Analiza Solutiilor Moderne de Conversie Termica a Energiei Solare

Căldura este cea mai veche și răspândită formă de utilizare a energiei solare.

Se deosebesc sisteme heliotermice pasive și active În sistemele pasive recepția, conversia și utilizarea energiei au loc în același loc, transportul energiei lipsind – razele solare încălzesc nemijlocit consumatorul de căldură. Aceste sisteme sunt, de obicei, simple, ieftine și sigure în exploatare (încălzirea locuințelor, sere, solarii, uscătorii etc.). În sistemele active energia solară este captată de colectoare speciale, transformată în căldură și, prin intermediul caloportorilor, transportată la locul de consum.

Conform nivelului de temperatură utilizările solare pot fi divizate în două categorii: de joasă și de înaltă temperatură, hotarul convențional dintre ele fiind temperatura de 100 0C.

Instalațiile de joasă temperatură se bazează pe două fenomene: absorbția radiației și efectul de seră. Aceste fenomene se folosesc atât în sistemele pasive, cât șt în cele active.

Efectul de seră se bazează pe proprietatea unor corpuri transparente de a permite trecerea radiației de unde scurte și de a o opri pe cea de unde lungi. Schema procesului este prezentată în fig.3.1.

Razele solare de unde scurte, trecând prin suprafața transparentă ST, nimeresc pe suprafața absorbantă SA si o încălzesc.Radiația de unde lungi, emisă de suprafața încălzită, este absorbită de ST și parțial transmisă mediului ambiant, parțial întoarsă SA. Luând în considerație si faptul că fluxul radiant depinde de temperatura suprafeței de radiație, conform legii lui Boltzman, la puterea 4Ia deci, fiind cu mult inferior lui Ig, energia solară este în majoritatea ei reținută de ST. La instalarea a două suprafețe transparente în mediul ambiant se va degaja un flux egal cu Ia/4.

3.2. Colectori solari

Colectorii solari constituie elementul principal al sistemelor active de utilizare a energiei solare. Reprezintă un aparat care captează pe o suprafață fixă radiația solară (directă și difuză), transformând-o în căldura agentului termic. Ei mai sunt numiți și captatori solari. Temperaturile obtinuțe sunt superioare cu câteva grade față de cea a mediului ambiant, în cazul simplei expuneri a unei suprafețe absorbante la soare si cu zeci de grade – în cazul unui captator cu efect de seră.

Dacă apa se expune la soare într-un vas deschis (fig. 3.2), se constată o

ridicare a temperaturii sale cu câteva grade, apoi o stabilizare a acestei temperaturi, când se ajunge la un echilibru al schimbului de energie. Apa primește energia prin radiație de unde scurte și o cedează prin:

• evaporare;

• radiație de unde lungi;

• convecție de la suprafață;

• conducție prin pereții vasului.

Pentru a ridica temperatura apei, trebuie diminuate pierderile de energie. Aceasta se obține în captatorii cu efect de seră.

Un captator, sau colector solar este format din următoarele elemente (fig. 3.3):

• una sau mai multe suprafețe transparente;

• suprafață absorbantă;

• schimbător de căldură cu un circuit de fluid caloportor;

• izolație termică în părțile laterale și de jos;

• carcasă de asamblare a elementelor.

Suprafața transparentă a captatorului are rol dublu: crearea efectului de seră și izolarea termică. Izolarea se obține prin limitarea de către suprafața transparentă a pierderilor prin convecție a energiei captate de suprafața absorbantă.

Funcția de termoizolator o îndeplinește stratul de aer dintre aceste două suprafețe. Grosimea lui trebuie să fie de 25…40 mm. Capacitatea termoizolantă a spațiului dintre suprafețele absorbantă si transparentă se măreste esențial în caz cand el este vidat.

Cel mai indicat material pentru suprafața transparentă este sticla de geam cu un continut cât mai mic de oxizi metalici. Procesul de trecere a radiației solare prin sticlă are următoarele caracteristici:

• reflectanța – =0,06…0,07;

• transmitanța – = 0,85…0,87;

• absorbtanța – p = 0,04..0,08 (în funcție de grosime).

Materialele plastice obișnuite nu se recomandă de folosit, din cauza proprietățiior optice mai defavorabile și, mai ales, fiindcă îmbătrânesc foarte repede sub influența radiației solare.

Numărul de straturi ale suprafeței transparente n micșorează pierderile de căldură de la suprafața absorbantă, permițând obținerea unei temperaturi mai ridicate, dar concomitent reduc fluxul global de radiație care ajunge la această suprafață:

ISA=Ign. (3.1)

Deci dacă printr-un strat de sticlă vor trece 85% din Ig, apoi prin două straturi vor trece 72%, iar prin trei – numai 61%. Astfel, cu mărirea numărului de straturi ale suprafeței transparente temperatura agentului termic va crește, iar randamentul captatorului va scădea.

Suprafața absorbantă este elementul cel mai important al captatorului. Cerința față de ea este: o absorbtanță maximă la o emisivitate cât mai mică. Această cerință poate fi satisfăcută prin alegerea materialelor cu caracteristici respective, folosirea straturilor selective, ameliorarea geometrică a suprafețelor prin mărirea rugozității, porozității, formarea ondulațiilor artificiale. Caracteristicile unor tipuri de suprafețe sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1

Absorbtanța și emisivitatea materialelor

Vopseaua folosită pentru captatori trebuie să reziste la temperaturi de 100…110 C. Suprafața de captare se va vopsi într-un singur strat, vopseaua reprezentând un termoizolator.

