Surse de Energie de la Soare

Toate formele de viață de pe Pământ atât plante cât și animale, depind de căldura și lumina soarelui. Soarele produce energie de miliarde de ani. Energia solară este radiația emisă de soare care atinge pământul. Energia solară echivalează cu de douăzeci de ori nevoile energetice anuale ale tuturor activităților umane. Pământul primește, în permanență, în jur de 170 de milioane de gigawatti de energie, din care absoarbe aproximativ 120 de milioane. Cantitatea de energie solară care ajunge într-un anumit loc de pe Terra depinde de anotimp, nebulozitate (ceață, nori), de latitudine, de momentul zilei etc. Soarele nostru este o sursă inepuizabilă și gratuită de energie, această energie trebuie doar captată și folosită cu înțelepciune. 5% din suprafața deșerturilor de pe Terra ar putea oferi energie solară cât să acopere nevoile întregii planete (1).

Energia solară poate fi convertită direct sau indirect în alte forme de energie cum ar fi căldura sau electricitatea. În zilele noastre energia solară reprezintă una dintre cele mai bune opțiuni pe care oamenii o au în ceea ce privește sursele alternative de energie (4). Pe termen lung, valorificarea energiei solare este soluția pentru a contracara creșterea continuă a prețului cărbunelui, gazelor naturale și petrolului, pe măsură ce aceste resurse devin tot mai sărace.

Orice suprafață neagră expusă razelor, numită suprafață absorbantă, transformă energia solară în căldură. Această suprafață absorbantă prezintă cel mai simplu exemplu de convertor direct a radiației solare în energie termică, numit colector solar. Funcționarea colectorului solar se bazează pe două fenomene fizice: absorbția de către un corp negru a radiației solare realizate pe suprafața absorbantă și efectul de seră realizată pe suprafața transparentă. În cazul colectorului solar, se realizează un efect de seră artificial. O suprafață este transparentă pentru razele solare și opacă pentru radiația infraroșie.

Performanța oricărui captator solar este descris de bilanțul său energetic, care are rolul de a indica modul în care este distribuită energia solară incidentă în energie utilă și diverse pierderi.

Spre deosebire de panourile solare fotovoltaice, un colector solar, (captator solar) este o instalație ce captează energia solară conținută în razele solare și o transformă în energie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiației solare este utilizat pentru producerea de energie termică, randamentul acestor colectoare este ridicat fiind în jur de 60 % – 75 % raportat la energia razelor solare incidente (200 – 1000 W/m² în Europa, în funcție de latitudine, anotimp și vreme).

Aplicabilitatea surselor alternative de energie regenerabilă cum ar fi energia solară la nivelul țării noastre este foarte mare. România dispune de un potențial important de energie solară datorită amplasamentului geografic și condițiilor climatice favorabile. Media de radiații solare ȋn România ajunge de la 1.100 la 1.300 kWh/m2 pe an. Dacă resursele de energie solară ar fi utilizate ȋn România doar pentru producerea de energie termică s-ar obține un potential de 60 PJ pe an (2). Pe teritoriul României, pe o suprafață orizontală de 1 m2, putem capta anual o cantitate de energie cuprinsă între 900 și 1450 kWh. (3).

Materiale și metode

Dispozitivele și cuptoarele solare pentru gătit sunt concepute să funcționeze pe baza energiei termice rezultată din absorbția energiei radiației solare. Cu ajutorul energie solare pot fi gătite diverse tipuri de produse, între care: legume, fructe, cereale, carne și multe altele. Este posibil să se coacă pâine și alte deserturi.

Prototipul construit de noi este un cuptor solar pentru gătit de tip cutie. Acest tip de cuptor este realizat dintr-o incintă izolată termic și acoperită cu sticlă, prevăzută cu sisteme suplimentare de reflexie a radiației solare (Fig. 1).

