pagini web;
Reprezentarea grafică a variației mărimilor monitorizate.
Baza de date, notată pe figura 2.28 cu BD, concepută în vederea stocării valorilor parametrilor măsurați, este de tip MySQL, și permite interogarea prin internet. Structura tabelului utilizat pentru stocarea datelor în baza de date, este prezentată în figura 2.30.
Fig. 2.30. Structure tabelului din baza de date MySQL
Se observă că fiecare înregistrare în baza de date primește un cod unic, denumit id, iar informațiile stocate sunt: data și ora la care s-a efectuat măsurarea, în câmpul denumit data, respectiv cele două valori ale intensităților radiației solare directe și difuze, indicate de cele două piranometre, în câmpurile denumite pyr0 și pyr1.
Stocarea în baza de date a valorilor parametrilor citiți de microcontrolerul MC, este realizată cu ajutorul unui program original de calcul, scris în limbaj JAVA și denumit Software achiziție, pe figura 2.28. Schema logică de principiu a programului Prg. Achizitie, este prezentată în figura 2.31.
Fig. 2.31. Schema de principiu a programului de citire a parametrilor transmiși de microcontroler și de stocare a acestora în baza de date
Programul de achiziție a datelor funcționează în continuu, citind și stocând valorile parametrilor în baza de date, la intervale de 1 minut, până la eventuala oprirea acestei componente software de către operator.
Citirea parametrilor din baza de date și afișarea acestora pe panoul virtual de monitorizare, este realizată de programele denumite Interog B.D., pe schema din figura 2.28. Aceste programe au structura logică prezentată în figura 2.32. Programele au fost scrise în limbajul de programare PHP.
Fig. 2.21. Schema de principiu a programului de citire a parametrilor din baza de date și afișare a acestora pe panoul virtual de monitorizare
Valorile parametrilor, indicați pe pagina web pot fi actualizate la orice interval de timp dorit de utilizator, prin reîncărcarea automată a fișierului în browser. Actualizarea este posibilă deoarece microcontrolerul citește în continuu valorile parametrilor indicați de senzorii radiației solare globale și difuze. Tot în continuu, valorile parametrilor citiți de microcontroler, sunt transmise interfeței seriale a calculatorului, iar programul de achiziție a datelor, citește la intervale de 1 minut (60 secunde), valorile transmise de microcontroler și scrie în baza de date, noile valori citite.
În plus, față de selecția și afișarea valorilor din baza de date, programele menționate, realizează și calculul următorilor parametrii:
Valoarea intensității radiației solare directe, ca diferență dintre intensitățile radiației totale și difuze;
Valorile medii ale intensităților radiației solare (totală, difuză și directă), pentru tot intervalul selectat;
Valorile medii ale intensităților radiației solare (totală, difuză și directă), pentru perioadele de zi (în care Soarele este pe cer), din intervalul selectat;
Valorile totale ale căldurilor (totală, difuză și directă) radiante furnizate de Soare.
Afișarea parametrilor citiți din baza de date, a fost realizată pe un panoul virtual de monitorizare, realizat în limba engleză, conceput sub forma unei pagini web și reprezentat în figura 2.22.
Fig. 2.22. Panoul virtual de monitorizare, realizat sub forma unei pagini web
Panoul virtual de monitorizare prezentat în figura 2.22, poate fi afișat pe orice calculator conectat la internet, indicând adresa paginii web și anume:
http://l.academicdirect.ro/Engineering/environment/solar/index.php
Interfața prezentată, afișează ultimele valori ale intensității radiației solare totale, respectiv difuze și oferă următoarele opțiuni de selectare din baza de date:
Selecție pentru o perioadă de timp oarecare, indicată prin anul, luna, ziua și ora de început, respectiv de sfârșit a perioadei alese;
Selecție pentru o perioadă de o oră, indicată prin anul, luna, ziua și intervalul orar dorit;
Selecție pentru o perioadă de o zi, indicată prin anul, luna și ziua dorite; – Selecție pentru o perioadă de o lună, indicată prin anul și luna dorite; – Selecție pentru o perioadă de un an, indicat prin anul dorit.
Pentru toate opțiunile, poate fi ales și intervalul de timp, exprimat în minute, pentru care se dorește afișarea valorilor stocate în baza de date. Valorile posibile pentru pasul de timp diferă, în funcție de opțiunea selectată de utilizator, între 1, 5, 10, 15, 20, 30, 60min.
În cazul în care pentru intervalul de timp selectat lipsesc înregistrările din baza de date, situație posibilă datorită unui număr extrem de redus de întreruperi ale sistemului de monitorizare, datorate unor pene de curent, sunt afișate mesaje de eroare.
Fiecare selecție din baza de date, este activată prin acționarea butoanelor marcate prin “list recorded values”. Fiecare din aceste butoane lansează în execuție câte un program de citire din baza de date.
2.5.3. [NUME_REDACTAT] continuare, sunt prezentate câteva exemple de rezultate furnizate de programele componente ale sistemului de monitorizare, în perioada august – octombrie 2007.
În figura 2.23, sunt prezentate valorile intensităților radiației solare totale, difuze și directe, înregistrate pentru ziua de 17 august, în intervalul orar 14-15 și afișate cu un pas de timp de 10 minute.
Ziua considerată a fost complet însorită, practic cerul a fost complet senin toată ziua și se observă că valorile intensității radiației solare totale, pentru intervalul considerat depășesc valoarea de 800W/m2.
Fig. 2.23. Valorile intensităților radiației solare înregistrate pentru ziua de 17 august, în intervalul orar 14-15, cu un pas de timp de 10min
În figura 2.24, sunt prezentate valorile medii ale intensităților radiației solare totale, difuze și directe, calculate pe baza înregistrărilor din ziua de 17 august, pentru tot intervalul de 24 ore considerat.
Fig. 2.24. Valorile medii ale intensităților radiației solare, pentru ziua de 17 august, calculate pentru tot intervalul de 24 ore considerat
În figura 2.25, sunt prezentate valorile medii ale intensităților radiației solare totale, difuze și directe, calculate pe baza înregistrărilor din ziua de 17 august, pentru perioada de zi, în care Soarele a fost pe cer, din intervalul considerat. Pe de-o parte, se observă că a putut fi calculată durata perioadei din zi în care Soarele a fost pe cer și pe de altă parte se observă că valoarea medie a intensității radiației solare este de 518,22W/m2, față de numai 295,28W/m2, valoare corespunzătoare întregului interval de 24 considerat.
Pentru aplicațiile tehnice, valorile medii calculate pentru perioada de zi, prezintă o importanță mult mai mare decât valorile medii calculate pentru tot intervalul de 24h.
Fig. 2.25. Valorile medii ale intensităților radiației solare, pentru ziua de 17 august, calculate pentru perioada de zi (Soarele pe cer) din intervalul considerat
În figura 2.26 sunt prezentate valorile calculate pentru căldurile radiante furnizate de Soare, determinate pe baza înregistrărilor din data de 17 august.
Fig. 2.26. Valorile totale ale căldurilor radiante furnizate de Soare, pentru 17 august
În continuare sunt prezentate câteva reprezentări grafice ale intensității radiației solare, realizate pe baza unui program de monitorizare, derulat în perioada august – octombrie 2007.
Figura 2.27, prezintă tendința descrescătoare a intensității radiației solare totale, în perioada august…octombrie 2007.
Fig. 2.27. Variația intensității radiației solare totale in lunile august – septembrie – octombrie
Fig. 2.28. Variația intensității radiației solare totale in luna august
Fig 2.29. Variația intensității radiației solare totale in luna septembrie
Fig. 2.30. Variația intensității radiației solare totale in luna octombrie
Figurile 2.28…2.30, detaliază variația intensității radiației solare totale, în fiecare dintre lunile august…octombrie 2007.
Fig. 2.31. Variația intensității radiației solare totale in 17 august
Fig. 2.32. Variația intensității radiației solare totale in 17 septembrie
Fig. 2.33. Variația intensității radiației solare totale in 17 octombrie
Analizând figurile 2.31…2.33, se observă că în ziua de 17, a fiecăreia dintre cele trei luni, cerul a fost senin, iar valoarea maximă a intensității radiației solare totale, a scăzut de la cca. 860W/m2 în august, la cca. 760 W/m2 în septembrie și la cca. 610W/m2 în septembrie.
În figurile 2.34…2.36, sunt prezentate variațiile intensității radiației solare totale, în câte trei zile consecutive, preponderent însorite, din lunile august…septembrie.