Trebuie să mentionăm, că suprafețele îsi păstrează valorile prezentate ale absorbtanței pentru unghiuri de incidență a razelor solare până la 60…70.

Fluidul caloportor poate fi un lichid (în majoritatea cazurilor apa) sau un gaz (de obicei, aerul).

Construcția schimbătorului de căldură în aceste două cazuri diferă foarte mult. În captatoarele cu caloportor lichid el poate fi format din două plăci (una dintre care reprezintă suprafața absorbantă) unite între ele astfel ca să formeze canale plate, prin care va circula fluidul (vezi fig. 3.4, a). Mai răspândite sunt schimbătoarele de tip tub-placă, formate din registre sau serpentine din țevi, amplasate sub suprafața absorbantă și unite cu ea prin sudură sau alte metode (fig. 3.4, b și c). În ultimele o atenție deosebită se acordă contactului dintre țevi și suprafața absorbantă, pentru ca rezistența termică în el să fie cât mai mică.

Se confecționează schimbătoarele de căldură din oțel inoxidabil sau din aramă. Ultimele au performanțe mai bune și o durată de exploatare mai mare. Aluminiul nu este recomandat, deoarece crează în circuitul instalației fenomene de coroziune foarte intense.

În captatorii solari cu aer acesta răcește suprafața absorbantă, mișcându-se pe o parte sau pe ambele părți ale ei, deseori și penetrând-o.

Suprafețele se confecționează din diferite materiale în cele mai diverse forme, bunăoară:

• plăci netede, rugoase sau ondulate din diverse materiale;

• plăci perforate din metal sau alte materiale;

• strat de șpan metalic în bucle;

• strat filtrant de fibră de celuloză, masă plastică etc;

• strat simplu sau filtrant din material în bucăți (prundiș, cărămidă concasată etc);

• strat din plase metalice sau de alte materiale etc.

Cerințele față de materialele enumerate sunt: rezistența la temperaturi peste 1000C, lipsa degajărilor de substanțe nocive la încălzirea aerului pentru uscarea produselor alimentare, costul accesibil etc.

Izo1ația termică trebuie să fie plasată în spatele captatorului și pe lateral. În general, ea poate fi constituită dintr-un strat de 5… 10 cm de vată de sticlă, care posedă următoarele avantaje:

• este relativ ieftină;

• este un foarte bun izolator (conductibilitatea termică = 0,05…0,06

W/(mK);

• rezistă la temperaturi mari;

• are densitatea mică (=150…200 kg/m3).

Dezavantajele ei sunt:

• își pierde calitățile izolante la umezire;

• la plasarea înclinată a captatorului se tasează.

Pentru a remedia tasarea se poate folosi vată de sticlă cu fibre lungi, suprapunând două straturi subțiri (4 cm). Se pot folosi panouri rigide din vată de sticlă.

Izolația unui captator se mai poate realiza printr-o combinație, care este destul de economică un panou din vată de sticlă de 4 cm, iar la exterior un panou de 3 cm din polistiren expandat. Vata va fi sub influența temperaturilor înalte ale captatorului și va proteja polistirenul. La rândul său, polistirenul este mai puțin afectat de umiditate.

Carcasa are funcția de a menține ansamblul și de a asigura etanșeitatea captatorului, necesară pentru a evita pătrunderea apei în el. Solicitările mecanice fiind mici, ea nu necesită rezistență mare. Reprezintă o cutie cu fund și patru laturi. Fundul este plat sau ondulat, pentru a avea rigiditate la dimensiunile captatorului. Înălțimea laturilor trebuie să corespundă condițiilor de montare a izolației, schimbătorului de căldură cu suprafața absorbantă, stratului de aer și suprafeței transparente – în total 10…16 cm.

3.3. Bilanțul energetic al unui captator solar

Fluxul global de radiație g, nimerind pe suprafața transparentă a captatorului (fig. 3.5), este parțial reflectat (fluxul STIg), parțial absorbit de aceasta (fluxul pSTIg).

La suprafața absorbantă ajunge fluxul de radiație de unde scurte STIg, o parte din care (fluxul SASTIg) este reflectată aproape în întregime prin suprafața transparentă în mediul ambiant, iar alta – absorbită și transformată în căldură:

qa=pSASTIg (3.2)

O parte din căldură se pierde în mediul ambiant de pe suprafețele captatorului, atât cea transparentă – qot, cât și cea a carcasei – qac, prin convecție și prin radiație de unde lungi. Această cantitate poate fi apreciată cu formula:

q0 = Up(ta – t0), (3.3)

în care este coeficientul global de pierderi de căldură al absorbantului, în W/(m2K); ta și to – respectiv, temperatura suprafeței absorbante și a mediului ambiant.

Fluxul util de căldură, asimilat de agentul caloportor, va fi prin urmare:

qu = qa – qo .

Folosind relațiile (3.2) și (3.3), obținem formula Hoffel-Whiller-Bliss (H-W-B):

qu = pIg -Up(ta -to), W/m2. (3.4)

Tabelul 3.2

Caracteristici constructive ale captatoarelor solare

Pentru randamentul captatorului vom obține formula respectivă:

==p – Up =p – Up , (3.5)

unde: p și Up, sunt caracteristici constructive ale captatorului. Valorile lor orientative pentru tipurile răspăndite de captatoare sunt prezentate în tabelul 3.2.