Pentru realizarea cuptorului au fost utilizate doar materiale reciclate, urmărindu-se obținerea unui randament cât mai mare, la costuri cât mai reduse:

– două cutii, cea interioară de lemn cu dimensiuni minime de 30 x 35 cm, iar cea exterioară având toate dimensiunile mai mari astfel încât să ramână un spațiu de cca. 5 cm între cele două cutii.

– o foaie de carton ondulat cu minim 15 cm mai lată și mai lungă decât cutia exterioară, din care se va confecționa capacul;

– o bucată sticlă de geam cu dimensiunile de minim 50 x 60 cm, dar mai lată pe toate dimensiunile decât cutia interioară;

– o bucată de tablă produsă din cutii de vopsea reciclate, vopsită in neagru mat, cu dimensiuni egale cu cutia interioară;

– folie de aluminiu 30 x 2000 cm;

Cutie de gătit solară

– bucăți de material izolator: carton, polistiren;

– lipici pe bază de apă netoxic;

– un tub de silicon;

– un tub de vopsea negru termorezistent.

Tabla neagră mată a fost situată în cutia interioară, la baza acestuia. Aceasta va reprezenta o suprafață absorbantă ușoară pe care va sta vasul pentru gătit.

Funcționarea captatoarelor solare se bazează pe două fenomene: reflecția și refracția luminii. Toate au în componența sa trei elemente principale: reflectorul (în cazul nostru folia de aluminiu) care recepționează radiația solară și o direcționează în focar; receptorul (tabla neagră) amplasat în focar transformă radiația solară în căldură. Pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă.

Din radiația solară totală incidentă de unde scurte, directă și difuză și reflectată pe suprafața transparentă (sticla). Prin geamul de sticlă, razele solare cad pe o suprafață care absoarbe aproape întregul domeniu spectral al acestora. O parte importantă a radiației ajunge pe suprafața absorbantă unde se transformă în căldură. Suprafața absorbantă (tabla) primește radiația solară și temperatura crește până 40-200°C . Energia calorică rezultată nu se pierde, colectorul fiind izolat termic în toate părțile. Căldura de convecție spre exterior este limitată de stratul izolator făcut din polistiren și carton fiind reținută în interiorul colectorului (cutiei), echilibrul termic conducând la o temperatură mai înaltă.

Eficiența transformării radiației solare în căldură este determinată de coeficientul de absorbție a suprafeței absorbante. În căldură se va transforma doar o parte din radiația solară incidentă, determinată de proprietățile materialelor suprafeței transparente și celei absorbante. Din punct de vedere funcțional, componenta principală a colectorului solar este elementul absorbant care transformă energia razelor solare în energie termică care poate fi utilizată direct (ex. apă caldă de consum, gătit). Pentru a reduce pierderile de căldură s-a ales ca interiorul cutiei să fie vopsit negru mat și s-a îmbunătățit izolația adăugând între cele două cutii de lemn un strat de carton și polistiren. Cu cât este mai mare temperatura suprafeței de absorbție, și drept urmare diferența de temperatură, cu atât este mai mare pierderea de căldură, denumită pierdere termică. Astfel, se realizează efectul de seră prin intermediul suprafeței transparente care împiedică emisia în spațiu a radiației infraroșii emisă de suprafața absorbantă.

Rezultate și discuții

Studiul a fost realizat ȋn luna mai. Cuptorul solar propus de noi a fost testat pentru stabilirea nivelului de temperatură obținut în decursul unei zile. Citirile au fost realizate din 10 în 10 minute până la obținerea valorii de 100° C. Înregistrările au fost făcute într-un interval de 2 ore. Au fost luate ȋn considerare condițiile meteo și atmosferice care pot influența modul de funcționare a panoului și rezulatele obținute ȋn funcție de perioada de expunere la soare, temperatura ȋnregistrată. Citirile s-au făcut cu ajutorul unui multimetru și au fost exprimate în grade Celsius. Rezultatele obținute sunt trecute în tabelul 1. Pot fi observate creșteri semnificative ale temperaturii ȋn cazul fiecărei măsurători realizate. Cea mai mică temperatură (40° C) a fost obținută în primele minute de la instalare, urmând ca la intervale scurte de 2-3 minute temperatura să crească cu 1-2 °C. Înregistrări au fost realizate și dimineața când lumina solară este mai puțin intensă și erau condiții ușoare de ceață, când s-a obținut un randament termic destul de ridicat, însă într-un timp mai lung. Cele mai mari temperaturi au fost obținute în orele amiezii (12-14.00) când au fost atinse temperaturi de peste 100 °C.