Fig. 2.34. Variația intensității radiației solare totale in 3 zile consecutiv însorite:
(15-17 august)
Fig. 2.35. Variația intensității radiației solare totale in 3 zile consecutiv insorite:
(16-18 septembrie)
Fig. 2.36. Variația intensității radiației solare totale in 3 zile consecutiv insorite:
(15-17 octombrie)
Fig. 2.37. Valoare ridicata a intensității radiației solare totale, după ploaie, in lipsa poluării, in lipsa norilor, in miezul zilei (3 septembrie ora 14:20)
Fig. 2.38. Valoare ridicata a intensității radiației solare totale, după ploaie, in lipsa poluării, in lipsa norilor, in miezul zilei (6 septembrie ora 15:20)
Fig. 2.39. Valori ridicate ale intensității radiației solare totale, in lipsa poluării, in momentele fără nori, maximul in miezul zilei (10 septembrie ora 15:20)
În figurile 2.37…2.39, se observă că în câteva zile preponderent înnorate, s-au atins în jurul prânzului, chiar dacă pentru foarte scurt timp, valori foarte ridicate ale intensității radiației solare, peste 1000W/m2. Explicația posibilă a acestui fenomen, este că probabil în acele zile a și plouat, ploaia a curățat atmosfera de impurități și particule poluante, iar când în jurul prânzului, cerul a devenit senin, intensitatea radiației solare la nivelul solului a fost mai ridicată decât în mod normal, fenomenele de dispersie, absorbție și difuzie a radiației solare în atmosferă fiind mult diminuate. În zilele complet senine, nu se ating valori atât de ridicate ale intensității radiației solare.
Figura 2.40, prezintă variația intensității radiației totale, în două zile consecutive în care s-a înnorat imediat după prânz, urmate de o zi complet însorită.
Fig. 2.40. Doua zile consecutive in care s-a înnorat după prânz, urmate de o zi complet însorita: (18-20 august)
Figurile 2.41 și 2.42, prezintă variația intensității radiației solare, în succesiuni de zile însorite, din lunile august, respectiv septembrie.
Fig. 2.41. Succesiune de zile preponderent însorite in august (15-25 august)
Fig. 2.42. Succesiune de zile preponderent însorite in septembrie (20-30 septembrie)
Rezultatele acestui studiu de monitorizare a intensității radiației solare, permit interpretări deosebit de interesante, care pot fi valorificate în sensul determinării potențialului local de utilizare a energiei solare. Asemenea rezultate preliminare au fost deja obținute, însă pentru finalizarea acestui studiu, este nevoie de o perioadă mult mai îndelungată de monitorizare a intensității radiației solare.
3. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
3.1. Efectul fotovoltaic
Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez [NUME_REDACTAT], în anul 1839.
Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului [NUME_REDACTAT], realizatorul primei baterii electrice din lume.
Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcționează individual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice, denumite și colectori solari sau panouri solare termice).
Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități suficiente, fiind astfel și ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.
În figura 3.1 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci și a siliciului.
Fig. 3.1. Structura energetică a materialelor semiconductoare www.bpsolar.fr
Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înțelegerii condițiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situații normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite și straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevărate “bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit și bandă energetică de valență, sau mai simplu bandă de valență. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceștia, este denumit bandă energetică de conducție, sau mai simplu bandă de conducție. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valență și ale benzii de conducție sunt diferite. Diferența de potențial energetic ∆E, dintre banda de conducție și banda de valență, reprezentând și valoarea “barierei energetice” dintre cele două straturi, este diferența dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducție și Ev al benzii de valență ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la ∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valență pentru ca aceștia să devină liberi, adică pentru a putea trece pe banda de conducție. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiți aceștia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depăși “bariera energetică” și a trece pe banda de conducție. Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.
În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obținerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obțin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanța diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obține o așa numită joncțiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 3.2.
Fig. 3.2. Joncțiune p-n
Sub acțiunea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendința de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendință de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura 3.3.
Fig. 3.3. Tendința de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii p-n
Amploarea migrației sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 3.4.
Fig. 3.4. Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p-n
Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariția unei diferențe de potențial locale, la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p și a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncțiunii spre suprafețele acestor straturi, opuse joncțiunii p-n.
Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât și caracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.
Dacă joncțiunea p-n este supusă radiației solare, fotonii având un nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiația solară prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conducție și să devină electroni liberi. Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii pn, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atrași spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul n, sunt respinși spre suprafața acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conducție, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acțiunea radiației solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri). Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncțiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul p, sunt respinși spre suprafața acestui strat.
În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi și în zona joncțiunii pn, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n, așa cum se observă în figura 3.5.
Fig. 3.5. Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n
Dacă suprafețele exterioare ale joncțiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceștia se va manifesta o diferență de potențial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiația solară. Este evident că variația intensității radiației solare va produce și variații ale diferenței de potențial, dar mai ales ale intensității curentului electric așa cum se va arăta ulterior.
Joncțiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuiește o celulă fotovoltaică sau o celulă electrică solară având construcția de tipul celei reprezentate în figura 3.6.
Fig. 3.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice www.viessmann.com
Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplasează un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzuale de 10x10cm și mai recent de 15x15cm.
Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I, prezentat în figura 3.7. Eficiența de conversie a energiei radiației solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice, depășea 1.000.000.000W=1GW.
Fig. 3.7. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I
Eficiența celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:
Intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei;
Eficiența procesului de conversie a energiei radiației solare în energie electrică.
În prezent, construcțiile de celule fotovoltaice au eficiențe în jurul valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate preponderent în zone caracterizate prin radiație solară intensă. Cu toate acestea, țări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei tehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensității radiației solare.
3.2. Caracteristici ale celulelor fotovoltaice
Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca și în cazul bateriilor:
Tensiunea;
Intensitatea curentului electric; Puterea electrică.
Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca și intensitatea curentului electric asigurat, depind semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricație, ca și de dimensiunile acestor celule. În figura 3.8 este reprezentată variația tensiunii și a intensității curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică realizată din siliciu și având dimensiunile de 10x10cm.
Fig. 3.8. Tensiunea și intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din
Si, la diferite intensități ale radiației solare
Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice realizate din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată, depinde foarte puțin de intensitatea radiației solare, dar valoarea intensității curentului electric, depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variație între 0,4A în cazul unei radiații solare de 200W/m2 și 2,2A în cazul unei radiații solare de 1000W/m2.
Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U și intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu.
P=U·I
Considerând că tensiunea este de U=0,5V și intensitatea curentului electric este I=2A, se poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W. Această valoare redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie, pentru a se obține panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din acest motiv și dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din 10×10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi 100x100cm=1m2, iar acest panou va putea să asigure o putere de 10×10=100W.
Pornind de la curbele de variație a intensității curentului electric, cu intensitatea radiației solare, reprezentate în figura 3.8, și calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune și intensitate, se pot trasa curbe de variație a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei din figura 3.9.
Fig. 3.9. Curba de variația puterii electrice a celulelor fotovoltaice www.zonnepanelen.wouterlood.com
Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obține în punctul în care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de pe curba de variație a intensității curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar puterea maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM. Se observă că și în condițiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A, ceea ce corespunde unei intensități foarte mari a radiației solare și unei construcții foarte performante a celulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este de cca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în vederea obținerii unor panouri fotovoltaice, asemenea panouri fiind capabile să asigure puteri de cca. 10…250W.
Fig. 3.10. Panou fotovoltaic www.viessmann.com
Trebuie menționat și faptul că performanțele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatură. Astfel cu cât crește temperatura, cu atât scade și eficiența panourilor fotovoltaice de a converti energia radiației solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienței panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creștere a temperaturii. De regulă performanțele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electrică este realizată în spațiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.
3.3. Tipuri de celule fotovoltaice
În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora (de regulă siliciul, așa cum s-a arătat anterior), se disting trei tipuri de celule fotovoltaice:
– monocristaline; – policristaline; – amorfe.
Monocristalele se obțin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subțiri care se utilizează la fabricația celulelor fotovoltaice.
Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficiență a conversiei fotoelectrice, dar este și cel mai costisitor.
Policristalele se obțin în urma unui proces de producție mai puțin ieftin, constând din turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri. În procesul de solidificare, se formează cristale de diferite dimensiuni și forme, iar la marginea acestor cristale apar și unele defecte de structură. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puțin eficiente.
Structura amorfă se obține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu pe o suprafață de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei rețele atomice cu dispunere neregulată, denumită structură amorfă. În această rețea atomică apar și numeroase defecte, care diminuează performanțele electrice ale materialului. Grosimea stratului amorf de siliciu, obținut prin această metodă este mai mică de 1µm. Pentru comparație grosimea unui fir de păr uman este de 50…100µm.