Componenta formulei (3.5) t/I= caracterizează condițiile de funcționare a captatorului. Valorile randamentului în funcție de pentru tipurile răspândite de construcții de captatori sunt prezentate în fig. 3.6. Conform graficului, captatoarele simple pot fi utilizate pentru obținerea diferențelor mici de temperatură.

Captatoarele cu suprafețe selective, cu vid și cu concentratoare, fiind mai costisitoare, se vor utiliza pentru obținerea temperaturilor mai ridicate. Ultimele două tipuri, având o construcție mai sofisticată, posedă și caracteristici optice (p) mai reduse, din care cauză la 0,05 randamentul lor este inferior față de celelalte construcții.

Fig.3.6. Randamentul captatoarelor în funcție de parametrii constructivi și de funcționare:

a – absorber; b – suprafața absorbantă simplă cu un vitraj; c – suprafața absorbantă simplă cu două straturi transparente; d – suprafața absorbantă selectivă cu o suprafață transparentă; e – suprafață selectivă vidată;j- cu concentrator de radiatie – C=2

Caracteristica grafică a unui captator plan concret este prezentată în fig. 3.7. Graficul permite de a determina randamentul captatorului în condițiile fluxului global de radiație cunoscut și la diferența dată de temperatură. Punctul A corespunde valorii =p, punctul B-=p/Up. Linia BC corespunde valorilor maxime ale t, care pot fi obținute la fluxurile globale respective de radiație Ig. Din acest grafic putem afla și insolația minimă necesară pentru a obține diferența dată de temperatură.

Însă qu este utilizat la temperatura medie a fluidului caloportor tm, randamentul fiind astfel influențat și de coeficientul de transfer de căldură de

la suprafața absorbantă la fluid kaf. Acest proces se caracterizează cu mărimea F/, numită factor de irigație:

F/ = .

Valoarea inițială a randamentului deci va fi

o=F’p,

ea corespunzând punctului A/ din fig. 3.7.

Deși pentru diferențe mici de temperatură valoarea practică a randamentului ajunge pentru unii captatori la 0.8, în calculele tehnico-economice valoarea lui medie se recomandă:

• pentru condiții de vară – 0,50 … 0,55;

• pentru sisteme sezoniere – 0,40 … 0,45;

• pentru sisteme care funcționează pe tot parcursul anului – 0,30 … 0,35.

3.4. Sisteme heliotermice pasive de încălzire și climatizare

Astfel de sisteme se întâlnesc la încălzirea și climatizarea locuințelor, încăperilor de producție, serelor etc.

Pentru încălzirea încăperilor se utilizează trei tipuri de heliosisteme:

1) cu captare directă a radiației solare, trecută prin suprafețe mari vitrate în partea de sud a clădirii (ferestre, verande, grădini de iană, oranjerii);

2) cu captare indirectă pe un perete termoacumulator vitrat (perete Trombe);

cu contur de circulație a aerului și termoacumulator din prundiș sau cărămidă concasată.

Un exemplu caracteristic al încălzirii cu captare directă îl reprezintă casele “bătrânești” din satele Moldovei (fig. 3.8, a). Aceste case sunt îndreptate preponderent cu fața spre sud. În partea de nord ele n-au decât o ferestruică mică. În multe cazuri în această parte se construia o bașcă pentru păstrarea lemnelor, inventarului agricol etc. În partea din față streașina are o astfel de lățime, încât în timpui iernii radiația solară să fie folosită maxim, iar vara, în orele călduroase ale zilei, razele solare să nu pătrundă în interior. În construcțiite contemporane, cu etaje, sunt folosite aceleași principii, rolul streșinii revenind jaluzelelor, vizierelor și altor elemente speciale de protecție.

Sistemele pasive directe de acest tip permit o economie de combustibil pentru încălzire de 15…30 %. Verandele, oranjeriile, grădinile de iarnă (fig. 3.8, b) au un randament de captare a radiației solare de 60…70 %.‚ dar numai 10…30 % din aceasta este utilizată pentru încălzirea restului clădirii. Pentru stocarea căldurii podeaua și pereții trebuie să fie masivi, cu un grad sporit de absorbție. Suprafața ferestrelor pe peretele din partea încăperii încălzite trebuie să fie de 25…45 %.

Verandele, oranjeriile, amplasate în partea de sud a clădirii, pot servi nu numai pentru încălzire, dar și pentru climatizare pe timp de vară. Pentru a micșora radiația, se instalează perdele, storuri, iar în partea de sus se amplasează ferestruici speciale prin care iese aerul încălzit, organizând pe contul autotirajului ventilarea încăperilor.

Storurile, perdelele, jaluzelele, precum și obloanele la ferestre mai servesc pentru reținerea în perioada iernii a căldurii în interior pe timp de noapte. O eficacitate mai mare o au obloanele și storurile amplasate în partea exterioară a ferestrei.

Captarea directă a radiației solare poate fi efectivă la respectarea unui șir de condiții:

• orientarea casei de-a lungul axei est-vest cu o deviere nu mai mare de 30 %;

• amplasarea în partea de sud a 50… 70 % din ferestre, iar pe cea de nord – nu mai mult de 10 %;

• termoizolarea cât mai bună;

• infiltrările de aer minime;

• capacitatea satisfăcătoare de stocare a căldurii de către podele și pereți

• amplasarea rațională a încăperilor în interiorul clădirii: camerele de locuit – în partea de sud, cele auxiliare (scări, bucătării, magazii etc.) – în partea de nord.

