Ingineria și protecția mediului în industrie [305652]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAȘOV

FACULTATEA DESIGN DE PRODUS ȘI MEDIU

Ingineria și protecția mediului în industrie

Testarea prin expunere în radiație UV

a [anonimizat]: [anonimizat] 17621

Anul universitar

2015-2016

Cuprins

Introducere …………………………………………………………………….….…..……… 4

CAPITOLUL I. [anonimizat]

I.1. Radiația solară …………………………………………….………….…….…………….. 6

I.2. Colectorul solar termic ……………………………………………………………..…….. 9

I.2.1 Construcția colectorilor solar termici …………….…..……….……….…….…. 9

I.2.2. Placa absorbantă ……………………………….……….….…………………… 10

I.2.2.1. Plăci absorbante negre ……………….………….……….….………. 13

I.2.2.2. Plăci absorbante colorate ……………………………………….……. 17

I.3. [anonimizat] ….….…….……….….. 21

I. 4. Scopul lucrării ……………………….….……….…….….….…….……….….………. 24

CAPITOLUL II. [anonimizat]/UV-VIZ A MATERIALELOR ABSORBANTE VERZI DE TIPUL Al/Al2O3/CuS

II.1. Obținerea materialului absorbant Al/Al2O3/CuS optimizat ………….…….….….……. 25

II.2. Calculul absorbanței plăcuțelor cu structura Al/Al2O3/CuS înainte de testare ………… 28

II.3. Testarea în camera UV ………………………………………………………………… 30

II.4. Calculul absorbanței probelor după testare ……………………………………………. 32

II.5. Concluzii ………………………….…………………………………………………… 33

CAPITOLUL III. Proiectarea instalației industriale

III.1. Tehnologia de fabricare a materialului absorbant pe bază de straturi subțiri de CuS prin metoda pulverizării pirolitice ………………………………………………………………………….. 35

III.1.1. Fluxul tehnologic pentru obținerea materialului absorbant ….…….………… 35

III.1.2. Fluxul tehnologic pentru testarea materialului absorbant .….…….…..….….. 36

III.1.3. Schema utilaj ………………………………………….…………………….. 36

III.1.4. Schema instalației ………………………………….………………………… 37

III.1.5. Bilanțul de materiale ……………………………….……………………….. 38

III.1.6. Bilanțul de energie ………………………….………………………………. 39

III.1.7. [anonimizat] …………………………………………………. 41

III.1.7.1 Calculul costurilor de material ………………….……………….… 41

III.1.7.2 Calculul costurilor de personal …………….………….…………… 42

III.1.7.3 Calculul costurilor de regie ………….…….…….……….…..……. 43

III.2. Proiectarea camerei de testare UV ……….………………………….……..…….…… 44

Bibliografie ………………………………………………….…………..……………………. X

INTRODUCERE

Soarele radiază în spațiul cosmic o imensă cantitate de energie sub forma radiației solare. Pământul primește numai a [anonimizat]-o zi și jumătate echivalează cu cantitatea de energie produsă de toate centralele electrice ale lumii timp de un an. Astfel, se poate afirma ca toate celelalte surse de energie sunt neînsemnate în raport cu radiația solară.

[anonimizat], ecologică și sigură. [anonimizat] a produce deșeuri sau a [anonimizat]. [anonimizat] o parte considerabilă a facturii la energie a clădirilor, care poate fi redusă prin folosirea energiei solare.

Disponibilitatea energiei reprezintă o problemă cheie în dezvoltarea economică a oricărei țări, iar consumul casnic de energie contribuie cu 40% la consumul total de energie din Uniunea Europeană.

Aplicațiile colectoarelor solar-termice in mediul construit întămpina cel puțin două probleme: integrarea colectorului pe fatada cladirilor, nu numai pe acoperis, și aspectul (culoarea) plăcii absorbante, de regula neagru sau negru-albastrui. Astfel, colectoarele solare amplasate pe fatadele cladirilor trebuie să fie compatibile cu designul arhitectural al acestora. În consecință, colectoarele solare colorate sunt de preferat celor negre, mai ales din punct de vedere estetic, chiar daca eficiența lor solar termica este mai scazuta, studiile arătând că peste 85% dintre arhitecți preferă colectoarele solare colorate pe fatada clădirilor, chiar dacă au eficiență redusa.

Placa absorbantă (absorberul), elementul cheie al unui colector solar-termic, constă dintr-o foaie subțire (de polimer stabil termic, aluminiu, oțel sau cupru) pe care se aplică un strat negru mat sau un strat optic selectiv negru sau colorat.

Placa absorbanta trebuie să capteze cât mai bine radiația solară și să o transforme în căldură, căldura cedată sub formă de radiație fiind cât mai mica. În termeni tehnici, aceasta înseamnă că trebuie să se comporte selectiv pe cele doua domenii spectrale, UV-VIZ si IR, respectiv sa absoarbă cat mai multa energie din domeniul UV-VIZ si sa emita cat mai putina caldura pe domeniul IR.

Este bine cunoscut faptul că un corp negru reprezintă un absorbant foarte bun al energiei radiate, fiind caracterizat de doi parametrii optici: coeficient de absobtie (absorbanta) mare (α = 1) și coeficient de emisie termica (emitanta) mic (ε = 0). Emitanța reprezintă raportul dintre radiația emisă de o anumită suprafață și radiația emisă de un ”corp negru”, la aceeași temperatură. Suprafețele reale, totuși, nu se comportă ca și un absorbant perfect, ca urmare prezintă absorbanță și emitanță subunitare.

Materialele optic selective se prezintă, de regula, sub forma unui strat foarte subțire de oxid metalic negru aplicat un substrat metalic. Stratul de oxid este destul de gros pentru a fi un bun absorbant, cu α ≈ 0,95, dar este, în esență, transparent pentru lungimile de undă mari ale radiației termice. Pe de altă parte, substratul metalic al suprafeței absorbante are o emitanță scăzută în domeniul IR și radiază foarte puțină căldură.

Amintind faptul că, integrarea colectorului solar-termic în clădire, alături de aspectul placut al plăcii absorbante, reprezintă un factor de decizie arhitectural, iar majoritatea arhitecților preferă o scădere a eficienței în favoarea aspectului plăcut, se încearcă în continuare diferite metode de a înlocui culoarea închisă a plăcii absorbante; astfel, pentru a obține o suprafață selectivă neagra/colorata, se utilizeaza o serie de metode precum pulverizarea cu magnetron, pulverizarea pirolitica, evapoarea în vid, depunerea electrochimica, tehnologia sol-gel sau vopsirea propriu-zisa.

Tehnicile menționate anterior, sunt, de obicei, optimizate pentru a obține suprafete optic selective negre sau colorate. Astfe, prin modificarea parametrilor de depunere se poate controla culoarea plăcii absorbante. De exemplu, variind grosimea stratului absorbant, se poate obține o gamă largă de culori, ca de exemplu: albastru, verde sau roșu-maroniu. Urmând această abordare, suprafețele absorbante colorate, obtinute prin diferite tehnici de depunere, imbina valori ale selectivitatii spectrale (absorbanță solară ridicată / emitanță termică scăzută) ridicate (recomandat mai mari de 9) cu un aspect mai plăcut al colectorului solar.

