Radiatia Solara

CUPRINS

INTRODUCERE…………………..………………………..………………………………………4

CAPITOLUL 1. RADIAȚIA SOLARA………………………………………………………………6

1.1. Radiația solara extraterestra………………………. ……………..….………………………..…6

1.2. Radiația solară pe suprafața Pământului……………………………………………………..6

1.3. Unghiul de incidență pentru o suprafață plană înclinată…. ……………………………8

1.4. Încercarea instalațiilor solare……………………………. ……………………………………….10

1.5. Caracteristicile energiei solare si particularitățile radiației solare în zona Moldovei …………………………………………………………………………………………………………………………………13

CAPITOLUL 2. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE……………………………………..19

2.1. Etape de conversie a radiației solare ……………….….………………. ………….……..19

2.2. Tipurile de energie secundară unde are loc conversia radiației solare……………………..19

2.3. Domeniile de folosire a energiei solare …………..…………………….. ………………..20

CAPITOLUL 3. CONVERSIA TERMICĂ A ENERGIEI SOLARE……………….21

3.1. Generalități….…………………………………………….………………………….……21

3.2. Colectori solari ………………………………………………………………………….…22

3.3. Bilanțul energetic al unui captator solar……………………………………………..….…26

3.4. Sisteme heliotermice pasive de încălzire și climatizare…………………………….……..30

3.5. Uscătorii solare, distilerii, bucătării solare ……………………….……………………….33

3.6. Sisteme cu concentratori de radiație solară …………………………………….……..37

3.7. Centrale termoelectrice solare ……….……………………………………………………40

CAPITOLUL 4. FOLOSIREA ENERGIEI SOLARE ÎN SISTEME DE IRIGAȚIE A TERENURILOR AGRICOLE ……………………..………………………………..42

4.1. Conceperea construției motopompei solare ………………………………………….……42

4.2. Principiul de funcționare a motopompei solare…………………………………………….….44

CONCLUZII…………………………………………………………………………………………………………….47

BIBLIOGRAFIE…………………………..………………………………..……………………49

INTRODUCERE

În prezent rezervele de combustibili fosili sunt finite care a dus la creșterea interesului pentru sursele noi de energie dar in special pentru energia solară.

Energia solară directă se caracterizează prin faptul că este regenerabilă, nepoluantă, abundentă și utilizabilă pe toata terra, fie direct, fie prin formele ei derivate, si mai exact energia hidraulică, eoliană, energia valurilor, curenților etc.

Datorită fuziunii nucleare, soarele emite o energie anuală de cca 2,5×109 EJ (1 EJ = 1018 J), din care 5,6×106 EJ ajung direct pe pământ si este repartizată după cum urmează:

din radiația primită de Pământ, 1,7×106 EJ-reflectată în Univers;

o parte însemnată, de 1,2×106 EJ-folosită în circuitul hidrologic;

din cantitatea de energie care ajunge pe terra 1,4×105 EJ-consumată de valuri, curenți marini dar și de vânturi, respectiv 1,6.102 EJ-de energia hidraulică;

o cantitate mică de cca 5600 EJ- transformată în energie chimică în procesul de fotosinteză (biomasă);

o alta parte din aceasta foloseste la încălzirea pământului (996 EJ);

iar restul de energie, cca 2,5×106 EJ este reprezentată de energia radiată în Univers.

Energia solară directă poate fi folosită pentru producerea căldurii și a energiei electrice. Din întreaga energie solară directă se utilizează în prezent numai aproximativ 290 EJ, respectiv 0,005%.

Modul de conversie cel mai utilizat, examinat și în această lucrare, este conversia termică a radiației solare. Conversia termică a radiației solare cunoaște aplicații foarte variate: de la aplicația cea mai banală (încălzirea apei de la Soare) până la cea mai sofisticată (centrală termoelectrică solară de câteva zeci de MW), acestea incluzând și încălzirea activă sau pasivă a locuințelor, respectiv, aplicații în domeniul agroalimentar, dintre care se menționează, ca exemple, irigația, uscarea cerealelor și a produselor alimentare.