Sistemele pasive cu captare indirectă (fig. 3.8, c) au ca element

principal un perete masiv sub vitraj, în cele mai frecvente cazuri dublu. Peretele are o suprafață cu absorbtanța mărită (vopsită în negru). În unele construcții spațiul dintre perete și vitraj nu comunică cu încăperea. Căldura acumulată ziua este stocată de perete și apoi transmisă noaptea încăperii. Mai eficientă este construcția cu orificii în părțile de jos și de sus ale peretelui, prin care circulă aerul, transportând căldura de la suprafața absorbantă în interiorul încăperii.

Schema unei case cu circulația convectivă a aerului și termoacumulator este prezentată în fig. 3.9. Căldura captată în timpul zilei este stocată în acumulator și apoi utilizată noaptea. Schimbarea regimurilor de funcționare a sistemului (stocare-încălzire) se efectuează prin intermediul unui sistem de clapete.

Vara, folosind un ventilator mic, acumulatorul poate fi utilizat pentru condiționarea încăperilor pe contul “răcoarei” stocate în timput nopții.

Răsadnițele, solariile, serele în Moldova sunt consumatori tradiționali de energie solară.

Răsadnițele reprezintă construcții adăpostite, folosite sezonier (primăvara) pentru creșterea răsadului și a legumelor timpurii. Sunt acoperite cu rame de sticlă, uneori de peliculă transparentă, care realizează efectul de seră. Ca sursă suplimentară de căldură în ele se utilizează biocombustibilul, uneori încălzirea electrică ș.a.

Solariile, de asemenea, sunt construcții sezoniere. Se confecționează acoperind solul cu un material transparent, de regulă – peliculă, pe o carcasă de lemn, metal sau plastic. Sunt folosite la creșterea legumelor timpurii.

Serele reprezintă construcții capitale, care pot funcționa și pe timp de iarnă. Sunt dotate cu surse suplimentare de căldură. Acoperișul și pereții în cele mai frecvente cazuri se execută din sticlă, dar pot fi și din peliculă în unu
sau două straturi. Serele servesc atât la creșterea răsadei, cât și a legumelor,
unor fructe, pomușoare, pe timp de iarnă

În solarii și sere cca 10% din energia incidentă este utilizată pentru procesul de fotosinteză.

Sticla are cele mai favorabile caracterisici pentru formarea efectului de seră, dar ea este grea și cere construcții solide. Peliculele din materiale plastice sunt mai ieftine și mai ușoare, însă îmbătrânesc repede sub acțiunea razelor ultraviolete și trebuie înlocuite peste fiecare 4…6 luni. În plus, fiind subțiri, se pot rupe ușor. De menționat, că aceste materiale mai au și alte dezavantaje. Astfel, polietilena, posedând o transmitanță de 0,80 pentru infraroșu și numai 0,35 pentru ultraviolet, nu asigură în măsură suficientă efectul de seră. Poliamida, având aceste caracteristici respectiv de 0,25 și 0,80, efectul de seră îl formează, dar este complicat de a o utiliza, deoarece posedă o proprietate de contracție de până la 20 %.

Pentru sporirea eficacității energetice a serelor se utilizează acumulatoare de căldură din prundiș, piatră, cărămidă concasată ș.a. (fig. 3.10). Ziua, când în seră este surplus de căldură, ventilatorul refulează aerul încălzit prin acumulator. Căldura acumulată este folosită pe timp de noapte, economisind astfel energia sursei suplimentare.

3.5. Uscătorii solare, distilerii, bucătării solare

Energia solară se folosește scopuri de desecare în unele ramuri industriale (materiale de construcție, țesături etc.), dar mai pe larg în agricultură și ramurile de prelucrare a produselor agricole.

Uscarea fructelor și legumelor prin expunerea radiției directe se efectueazã pe grătare speciale în straturi uniforme. Încărcătura optimă pentru unele fructe și legume este dată în tabelul 3.3. Depășirea cantităților indicate duce la prelungirea duratei de uscare, la obținerea unor produse uscate neuniform, iar uneori și la scăderea calitații produselor.

Grătarele trebuie asezate pe suporturi la 10. . .20 cm de la sol, sau altă suprafață pe care se amplasează, pentru ventilarea stratului de produse.

Durata procesului în condiții favorabile (zile senine, umiditatea aerului normală) este de 3…5 zile.

La simplitatea aparentă această metodă cere o deservire atentă a procesului pentru a proteja produsul de ploaie, praf, rouă, insecte etc. De aceea, mai recomandabilă este uscarea pe grătare, instalate sub acoperiș transparent, care, în afară de protecția produselor, intensifică procesul de uscare cu 1…2 zile, realizând efectul de seră.

Aceste instalații sunt ușor de construit, ieftine, dar posedă un șir de dezavantaje ca: productivitate mică, randament scăzut (15…20%), imposibilitatea de a controla și dirija procesul (temperatura și viteza agentului de uscare), deteriorarea unor producte prin radiația solară directă ș.a.
Dezavantajele indicate lipsesc la instalațiile de uscare indirecte, exemple deconstrucție ale cărora sunt prezentate în fig. 3.11. În instalația combinată (fig. 2.18,a) procesul de uscare are loc atât în rezultatul radiației directe, cât și datorită convecției la circulația naturală a aerului încălzit desuprafața absorbantă, care poate fi formată dintr-un strat de cărămidă sau piatră concasată, vopsită în negru. Circulația aerului poate fi regulată și oprită pe timp de noapte cu un sistem de clapete la intrare sau ieșire din instalație.