In contextul celor mentionate anterior, prezenta lucrare de licenta propune testarea prin expunere in radiatie UV a suprafețelor spectral selective colorate (verzi) cu acceptanță arhitecturală și performante funcțional.

CAPITOLUL I. STUDIU DE LITERATURĂ ÎN DOMENIUL MATERIALELOR ABSORBANTE PENTRU COLECTOARE SOLAR-TERMICE

I.1. Radiația solară

Radiația solară care ajunge la suprafața pământului în fiecare zi, în medie (într-un interval de 24 de ore) este de aproximativ 165 W/m2 (cu variații semnificative în funcție de latitudine, altitudine și vreme). Radiația solară este radiația electromagnetică care cuprinde spectrul de lungimi de undă în infraroșu (IR, energie mica) vizibi (VIZ) si ultraviolet (UV, energie mare). Pentru a utiliza această sursă de energie, oamenii au început să privească cu mai multă atenție problema energiei termice solare (căldura produsă cu ajutorul radiației solare) și fotovoltaice (energia electrică produsă cu ajutorul soarelui).

Cantitatea totală de energie solară care ajunge la suprafața pământului este de cinci mii de ori mai mare decât nevoile de energie ale societății umane, iar potențialul acesteia este mai mare decât al tuturor celorlalte energii regenerabile la un loc. [1]

Radiația solară este o formă de radiație termica ce este difuzată sub forma undelor electromagnetice. În afara atmosferei terestre radiația solara furnizează o sursa de energie cu potențial nelimitat, egală cu 1.370 W/m2.

Pentru a atinge suprafața terestră, radiația solară trece prin atmosfera, unde o parte din energia sa este disipata prin:

– difuzie (împrăștiere) moleculară (în mod special razele UV);

– reflexie difuză pe aerosolii atmosferici (picături de apa, praf)

– absorbție selectivă în gazele atmosferice.

Aceste procese depind, în mare parte, de lungimea de unda a energiei transmise, dar și de dimensiunea și natura particulelor din atmosferă. Când lumina este împrăștiată de particulele foarte mici, de exemplu de moleculele de gaz, este distribuită în toate direcțiile, înainte și înapoi. O parte din radiația care a fost retroîmprăștiată este pierdută în spațiu, dar cea care rămâne se va propaga, interacționând cu alte particule care o împrăștie și îi schimbă direcția, dar nu și lungimea de undă. Radiația care ajunge la suprafața Pământului după schimbarea direcției se numește radiație difuză. Fluxul de radiație ce provine direct de la soare și ajunge nemodificat (nedifuzat, nereflectat, nerefractat) la suprafața terestră se numește radiație solară directă. [2]

Astfel, o suprafață expusă primește atât radiații directe cât și difuze – parte din radiațiile globale reflectate de obiectele din apropiere, în special de pământ, pentru care coeficientul de reflexie este denumit „albedo”.

Radiația solară este alcătuită dintr-un număr mare de unde cu lungimi de undă (λ) maxime și minime, de la cele de natura radiației X (câțiva angstromi) și până la undele hertziene, de tip radar (câțiva cm). Totalitatea radiațiilor electromagnetice emise de Soare, ordonate în funcție de lungimea de undă, formeaza spectrul solar (Fig. 1). Radiațiile din spectrul solar se grupează după lungimile de undă în domenii în care proprietățile fizice fundamentale sunt aceleași, dupa cum urmeaza:

domeniul radiațiilor infraroși (IR), cu lungimi de undă mari, adică λ ∈ [760–300.000 nm]. Radiațiile cu λ < 290 nm intră în categoria radiațiilor X (Rontgen) iar cele cu λ > 300.000 nm aparțin domeniului undelor hertziene sau radiofonice;

domeniul radiațiilor vizibile (VIZ) cu λ ∈ [360–760 nm]. Cuprinde cele 7 culori principale – ROGVAIV care în amestec dau lumina albă;

domeniul radiațiilor ultraviolete (UV), cu lungimi de undă mici, λ ∈ [290–360] nm, au un pronunțat efect chimic și se mai numesc radiații chimice. [2]

Fig. 1 Spectrul radiației solare [forum.acvarist.ro]

Radiația solară medie anuala în Romania variază între 1,100 si 1,300 kWh/m2 pentru mai mult de jumătate din suprafața țării. Potențialul termic al energiei solare este estimat la 60 PJ/an (1400 kt/an). De aceea radiația solară pe suprafața orizontala pentru Romania este de aproximativ 200 milioane de GWh pe an.

O hartă a radiației solare în Romania (Fig. 2) a fost întocmită de Institutul Național de Meteorologie și Hidrologie. Există bune posibilități pentru dezvoltarea utilizării energiei solare, iar experiența anterioară poate fi exploatată. În Evaluarea Resurselor Energiilor Regenerabile, European Bank for Reconstruction and Development – EBRD – estimează că sistemele bazate pe utilizarea energiei solare pentru încălzirea apei calde menajere pentru clădiri publice și hoteluri, sistemele pe bază de energie solară pasivă, precum și sistemele individuale pentru locațiile izolate, reprezinta importante investitii pe termen lung. Caracteristicile climatice de temperatură ale aerului exterior sunt rezultatul intensității radiației solare și depind de cantitatea de energie termică radiată de suprafața pământului pe parcursul ciclurilor zilnice și respectiv anuale. Temperatura aerului ambiant influențează parametrii termici ai structurilor înconjurătoare (prin valorile sale extreme și medii), reglajele sistemelor de încălzire si condiționare a aerului ale construcțiilor, cât și sistemele de încălzire ce utilizează energia solară. [3]

Fig. 2. Harta radiației solare în România

[www.creeaza.com]

I.2. Colectorul solar-termic

Colectorul solar este componenta principală a unei instalații termice solare și până în anul 2002 a fost utilizat îndeosebi pentru prepararea de apă caldă, iar recent își găsește aplicare și în furnizarea energiei necesare încălzirii clădirilor. Dacă este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura încălzirea clădirii numai cu energie solară.