Obiectivul teoretic al acestei lucrări este studiul și stabilirea caracteristicilor și particularităților radiației solare.

Obiectivul practic al lucrării este analiza soluțiilor moderne de conversie termică a radiației solare și conceperea construcției unei motopompe solare adaptate pentru încadrarea în sistemul de irigație .În acest aspect lucrarea este structurată în 4 capitole.

Capitolul 1 se referă la prezentarea caracteristicilor energetice ale radiației solare, în general, incluzând noțiuni și elemente de calcul al radiației solare extraterestre și pe suprafața Pământului, condiții standard de încercare a instalațiilor solare, și la problemele ce țin de atingerea obiectivului teoretic al lucrării, în particular, cum ar fi caracteristicile energiei solare și particularitățile radiației solare în zona Moldovei.

În capitolul 2 sunt caracterizate etapele de conversie a radiației solare, formele de energie secundară în care are loc conversia acesteia și domeniile principale de utilizare a energiei solare. În capitolul 3 prezintă și se analizează soluțiile de conversie termică a energiei, de unde se desprind elemente constructive ale instalațiilor energetice solare (colectorii și captatorii solari, schimbătoarele de căldură, particularitățile izolației termice etc.), sistemele heliotermice pasive de încălzire și climatizare, uscătorii, distilerii și bucătării solare, sisteme solare de încălzire a apei, sisteme cu concentratori de radiație solară, centrale termoelectrice și instalații frigorifice solare, elevatoare solare de apă, soluții tehnice privind stocarea energiei solare.

Pe baza analizei soluțiilor moderne de conversie termică a energiei prezentate în capitolul 3, în capitolul 4 este descrisă construcția și principiul de funcționare a unei motopompe solare originale, destinate pentru refularea apei în sistemele de irigație a terenurilor agricole. Astfel, este atins și obiectivul practic al acestei lucrări.

Principalele rezultate care se desprind din lucrare sunt prezentate în concluzii.

CAPITOLUL 1

RADIAȚIA SOLARA

1.1. Radiația solara extraterestră

Soarele este o stea de mărime medie care reprezintă un corp incandescent cu temperatura în interior de 10-15 mil. K și la suprafață – 5762 K. Temperatura acestuia este mentinută de reacțiile de fuziune si în cea mai mare parte este a hidrogenului în heliu.

Spectrul solar este structurat în trei regiuni:

• radiație ultravioletă( 0,38m)- 7%;

• radiație vizibilă(0,38m 0,78m) – 47,3%;

• radiație infraroșie( 0,78m) – 45,7%.

Radiația cu lungimea de unda peste 2,5m este foarte mică și asadar energia solară este considerată ca radiație de unde scurte.

Puterea de emisie a soarelui este estimată la 38,3x1025W, din care 2x107W îi revine pământului, acest lucru determină o cantitate anuală de 6×1024 J.

Densitatea acestui flux de radiație de la suprafața pământului constituie 1,353 kW/m2, de aceea această mărime mai este numită și constantă solară.

1.2. Radiația solară de la suprafața pământului

La trecerea prin atmosfera, radiația solară este supusă unui șir de distribuții spectrale și direcționale:

reflectie de nori;

absorbție selectivă de gaze triatomice, ozon, vapori de apă, oxigen și alte lichide respectiv praf;

difuzie de molecule și particule în suspensie;

difracție de praf și suspensii.

La suprafața pământului ajunge cca 46% din radiația inițială (fig. 1.2), circa 29% din ea fiind absorbită iar 25% reflectată de atmosferă. Se schimbă și compozitia ei spectrală iar razele ultraviolete absorbite de stratul de ozon sunt aproape complet.

Un schimb de căldură mult mai intens are loc între suprafața Pământului si atmosferă în diapazonul de unde lungi, la care se adaugă transferul convectiv de căldură, dar si energia purtată de apă la circulația ei în natură. Fluxul termic de unde lungi este emis aproape în întregime de nori spre suprafața Pământului, este de mai bine de două ori mai mare decât radiația de unde scurte.