Instalațiile indirecte (fig. 3.11, b și c), în care are loc uscarea pur convectivă, permit să se evite degradarea vitaminelor în fructe și legume precum

și a moleculelor sensibile în unele plante medicinale. Aerul încălzit în captatorul solar, format din suprafața transparentă și cea absorbantă, este vehiculat de un ventilator special, care este acționat de o morișcă de vânt sau de un motor electric, alimentat de un panou fotovoltaic sau de la rețea. Acumulatorul de căldură, indus în sistemul de circulație a aerului, face ca regimul de temperatură în timpul zilei să fie mai uniform și prelungește concomitent durata zilei de lucru a uscătoriei.

În afară de fructe și legume, în sectorul agricol energia solară se folosește pe larg la uscarea fânului, cerealelor. Două scheme de instaiații pentru uscarea fânului sunt prezentate în fig. 3.12. Procesul de uscare se efectuează nemijlocit în șura în care fânul se păstrează pentru iarnă. În instalația din fig. 3.12, a radiația solară este absorbită de acoperișul din tablă vopsită în culori închise, în care și se transformă în cădură. De la tablă căldura se transmite aerului care circulă prin canalul plat format sub acoperiș. Cu un ventilator aerul este vehiculat printr-un canal descendent sub podeaua perforată a șurii cu fân. Această construcție este capitală, nu necesită o îngrijire specială sau schimbarea periodică a elementelor, dar are randamentul redus.

Instalația din fig. 3.12, b are un randament mai mare, datorită efectului de seră, format de acoperișul transparent din peliculă de plastic, și, de asemenea din cauza suprafeței captatoare mai mari, pelicula acoperind și un perete lateral al șurei. Însă acest acoperiș servește nu mai mult de un sezon, după care pelicula trebuie schimbată.

În instalațiile de uscare indirecte și combinate pentru captarea radiației solare se utilizeaza mai multe construcții de colectoare.Dupa părerea noastră, prezintă un interes deosebit captatoarele din secții tubulare de polietilenă (fig. 3.13). Secțiile sunt formate din două tuburi concentrice: cel exterior, cu diametrul de cca. 0,8 m, este confecționat din peliculă de polietilenă transparentă, iar cel interior, cu diametrul de cca. 0,5 m – din peilculă neagră. Lungimea secțiilor este de 10… 15 m. La ambele capete secțiile sunt unite cu canale colectoare. Colectorul de intrare se conectează la gura de refulare a unui ventilator, cel de ieșire – la instalația de uscare. Tubul interior are orificii pentru ieșirea aerului la ambele capete, astfel ca aerul vehiculat de ventilator să circule parțial prin interiorul lui, parțial – prin canalul circular format între tuburi.

Avantajele acestor captatori solari constau în masa lor mică, simplitatea,
secostul redus, orientarea arbitrară fată de razele solare, dezavantajele – în instabilitatea funcționarii la viteza vantului mai mare de 10 m/s, din cauza velaturii sporite, si termenul de exploatare redus – nu mai mult de un sezon.

În gospodarii energia solara se mai foloseste la desalinizarea si pregatire hranei (în bucatarii solare).

Schema unei instalații desalinizare a apei este prezentată în fig. 3.14. Traversând sticla, razele solare încălzesc și vaporizeaza apa sărată din rezervorul din pereții cu absorbanță mărită. Vaporii, ridicându-se, se condensează pe suprafața interioară a vitrajului răcit prin convecție de aerul ambiant. Condensatul se scurge pe vitraj în ulucul de colectare, de unde se ia pentru consum.

Bucătăriile solare se referă la instaiațiile de înaltă temperatură, deoarece necesită temperaturi de 100…200 0C și chiar mai mari. Sistemele existente de bucătării pot fi clasate în trei categorii:

1) bucătării-ladă – constituie o ladă confecționată din material izolant, în care încap mai multe vase de bucătărie. Lada est dotată cu vitraj din unu sau mai multe straturi și cu oglinzi plane adiacente, asigurând o concentrare slabă a radiației. În jurul amiezei în ele se poate obține temperatura de 140… 150 0C;

2) bucătării cu colectoare plane de înaltă performanță alimentate prin intermediul unui circuit caloportor (cu ulei sau alt agent termic) de la un colector solar cu suprafață selectivă sau sub vid, echipate cu reflectori cu oglinzi plane. Permit să se obțină temperaturi de 150…180 0C;

3) bucătării cu concentratoare. Vasul pentru prepararea bucatelor este plasat în focarul unui concentrator solar de performanță. Dacă instalația este dotată cu un sistem de urmărire a soarelui, se pot obține temperaturi de câteva sute de grade.

3.6. Sisteme solare de încălzire a apei

Încălzitoarele solare de apă se folosesc în scopuri menajere, tehnologice, pentru încălzirea încăperilor ș.a.

Una din cele mai simple instalații pentru încălzirea apei este prezentată în fig. 3.15.

Ea este constituită dintr-un captator solar și un rezervor, unite printr-un sistem de conducte într-un circuit închis. Se utilizează captatoare plane cu una sau două suprafețe transparente, în funcție de temperatura necesară. Fluidul caloportor iese din partea de jos a rezervorului și intră în cea de sus. Pentru a asigura stratificarea apei conform nivelului de temperatură apa rece de consum se introduce în partea de jos a rezervorului, deasupra conductei instalându-se o căciulă spedală de protecție. În unele cazuri, cu același scop se mai instalează plase orizontale si alte construcții. Apa caldă se ia din partea cât mai sus posibilă.