Pentru a dispune de apă caldă suficientă și în zilele ploioase colectoarelor solare li se atașează din construcție un rezervor special de apă caldă cu schimbător de căldură care în funcție de numărul de membri al familiei poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru clădirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorită mărimii au o utilizare aproape continuă, putând avea un termen de amortizare mai redus, se construiesc rezervoare de stocare a căldurii industriale dimensionate corespunzător consumului. În rezervoarele obișnuite, circuitul primar al colectorului încălzește doar jumătatea de jos a acestuia, apa caldă ridicându-se datorită convecției și temperatura ajungând până la valoarea admisă de 95 °C. [4]

Principiul de funcționare al sistemului de încălzire a apei cu energie solară este simplu, iar tehnologia este deja bine cunoscută și fiabilă. Energia solară este nepoluantă, inepuizabilă, ecologică și sigură. Aceasta facilitează economisirea resurselor energetice, fără a produce deșeuri sau a emite gaze poluante, precum dioxidul de carbon. Mai presus de problemele poluării și de impactul gazelor de seră, furnizarea de apă caldă menajeră reprezintă o parte considerabilă a facturii la energie a clădirilor, care poate fi redusă prin folosirea energiei solare. Condițiile necesare pentru o bună și durabilă exploatare a sistemului trebuie stabilite în etape în cadrul principiului „GRS” (Rezultate Garantate prin Folosirea Energiei Solare). Garanțiile ce vor fi oferite pentru aplicațiile colective sunt semnificative.

I.2.1. Construcția colectorului solar-termic

Pentru construcția colectorilor solari-termici, există mai multe tehnologii disponibile, dintre acestea, se pot aminti: tehnologia de construcție a colectorilor solari plani, a colectorilor cu tuburi vidate, a colectorilor cu tuburi termice, a colectorilor cu concentratori parabolici și a colectorilor cu concentratori liniari.

Colectorii solari plani reprezintă cea mai simplă soluție tehnică de realizare a colectorilor solari, un exemplu fiind reprezentat în Fig. 3.

Fig. 3. Colector solar plan

[www.ecrsolar.com]

Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată 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. [5]

Avantajul colectorilor solari plani, 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. [6]

I.2.2. Placa absorbantă

Placa absorbantă / absorberul constituie componenta principală dintr-un colector solar-termic și constă dintr-o foaie subțire de polimer stabil termic, aluminiu, oțel sau cupru, pe care se aplică un strat neagru mat, în spatele căreia se află deseori o rețea sau o înfășurare de tubulatură amplasată într-o carcasă izolată cu un capac de sticlă sau de policarbonat. La panourile de încălzire cu apă, fluidul circulă, de regulă, prin tubulatură pentru a transfera căldura de la absorbant la un rezervor de apă izolat. Aceasta se poate realiza direct sau utilizând un schimbător de căldură. Cea mai mare parte dintre instalațiile de încălzire cu aer, și unele cu apă, au un absorbant complet acoperit de fluid care este alcătuit din două foi de metal printre care trece fluidul. Deoarece, pentru acestea, suprafața pe care are loc schimbul de căldură este mai mare, pot fi considerate mai eficiente decât suprafețele tradiționale.

Există un număr de configurații de tuburi pentru absorbant:

harpă – designul tradițional cu suporturi de tuburi în partea inferioară și tubul colector în partea de sus, utilizată in termosifonul de presiune și sistemele cu pompare;

serpentină – un S continuu care maximizează temperatura, dar nu toată energia este cedată în sistemele cu flux variabil, utilizate numai la sistemele compacte de încălzire a apei pentru uz gospodăresc (nu pentru încălzirea spațiului);

absorbant acoperit complet de fluid care constă din două foi de metal presat pentru a produce o zonă uniforma de circulație a fluidului (de regula aer). [1]

Funcția elementară a placii absorbante este să absoarbă cât mai mult posibil din radiația ce ajunge la învelișul de sticlă, să piardă cât mai puțină căldură degajată în atmosferă cât și spre recipientul de colectare și să transfere căldura reținută spre fluidul de transfer.

În general, radiația solară absorbită de placa absorbantă ar trebui să fie cât mai mare, iar re-emisia (pierderea) în atmosferă trebuie minimizată. Pentru colectoarele hidraulice, placa absorbantă este realizată, de obicei, din cupru, aluminiu sau oțel. Factorii care determină alegerea materialului plăcii absorbante sunt conductivitatea sa termală, durabilitatea și capacitatea de manipulare, disponibilitatea, costul și energia necesară producerii acestuia.

Placa absorbantă conține, de regula, un substrat (metal, polimer) pe care se depune un strat dintr-un material absorbant (suprafața spectral selectivă), de exemplu o vopsea neagră, care are rolul de a mări capacitatea de absorbție a radiației solare de către placă, adica le crește absorbanța α. Vopselele negre, pentru care α este cuprins între 0,92 și 0,98, se aplică, de obicei, prin pulverizare iar apoi sunt tratate termic pentru a evapora solvenții și a le îmbunătății aderența pe substratul metalic. Aceste suprafețe trebuie să fie capabile să reziste la temperaturi mari fără să prezinte deteriorări considerabile.

Performanța materialelor absorbante se apreciază în funcție de selectivitatea spectrală, Ss, care se definește ca fiind capacitatea unui material de a absorbi cât mai mult din radiația solară pe domeniul UV-VIZ și de a emite cât mai puțin în domeniul IR. Din punct de vedere matematic, Ss reprezintă raportul dintre doi parametri optici esențiali care caracterizează materialul: absorbanța solară (α) și emitanța termică (ε). [7]

Este bine cunoscut faptul că un "corp negru" reprezintă un absorbant foarte bun deoarece absoarbe integral radiația solara, fără să reflecte sau să transmită nicio fracțiune din energia radiației incidente, în schimb poate emite radiație. Suprafețele reale, totuși, nu se comportă ca și un absorbant perfect sau un "corp negru", prezentand absorbante și emitanțe subunitare. Ca o paranteză, poate fi evidențiat faptul că, un corp negru, nu este neapărat non-luminos ci poate fi, de fapt, la fel de luminos precum oricare altul; astfel, acest termen (”corp negru”) presupune pur și simplu o suprafață care este atât un radiator perfect cât și un absorbant perfect.

Conform legii lui Kirchhoff, la echilibru termic, absorbanța și emitanța unui corp sunt identice. Emitanța unei suprafețe variază în funcție de temperatura și rugozitatea acesteia. Dacă este vorba de un metal, emitanța acestuia depinde și de gradul de oxidare. Metalele au o suprafață foarte netedă și prezintă o emitanță scăzută, cu condiția ca imperfecțiunile suprafeței și capacitatea de oxidare să fie minime.

Absorbanța unei suprafețe depinde de aceeași factori ca și emitanța, dar, depinde și de distribuția lungimilor de undă în spectrul radiației incidente. În cazul în care, caracterul suprafeței absorbante este de așa natură încât absorbția acesteia este independentă de distribuția lungimilor de undă incidente, absorbanța și emitanța sunt egale, chiar dacă nu există echilibru termic; un astfel de corp poartă denumirea de ”corp gri”.