Schimbul total de energie între suprafața terestră și atmosferă constituie 140% în raport cu radiația solară de la suprafața atmosferei. De menționat este că radiația difuză de unde scurte și cea de unde lungi, emisă mai ales de nori, permite funcționarea parțială a instalațiilor solare și pe timp noros.

Suma fluxurilor de energie între atmosferă și Pământ este pe de o parte, atmosferă și cosmos, pe de altă parte, constituie cca 170% în raport cu radiația solară inițială.

Fluxul global de radiație solară care nimerește pe suprafața terestră Ig, reprezintă suma a două componente:

Ig = Is + Id (1.1)

Aici Ig este fluxul de radiație difuză(rezultatul difuziei, difracției și reflecției atmosferice a razelor solare); Jd – radiația directă (care a păstrat direcția razei solare).

Valoarea lui Is, pe o suprafață plană iar după cum se vede din fig. 1.3 si se va determina cu relația:

Is=Iocos, (1.2)

unde Io este fluxul de radiație incidentă, iar – unghiul de incidență (între direcția razei solare și normala la suprafață – n). Unghiul depinde de poziția suprafeței și de cea a soarelui, iar aceasta variază atât în timpul zilei, cât și în timpul anului.

1.3. Unghiul de incidență calculat pentru o suprafață plană înclinată

Pentru o suprafață amplasată arbitrar cos se va calcula cu formula:

cos = sinsincosi – sincos sinicos +

coscoscosicosH + cossin sini cosH cossinisinsinH, (1.3)

unde este latitudinea locului; – declinația soarelui; H – unghiul orar al soarelui; i – înclinarea planului sau unghiul dintre plan și orizontul locului –fig.1.4; – unghiul azimutal al planului (deviația normalei la plan față de direcția sud a meridianului locului care este pozitivă către vest și negativă către est).

Declinația soarelui reprezintă unghiul dintre raza solară și planul ecuatorial al pământului. Ea este considerata pozitivă de la ecuator spre nord și negativă – spre sud. Metoda mai simplă de determinare a valorii declinației într-o zi oarecare n a anului este utilizând formula lui Cooper astfel:

=23,45sin(360) (1.4)

Unghiul orar H, sau azimutul reprezintă unghiul în plan ecuatorial între direcția locală sud și poziția soarelui la ora dată in prealabil. Valoarea lui se determină deci de ora măsurată față de amiaza solară locală, fiind pozitivă după amiază și fiecare ora fiind egală cu 15 grade (3600/24h). Figura 1.4 Radiația incidentă pe plan înclinat.De notat că timpul solar nu coincide cu timpul legal a1 locului și la ultimul trebuie introduse corecții legate de:

– diferența dintre longitudinea locului și meridianul față de care se consideră timpul legal;

– perturbațiile orbitei Pământului și ale vitezei de rotație, care afectează momentul trecerii soarelui pe la meridian, se ia din ecuația timpului.

Timpul solar se va calcua cu urmatoarea formula:

s=+e-4(1-) (1.5)

în care e este corecția dată de ecuația timpului (fig. 1.5); 1- meridianul legal pentru fusul orar al zonei respective este măsurat în grade pozitiv în emisfera estică;

– longitudinea locului în discuție.

1.4. Încercarea instalațiilor solare

În afară de unghiul de incidență, asupra densității fluxului de radiație ajuns la suprafața Pământului influențează esențial și distanța parcursă de aceasta prin stratul de aer atmosferic, cota energiei razei absorbită și dispersată de componentele și impuritățile acestuia fiind proporțională cu masa lui. Astfel reiese din constanta solară I= 1,353 kW/m2 la nivelul mării în zona ecuatorială la ora 12 densitatea fluxului de radiație rămâne I= 1 ‚06 kW/m2. În acest caz, după cum se vede din fig. 1.6, raza solară traversează cea mai mică masă de aer, unghiul de incidență fiind de 0 (unghiul azimutal – 900). Cu micșorarea unghiului azimutal razele soarelui străpung o cantitate mai mare de aer (comparați lungimile segmentelor A1P, A2P, A3P etc. din fig. 1.6) și deci absorbția și dispersia radiației este mai accentuată. În consecință, valoarea lui I scade și pentru zona menționată mai sus în situația în care soarele se află la 200 deasupra orizontului densitatea fluxu1ui de radiație scade până la valoarea 0,75kW/m2 [3].