Pentru a înlesni circulația naturală a apei rezervorul se instalează mai sus de colector. În unele cazuri, la situarea colectoarelor solare pe acoperișui clădirii, rezervorul nu poate fi instalat mai sus de colectoare și, pentru a organiza circulația apei, în circuit se introduce o pompă. Rezervorul servește concomitent și pentru stocarea căldurii.

În fig. 3.16 este prezentată schema unui sistem de încălzire și alimentare cu apă caldă menajeră a unei case. Captatorul și un schimbător de căldură de tip serpentină, amplasat în rezervor, formează un circuit închis, prin care circulă, vehiculat de o pompă, agentul termic. Apa din rezervor este pompată în sistemul de încălzire. Apa menajeră se încălzește trecând prin schimbătorul de căldură special, amplasat, de asemenea, în interiorul rezervorului.

Pentru intervalele reci de timp sistemul este dotat cu un încălzitor electric sau cu un cazan. Rezervorul posedând capacitatea de acumulare a căldurii, încălzitorul electric se folosește pe timpul gropilor în curba de sarcină electrică, când sunt în vigoare cele mai reduse tarife la energia electrică.

Nivelul de temperatură în circuitul captatorului poate fi redus esențial, dacă în sistem se introduce o pompă de căldură, care ridică potențialul energiei obținute. În conturul captatorului pe timp de iarnă, de obicei, se utilizează antigel. În instaiațiile cu pompe de căldură se folosesc captatoare tip absorber, fără vitraj.

Eficiența sistemelor solare de încălzire cu apă crește. La utilizarea încălzirii prin podea, deoarece în acest caz este necesară o temperatură mai mică a apei și podeaua posedă capacități de stocare a căldurii.

Suprafețele mari de captare se compun din mai multe colectoare unite în paralel sau în serie. Unirea în paralel se efectuează la solicitări de temperaturi mici ale apei încălzite. Rezistența hidraulică a circuitului în acest caz este mică și circulația poate fi naturală. La conectarea captatoarelor în serie fluidul caloportor, trecând consecutiv prin ele, se încălzește din ce în ce mai mult în fiecare. Prin urmare, captatoarele vor funcționa la temperaturi diferite, crescătoare spre ieșire. În unele cazuri colectoarele de la ieșire se execută cu vitraj dublu. Prin înserierea captatoarelor crește rezistența hidraulică a instalației, ceea ce necesită, de obicei, instalarea pompei de circulație.

3.7. Sisteme cu concentratori de radiație solară

Valorile relativ mici ale intensității radiației solare nu permit să se obțină în captatorii simpli temperaturi care ar depăși esențial valoarea de 1000C. Temperaturi ridicate, până la câteva sute și chiar mii de grade, se pot obține prin concentrarea radiației solare, care constă în devierea printr-o metodă oarecare a radiației captate pe o suprafață (reflector, refractor) către o altă suprafață mai mică (receptor), unde se și realizează conversia dorită. Raportul acestor suprafețe prezintă gradul de concentrare C.

Se întâlnește o varietate foarte mare de concentratori, care pot fi clasificați astfel:

A – conform principiului fizic:

• reflecția radiației solare cu ajutorul oglinzilor,

• refracția prin intermediul lentilelor convergente sau a lentilelor Fresnel,

• refracția totală a radiației utilizând concentratori prismatici;

B – conform formei focarului:

• focalizare punctuală,

• focalizare liniară,

• concentratori fără focar definit;

C – conform geometriei reflectorului:

• reflectori parabolici,

• reflectori eliptici,

• reflectori sferici (curba generatoare fiind un arc de cerc),

• sinusoidali (în jurul valorii /2),

• conici,

• cilindrici,

• geometrii compuse (oglinzi Fresnel, cu dublă reflecție etc.);

D – conform geometriei receptorului:

• receptori plani,

• receptori cilindrici,

• receptori elipsoidali.

Câteva exemple de construcții ale sistemelor de concentrare sunt prezentate în fig. 3.17.

Suprafețele reflectoare sunt realizate, în marea lor majoritate, din materialul reflector propriu-zis și suportul pe care acesta este depus. În calitate de material reflector mai des sunt folosiți Al si Ag, iar ca materiale pentru suport – sticla, filme de mase plastice și uneori metale. Valorile reflectanțelor pentru o serie de suprafețe reflectoare, utilizate la confecționarea colectoarelor solare cu focalizare sunt date în tabelul 3.4.

Randamentul unui colector solar cu concentrare a radiației este de 0,4…0,6.

Pentru a folosi la maxim energia solară pe tot parcursul zilei concentratorii sunt orientați pentru urmărirea mișcării soarelui după una sau două coordonate unghiulare. Astfel de colectori mai sunt numiți și heliostate. Heliostatele sunt folosite în cuptoarele solare și la Centralele Termoelectrice Solare.

Tabelul 3.4

Reflectanța unor suprafețe de colectoare

3.8. Centrale termoelectrice solare

Există mai multe tipuri de centrale termoelectrice solare (C.T.S.). Ne vom opri la trei din ele: cu turbină cu vapori, cu turbină cu gaze și cu motor eolian. Primele din acestea pot funcționa cu vapori de temperatură înaltă (250…500 0C) sau de temperatură joasă (sub 120 0C). La temperaturi joase în calitate de agent motor se utilizează lichide cu temperatura joasă de fierbere, la instalațile de temperatură înaltă – H20.