În Tabelul 1 sunt prezentate valorile absorbanței (α) și emitanței (ε) pentru diferite materiale, precum si valorile reflectanței (P). Este de notat faptul că multe materiale de construcție au o suprafață de emisie excelentă pentru radiațiile cu lungimi de undă mari. [8]

Tabelul 1. Absorbanța solară, emitanța în infraroșu și reflectanța diferitelor suprafețe

I.2.2.1. Plăci absorbante negre

Plăcile absorbante din colectorii solari de pe piață sunt, de obicei, negre (Fig. 4), fiind demonstrat faptul că suprafețele închise la culoare prezintă un grad de absorbție mai mare a luminii. Cum absorbantul se încălzește la o temperatură mai mare decât cea ambientală, transmite o mare parte a energiei solare acumulate sub formă de radiație termică. [6]

Fig. 4. Colector solar cu placă absorbantă neagră

[http://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/domestic-hot-water/saving-solar-pool-heating]

Elementul absorbant trebuie să capteze cât mai bine radiația solară, atât cea directă cât și cea difuză și să o transforme în căldură. În același timp, căldura cedată sub formă de radiație trebuie să fie cât se poate de mică. În termeni tehnici, aceasta înseamnă că trebuie să se comporte selectiv pe cele doua domenii spectrale, UV-VIZ si IR, respectiv sa absoarba cat mai multa energie din domeniul UV-VIZ și să emita cat mai putina caldura pe domeniul IR. [4]

Lacul solar

În țările cu climă mai caldă se întrebuințează adeseori componente acoperite doar cu așa numitele lacuri solare. Aceste lacuri sunt foarte rezistente la căldură și de regulă sunt de culoare neagră pentru a avea coeficient de absorbție cat mai ridicat posibil pentru radiația solară. În același timp, aceste lacuri prezintă o emisie destul de ridicată în zona de mijloc a lungimilor de unda caracteristice domeniului IR, ca urmare o parte a căldurii captate va fi emisă din nou. Astfel de lacuri pot prezenta coeficienți de absorbție de 94 %, pe domeniul VIZ al spectrului solar, și coeficienți de emisie de 6 % pentru lungimea de undă de 7,5 µm corespunzătoare radiației proprii a materialului absorbant.

Vopseaua

În industria vopselelor, termenul ”vopsea” este folosit în forma sa lichidă, iar, odată aplicată pe o suprafeța, se numește strat ("coating"); în cadrul studiului materialelor absorbante, ”vopseaua” este, în general, considerată strat spectral selectiv.

Conversia solar termică reprezintă aplicația principală pentru vopsele ca straturi spectral selective, urmată de răcirea radiativă. În cadrul conversiei solar-termice, scopul este de a maximiza absorbanța solară, mai exact, de a maximiza absorbția radiației solare pe domeniul lungimilor de undă mai mici de 3 µm și de a minimiza emisia în domeniul IR. În cadrul aplicațiilor pentru răcirea radiativă, se dorește exact opusul.În general, vopseaua reprezintă o dispersie a unor particule solide numite ”pigmenți”, suspendate într-un mediu organic numit ”răsină”.

Pigmenții sunt particule insolubile, foarte mici, incluse în vopsea pentru a contribui la culoarea acesteia prin absorbția și reflexia luminii. In Tabelul 2 este prezentată o listă cu diferiți pigmenți, alături de domeniul lungimilor de undă absorbite.

Rășina este un agent ce formează o peliculă macromoleculară și este fie dizolvată, fie dispersată în solvent. În Tabelul 3 este prezentată o listă cu diferite rășini împreună cu domeniul lungimilor de undă pe care acestea absorb radiația solară, iar, în Tabelul 4 este prezentată o listă a diferiților solvenți, împreună cu domeniul lungimilor de undă pe care acestia absorb radiația solară.

În general, se folosesc rășini pe bază de polietilena, poliesterul sau propilena.

Tabelul 2. Diferiți pigmenți și domeniul lungimilor de undă absorbite

Tabelul 3. Diferite tipuri de rășini și domeniul lungimilor de undă absorbite

Tabelul 4. Diferite tipuri de solvenți și domeniul lungimilor de undă absorbite

Vopselele pot fi aplicate prin metode simple precum bobinarea stratului, cufundarea în vopsea sau pulverizare. Variația grosimii și rugozitatea suprafeței depind de metodă; aplicarea vopselei prin bobinare fiind metoda preferată, absorbanța solară și emitanța termală fiind mai mari în acest caz decât în aplicarea prin pulverizare, de exemplu. Mărimea particulelor (pigmenților), concentrația, dispersia acestora, grosimea stratului de vopsea și metoda de aplicare a vopselei, toate acestea influențează eficiența suprafeței spectral selective.

Majoritatea pigmenților sunt oxizi metalici complecși și semiconductori. Multe tipuri de pigmenți, precum FeOx, C, melanină, pudră de Zn, Si, PbS sunt folosite pentru a forma vopselurile selective. De exemplu, vopselele pigmentate cu TiO2 sunt preferate pentru aplicații în răcirea radiativă.

În prezent, există câteva probleme și limitări în a atinge parametrii optici/spectrali recomandați pentru materialele absorbante pe baza de vopsele utilizate în conversia solar-termică. Una dintre aceste probleme ar fi aceea că, în cadrul sistemului de vopsire, procesul de dispersie nu este perfect, dispersia depinzând de distribuția și mărimea particulelor. Gradul de dispersie al pigmenților afectează proprietățile optice și reologice ale vopselei. Particulele de pigmenți apar în agregate sau aglomerații de diferite dimensiuni și forme, și nu în forma unor singure cristale distincte. Totuși, există tehnologii mai noi, precum metoda fluidului supercritic (SCF) care, prezintă o nouă abordare în domeniul de formare a particulelor, acest proces creând micro sau chiar nanoparticule cu o dimensiune foarte îngustă de distribuție. De asemenea, tehnicile de aplicare ale vopselei nu sunt perfecte. Există totuși câteva vopsele spectral selective sensibile la grosimea stratului (TSSS) disponibile comercial. Aceste vopsele pot atinge o absorbanță de 0,94 și o emitanța termală de până la 0,15.

Întrebarea care apare este legată de costul ridicat pentru noile tehnologii de obținere a pigmenților și aplicare a vopselelor, în raport cu eficiența acestora. [9]

Pigmenti anorganici

În funcție de cerințe, există o varietate de materiale și compuși ce pot fi folosiți ca

si strat optic selectiv. Straturile de oxizi și sulfuri au fost primele suprafețe selective folosite în sistemele solar-termice. Majoritatea peliculelor de metal prezintă o reflectanță ridicată în spectrul infraroșu și semi-transparență în spectrul vizibil.