Costurile de fabricație ale siliciului amorf sunt foarte reduse, datorită cantității extrem de reduse de material utilizat, dar eficiența celulelor fotovoltaice care utilizează siliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează structuri cristaline de material. Datorită costului redus, celulele fotovoltaice cu siliciu amorf se utilizează preponderent la fabricarea echipamentelor cu putere redusă, cum sunt ceasurile sau, calculatoare de buzunar.
În tabelul de mai jos sunt prezentate performanțele celor trei tipuri de celule fotovoltaice din punct de vedere al conversiei energiei radiației solare în energie electrică.
Performanțele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice
În continuare sunt prezentate câteva dintre fenomenele care limitează creșterea eficienței celulelor fotovoltaice:
O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiația solară, au un nivel energetic insuficient pentru a determina trecerea electronilor de pe stratul de valență pe cel de conducție;
Energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut, se transformă în căldură și nu în energie electrică;
Apar pierderi optice datorate reflexiei radiației solare, pe suprafața celulelor fotovoltaice;
Apar pierderi datorate rezistenței electrice a materialului semiconductor sau cablurilor electrice de legătură;
Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula fotovoltaică înrăutățesc performanțele acestora.
În figura 3.11 sunt prezentate eficiențele maxime teoretice, ale conversiei fotovoltaice care pot fi atinse în condiții optime, pentru diferite tipuri de materiale semiconductoare, împreună cu valoarea “barierei energetice” adică diferența dintre nivelul energetic al benzii de conducție și al benzii de valență.
Fig. 3.11. Eficiența teoretică și nivelul “barierei energetice”, pentru diferite materiale semiconductoare
Se observă că de exemplu pentru Si monocristalin, valoarea eficienței teoretice este de cca. 28%, dar valorile acestui parametru sunt situate pentru toate materialele sub 30%.
3.4. Noi tendințe în fabricația celulelor fotovoltaice
La ora actuală, toți producătorii de celule fotovoltaice caută soluții pentru îmbunătățirea performanțelor celulelor fotovoltaice și pentru reducerea costurilor de fabricație a acestora, respectiv a panourilor care le conțin. Câteva dintre aceste tendințe sunt prezentate în continuare.
Realizarea de suprafețe cu pierderi prin reflexie minime. Astfel de celule fotovoltaice au suprafața realizată într-o structură piramidală, pentru ca lumina incidentă să lovească de mai multe ori suprafața celulei.
Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).
Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din materiale semiconductoare diferite așezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoasă într-un domeniu de lungimi de undă cât mai larg.
Utilizarea unor concentratori de lumină, realizați dintr-un sistem de oglinzi, care pe de-o parte să mărească intensitatea radiației luminoase și pe de altă parte să poată urmări deplasarea Soarelui pe cer.
Producerea câmpului electric intern prin realizarea unei joncțiuni între un strat subțire de oxid și un semiconductor, această soluție fiind mai eficientă decât joncțiunea pn.
Utilizarea celulelor Grätzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimic și utilizează dioxid de titan ca electrolit și o vopsea specială, pentru a îmbunătăți procesul de absorbție a luminii.
3.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute prin efect fotovoltaic
Posibilitățile de utilizare a energiei electrice obținute prin conversia energiei solare, folosind efectul fotovoltaic sunt multiple, iar în continuare sunt prezentate câteva asemenea sisteme tehnice care înglobează panouri fotovoltaice.
3.5.1. Sistem pentru producerea și utilizarea curentului continuu
În figura 3.12 este prezentat un sistem de producere și utilizare a curentului continuu cu ajutorul panourilor fotovoltaice.
Fig. 3.12. Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu
Acest tip de aplicație poate să permită de exemplu asigurarea iluminatului electric, cu becuri de curent continuu, în imobile situate în zone izolate și neelectrificate.
Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului. Deoarece momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în care este prezentă radiația solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-una sau mai multe baterii pentru a fi utilizată la nevoie. Între panoul fotovoltaic și baterie este intercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii curentului electric la ieșirea din panou sunt variabili, în funcție cel puțin de intensitatea radiației solare, iar parametrii curentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanți.
Consumatorii alimentați cu curent continuu, sunt conectați tot la bornele de ieșire ale regulatorului, pentru a fi alimentați cu curent electric având parametrii constanți.
3.5.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ
În figura 3.13 este prezentat un sistem de producere și utilizare simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.
Fig. 3.13. Sistem cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ www.lpelectric.ro
Având în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare, specifică de regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unui număr mai mare de panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea mai mare, pentru ca sistemul să poată asigura puterea electrică maximă, pentru un timp cât mai lung, înainte ca bateria să se descarce.
Trebuie menționată prezența obligatorie într-un asemenea sistem a unui echipament denumit invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ.
5.5.3. Sistem fotovoltaic hibrid
În figura 3.14 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea și utilizarea simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.
Fig. 3.14. Sistem hibrid cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ www.lpelectric.ro
Față de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componență și un generator electric acționat de un motor cu ardere internă de tip Diesel. Acest generator, care poate să producă atât curent continuu cât și curent alternativ, are rolul de a asigura puterea electrică necesară în perioadele de vârf de sarcină, sau în perioadele în care radiația solară nu este suficient de intensă.
3.5.4. Sistem fotovoltaic racordat la rețea
În figura 3.15 este prezentat un sistem pentru producerea și utilizarea curentului alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la rețeaua locală de alimentare cu energie electrică.
Fig. 3.15. Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric alternativ, racordat la rețea www.lpelectric.ro
Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorul panourilor fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemul fotovoltaic, dar și furnizarea acestuia în rețeaua locală de alimentare cu energie electrică, acest sistem fiind furnizor de energie electrică. Este evident că imobilele prevăzute cu un asemenea sistem de alimentare cu energie electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte un dispozitiv de măsură care să contorizeze energia electrică furnizată în rețea, dar și cu un contor pentru măsurarea consumului de energie electrică absorbită din rețea.
De regulă, în țările în care se încurajează utilizarea energiilor regenerabile, cum este Germania de exemplu, prețul cu care este cumpărată energia electrică furnizată de acest sistem este mult mai mare decât prețul de vânzare a energiei electrice.
4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ
4.1. Principiul de funcționare al turbinelor eoliene
Energia eoliană, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energie solară, deoarece vântul este produs în principal de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre, de către Soare. Alți factori care contribuie la producerea vântului sunt neregularitățile scoarței terestre și mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii.
Conversia energiei eoliene în energie mecanică și apoi în energie electrică, poate fi realizată cu ajutorul turbinelor eoliene. Într-o manieră simplificată, se poate spune că principiul de funcționare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat. În loc să producă vânt cu ajutorul energiei electrice, așa cum se întâmplă în ventilator, turbina eoliană utilizează vântul pentru a produce energie electrică. Astfel, vântul antrenează în rotație paletele, care sunt fixate pe arborele turbinei. Energia mecanică obținută prin rotația arborelui, este convertită în energie electrică de către un generator de curent electric.
Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste 5000 ani, când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea corăbiilor. De asemenea, cu 2000 ani î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Se pare că lumea occidentală a descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utilizau energia vântului datează abia din sec. 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor.
În figura 4.1, sunt prezentate principalele părți componente ale unei turbine eoliene.
Fig. 4.1. Principalele părți componente ale unei turbine eoliene www.energy.iastate.edu
4.2. Clasificarea turbinelor eoliene
Turbinele eoliene pot fi clasificate după mai multe criterii, în continuare fiind prezentate doar câteva dintre acestea:
După puterea electrică furnizată
Turbine de putere redusă (sub 100kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol, etc.;
Turbine de putere mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în sistemele energetice naționale.
În figura 4.2 este prezentată o turbină eoliană de putere mică, iar în figura 6.3, una de putere mare.
Fig. 4.2. Turbină eoliană de putere redusă Fig. 4.3. Turbină eoliană de putere mare
După direcția de orientare a axei
Turbine cu axă orizontală (cele mai răspândite) având axa paralelă cu direcția vântului;
Turbine cu axă verticală (aflate în stadiu de cercetare) având axa perpendiculară pe direcția vântului.
În figura 4.4 este prezentată o turbină eoliană verticală de tip Darrierus, după numele celui care a realizat prima astfel de turbină. Asemenea modele se află deocamdată în stadiul de cercetare, nefiind încă disponibile pe piață.