Actualmente, în lume funcționează mai bine de 20 de C.T.S. cu turbine cu abur. Funcționând la temperaturi ridicate, ele necesită sisteme puternice de concentrare a radiației solare. Centrala din Crimeea cu puterea instalată 5 MW este alimentată de 1600 heliostate cu aria totală de 40 mii m2‚ repartizate pe 20 inele în jurul turnului cu înălțimea de 89 m, pe care se află cazanul cu productivitatea de 28 t/h abur cu presiunea 4 MPa și temperatura 250 0C. Randamentul centralei este de 12…20 %.

Sunt elaborate proiecte de C.T.S. combinate – cu energie solară și combustibil. Cazanul solar se amplasează pe coșul de fum al instalațiilor de cazane pe combustibil și e preconizat să lucreze în perioada însorită cu scopul de economisire a combustibilului.

C.T.S. cu vapori de temperatură joasă se realizează cu două circuite (fig.3.18). Primul circuit este alcătuit din captatorul cu concentrator cilndric și un rezervor. Fluidul caloportor (în cele mai frecvente cazuri ulei) este vehiculat de pompa de circulație. Rezervorul servește concomitent ca generator de abur pentru agentul motor din circuitul doi – o schemă clasică, care funcționează conform ciclului Rankine.

C.T.S. cu turbina cu gaze, care funcționează conform ciclului Bryton, este prezentată în fig. 3.19. Agentul motor (un gaz neutru sau aerul) rece este refulat de compresor prin captatorul solar, unde se încălzește, la turbină. Pentru aplanarea regimului de funcționare a turbinei în schemă este introdus acumulatorul de căldură cu un compresor special. Cu ajutorul unui sistem de valve acumulatorul în timpul insolației excesive se introduce în paralel cu turbina, iar în timpul insuficienței de radiație solară – în paralel cu captatorul, sau înlocuindu-l complet pe un timp scurt.

În anul 1929 în Franța a fost patentată ideea centralei electrice solare cu aer cald. Aceasta reprezintă o zonă de sol acoperită cu folie transparentă. În centrul zonei se află un turn înalt, în interiorul căruia sunt amplasate turbina eoliană și generatorul electric. Solul absoarbe până la 90% din energia electrică și o transmite prin convecție aerului de la suprafața sa. Aerul încălzit, datorită tirajului format de turn, se mișcă în interiorul acestuia, antrenând turbina eoliană.

3.9. Instalații frigorifice solare

Schema unei instalații frigorifice poate fi prezentată astfel: agregatul de comprimare – răcitorul – dispozitivul de destindere – încălzitorul. Cele mai răspândite sunt instalațiile cu comprimare mecanică de vapori. La acestea răcitorul reprezintă un condensator, iar încălzitorul – un vaporizator. Ele pot fi ușor acomodate la energia solară, dacă aceasta se transformă în energie electrică printr-o metodă oarecare. Dar mai compatibile cu energia solară sunt instalațiile frigorifice cu sorbție, în care compresorul mecanic este înlocuit prin unul termochimic. La procesele de sorbție se atribuie: absorția agentului frigorific de către un solvent lichid și adsorbția agentului de către un corp poros solid.

Schema unei instalații frigorifice cu absorbție este prezentata în fig. 3.20. Dintre soluțiile binare mai des folosite sunt soluția hidroamoniacală (NH3 – agent frigoriftc și H20 – absorbant) și soluția de bromură de litiu (H20 – agent frigorific și LiBr – absorbant).

Principiul de funcționare a instalației este următorul: agentul frigorific la presiune și deci temperatură înaltă se condensează cedând căldura Q0 mediului ambiant, apoi se destinde în ventilul de laminare, temperatura scăzându-i până la valoarea necesară. La temperatură joasă, în vaporizatorul situat în camera frigiderului, agentul se vaporizează pe contul căldurii Q1, asimilată de la obiectul răcit.

Vaporii, nimerind în asorbitor, în urma răcirii (cedarea Q0 mediului) sunt absorbiți de solvent. Soluția binară bogată este pompată în desorbitor, unde, fiind încălzită de energia captată de la soare Q3, vaporii agentului frigorific se degajă din soluție și se îndreaptă spre condensator, iar soluția săracă prin ventilul de laminare se restituie absorbitorului. Instalația funcționează în regim continuu cât timp primește energie solară. Pentru acționarea pompelor instalația necesită energie electrica.

O instalație mai simplă, care nu necesită alte surse de energie decât cea solară, este mașina frigorifică intermitentă, schema căreia este prezentată în fig. 3.21. La aceasta, în timpul zilei, pe contul energiei solare Qs, are loc procesul de generare de vapori. Instalația funcționează conform schemei obișnuite, vaporii acumulându-se în rezervorul vaporizatorului. Noaptea, colectorul degajând în mediul ambiant căldura Q/0, temperatura și presiunea

în conturul lui scad. Rezervorul captatorului funcționeazã în regim de absorbție, aspirând vaporii agentului frigorific, acumulați ziua în rezervorul vaporizatorului. Rezervorul-acumulator, situat între condensator si ventilul de laminare prelungește durata funcționării instalației în lipsa energiei solare.

Si mai simplă este construcția instalației frigorifice intermitente cu adsorbție, prezentată în fig. 3.22. La acestea corpul adsorbant se amplaseazã în captatorul solar, astfel necesitatea desorbitorului separat dispare. Principiul de funcționare este acelasi ca și la instalația cu absorbție.