Datorita electronilor liberi din rețeaua cristalină, unele metale (Cu, Ag, Au) prezintă bune proprietăți optic selective. Aceste metale au, în mod normal, o emitanță foarte scăzută, cu valori cuprinse între 0,02 și 0,04. Cr-Cr2O3, cunoscut ca și crom negru, sau Ni-Zn-S, cunoscut ca și nichel negru, sunt materiale absorbante deja larg utilizate în industria colectorilor solar-termici. Straturile foarte subtiri ( < 1 µm ) de oxizi, nitriți sau sulfiți de Si pot fi folosite ca și materiale selective cu emitanță în infraroșu; de asemenea, diferiți semiconductorii intrinseci au proprietatile necesare straturilor spectral selective. [9]

I.2.2.2. Plăci absorbante colorate

Aplicațiile colectoarelor solar-termice în mediul construit întâmpină cel puțin două probleme: integrarea colectorului pe fațada clădirilor, nu numai pe acoperiș, și aspectul (culoarea) plăcii absorbante, de regula negru sau negru-albăstrui. Astfel, colectoarele solare amplasate pe fațadele clădirilor trebuie să fie compatibile cu designul arhitectural al acestora, ca urmare colectoarele solare colorate (Fig. 5) sunt de preferat celor negre, mai ales din punct de vedere estetic, chiar daca eficiența lor solar-termică este mai scazută. [10]

Fig. 5. Colector solar termic colorat

[http://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/domestic-hot-water/saving-solar-pool-heating]

Amplasarea colectoarelor solar-termice pe acoperișul sau pe fațada clădirilor poate juca un rol mult mai important dacă s-ar trece peste două probleme: integrarea colectorului în clădire și aspectul (culoarea) plăcii absorbante. De exemplu, colectoarele solare utilizate in scop domestic, în China, sunt cele cu tuburi vidate, cele mai multe fiind instalate individual, de catre familii, un număr mare de astfel de colectoare fiind instalate pe teritoriul țării. Chiar dacă această zonă presupune 60% din aria globală a zonelor în care se folosește această energie regenerabilă, contribuția la consumul total de energie este totuși foarte mică. Configurația sistemului cu tuburi vidate nu este chiar compatibilă cu clădirile, acest lucru limitând eficiența zonei de colectare. În acest caz, colectoarele solar-termice ar trebui integrate în clădire, lucru ce ar trebui luat în calcul încă din partea de proiectare; astfel, un aspect plăcut al colectoarelor solar-termice în cadrul construcției clădirilor este foarte important pentru arhitecți, dar și pentru utilizatori. Majoritatea colectoarelor solar-termice performante termic de pe piața actuală, sunt negre sau de albastru închis; însă, din păcate, o culoare închisă limitează integrarea din punct de vedere arhitectural, un studiu arătând că peste 85% dintre arhitecți preferă colectoarele solare colorate, chiar daca au performanțe termice mai scăzute comparativ cu cele negre. [11]

Dupa cum s-a mentionat deja, o vopsea neagră, care absoarbe 96% din energia solară primită, va radia, de altfel, mare parte din energie sub formă de căldură, cantitatea exactă depinzând de temperatura plăcii absorbante și a învelișului de sticlă. [8]. Pentru o astfel de suprafață ideală, α ar fi 1 iar ε 0. [11]

Materialele absorbante concepute să atingă acest ideal sunt deje disponibile comercial, câteva dintre acestea fiind prezentate în Tabelul 5. Deseori, acestea se prezintă sub forma unui strat de oxid metalic negru aplicat pe un substrat metalic. Stratul de oxid este destul de gros pentru a fi un bun absorbant, cu α ≈ 0,95, dar este, în esență, transparent pentru lungimile de undă mari ale radiației termice. Pe de altă parte, substratul metalic al suprafeței absorbante are o emitanță în infraroșu scăzută și radiază foarte puțină căldură. Această combinație creează o suprafață absorbană foarte bună, în același timp fiind un slab radiator de caldura. O astfel de suprafață optic selectiva determina o eficiența mai ridicată a colectorului, insa si un cost mai ridicat al acestuia, datorita procesului de fabricatie. În prezent, se caută materiale absorbante care să se obțină prin tehnologii industriale inovative, care să reducă aceste costuri. [8]

Tabelul 5. Materiale absorbante cu strat optic selectiv

Deoarece integrarea colectorului solar-termic în clădire reprezintă un factor de decizie arhitectural, majoritatea arhitecților preferând o scădere a eficienței în favoarea aspectului plăcut al colectoarelor solare, se încearcă continuu diferite metode de a înlocui culoarea închisă a plăcii absorbante; astfel, pentru a obține o suprafață selectivă neagra/colorata, se utilizeaza o serie de metode precum pulverizarea cu magnetron, pulverizarea pirolitica, evapoarea în vid, depunerea electrochimica, tehnologia sol-gel sau vopsirea propriu-zisa.

Tehnicile menționate anterior, sunt, de obicei, optimizate pentru a obține suprafete optic selective negre sau colorate. Astfel, prin modificarea parametrilor de depunere se poate controla culoarea plăcii absorbante. De exemplu, variind grosimea stratului absorbant, se poate obține o gamă largă de culori, ca de exemplu: albastru, verde sau roșu-maroniu.

In acest context, au fost obtinute, prin diferite tehnici de depunere, suprafețe absorbante colorate cu proprietati optice (absorbanta solara, α) promitatoare, în Tabelul 6 sunt prezentate diferite astfel de suprafețe. [9]

Tabelul 6. Diferite suprafețe absorbante colorate cu proprietăți optice optimizate

I.3. Straturi subțiri de CuS – posibile materiale absorbante colorate

Au fost obținute straturi subțiri nanocristaline de CuS printr-o tehnică simplă de depunere, care folosește un singur precusrosr organo-metalic de Cu: Cu(SOCCH3)2Lut2 ( Lu = Lutidină). [13] Analiza SEM a suprafeței straturilor subțiri de CuS (Fig 6.) evidențiază o distribuție uniformă a nanoparticulelor de CuS, cu dimensiuni medii de 15 nm, nanoparticule rezultate în urma "agregări" cristalitelor de CuS de 6 nm (calculate cu formula Debye-Scherrer, din difractograma de raze X).

Fig. 6. Imaginea SEM a stratului nanocristalin de CuS obtinut dintr-un precursor metal-organic [13]

Proprietățile optice ale filmelor de CuS le fac candidate importante pentru utilizarea lor ca vitraje/geamuri cu control solar eficiente într-un climat cald. În acest sens, au fost obținute, pe substrat de sticla obișnuită, prin tehnica co-evaporări termice de Cu și S, filme subțiri de CuxS (x = 1÷2), cu grosimi variind între 90 și 300 nm. (Fig. 7.)

Fig. 7. Difractogramele filmelor de Cu2S și de CuS de grosimi (a) 90nm; (b) 145 nm; (c) 190nm; (d) 225 nm; și (e) 300 nm. [14]

Analizele XRD ale filmelor arată prezența covelitei ca fază cristalină predominantă, cu o linie de intensitate scăzută (2θ ̴ 460) care s-ar putea datora prezenței scăzute a polimorfilor CuxS (x = 1-2). Se observă ca intensitățile reflexiilor pentru CuS pentru probele analizate nu se potrivesc cu cele corespunzatoare standardelor Cu2S si CuO.

Din analiza morfologiei suprafețelor straturilor de CuS de diferite grosimi, s-a observat o micșorare a suprafeței medii a filmelor de CuS odată cu creșterea conținutului de sulf în precursori. La fel ca și rugozitatea medie, grosimea medie a straturilor scade odată cu creșterea concentrației precursorilor de sulf, fapt ce confirmă că nucleerea este etapa predominantă în mecanismul de formare a straturilor de CuS. (Fig. 8.)