Pentru a caracteriza acest fenomen a fost introdusă noțiunea de “masa de aer” (în engleză Air-Mass – A.M.), care nu are dimensiunea de masă, dar indică cu cât se lungește drumul străbătut de radiație în atmosferă. Parcurgerea atmosferei de radiația solară are drept efect nu numai atenuarea ei, cât și modificarea compoziției spectrale. Se zice că radiația solară are spectrul AMO – masa de aer egală cu 0 – ceea ce corespunde condițiilor din afara atmosferei terestre. La nivelul mării atunci când soarele se află în zenit iar masa de aer se consideră egală cu 1 – spectrul radiației este AM1. Pentru unghiul azimutal de 60 (unghiul de incidență 300) masa de aer se consideră egală cu 2 si spectrul radiației – AM2.

Comisia Internațională de Electrotehnică (IEC) recomandă de a efectua încercările instalațiilor solare și a celulelor și modulelor fotovoltaice, în condiții standarde ale spectrului radiației solare. În laborator spectrul radiației solare este creat de lămpi speciale. Condițiile de încercare a instalațiilor solare, recomandate de IEC, în dependență de locul utilizării, sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Condițiile standard de încercare a celulelor și modu1e1or fotovo1taiice

(temperatură 250C)

Majoritatea țărilor producătoare de celule și module fotovoltaice au acceptat condiția AM1,5; I=1000 W/m2 t=25 0C.

1.5. Caracteristicile energiei solare si particularitățile radiației solare în zona Moldovei

În comparație cu sursele convenționale de energie, radiația solară posedă următoarele avantaje:

este o sursă practic inepuizabilă;

are un potențial uriaș: pentru a satisface necesitatea zonei în energie ar fi destulă radiația care revine pe suprafața municipiului Bacău;

este echitabil disponibilă;

fiind dispersată în teritoriu ea poate asigura conversia în alte tipuri de

energie la locul de utilizare;

este o sursă de energie practic nepoluantă.

Datorită caracteristicilor neegalate de nici o altă sursă primară de energie, radiația solară are un șir de particularități care complică utilizarea ei:

• densitatea slabă a fluxului energetic;

• intermitența datorită alternanței zilelor cu nopțile;

• variația valorii fluxului în timpul zilei și în timpul anului;

• dependența de starea timpului și a atmosferei (nori, ceață, praf etc.).

Moldova este situată între latitudinile 45025’ și 48030’ nord și longitudinile 26048’ și 30007’ est, fusul orar 2, care corespunde meridianului legal 300.

Durata posibilă a insolației este de 4445-4452 ore pe an, iar durata reală constituie 50-55% din cea posibilă. Ultima este prezentată în tabelul 1.2 pentru nordul Moldovei (Suceava), centru (Bacău) și sud (Galați), conform [4], care conține rezultatele observațiilor, dar și actinometrice, asupra radiației solare pe anii 1954….1980.

Valorile fluxurilor de radiație directă și difuză pe un plan perpendicular razei solare în condiții de cer senin pentru centrul Moldovei (orașul Bacău) sunt prezente în tabelul 1.3, iar în tabelul 1.4 valorile acestor mărimi sunt prezentate în condițiile nebulozitătii medii. După cum se vede din aceste tabele, valori maxime ale intensității globale sunt: în condiții de cer senin – 0,99 kW/m2, la nebulozitate medie – 0,76 kW/m2. Nebulozitatea micșorează radiația directă de peste 2 ori, mărind-o, pe cea difuză cu 20. . .45%, dar peste 70% din zilele fără soare revin lunilor noiembrie-februarie. Radiației difuze îi revin 35% din radiația globală anuală.