Fig. 4.4. Turbine eoliene verticale
După modul de amplasare a paletelor
În contra vântului (vântul întâlnește întâi paletele și apoi nacela) – “upwind”;
În direcția vântului (vântul întâlnește întâi nacela și apoi paletele) – “downwind”.
După numărul de palete
Cu două palete;
Cu trei palete (cele mai răspândite).
În figura 4.5 este prezentată o turbină cu două palete, de tip “upwind”.
Fig. 4.5. Turbină “upwind” cu două palete
După locul de amplasare Amplasare terestră; Amplasare marină.
În figura 4.6 sunt prezentate câteva turbine eoliene marine.
Fig. 4.6. Turbine eoliene marine
4.3. Părțile componente ale turbinei eoliene
Câteva dintre părțile principale ale turbinelor eoliene sunt prezentate în figura 4.7, dar în principiu, cele mai importante părți componente ale turbinelor eoliene, sunt:
butucul rotorului;
paletele;
nacela;
pilonul;
arborele principal (de turație redusă);
multiplicatorul de turație cu roți dințate;
dispozitivul de frânare;
arborele de turație ridicată;
generatorul electric;
sistemul de răcire al generatorului electric;
sistemul de pivotare;
girueta;
anemometrul;
sistemul de control (controller).
Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figurile 4.7 și 4.8 sunt prezentate două imagini ale unor butuci de turbine eoliene.
Fig. 4.7. Butuc de turbină eoliană
Fig. 4.8. Butuc de turbină eoliană
Paletele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene și împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleași tehnologii utilizate și în industria aeronautică, din materiale compozite, care să asigure simultan rezistență mecanică, flexibilitate, elasticitate și greutate redusă. Uneori se utilizează la construcția paletelor și materiale metalice sau chiar lemnul. În figurile 4.9 și 4.10 sunt prezentate două palete de turbine eoliene de mari dimensiuni.
Fig. 4.9. Paletă de turbină eoliană
Fig. 4.10. Paletă de turbină eoliană
Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează în interiorul acesteia și anume: arborele principal, multiplicatorul de turație, dispozitivul de frânare, arborele de turație ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric și sistemul de pivotare.
În figurile 4.11 și 4.12 sunt prezentate două nacele de dimensiuni mari.
Fig. 4.11. Nacela unei turbile eoliene de 2 MW
Fig. 4.12. Montajul nacelei unei turbine eoliene de mari dimensiuni Pilonul are rolul de a susține turbina eoliană și de a permite accesul în vederea exploatării și executării operațiilor de întreținere, respectiv reparații. În interiorul pilonilor sunt montate atât rețeaua de distribuție a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât și scările de acces spre nacelă. În figura 4.13 este prezentată fundația unui pilon, iar în figura 4.14, este prezentat un tronson de pilon pentru susținerea unei turbine eoliene.
Fig. 4.13. Fundația unui pilon de turbină eoliană
Fig. 4.14. Tronson al unui pilon de turbină eoliană
Arborele principal al turbinelor eoliene are turație redusă și transmite mișcarea de rotație, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turație cu roți dințate. În funcție de tipul turbinei eoliene, turația arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min. În figura 4.15 este prezentat un asemenea arbore.
Fig. 4.15. Arborele principal al unei turbine eoliene www.windpower.org
Multiplicatorul de turație cu roți dințate are rolul de a mări turația de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric. În figura 4.15, pe arborele principal, este montat și multiplicatorul de turație.
În figura 4.16 este prezentat principiul de funcționare al acestei componente, iar în figura 4.17 este prezentat un multiplicator de turație eolian.
Fig. 4. 16. Principiul de funcționare al multiplicatorului de turație eolian www.windpower.org
Fig. 4. 17. Multiplicator de turație eolian – www.windpower.org
Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranță și se montează pe arborele de turație ridicată, între multiplicatorul de turație și generatorul electric. Viteza de rotație a turbinei este menținută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcție de viteza vântului și nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcționează corect, sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operații de întreținere sau reparații. În figura 4.18 este prezentat principiul de funcționare al mecanismului de frânare, iar în figura 4.19 este prezentat un asemenea mecanism.
Fig. 4.18. Principiul de funcționare al frânei Fig. 4.19. Dispozitiv de frânare eolian www.windpower.org
Arborele de turație ridicată denumit și arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric. Turația acestui arbore, ca și cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura 4.20 este prezentat un arbore de turație ridicată, montat pe multiplicatorul de turație.
Fig. 6.20. Arbore de turație ridicată – www.windpower.org
Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a arborelui de turație ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator și astfel, în spire se induce curent electric. Există atât generatoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicații casnice și turbine de dimensiuni reduse), cât și generatoare electrice du curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri.
În figura 4.21 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW, cea mai mare din lume în martie 2005.
Fig. 4.21. Generator electric eolian de 5MW
Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs în timpul funcționării acestuia. În figura 4.21 se observă că răcirea este asigurată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat să funcționeze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.
Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientarea turbinei după direcția vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare și elementul de transmisie a mișcării. Ambele componente au prevăzute elemente de angrenare cu roți dințate. Acest mecanism este antrenat în mișcare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcției vântului, sesizată de giruetă. În figura 4.22 este prezentat motorul sistemului de pivotare, iar în figura 4.23 elementul de transmisie.
Fig. 4.22. Motorul sistemului de pivotare – www.windpower.org
Fig. 4.23. Elementul de transmisie al sistemului de pivotare – www.windpower.org
Girueta este montată pe nacelă și are rolul de a se orienta în permanență după direcția vântului. La schimbarea direcției vântului, girueta comandă automat intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcția vântului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară prezența unui sistem suplimentar de pivotare. În figura 4.24 este prezentată o giruetă.
Fig. 4.24. [NUME_REDACTAT] este un dispozitiv pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparat este montat pe nacelă și comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 25m/s. În figura 4.25 este prezentat un anemometru cu cupe.
Fig. 4.25. Anemometru cu cupe
Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puțin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o rețea de calculatoare, care controlează buna funcționare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor. În figura 4.26 este prezentat un controler din componența unei turbine eoliene.
Fig. 4.26. Controler
4.4. Aerodinamica turbinelor eoliene
4.4.1. Lucrul mecanic, energia cinetică și puterea vântului
Asemănător altor forme de energie și cea eoliană poate fi transformată în alte forme de energie, de exemplu mecanică, sau electrică. În condiții ideale, se poate considera că aceste transformări se produc fără pierderi, dar în situațiile reale, întotdeauna se poate defini un randament al transformării energiei dintr-o formă în alta. În continuare va fi determinat potențialul energetic eolian, respectiv potențialul de putere, care ar putea să fie dezvoltate în condiții ideale, de energia eoliană.
Pentru efectuarea acestui calcul, va fi analizat pentru început, cazul celebrului personaj [NUME_REDACTAT], care în romanul lui P. L. Travers, apare în zbor, deplasându-se cu ajutorul unei umbrele, datorită energiei dezvoltate de “vântul de primăvară”, fenomen prezentat în figura 4.27.
Fig. 4.27. [NUME_REDACTAT] se deplasează sub acțiunea energiei eoliene
Considerând că viteza vântului este w, presiunea dinamică p, datorată deplasării aerului, poate fi calculată cu relația:
w2
p =ρ*
2
unde ρ [kg/m3] este densitatea aerului.
La rândul ei, densitatea aerului, depinde de presiunea atmosferică (deci de latitudine, longitudine, altitudine și condițiile meteorologice), respectiv de umiditatea aerului.
În contact cu suprafața umbrelei, presiunea vântului, produce forța care determină deplasarea lui [NUME_REDACTAT]. Cu cât suprafața asupra căreia acționează vântul este mai mare, cu atât și forța produsă de vânt este mai mare. Aceasta este și explicația faptului că atât pânzele corăbiilor, cât și paletele morilor de vânt aveau suprafețe foarte mari, necesare dezvoltării unor forțe cât mai mari.
În contact cu suprafețele asupra cărora acționează (umbrela, pânzele corăbiilor, paletele morilor de vânt, etc.), vântul este frânat, iar energia cinetică a acestuia, se transformă în energie potențială de presiune, respectiv în energie mecanică și este transferată suprafeței care realizează frânarea. Frânarea se produce pe orice suprafață normală (perpendiculară) la direcția vântului. În cazul în care suprafața nu este perpendiculară pe această direcție, vântul va acționa pe proiecția suprafeței, în planul normal la direcția vântului.