Fig. 8. Imagini tridimensionale AFM pentru filmele de CuS, cu grosimi de la (a) 90nm; (b) 145 nm; (c) 190nm; (d) 225 nm; și (e) 300 nm [14]

Recent, a fost studiată influenta stoichiometriei CuxS (x = 1-2) asupra proprietăților optice, electrice și solar-termice ale straturilor subțiri de CuxS, obținute prin pulverizare pirolitică chimică (SPD) pe substrat de sticlă. [15] Straturile subțiri obținute la 250oC conțin numai faza cristalină covelită (CuS), au morfologie granulara (Fig. 9.a), cu dimensiuni ale cristalitelor de 80 nm și ale agregatelor cristaline de 200 nm. Rugozitatea filmelor de CuS, estimată din analiza AFM (Fig. 9.b), este de 14 nm, iar parametrii solar-termici determinați sunt: α = 0,65 si ε = 0,15 (S = 4,33).

Fig. 9. Imaginile SEM (a) si AFM (b) ale stratului subțire de CuS obținut prin pulverizare pirolitică, la 250oC, timp de 6 minute, pe substrat de sticlă [15]

I.4. Scopul si obiectivele lucrării

Scopul lucrării reprezintă obținerea materialelor absorbante pe bază de straturi subțiri de CuS, cu aplicații în colectoarele solar-termice colorate, prin metoda SPD (Spray Pyrolysis Deposition – Depunere prin Pulverizare Pirolitică) și testarea absorbanței acestora prin expunere în radiație UV și UV-VIZ pentru diferite intervale de timp.

Se urmărește modificarea absorbanței în funcție de intervalul de expunere a materialelor absorbante pe bază de straturi subțiri de CuS, depuse pe matricea de Al/Al2O3.

CAPITOLUL II. PARTE EXPERIMENTALĂ – OBȚINEREA ȘI TESTAREA PRIN EXPUNERE ÎN RADIAȚIE UV/UV-VIZ A MATERIALELOR ABSORBANTE VERZI DE TIPUL Al/Al2O3/CuS

Partea experimentală s-a realizat în cadrul Institutului de Cercetare-Dezvoltare-Inovare: Produse High-Tech pentru Dezvoltare Durabila, Brașov. Astfel, în continuare, sunt prezentate etapele de lucru legate de testarea materialelor absorbante pe bază de straturi subțiri de CuS, depuse pe matrice de Al/Al2O3, într-o cameră UV/UV-VIZ, pentru diferiți timpi de expunere. Parametri de obținere a materialele absorbante cu structura Al/Al2O3/CuS au fost optimizate anterior. [10]

II.1. Obținerea materialului absorbant Al/Al2O3/CuS optimizat

Pe mai multe matrici Al/Al2O3, (Fig. 10.) obținute în prealabil prin depunere electrochimică a unui strat poros de alumină pe substrat de Al, la Institutul Politehnic București, au fost depuse, prin metoda pulverizării pirolitice (SPD), la T = 250o C – folosind o plită electrică (Fig. 12.), straturi subțiri de CuS. Materialul absorbant Al/Al2O3/CuS obținut (Fig. 11.) are culoare verde, deoarece conține doar faza cristalină CuS (covelita) cu structură hexagonală.

Fig.12. Plită electrică

Fig. 10. Matrice Al/Al2O3 Fig. 11. Plăcuță de Al pe bază

de straturi subțiri de CuS

Matricea Al/Al2O3

Substrat Al (99,5% Beofon, 2.5×2.5×0.5 cm) degresat în etanol și apoi decapat într-o soluție de NaOH (40g/L), la 60oC, timp de 5 minute;

Stratul de Al2O3: a fost obținut prin oxidare anodica în soluție de acid azotic (HNO3:H2O=1:1), la temperatura camerei, timp de 2 minute, utilizând un curent de 5A;

Depunerile s-au efectuat pe substrat de Al de grosime 0,7 mm. Plăcile de aluminiu au fost debitate la dimensiuni de 2,5×2,5 cm2 pentru optimizarea parametrilor de depunere și la dimensiuni de 31,5x34cm2 pentru realizarea straturilor subțiri integrate în sistemul solar-termic de testare, prototip de laborator [Elena Cristina Purghel, Materiale i.r. absorbante cu proprietăți controlate utilizate în conversia solar-termică, Teză de doctorat, 2011].

Stratul absorbant de CuS

Stratul absorbant Al/Al2O3/CuS a fost obținut utilizând precusorii și parametrii de depunere, optimizați:

Precursori:

Raport molar de Cu:S = 1:3;

Concentrație cunoscută de Cu2+: 0,3M;

Cu: CuCl2.2H2O (Scharlau Chemie, 99,95%);

S: tiouree (CH4N2S, Scharlau Chemie SA);

solvent: amestec apă:alcool = 7:3 (raport de volum); apă deionizată; etanol (99%, SC PAM Corporation SRL, București);

Parametrii de depunere:

temperatura = 250 0C;

presiune = 1,5 atm;

număr secvențe de pulverizare 20;

timp staționare între două secvențe = 40 secunde;

distanța dintre duza de pulverizare și substrat a fost stabilita la 15 cm.

Tehnica de depunere: SPD

Tehnica de depunere a sulfurilor de cupru aleasă pentru partea experimentală este cea a pulverizării cu piroliză (SPD) (Fig. 13.) deoarece implică consumuri energetice relativ scăzute și cantități reduse de reactivi, fiind o opțiune favorabilă pentru domeniul colectoarelor solare. Procesul constă în pulverizarea pe substratul încălzit al unui aerosol format dintr-o soluție de precursori dispersată în gazul purtător. Alegerea precursorilor, a parametrilor de depunere și a tratamentelor post-depunere au o influență hotârâtoare asupra proprietăților morfologice, structurale și optice ale straturilor obținute.

Pentru a menține temperatura substratului constantă pe toată perioada depunerii, instalația de depunere necesită și o plită termostatată, folosită pentru reglarea și menținerea temperaturii, iar, în conformitate cu proprietățile materialului ce urmează a fi depus, acești parametrii tehnologici trebuie optimizați. [16]

Metoda pulverizării pirolitice nu necesită echipament costisitor, pierderile de materiale sunt minime, permite obținerea straturilor pe suprafețe mari și exclude necesitatea utilizării gazelor toxice [17] iar, printre dezavantajele utilizării acestei metode, se numără consumul energetic mare, impus de temperaturile ridicate folosite; având ca și urmare, imposibilitatea utilizării substraturilor cu puncte de topire scăzute. [16]

Fig. 13. Robot de pulverizare SPD

II.2. Calculul absorbanței plăcuțelor cu structura Al/Al2O3/CuS înainte de testare

Pentru calculul absorbanței probelor, s-a folosit spectrofotometrul UV WinLab Lambda 950 (Fig. 13.); astfel conform datelor obținute s-a calculat absorbanța materialul cu structura Al/Al2O3/CuS.