Tab. 1. Stabilirea eficienței radiatorului prin măsurarea temperaturii rezulate

Rezultatele obținute au fost corelate și cu condițiile atmosferice. Temperatuta înregistrată poate prezenta fluctuații în cazul unor înnorări temporare, de aceea, a fost aplicat un strat izolator pentru a împiedica pierderile de căldură din interiorul cuptorului asigurându-se o temperatură optimă de gătire. În Tabelul 2 sunt prezentate câteva dintre alimentele care au fost pregătite cu ajutorul cuptorului solar și timpul necesar de gătire.

Tab. 2. Categorii de alimente și timpul lor de gătire

Cuptorul solar realizat funcționează cu eficiență sporită. Testele realizate au evidențiat creșteri semnificative ale temperaturii ceea ce demonstrează posibilitatea unor aplicabilități largi a acestor sisteme de coacere/ȋncălzire non-poluante.

Avantajele utilizării unor asemenea convectoare solare constau ȋn:

independență față de rețelele de electricitate și termoficare (încălzitoare electrice sau pe gaz);

imunitate față de prețul în creștere al acestor utilități;

instalarea unor asemenea sisteme nu necesită autorizări;

funcționare ȋndelungată cu costuri reduse de ȋntreținere;

protejarea resurselor naturale;

reducerea emisiilor de CO2 ca urmare a arderilor;

reciclarea deșeurilor ȋn schimbul depozitării acestora;

reducerea costurilor energetice folosite pentru reciclare;

Stil de viață sănătos

Concluzii

Sistemul solar de gătit propus de noi demosntrează ușurința cu care un asemenea dispozitiv poate fi utilizat atât ca și alternativă energetică în casele noastre, cât și ca un sistem ușor accesibil, nepoluant, realizabil cu costuri reduse, ușor de transportat și utilizat la iarbă verde, vacanțe, evitându-se în acest fel folosirea combustibililior tradiționali (lemn, cărbune, gaz). La o scară mai mare oferă o performanță energetică ridicată rezultând, economii considerabile ale consumatorilor de combustibili și reprezintă o sursă economică foarte importantă și nepoluantă de energie.

Evitarea valorificării potențialului termic al energiei solare este un „lux” pe care nu ni-l mai putem permite mult timp. Asemenea colectoare solare dacă se racordează și la instalațiile de încălzire, se poate contribui și la reducerea costului cu încălzirea cu până la câteva zeci de procente. În cazul unei exigențe mai mari la întregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezonieră a căldurii ceea ce va permite acumularea de suficientă energie calorică pentru a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de căldură, în cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficientă de apă sau pietriș (cca. 20 t) din mijlocul clădirii sau subsolul acesteia.

Bibliografie

1. Dincer, I., Rosen, M.A.,1998, A worldwide perspective on energy, environment and sutainable development, Int. J. Energy Res.22(15), pp. 1305-21.

2. ENERG, 2010, Energii regenerabile și eficiență energetică – Șanse pentru Regiunea Centru Posibilități pentru dezvoltarea de activități economice în Regiunea Centru, GS Druck Potsdam, pp. 9-12.

3. IIASA/WEC, 1995, Global Energy Perspective to 2050 and beyond IIASA report WP-95-127, IIASA, Luxenburg, Austria.

4. Johansson, T.B., Kelly, H., Reddy, A.K.N., Williams, R.H.,1993, Renewable Energy: Sources for Fuels and Electricity (Island Press: Washington, D.C.).