Notând cu S, proiecția suprafeței umbrelei lui [NUME_REDACTAT], în planul normal la direcția vântului, forța F, dezvoltată de vânt asupra umbrelei, se poate calcula cu relația:
w 2
F = p * S =ρ* * S
2
Considerând că deplasarea se produce pe distanța x, poate fi calculat lucrul mecanic L, produs de forța dezvoltată de vânt:
w
L = F * x =ρ* *S * x
2
Puterea P, dezvoltată de vânt, pentru a produce deplasarea, în intervalul de timp τ, poate fi determinată cu relația:
L w x w3
P =τ =ρ* 2 *S *τ=ρ* 2 *S
x
deoarece = w
. τ
Aceeași relație de calcul pentru puterea dezvoltată de vânt, poate fi determinată considerând că energia cinetică a vântului, reprezintă tocmai potențialul energetic al acestuia.
Fig. 6.28. Schema de calcul pentru energia cinetică a vântului
Pentru a calcula energia cinetică a vântului, se va considera ca în figura 6.28, un volum oarecare de aer V, închis de o suprafață oarecare S, pe o lungime oarecare x. Lungimea x se consideră pe direcția vântului, iar suprafața S, este considerată normală la direcția vântului. În aceste condiții, volumul de aer se determină cu relația:
V = S* x
Considerând că aerul are densitatea ρ, se poate calcula cantitatea (masa) de aer m, care se deplasează sub acțiunea vântului:
m = ρ*V = ρ*S* x
Energia cinetică Ec, a masei de aer m, se determină cu relația:
w2 w2
Ec = m* =ρ*S * x*
2 2
Puterea pe care o poate dezvolta vântul, datorită energiei sale cinetice, în intervalul de timp τ, se calculează cu relația:
Ec x w2 w3
P = τ =ρ*S *τ* 2 =ρ* 2 *S
adică aceeași relație determinată cu ajutorul lucrului mecanic pentru deplasarea
lui [NUME_REDACTAT].
Atât în cazul lui [NUME_REDACTAT], cât și în cazul analizei energiei cinetice a vântului, au fost considerate situații ideale, fără pierderi fără și ireversibilități, astfel încât mărimile calculate, reprezintă potențialul de dezvoltare a lucrului mecanic, potențialul de dezvoltare a energiei cinetice, respectiv potențialul de dezvoltare a unei puteri de către vânt.
În cazul aplicațiilor reale, se va lua în considerare randamentul η, de conversie a energiei eoliene în energie mecanică, care depinde de performanțele tehnice ale echipamentului utilizat.
Lr = Ecr = Pr η= L E P c
unde indicele r, a fost utiliza pentru a desemna mărimile reale, față de mărimile
fără acest indice, considerate mărimi teoretice, sau potențiale.
În cazul turbinelor eoliene, suprafața S, utilizată pentru conversia energiei eoliene, este suprafața rotorului turbinei, de rază r, respectiv de diametru d:
d 2
=π*r 2 =π*
S
4
Analizând relațiile de calcul prezentate anterior, se observă că puterea pe care o pot dezvolta echipamentele eoliene, în particular turbinele eoliene, depinde în principal de viteza vântului w, proporțional cu puterea a treia a acestei mărimi, dar și de diametrul d, respectiv raza r, a rotorului, proporțional cu puterea a doua a acestor mărimi. Puterea pe care o pot dezvolta echipamentele eoliene, mai depinde și de densitatea ρ, a aerului în locul în care este amplasat echipamentul respectiv. La rândul ei, densitatea aerului depinde de presiunea atmosferică în locul pe care este amplasat echipamentul și de umiditatea absolută a aerului. Presiunea atmosferică a aerului, depinde de latitudine, longitudine, altitudine, temperatură și condițiile meteo, iar umiditatea aerului depinde de condițiile meteo.
4.4.2. Noțiuni introductive de aerodinamică
Aerodinamica este o știință derivată din dinamica fluidelor, care studiază mișcarea, respectiv curgerea gazelor în general și a aerului în particular, precum și interacțiunea aerului, respectiv a gazelor în curgere, cu corpurile solide. Aplicațiile acestei științe în aeronautică sunt evidente, iar în continuare se va observa că și în cazul turbinelor eoliene, forma paletelor ca și funcționarea acestora, reprezintă tot consecințe ale aplicării legilor aerodinamicii, la procesele de curgere a aerului în jurul paletelor.
Din punct de vedere geometric, în secțiune longitudinală, paletele au forma relativ apropiată de a unor dreptunghiuri alungite, mărginite de muchiile frontală și posterioară (față de direcția de rotație a paletelor), respectiv de butucul și de vârful paletelor. Uneori, vârfurile paletelor sunt mobile, ceea ce permite funcționarea acestor părți ale paletelor ca regulator de turație, prin frânarea paletelor în cazul în care viteza vântului depășește anumite limite. Raza (sau lungime paletelor), este reprezentată de distanța dintre axa butucului și vârful paletelor. În secțiune transversală, forma paletelor este asimetrică, astfel încât aerul în curgere (datorită mișcării de rotație a paletelor), să atingă paletele mai întâi în zona îngroșată, care reprezintă zona frontală a paletelor. Aceste forme ale profilelor paletelor, poartă denumirea de profile aerodinamice datorită proprietăților particulare pe care le prezintă și care vor fi evidențiate în continuare. În figura 4.29 sunt prezentate două profile aerodinamice.
Fig. 4.29. Profile ale paletelor – www.bonus.dk
Forma profilelor aerodinamice ale paletelor este fundamentală pentru performanțele turbinelor eoliene, astfel încât chiar și cele mai mici abateri ale formei profilelor, pot genera atât alterarea considerabilă a performanțelor, cât și probleme legate de nivelul de zgomot care poate să crească semnificativ. Din aceste motive, forma profilelor paletelor este aleasă pe baza experienței anterioare considerabile, obținută în urma cercetărilor efectuate asupra formei aripilor și elicelor de avioane.
În cataloagele NACA ([NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] for Aeronautics), cele două profile prezentate în figura 4. 29, sunt denumite NACA44, respectiv NACA63 și reprezintă profilele folosite în mod uzual la paletele turbinelor eoliene de pâna la 95kW inclusiv (NACA44), respectiv de la turbinele peste 150kW (NACA63).
Primul profil a fost elaborat în jurul anilor 1930 și are proprietăți globale foarte bune fiind și destul de tolerant la imperfecțiuni minore ale suprafețelor, cum sunt cele datorate depunerilor de impurități în timpul exploatării. Al doilea profil a fost elaborat în jurul anilor 1940 și are proprietăți diferite. Astfel asigură puteri mai mari la viteze mici și medii ale vântului, dar nu este utilizabil la viteze mari ale vântului și este foarte sensibiul la depunerile de impurități în timpul exploatării. Pentru turbinele mai noi, cu puteri de peste 500kW, profilul aerodinamic al paletelor reprezintă rezultatul unor cercetări mai noi și diferă de cele două profile prezentate. Asemenea profile au fost cercetate și testate de exemplu în Suedia, Danemarca și SUA, țări cu tradiție în domeniul turbinelor eoliene.
4.4.3. Aerodinamica biciclistului
Pentru a descrie cât mai precis aspectele aerodinamice ale turbinelor eoliene, evitând deocamdată elementele complexe și pentru a asigura un cadru intuitiv de înțelegere a fenomenelor care se manifestă, se va descrie pentru început comportarea aerodinamică a unui biciclist, apelându-se la experiența mersului pe bicicletă care este foarte comună și ușor de înțeles. În figura 4.30 sunt prezentate foarte schematic și simplificat, câteva procese de curgere a aerului în jurul unui biciclist, direcția de deplasare a acestuia fiind de la stânga spre dreapta.
Fig. 4.30. Schema proceselor de curgere a aerului în jurul unui biciclist www.bonus.dk
În figura 6.30.a, este prezentată situația în care biciclistul staționează, iar vântul suflă din lateral cu viteza v. În vederea prezentării unui exemplu numeric, se va considera valoarea vitezei vântului: v = 10 m/s = 36 km/h,
ceea ce reprezintă o viteză apropiată de a unei brize marine răcoritoare.
Deoarece aerul curge (se deplasează) în jurul biciclistului, asupra acestuia se va exercita presiunea dinamică a aerului:
v 2
pd =ρ* [Pa]
2
unde ρ este densitatea aerului și pentru această mărime se va considera valoarea
ρ=1,2 kg/m3.
Pentru viteza considerată a vântului se obține:
pd = 1,2 · 102 / 2 = 60 Pa.