Fig. 14. Spectrofotometrul UV WinLab Lambda 950

Astfel, s-au obținut următoarele absorbanțe pentru 6 probe:

II.3. Testarea în camera UV

Testarea suprafeței absorbante optic selective prin expunere în radiație UV reprezintă o etapă foarte importantă pentru aprecierea performanței și durabilității plăcii absorbante, pentru a putea fi integrată în colectorul solar termic, astfel încât să fie rezistent în mediul în care urmează a fi amplasat.

Performanța unei suprafețe absorbante depinde de proprietățile spectral selective ale acesteia, de stabilitatea la temperaturi înalte, dar și de stabilitatea acesteia la factorii de mediu (radiație UV, ploaie etc.).

Pentru evaluarea rezistenței suprafeței absorbante se presupune utilizarea criteriului de performanță, definit ca:

PC = – ∆α + 0,50 ∆ε unde:

PC este criteriul de performanță;

∆α reprezintă variația dintre absorbanta solară înainte de testare și cea după testare : ∆α = αf – αi;.

∆ε prezintă diferența dintre emitanța termică înainte de testare și după testare.

∆ε = εf – εi

Pentru a fi “calificat”, materialul absorbant de testat trebuie să aibă criteriul de performanta PC ≤ 0,05.

Cele 6 probe au fost introduse într-un fotoreactor (Fig. 14.) și expuse la radiație UV, respectiv UV-VIZ diferite intervale de timp, după cum urmează:

Proba 1 – P1: 1 h – UV

Proba 2 – P2: 2 h – UV

Proba 3 – P3: 4 h – UV

Proba 4 – P4: 8 h – UV

Proba 5 – P5: 24 h – UV

Proba 6 – P6: 2 h – UV-VIZ

Fig. 14. Fotoreactor

II.4. Calculul absorbanței probelor după testare

În urma expunerii la radiație UV/UV-VIZ a probelor, pentru intervale de timp specificate anterior, s-a calculat din nou, conform acelorași etape absorbanța probelor, obținându-se următoarele rezultate:

II.5. Concluzii

Așadar, calculându-se absorbanța probelor înainte și după expunerea la radiație UV/UV-VIZ, s-a observat o scădere a acesteia, cu 0,01 după o expunere de 8 ore la radiație UV, respectiv cu 0,02 după o expunere de 24 de h la radiație UV, ceea ce rezultă într-o scădere nesemnificativă a criteriului de performanță.

De asemenea, proba expusă pentru un interval de 2 h la radiație UV-VIZ, nu prezintă nicio modificare la nivelul absorbanței.

În Tabelul 7. sunt prezentate valorile absorbanței în paralel, înainte și după testare.

Tabelul 7. Valorile absorbanței înainte și după testare

CAPITOLUL III. Proiectarea instalației industriale

III.1. Tehnologia de fabricare a materialului absorbant pe bază de straturi subțiri de CuS, depus pe substrat de Al/Al2O3, prin metoda pulverizării pirolitice.

III.1.1. Fluxul tehnologic pentru obținerea materialului absorbant

III.1.2. Fluxul tehnologic pentru testarea materialului absorbant

III.1.3. Schema utilaj

III.1.4. Schema instalației

Unde:

1 – 4 : Cântar

5 – 12 : Debitmetru

13 – 28 : Ventil

29 – 32 : Vas de amestecare

33 – 38 : Pompă

39 – 40 : Baie de spălare

41 – 42 : Rezervor

43 – 45 : Instalație SPD

46 – 47 : Compresor

48 – 50 : Filtru de aer

51 – 52 : Cameră UV

III.1.5. Bilanțul de materiale

Colector solar-termic, format din 12 plăci de Al, cu forma:

și dimensiunile unei plăci în formă de triunghi:

C1 = 17 cm

C2 = 30 cm

grosimea stratului de CuS depus pe o placă de Al = 600 nm = 6 * 10-5 cm

Atriunghi = = = 255 cm2

Vstrat = Atriungi * h = 255 * 6 * 10-5 = 1530 * 10-5 cm3

Unde: h = grosimea stratului de CuS depus pe placă

ρCuS = 4,680 g/cm3

mCuS = ρCuS * Vstrat = 4,680 * 1530 * 10-5 = 7160,4 * 10-5 g (mp pentru o placă de Al)

85924,8 * 10-5 g (mp pentru 12 placă de Al)

0,85924 g

Considerăm η = 80%

η = * 100

mt = (mp * 100) / η = (85924,8 * 10-5 * 100) / 80 = 1074,06 * 10-3g = 1,07406 g

mt – mp = 1,07406 – 0, 85924 = 0,21482 g (pierderi)

Ecuațiile de reacție sunt următoarele:

CS(NH2)2 + H2O = CO(NH2)2 + H2S

CO(NH2)2 + 7/2 O2 = CO2 + 2NO2 + 2H2O

CuCl2 + H2S = CuS + 2HCl

Rezultând ecuația de reacție globală:

CS(NH2)2 + CuCl2 + 7/2 O2 = CO2 + 2NO2 + H2O + CuS + 2HCl

a b c d e f 1,07406 g

CS(NH2)2 + CuCl2 + 7/2 O2 = CO2 + 2NO2 + H2O + CuS + 2HCl

76 134 7/2 * 32 44 2*46 18 96 2*36

M CS(NH2)2 = 76

M CuCl2 = 134

M O2 = 32

M CO2 = 44 →

M NO2 = 46

M H2O = 18

M CuS = 96

M HCl = 36

a = 0,85029 g

b = 1,49920 g

c = 1,25307 g

d = 0,49227 g

e = 1,02931 g

f = 0,20138 g

g = 0,80554 g

.

Tabelul 8. Bilanțul total de materiale

III.1.6. Bilanțul de energie

Etapa de pregătire a substratului

Balanță

I = 100 mA = 0,1 A

U = 7 V

P = I * U = 0,1 * 7 = 0,7 W = 7 * 10-3 kW

t = 5 min = 0,083 h

→ E1 = P * t = 7 * 10-3 * 0,083 = 0,000581 kW h

Debitmetru (2)

Iieșire = 20 mA = 0,02 A

Alimentare (baterie internă) = 3 V

P = I * U = 0,02 * 3 = 0,06 W = 6 * 10-4 kW

t = 1 min = 0,016 h

→ E2 = P * t = 6 * 10-4 * 0,016 = 0,096 * 10-4 kW/h

= 0,0000192 kW h (pt. 2 debitmetre)

Vas de amestecare

P = 2,5 kW

t = 10 min = 0,16 h

→ E3 = P * t = 0,4 kW h

Baie de spălare (2)

P = 3 kW

t = 15 min = 0,25 h

→ E4 = P * t = 0,75 kW/h

= 1,5 kW h (pt. 2 băi de spălare)