3.10. Elevatoare solare de apă

Vom prezenta două tipuri simple de elevatoare: cu vas cu pereții flexibili și cu ejector de abur.

La elevatorul cu vas elastic (fig. 3.23) colectorul solar este umplut cu un lichid cu temperatură joasă de fierbere. La fierbere vaporii formați apasă asupra pereților flexibili ai vasului respectiv, mărind în interiorul lui presiunea, care prin conductă se transmite în vasul receptor de apă. Sub acțiunea acestei presiuni apa din dispozitivul de irigare pe suprafața colectorului solar, de unde se scurge în rezervorul de acumulare. Irigând suprafața colectorului, apa răceste și condenseazã fluidul din interiorui lui. Ca urmare, presiunea în colector si în vase scade, clapeta de evacuare se închide și în vasul de recepție prin clapeta de admisie este aspirată apa din fântânã. Suprafața colectorului, nefîind irigată, se încălzeste, lichidul se evaporă și ciclul se repetă.

În elevatorul cu ejector (fig. 3.24) în calitate de fluid caloportor al colectorului solar servește însăși apa pompată. Deoarece pentru fierberea apei în colector este necesară o temperatură de peste 100 0C, acesta este dotat cu concentrator de raze solare. Aburul generat în colector servește ca agent motor pentru ejectorul, cu ajutorul căruia apa este aspirată din fântână și refulată în rezervorul de acumulare, de unde se repartizează consumatorilor.

3.11. Stocarea energiei solare

Caracterul periodic și aleatoriu al radiației solare impune procese de stocare a energiei. Scopul acestor procese este de a înlătura discordanța dintre regimul de consum de energie și cei de captare a ei.

În instalațiile indirecte procesul se reduce la acumularea energiei secundare obținute sau a. Astfel, în instalațiile electrice cu destinație individuală stocarea energiei se efectuează cu ajutorul acumulatoarelor electrice. La instalațiile de pompare a apei, aceasta este acumulată în rezervoare speciale și consumată apoi conform necesitățiior.

Stocarea energiei termice este un proces mai complicat și, în afară de aplanarea discordanței de regim a radiației și consumului de căldură, mai servește și la protecția termică a instalației.

Pentru instalațiile solare se disting următoarele categorii de stocaj termic:

stocaj de protecție, care asigură funcționarea independentă la puterea nominală de maxim o oră, pentru evitarea șocurilor termice datorată norilor accidentali;

stocaj pentru vârf de sarcină – asigură funcționarea independentă la puterea nominală timp de 6.. .8 ore;

stocaj de bază – asigură funcționarea independentă timp de 16 ore, în cazul când energia solară este sursă principală;

stocaj pentru valorificarea maximă a energiei solare – asigură funcționarea independentă timp de 56 ore;

stocaj sezonier.

Un interes deosebit prezintă primele trei categorii ca fiind competitive economic în majoritatea cazurilor. Stocajul sezonier este aplicat, de obicei, în instalațiile de climatizare cu utilizarea în calitate de mediu acumulator solului. Căldura acumulată vara în sol prin intermediul instalațiilor de condiționare se utilizează iarna, de regulă de către instalațiile cu pompe de căldură.

În funcție de nivelul termic necesar și de puterea instalată a consumatorului, se stabilește tipul instalației solare, permițându-se, totodată, dimensionarea și alegerea soluției constructive a instalației de stocare.

Instalațiile de stocare pot fi clasificate conform următoarelor criterii:

a – nivelul termic necesar

b – modul de injectare și de extracție a căldurii:

• cu amestec direct,

• cu schimbător de căldură;

c – starea fizică a mediului de stocare:

• gaze sub presiune,

• lichide,

• solide;

d – tipul de proprietate termică folosită:

• căldură sensibilă,

• căldură latentă

• căldură de reacție.

Stocarea căldurii sensibile se efectuează prin intermediul materialelor următoare: apă, lichide organice, gaze sub presiune, săruri sau metale topite, nisip fluidizat sau în vrac, prundiș, cărămidă granulată sau în zidărie ș.a.

Dacă la stocarea căldurii sensibile se folosește capacitatea termică a materialului, în instalațiile cu căldura latentă se utilizează energia transferului de fază (de obicei – tranziția solid-lichid). Avantajete acestei metode sunt:

compactitatea (căldura specifică a transferului de fază este cu mult mai mare decât capacitatea termică specifică);

funcționarea instalației la o temperatură de stocare aproximativ constantă.

Cerințele față de materiale sunt:

• punctul de topire apropiat de nivelul de temperatură necesar;

• căldura latentă mare;

• stabilitatea chimică;

• neagresivitatea față de materialul conductelor și rezervoarelor (să nu favorizeze corozia);

• să nu fie inflamabil și toxic;

• ușor accesibil și cu preț scăzut.

Caracteristicile câtorva din materialele utilizate sunt prezentate în tabelul 3.5.

Stocarea chimică se bazează pe utilizarea entalpiilor reacțiilor reversibile. Ea are perspective la temperaturi mari, de peste 500 0C. Exemple de reații:

CH4 (gaz) +H20 (gaz) CO (gaz) 204,8 kJ;

Ca(OH)2 (solid) CaO (solid) +H20 (gaz) ± 109 kJ.

Selectarea categoriei de stocaj și a substanței respective se efectuează în fiecare caz separat conform criteriilor tehnologice și economice.

Tabelul 3.5

Caracteristicile materialelor folosite la stocarea căldurii