Atunci când “lovește” suprafața S a biciclistului și a bicicletei, vântul (aerul în curgere) exercită o forță datorată presiunii:
F = pd · S [N]
Pentru exemplul analizat, considerând S=0,6m2, se obține
F = 60 · 0,6 = 36 N,
ceea ce considerând valoarea accelerației gravitaționale de 10m/s2, este echivalent
cu greutatea unei mase de 3,6kg.
În figura 6.30.b, este prezentată situația în care biciclistul se deplasează cu viteza u, iar vântul suflă din lateral cu aceeași viteză v. Datorită propriei deplasări, biciclistul se simte ca și cum ar fi “lovit” din față de un vânt care suflă cu aceeași viteză u cu care se deplasează biciclistul. Se va considera că biciclistul se deplasează cu viteza: u = 5 m/s = 18 km/h.
Cele două viteze de curgere a aerului se compun, iar viteza rezultantă de curgere a aerului w, se poate calcula astfel:
m
w= v2 +u s
Astfel se obține w = 11,18 m/s,
iar această viteză de curgere a aerului care se va manifesta pe direcția w produce o
presiune dinamică pd ≈ 75 Pa, care produce pe suprafața biciclistului și a bicicletei, o forță F ≈ 45 N, echivalentă cu greutatea unei mase de 4,5kg.
În figura 4.30.c este prezentat modul în care se descompune forța F care acționează asupra biciclistului în situația prezentată anterior, în forța Fv datorată vântului și forța Fm datorată mișcării biciclistului. Practic biciclistul “resimte” acțiunea aceleiași forțe datorate vântului ca și în cazul 4.28.a, la care se adaugă forța Fm datorată propriei deplasări. Cu cât viteza de deplasare este mai mare, cu atât mai mare va fi și rezistența aerului, resimțită ca o forță Fm.
4.4.4. Aerodinamica paletei turbinei
Modul de comportare al paletei turbinei eoliene, la curgerea aerului în jurul acesteia, va fi analizat cu ajutorul schemelor din figura 31, în care este prezentat profilul paletei într-o secțiune apropiată de vârful paletei. Se consideră paleta unei turbine de 450kW, având raza rotorului (lungimea paletei) de cca. 50m.
Fig. 4.31. Schema unor procese de curgere a aerului în jurul paletei turbinei www.bonus.dk
În figura 4.31.a este reprezentată situația în care se consideră că paleta este fixă, iar direcția vântului este perpendiculară pe suprafața planului de rotație, adică suprafața descrisă de rotor în timpul deplasării acestuia. Se consideră de asemenea că viteza vântului are aceeași valoare v = 10 m/s = 36 km/h.
Această viteză a vântului produce asupra paletelor, o presiune dinamică având valoarea pd = 60 Pa exact ca în cazul biciclistului, analizat anterior.
Direcția acestei presiuni este aceeași cu direcția vântului, adică perpendiculară pe planul de rotație al paletelor, respectiv pe fața laterală a acestora. Datorită formei particulare a profilului paletei, pe fața frontală a acesteia (față de direcția de curgere a aerului), presiunea dinamică a aerului produce două efecte diferite asupra paletei. Astfel, pe de-o parte paleta va fi supusă unei acțiuni care va tinde să flambeze (îndoaie) paleta înspre pilon, iar pe de altă parte, paleta va fi supusă unei acțiuni motoare, care va tinde să rotească paleta. În consecință, datorită formei particulare a profilului paletei, forța rezultantă care acționează asupra paletei, are direcția ușor diferită de direcția vitezei vântului, așa cum se observă și în figura 4.31.a.
După ce începe să se producă rotația paletei, sub acțiunea motoare descrisă anterior, datorată formei particulare a profilului, paleta va fi supusă atât acțiunii datorate vitezei vântului, cât și acțiunii aerului, datorate propriei deplasări a paletei. Această acțiune este echivalentă cu cea care s-ar produce dacă paleta ar rămâne fixă și aerul s-ar deplasa spre aceasta, cu aceeași viteză, dar în sens contrar deplasării paletei. Această situație este reprezentată în figura 4. 31.b, pe care s-a notat viteza relativă de deplasare a aerului în planul de rotație al paletei, cu u. Trebuie menționat faptul că viteza u de deplasare a aerului datorită rotației (având direcția tangențială la traiectoria circulară a paletei), este diferită în lungul paletei, fiind mai redusă înspre butuc și mai mare înspre vârful paletei.
Această viteză poate fi calculată cu relația:
u =60nr *r ms
unde nr [rot/min] este turația rotorului, respectiv a paletelor, iar r este raza pentru care se determină valoarea vitezei tangențiale u. Se observă că viteza u, prezintă o variație liniară între zona butucului, unde este minimă (deoarece valoarea razei r este minimă) și vârf, unde este maximă (deoarece și valoarea razei r este maximă).
Având în vedere că domeniul uzual de valori pentru turația paletelor este de 20…400rot/min, în funcție de tipul paletelor, iar în cazul turbinelor cu diametrul mare al rotorului, această turație are valori reduse (20…40rot/min), se va considera o valoare a turației nr = 30 rot/min, care reprezintă o valoare normală. În consecință, viteza tangențială datorată rotației paletelor, va avea valori între
u = 0,5 m/s = 0,18 km/h
în zona butucului, considerând că raza acestuia este de 1m și u = 25 m/s = 90 km/h
la vârful paletei, considerând lungimea acesteia de 50m.
Cele două viteze de curgere a aerului se compun, iar viteza rezultantă de curgere a aerului w, se poate calcula:
m
= v2 +u2 s
w
Astfel se obține w = 10,01 m/s,
la baza paletei, respectiv
w = 26,9 m/s
la vârful paletei.
Viteza de curgere a aerului care se va manifesta pe direcția w produce o presiune dinamică
pd ≈ 60 Pa,
la baza paletei, respectiv
pd ≈ 466 Pa,
la vârful paletei.
Aceste presiuni dinamice, mai ales în zonele apropiate de vârful paletei, se manifestă sub forma unor forțe considerabile asupra paletei.
Datorită formei particulare a profilului paletei, acțiunea forțelor de presiune asupra acesteia se manifestă diferit pe cele două fețe ale acesteia. Astfel se produce fenomenul de portanță care va fi descris ulterior. Efectul complex al profilului paletei asupra forței rezultante, se concretizează, așa cum se observă în figura 4.31.b, în faptul că direcția după care se manifestă forța rezultantă F, diferă substanțial față de direcția vântului, fiind perpendiculară pe aceasta.
În figura 4.31.c se observă maniera în care forța rezultantă F se descompune după cele două direcții importante și anume după direcția vântului în componenta Fa (indicele a, provine din limba engleza, de la termenul “air” care înseamnă aer) și după direcția de rotație în componenta Fd (indicele d, provine din limba engleza, de la termenul “drag” care înseamnă tracțiune). Figura 4.31 prezintă atât vitezele cât și forțele, în zona de la vârful paletei. [NUME_REDACTAT] care acționează perpendicular pe planul de rotație, tinde să deformeze paleta prin flambare, spre pilonul de susținere a acesteia. [NUME_REDACTAT], care acționează pe direcția de rotație, va genera un moment motor, care asigură antrenarea paletei în mișcarea de rotație.
Există două diferențe majore între forțele care se manifestă asupra paletei turbinei și cele care se manifestă asupra biciclistului.
Prima diferență este aceea că forțele care acționează asupra paletei sunt mult mai mari decât cele care acționează asupra biciclistului, datorită vitezelor rezultante ale vântului, mult mai mari în cazul paletelor turbinei eoliene, decât în cazul biciclistului. În aceste condiții, acțiunea rezistentă a vântului, se manifestă în cazul paletei, mult mai puternic decât în cazul biciclistului.
A doua diferență este aceea că datorită formei particulare a profilului paletei, forța rezultantă, se manifestă asupra paletei, pe o direcție aproximativ perpendiculară pe direcția vântului. Acest efect este datorat fenomenului de portanță, care prezintă o importanță deosebită asupra funcționării turbinelor eoliene, pentru că asigură manifestarea forței de tracțiune asupra paletei. Față de cazul biciclistului, care resimte acțiunea vântului ca pe o rezistență care trebuie învinsă printrun efort suplimentar, în cazul paletei, efectul vântului este favorabil, deoarece produce antrenarea paletei în mișcarea de rotație. Portanța este datorată formei particulare a paletei, care determină comportarea complet diferită, din punct de vedere aerodinamic, a paletei față de biciclist.