Epregătire = E1 + E2 + E3 + E4 = 1,90 kW h

Etapa de depunere a stratului de CuS

Balanță (2)

→ E1 = P * t = 7 * 10-3 * 0,083 = 0,581 * 10-3 kW/h

= 0,001162 kW h (pt. 2 balanțe)

Debitmetru (2)

→ E2 = P * t = 6 * 10-4 * 0,016 = 0,096 * 10-4 kW/h

= 0,0000192 kW h (pt. 2 debitmetre)

Vas de amestecare

→ E3 = P * t = 0,4 kW h

Se consideră 20 de secvențe de pulverizare

1 secvență de pulverizare = 10 s

30 s de pauză între fiecare secvență

40 s pentru o secvență de pulverizare

20 (secvențe) * 40 (s) = 800 s (durata de pulverizare a unei plăcuțe)

800 (s) * 12 (plăci) = 9600 s = 2,6 h (durata totală de pulverizare)

Plită ceramică

P = 5,7 kW

t = 2,6 h

→ E4 = P * t = 14,82 kW h

Compresor

P = 5,5 kW

t = 2,6 h

→ E5 = P * t = 14,3 kW h

Cuptor

P = 1,8 kW

t = 2,6 h

→ E6 = P * t = 4,68 kW h

Edepunere = E1 + E2 + E3 + E4 + E5 + E6 = 34,20 kW h

Etapa de testare în fotoreactor

Fotoreactor (7 lămpi UV)

P = 7 * 18 W = 126 W = 0,126 kW

t = 24 h

Etestare = P * t = 3,02 kW h

Tabelul 9. Bilanțul total de energie

III.1.7. Calculul tehnico-economic

III.1.7.1 Calculul costurilor de material

Materiile prime folosite într-o zi de lucru (3 șarje) și prețurile lor ofertate de către producători, sunt prezentate în Tabelul 10.

Tabelul 10. Materii prime și prețuri oferite de către producători

*S-a considerat cursul BNR din data de 28.06.2016 (1 USD = 4,08 RON)

Astfel, costurile pentru materiile prime pentru o zi de lucru sunt prezentate în Tabelul 11.

Tabelul 11. Costurile pentru materiile prime pentru o zi lucrătoare

Numărul total de zile lucrătoare dintr-un an fiind 257 => un cost total al materialelor prime în decursul unui an, egal cu 61559,21 RON.

III.1.7.2 Calculul costurilor de personal

Tabelul 12. Personalul angajat și cheltuielile aferente

Totalul cheltuielilor cu personalul include:

salariile și indemnizațiile plătite personalului;

cheltuielile cu asigurările și protecția socială;

alte cheltuieli de personal suportate de unitate

Astfel, în decursul unui an, totalul cheltuielilor cu personalul este 64800 RON.

III.1.7.3 Calculul costurilor de regie

În cadrul bilanțului total de energie pentru instalațiile folosite în proces, s-a calculat consumul de energie electrică (în kW) folosit pentru o singură pulverizare (o șarjă). Acesta fiind 39,12 kW/șarjă.

Realizându-se 3 șarje pe zi, rezultă un consum de 117,36 kW/zi, respectiv 30161,52 kW/an.

1kw = 0,53 RON => 15985,60 RON/an pentru energia electrică consumată.

La acesta se adaugă 5% din suma celorlalte costuri (costurile de materiale + costurile de personal), reprezentând celelalte utilități și cheltuieli suplimentare.

5% din (Cm+Cp) = 5% din 126359,21 RON = 6317.96 RON adăugați

Rezutând costurile de regie totale:

Cr = 22303,56 RON/an

Astfel, costurile totale din cadrul procesului industrial sunt:

Ctotal = 148662,77 RON/an

Având în vedere că se pulverizează 36 de plăcuțe pe zi, 257 zile pe an se va calcula prețul unei plăcuțe astfel:

= 16,06 RON/plăcuță

La acest preț se mai adaugă 10% profitul firmei, adică 1,60 RON.

Prețul final al unei plăcuțe fiind 17,60 RON.

Bibliografie

[1] http://www.rets-project.eu/

[2] http://documents.tips/documents/radiatia-solara-terestra-si-atmosferica.html

[3] https://ec.europa.eu/

[4] https://ro.wikipedia.org/wiki/Colector_solar#Utiliz.C4.83ri

[5] http://www.termo.utcluj.ro/

[6]http://gogreenheatsolutions.co.za/sites/default/files/How_Does_a_Flat_Plate_Solar_Collector_Work-2011-03-08.pdf

[7] Milea A. A. Claudia Andreea; Materiale oxidice cu proprietăți optic selective controlate, utilizate în conversia solar-termică – Teză Doctorat

[8] Sunil. K. Amrutkar, Satyshree Ghodke, Dr. K. N. Patil; Solar Flat Plate Collector Analysis.

[9] S. Wijewardane, D. Y. Goswami; A review on surface control of thermal radiation by paints and coatings for new enery applications.

[10] Isac L., Eneșca A., Mihoreanu C., Perniu D., Duță A., (2014) Spectrally Solar Selective Coatings for Colored Flat Plate Solar Thermal Collectors, in: Sustainable Energy in the Built Environment-Steps Towards nZEB, part II, Visa Ion (Ed), Springer International Publishing Switzerland, 79-98

[11] Dechun Zhu, Shuxi Zhao; Chromaticity and optical properties of colored and black solar-thermal absorbing coatings.

[12] T.N. Anderson, M. Duke, J.K. Carson; The effect of colour on the thermal performance of building integrated solar collectors

[13] Swarup Kumar Maji, Nillohit Mukherjee, Amit Kumar Dutta, Divesh N. Srivastava, Parimal Paul, Basudeb Karmakar, Anup Mondal, Bibhutosh Adhikary, Deposition of nanocrystalline CuS thin film from a single precursor: Structural, optical and electrical properties, Materials Chemistry and Physics 130 (2011) 392– 397

[14] A. Bollero, M. Grossberg, B. Asenjo, M.T. Gutierrez, CuS-based films for architectural glazing applications produced by co-evaporation: Morphology, optical and electrical properties, Surface and Coatings Technology 204(5) (2009) 593-600

[15] A.Cuevas, R.Romero, D.Leinen, E.A.Dalchiele, J.R.Ramos-Barrado, F.Martin, Effect of the stoichiometry of CuxS thin films on the optical and electrical properties and the solar thermal performance, Solar EnergyMaterials&SolarCells134(2015)199–208

[16] Ienei E., Dudiță M, Duță A., Vișa I.; Materiale absorbante optic selective de tip Al/Al2O3/NiO destinate conversiei solar termice și metodă de realizare a acestora.

[17] Vasile BOTNARIUC, Leonid GORCEAC, Andrei COVAL, Boris CINIC, Petru CHETRUȘ, Semion RAEVSCHI, Ion INCULEȚ; Straturi nanometrice de stanat de cadmiu pentru celule fotovoltaice