Tabelul 1.2

Durata reală a insolației pe teritoriul Romaniei in zona Moldovei

Chiar dacă cantitatea maximă de energie revine lunilor de vară aceasta radiație solară se poate folosi cu o eficiență satisfăcătoare și în timpul toamnei și chiar al iernii. În nordul Moldovei numărul zilelor de lucru al instalațiilor solare ajunge la 260, iar la sud – 320 pe an. Valorile radiației globale lunare și anuale în condițiile zonei sunt prezentate în tabelul 1.5 .

Tabelul 1.3

Fluxul de radiație, în k W/m2, pe o suprafață perpendiculară pe rază în conditii de cer senin, in orașul Bacău (primul rând – radiație directă, al doilea rând – radiație difuză)

Tabelul 1.4

Fluxul de radiație, în k W/m2, pe o suprafață perpendiculară pe raza

în condiții de nebulozitate medie in orașul Bacău

(primul rând – radiație directă, al doilea rând – radiație difuză)

Pentru ca iradierea pe suprafața să fie maximă , aceasta trebuie să

fie amplasată perpendicular pe raza incidentă. În practică se utilizează atât captatoare mobile, care urmăresc mișcarea soarelui, dar și fixe. Cele fixe trebuie amplasate pe direcția meridianului local, orientate spre sud, și sub un unghi optim de înclinație față de orizont. Variația acestui unghi în timpul anului pentru Moldova (coordonatele: latitudine 470 și longitudine 280) este dată în fig. 1.7. Valoarea lui medie în functie de perioada de functionare a instalației respective va fi urmatoarea:

• pentru instalații cu funcționare numai în lunile de vară – 270;

• pentru sezonul aprilie – octombrie – 360;

• pentru lunile reci ale anului (noiembrie-februarie) – 660

• pentru tot anul – 470.

Tabelul 1.5

Valorile globale ale radiației solare exprimate în MJ/m2 pe o suprafață orizontală

CAPITOLUL 2

CONVERSIA ENERGIEI SOLARE

2.1. Etape de conversie a radiației solare

Utilizarea radiației solare este un proces complex ce include integral sau parțial următoarele etape:

•colectarea radiației solare;

• concentrarea ei;

• conversia în alte tipuri de energie;

• acumularea energiei;

• transportul la distanță;

• consumarea ei.

2.2. Tipurile de energie secundară unde are loc conversia radiației solare

Conversia radiatiei solare are loc în următoarele tipuri de energie secundară:

• termică; • chimică;

• electrică; • biologică.

• mecanică;

Conversia bioiogică este reprezentată de reacțiile biochimice ale fotosintezei, care au loc în plantele verzi.

Conversia chimică este reprezentată de reacțiile fotochimice, utilizate pe larg în fotografie și mai puțin răspândite deocamdată în industrie, ca de exemplu, la producerea caprolactamei, în procesele de clorare fotochimică etc.

Conversia termică și electrică sunt cele mai pe larg folosite forme, din care cauză lor le vor fi dedicate aproape în întregime următoarele paragrafe ale capitolului curent.

Conversia mecanică are loc, de obicei, prin intermediul căldurii. Are loc atât în natură (vântul, curenții de apă), cât și în unele agregate tehnice, care vor fi descrise ulterior.

2.3. Domeniile de folosire a energiei solare

Domeniul de folosire a energiei solare este foarte vast și cuprinde practic toate sferele de activitate ale omului:

• utilizări casnice și personale: climatizare de iană și vară, apă caldă menajeră, piscine, bucătării solare, frigidere solare, surse de energie electrică de diferită putere și destinație;

• agricultură: solarii și sere, uscătorii de fructe, uscătorii de fân și cereale, încălzirea apei pentru irigare, surse de energie electrică autonome și de sistem;

• industrie: uscătorii, cuptoare solare, desalinizarea apei, încălzitoare, centrale electrice solare;

• cosmos: practic toată energetica cosmică contemporană se bazează pe celule fotovoitaice solare .