6.4.5. [NUME_REDACTAT] este fenomenul aerodinamic de susținere a unui corp în aer (plutire), datorită deplasării corpului în aer sau a aerului în jurul corpului. Portanța se manifestă și în alte fluide decât în aer, dar cele mai numeroase aplicații tehnice sunt întâlnite pentru cazul în care fluidul considerat este aerul, iar în continuare va fi analizat exclusiv cazul aerului. Câteva dintre cele mai cunoscute aplicații ale fenomenului de portanță sunt: aripile de avion, paletele elicelor de avion, paletele rotoarelor de elicopter, paletele de ventilator, paletele turbinelor eoliene, dar și elicele de propulsie ale vaselor fluviale și maritime.
Forța de susținere a unui corp în aer, datorită deplasării acestuia în aer sau datorită deplasării aerului în jurul corpului, poartă tot denumirea de portanță. Forța de portanță, sau simplu portanța, se manifestă pe direcție perpendiculară față de direcția de deplasare a corpului în aer, sau a aerului în jurul corpului.
Manifestarea fenomenului de portanță, poate fi explicată prin aplicarea unei legi fundamentale a curgerii și anume legea lui Bernouli, cunoscută atât în mecanica fluidelor, unde este dedusă din considerente mecanice, cât și în termotehnică unde este dedusă din ecuația principiului întâi al termodinamicii. Din punct de vedere matematic, această lege se exprimă prin ecuația lui Bernouli, care poate fi scrisă sub forma:
p +ρ* w12 +ρgh1 = p2 +ρ* w22 +ρgh2
1
2 2
unde:
p reprezintă presiunea statică;
ρ reprezintă densitatea fluidului (în cazul considerat aer);
w reprezintă viteza de curgere a fluidului (în cazul considerat aer);
h reprezintă înălțimea față de poziția considerată de referință;
indicii 1 respectiv 2, reprezintă pozițiile sau stările între care se aplică ecuația considerată.
În cazul tuturor aplicațiilor fenomenului de portanță menționate anterior, deci și în cazul turbinelor eoliene, înălțimea poate fi considerată constantă, deci ecuația lui Bernouli se va scrie sub forma:
p1 +ρ* w12 = p2 +ρ* w22
2 2
w2
Termenul ρ*
2
are semnificația de presiune dinamică, așa cum s-a mai arătat anterior încadrul
acestui capitol.
Analizând ecuația lui Bernouli, scrisă sub ultima forma prezentată, se constată că suma dintre presiunea statică și dinamică este constantă, ceea ce înseamnă că pe măsură ce crește presiunea dinamică, deci viteza de curgere a aerului în jurul corpului, scade presiunea statică. Presiunea dinamică se manifestă pe direcția de curgere, iar presiunea statică se manifestă cu egală intensitate în toate direcțiile. Astfel, la curgerea cu viteză a unui fluid, se va manifesta creșterea presiunii pe direcția curgerii, datorită componentei dinamicii a presiunii, dar și scăderea presiunii pe direcție perpendiculară față de direcția curgerii. Fenomenul scăderii presiunii statice, care însoțește curgerea aerului cu viteză, în lungul unor suprafețe, este evidențiat de experimentul simplu ilustrat în figura 4.32.
Fig. 4.32. Experiență pentru evidențierea manifestării legii lui Bernouli – www.bonus.dk Dacă se apropie una de alta, două foi de hârtie îndoite, ca în figura 4.32 și se suflă aer printre acestea, în zona de ieșire a aerului dintre foi, datorită vitezei ridicate de curgere a aerului, crește presiunea dinamică (manifestată pe direcția de curgere), dar scade presiunea statică (manifestată perpendicular pe direcția de curgere). Astfel, asupra celor două foi de hârtie, pe fețele exterioare și interioare se vor manifesta forțe de presiune diferite. Pe fețele exterioare va acționa presiunea atmosferică (neafectată de curgerea aerului în spațiul dintre foi), iar pe fețele interioare va acționa presiunea statică (micșorată datorită curgerii aerului). Efectul vizibil, va fi că cele două foi de hârtie se vor apropia așa cum este sugerat în figura 4.32.
Analizând cu atenție acest fenomen se constată că forțele care determină apropierea celor două foi de hârtie, se manifestă asupra unor corpuri (cele două foi de hârtie) în jurul cărora se deplasează aerul, iar direcția pe care se manifestă aceste forțe este perpendiculară pe direcția curgerii. În consecință se poate spune că forțele care determină apropierea celor două foi de hârtie prezintă caracteristicile forței de portanță, iar fenomenul care se manifestă este tocmai cel de portanță.
Analizând separat fiecare foaie de hârtie în parte, se poate considera că pentru fiecare din acestea, fenomenul de portanță este determinat de deplasarea aerului cu viteze diferite pe cele două fețe. Pe fața unde viteza de curgere este mai mare, presiunea statică scade în conformitate cu legea lui Bernouli, iar diferența de presiune dintre cele două fețe dă naștere fenomenului de portanță. Forța de portanță se manifestă, așa cum s-a enunța deja, perpendicular pe direcția de curgere.
În cazul unui profil aerodinamic, așa cum sunt profilele după care sunt construite paletele turbinelor eoliene, dar și aripile de avion, elicele de avion, paletele rotorului de elicopter, etc., modul în care se manifestă fenomenul de portanță va fi analizat cu ajutorul figurii 4.33.
Fig. 4.33. Curgerea aerului în jurul unui profil aerodinamic – www.bonus.dk
Corpurile care prezintă profile aerodinamice sunt compuse din două suprafețe, una denumită extrados, reprezentată în figura 4.33 prin partea superioară a profilului și una denumită intrados, reprezentată în figura 4.33 prin partea inferioară a profilului. Pentru a se manifesta fenomenul de portanță, profilul aerodinamic trebuie să fie amplasat în curentul de aer, aproximativ ca în figura 4.33.
Aerul curge cu un debit constant, pe direcția A-B, dinspre A spre B. După ce întâlnesc profilul aerodinamic, moleculele care compun curentul de aer se distribuie pe cele două fețe ale profilului.
Deoarece extradosul prezintă o curbură mult mai mare decât intradosul, moleculele de aer care înconjoară profilul aerodinamic prin zona în zona extradosului au de parcurs un traseu mai lung decât cele care înconjoară profilul aerodinamic prin zona intradosului. Din acest motiv, viteza curentului de aer din zona extradosului este mai mare decât viteza curentului de aer din zona intradosului. Așa cum s-a arătat în experiența anterioară, datorită manifestării legii lui Bernouli, asupra extradosului profilului, unde viteza de curgere este mai mare, va acționa o presiune statică mai mică decât asupra intradosului, unde viteza de curgere este mai mică. În consecință, datorită diferenței dintre presiunile statice, care se manifestă pe cele două fețe ale profilului aerodinamic, asupra acestui profil se va manifesta, perpendicular pe direcția de curgere a aerului o forță, denumită portanță, care va acționa puternic asupra profilului aerodinamic.
Datorită manifestării fenomenului de portanță, este posibil zborul avionelor având greutate mai mare decât a aerului. În cazul paletelor turbinelor eoliene, fenomenul de portanță determină rotirea paletelor sub acțiunea vântului, într-un plan perpendicular pe direcția acestuia, așa cum s-a arătat și în paragraful referitor la aerodinamica paletelor de turbină.
În exploatarea turbinelor eoliene, se constată că la pornire, paletele se rotesc încet, dar pe măsură ce intră în regim normal de funcționare, viteza de rotație crește substanțial fiind evidentă accelerația la care sunt supuse paletele. Această comportare poate fi explicată tocmai prin faptul că pe măsură ce viteza de rotație crește, comportarea aerodinamică a paletelor, determină manifestarea tot mai accentuată a fenomenului de portanță.
4.4.6. Modificarea forțelor în lungul paletei
Aerodinamica paletei și portanța, așa cum au fost prezentate în paragrafele anterioare, se referă în principal la fenomenele care se manifestă în zona de la vârful paletei. În continuare va fi analizată și aerodinamica zonei de la baza paletei (în zona butucului). Comportarea acestei zone este ușor diferită de cea de la vârf, deoarece atât geometria cât și dimensiunile profilului sunt diferite.
În figura 4.34, este prezentat schematic, efectul comportării aerodinamice a paletei turbinei în zona, din apropierea butucului.
Fig. 4.34. Schema efectului curgerii a aerului în zona de la baza paletei turbinei – www.bonus.dk
O primă observație care trebuie menționată, este aceea că în zona de la baza paletei, profilul acesteia este ușor răsucit față de zona de la vârf, așa cum se observă și în figura 4.34, față de figura 4.31. În plus, dimensiunile paletei în zona de la bază sunt mult mai mari decât în zona de la vârf, deoarece în această zonă rezistența mecanică a paletei trebuie să fie mult mai mare decât la vârf, pentru ca aici trebuie preluate forțele care acționează asupra paletei și care tind să producă deformații ale acesteia.
Când paleta turbinei este în repaus, ca în fig. 4.34.a, sub acțiunea vântului care suflă cu viteza v, se manifestă forța F. Direcția acestei forțe este diferită față de direcția vântului, deoarece profilul aerodinamic al paletei este răsucit, astfel încât chiar și în absența rotației paletei, se manifestă într-o oarecare măsură, efectul de portanță. Chiar dacă viteza vântului este relativ redusă (în situațiile analizate a fost considerată o viteză a vântului de 10m/s, ceea ce corespunde unei brize marine răcoroase), forța care se manifestă asupra profilului paletei în această zonă este destul de importantă, deoarece dimensiunile profilului paletei sunt mult mai mari în această zonă, decât la vârf. Datorită răsucirii profilului paletei, în zona de la bază și datorită dimensiunilor considerabile ale profilului în această zonă a paletei, este posibilă manifestarea unei forțe de portanță, capabile să antreneze paleta în mișcare de rotație, deci să scoată paleta din starea de repaus. Antrenarea paletei în mișcarea de rotație devine posibilă la viteze ale vântului de peste 4…5m/s.
Simultan cu antrenarea paletei în mișcarea de rotație, față de paletă, aerul se va deplasa cu viteza relativă u, reprezentată în figura 4.34.b, egală și de sens contrar cu viteza tangențială a paletei în zona de la baza acesteia. Evident, în această zonă viteza tangențială a paletei, este mult mai mică decât la vârful acesteia. Prin compunerea celor două viteze, v și u, se va obține viteza rezultantă w, a aerului care curge în jurul profilului aerodinamic al paletei. Viteza vântului u, este aceeași atât la vârf cât și la bază, dar deoarece u este mult mai mică la bază decât la vârf, viteza rezultantă w, are la bază o direcție mai apropiată de v, decât în zona de la vârf. Deoarece direcția rezultantă a aerului în zona bazei paletei, este diferită de direcția viteze rezultante a aerului la vârf, este evident că pentru a obține o comportare aerodinamică favorabilă și în zona de la baza paletei, este necesar ca aceasta să fie răsucită, aproximativ după direcția rezultantă a vântului.
Analizând cele prezentate anterior, este evident că pentru a fi posibilă scoaterea paletei din repaus și antrenarea acesteia în mișcarea de rotație, necesară conversiei energiei eoliene în energie electrică, paleta trebuie să fie mai răsucită în zona bazei, decât în zona vârfului. Pentru ca și comportarea aerodinamică a paletei în zona de la bază să fie cât mai corectă, unghiul de răsucire al paletei trebuie să corespundă cu viteza rezultantă a aerului în jurul profilului paletei în această zonă.
În figura 4.34.b, se observă că forța de portanță rezultată la baza paletei turbinei eoliene este perpendiculară pe direcția rezultantă de curgere a aerului.
În figura 4.34.c, forța de portanță F, este descompusă după direcția vântului (spre pilonul turbinei eoliene) Fa și după direcția de rotație Fd, această componentă fiind denumită forță de tracțiune “drag force” în limba engleză. Cu toate că viteza rezultantă a aerului în jurul paletei este mai redusă decât la vârf, dimensiunile paletei în zona de la baza acesteia sunt considerabil mai mari decât în zona de la vârf și din acest motiv, forțele rezultate în zona de la bază, sunt comparabile cu cele manifestate la vârful paletei. În consecință, datorită răsucirii continue a paletei, pe toată lungimea acesteia se manifestă forțe de tracțiune, care contribuie la rotirea paletei. Momentul motor, determinat de manifestarea aceste forțe, este cu atât mai mare cu cât zona de acțiune a forțelor este mai apropiată de vârful paletei, deoarece spre vârf crește brațul forței.
4.4.7. Geometria profilului paletei
Câteva elemente ale geometriei profilului paletei sunt prezentate în figura 4.35. Astfel, unghiul dintre direcția dată de planul de rotație și coarda profilului, notat cu a, este denumit unghi de atac.
Fig. 4.35. Geometria profilului paletei – www.bonus.dk
Valoarea acestui unghi are o importanță deosebită asupra comportării aerodinamice a profilului. În cazul paletelor turbinelor eoliene, valoarea unghiului de atac este mult mai mare în zona de la baza paletei, decât în zona de la vârf. Modificarea acestui unghi în lungul paletei, creează aspectul răsucit al paletelor turbinelor eoliene.
Unghiul dintre coardă și viteza rezultantă w, a aerului în jurul profilului paletei, notat cu b, în figura 4.35, are o valoare relativ constantă în lungul paletei, purtând denumirea de unghi setat (“seted angle” în limba engleză).
Paleta este răsucită în lungul acesteia, prin modificarea continuă a unghiului de atac, tocmai pentru a se asigura o valoare constantă a unghiului b, deci pentru a se asigura aceleași caracteristici ale curgerii aerului în jurul profilului aerodinamic, prin valoarea constantă a unghiului b.
Faptul că paletele turbinelor eoliene sunt răsucite, reprezintă doar una din particularitățile geometrice ale acestora. Pentru a avea o comportare aerodinamică, mai bine adaptată la vitezele variabile ale vântului, paletele turbinelor eoliene prezintă posibilitatea de a pivota în jurul locașului de fixare în butuc, ceea ce permite ajustarea unghiului de atac în funcție de viteza vântului, în timpul funcționării turbinei eoliene.
4.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute din energie eoliană
Posibilitățile de utilizare a energiei electrice obținute din energie eoliană sunt multiple, iar în continuare se prezintă câteva asemenea sisteme tehnice care înglobează turbine eoliene.
4.5.1. Sistem pentru utilizarea casnică a energiei electrice eoliene
În figura 4.36 este prezentat un sistem casnic de producere și utilizare a curentului electric continuu și alternativ, cu ajutorul unei turbine eoliene de dimensiuni mici și putere redusă.
Fig. 4.36. Sistem casnic de utilizare a unei turbine eoliene – www.lpelectric.ro
Acest sistem permite atât alimentarea unor consumatori de curent continuu, cât și alimentarea unor consumatori de curent alternativ.
4.5.2. Sistem pentru pomparea apei cu ajutorul unei turbine eoliene
În zonele în care apa se găsește în cantități limitate, dar există apă freatică la adâncime și vântul suflă în mod regulat (situație tipică pentru zonele deșertice sau uscate), se poate utiliza cu succes o turbină eoliană, pentru pomparea apei la suprafață în vederea utilizării ulterioare a acesteia.
Schema unui asemenea sistem este prezentată în figura 4.37.
Fig. 4.37. Sistem pentru pomparea apei freatice la suprafață, cu turbină eoliană – www.lpelectric.ro
Acest sistem este utilizabil și în agricultură, pentru irigații în zone secetoase, pentru pomparea apei din râuri, etc.
Practic, exploatarea unui asemenea sistem eolian de pompare a apei este aproape gratuită, exceptând eventualele costuri de întreținere și mentenanță. Costurile privind investiția inițială trebuie analizate în contextul importanței economice și sociale a unei asemenea investiții, care poate rezolva o serie de probleme grave generate de lipsa apei în anumite regiuni.
4.5.3. Sisteme eoliene hibride pentru producerea energiei electrice
În unele situații, mai ales în sisteme de dimensiuni reduse, producerea energiei electrice cu ajutorul turbinelor eoliene, poate fi asigurată și de sisteme alternative. Astfel, în figura 4.38 este prezentat un sistem pentru producerea energiei electrice, care include și un generator de curent electric antrenat de un motor termic.
Fig. 4.38. Sistem eolian hibrid – www.lpelectric.ro
Motorul va funcționa numai în condițiile în care viteza vântului este prea mică, sau prea mare, deci numai dacă nu este posibilă exploatarea turbinei eoliene.
În figura 4.39 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea curentului electric cu ajutorul surselor regenerabile de energie.
Fig. 6.39. Sistem hibrid pentru producerea curentului electric utilizând surse regenerabile de energie – www.lpelectric.ro
Acest sistem include în plus față de sistemul prezentat anterior și o baterie de panouri fotovoltaice, iar energia electrică furnizată de acestea este stocată în acumulatori.
Dacă vântul este prea slab sau prea puternic și dacă nu se manifestă nici suficientă radiație solară, pentru a fi posibilă funcționarea panourilor fotovoltaice, poate fi utilizat motorul cu ardere internă, pentru producerea energiei electrice.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: 1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE (ID: 16456)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.