Programul de studiu: ELECTROMECANICĂ Forma de învățământ: ZI ÎNCALZIREA APEI MENAJERE PENTRU O LOCUINȚĂ CU PANOURI SOLARE CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Ș. l…. [310722]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI

TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

Domeniul: INGINERIE ELECTRICĂ

Programul de studiu: ELECTROMECANICĂ

Forma de învățământ: ZI

ÎNCALZIREA APEI MENAJERE PENTRU O LOCUINȚĂ CU PANOURI SOLARE

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Ș. l. dr. ing. Pantea Mircea

ABSOLVENT: [anonimizat] 1 CONVERSIA ENERGIEI SOLARE

1.1.[anonimizat], rezolvarea corectă a lor fiind esența preocupărilor pentru o dezvoltare durabilă.

O [anonimizat] a necesității de a permite accesul la energie a miliarde de persoane care în prezent sunt privați de acesta.

Studiile oamenilor de știință au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2-6șC, [anonimizat].

[anonimizat] 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent. În cel de al treilea raport al Grupului Interguvernamental de Evoluție a [anonimizat] 2001, emisiile din anul 1990 au fost evaluate la 6,29 miliarde de tone echivalent carbon (tab. 1.1)

Tabelul 1.1

Estimând că la sfârșitul acestui secol populația globului va atinge circa 10 [anonimizat], pentru a nu depăși concentrația de CO2 de 450 [anonimizat] 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru țările dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră (tab. 1.2).

Tabelul 1.2

Chiar și în ipoteza practică a dublării concentrației actuale de CO2 [anonimizat] 650 ppm, emisiile de CO2 în țările dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori. Rezervele convenționale de petrol și gaze naturale (Tabelul 3), [anonimizat], vor fi disponibile aproximativ 40 de ani. [anonimizat] 2020, [anonimizat]-se în jur de 25 de USD/baril, după această dată producția urmând să scadă și prețul să crească spre 2040-2050 spre 50 USD/baril. Resursele neconvenționale de petrol (șisturile bituminoase și nisipurile asfaltice) estimate la 600 [anonimizat]2.

Fig 1.1. Stocul de carbon în combustibili fosili și scene de emisie

Emisii cumulate 2000-2100

Rezerve neconvenționale

Rezerve convenționale

Rezerve convenționale

GIEC a încercat sã stabilească legătura între utilizarea disponibilului de carbon din resursele existente și restricțiile impuse de limitarea concentrației de gaze cu efect de seră din atmosferă.( Figura 1.1). Rezultă că în perioada 1880-1998 a fost utilizată o cantitate de carbon relativ mică față de resursele încă existente. Cumulul emisiilor pe parcursul secolului XXI pentru șase scenarii de concentrații a gazelor cu efect de seră la sfârșitul secolului: 350,450,550,650,750,1000 ppm, evidențiază că în afara primului scenariu (350 ppm), puțin realist ținând seama de concentrația actuală, în toate celelalte scenarii se pot arde toate resursele convenționale de petrol și gaz. Utilizarea în întregime a resursele de cărbune, precum și a celor neconvenționale de gaz și petrol, nu se va putea realiza decât în cazul rezolvării problemei capturii și stocării CO2.

Prognoza consumului de energie primară realizată de Consiliul Mondial al Energiei pentru anul 2050, în ipoteza unei creșteri economice de 3% pe an, fără o modificare a tendințelor actuale de descreștere a intensității energetice și de asimilare a resurselor energetice regenerabile evidențiază un consum de circa 25 Gtep, din care 15 Gtep din combustibili fosili (Figura 1.2).

Figura 1.2 Scenarii energetice alternative 2050

Regenerabile

Nuclear

Gaz

Petrol

Cărbune

Pentru a se păstra o concentrație de CO2 de 450 ppm, ceea ce reprezintă circa 6 Gt carbon, cantitatea maximă de combustibili fosili utilizabilă nu trebuie să depășească 7 Gtep, rezultând un deficit de 18 Gtep care ar trebui acoperit din nuclear și surse regenerabile. Rezultă că pentru o dezvoltare energetică durabilă nu ar trebui să se depășească la nivelul lui 2050 un consum de 13-18 Gtep, acoperit din combustibili fosili 7 Gtep, din nuclear 2-3 Gtep si restul de 4-9 Gtep din resurse regenerabile.

Pentru atingerea obiectivului ambițios propus de țările Uniunii Europene de a reduce de patru ori emisiile la orizontul lui 2050 presupune o puternică «decarbonizare» a sistemului energetic, prin apelare atât la energia nucleară prin noi filiere, dar mai ales la sursele regenerative de energie. Ținând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii și de înlocuire a instalațiilor existente este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate și cu consumuri energetice reduse. În același timp este necesară o profundă evoluție a stilului de viată și o coerență a factorilor politici către o dezvoltare durabilă.

Utilizarea surselor de energie regenerabile SER au avantajul perenității lor și a impactului neglijabil asupra mediului ambiant, ele ne emițând gaze cu efect de seră. Chiar dacă prin ardere, biomasa elimină o cantitate de CO2, această cantitate este absorbită de aceasta pe durata creșterii sale, bilanțul fiind nul. În același timp aceste tehnologii nu produc deșeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârșitul vieții , spre deosebire de instalațiile nucleare, este relativ simplă.

Orice tehnologie energetică și utilizarea SER prezintă unele inconveniente. Impactul instalațiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului și al scăpărilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro-hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate inconveniente sunt însã cele legate de suprafața de teren necesară și de intermitența si disponibilitatea lor.

Este cunoscut faptul că pentru producerea unei puteri de 8 MW în instalații eoliene este necesară o suprafață de km2, însa din aceasta numai 1% este efectiv ocupată de instalații, restul putând fi utilizată în continuare pentru agricultură. Pentru producerea de energie fotovoltaică sunt necesare suprafețe importante. Astfel pentru o putere de 1 kW și o energie anuală de 1000 kWh sunt necesari 10 m2, dar suprafața acoperișurilor locuințelor ar permite instalarea câtorva mii de MW.

Intermitența energiei solare și eoliene poate fi compensată prin instalații de acumulare a energiei electrice sau termice sau prin producerea unor „vectori energetici „ intermediari, cum este hidrogenul obținut prin electroliză. Pentru energia hidraulică stocarea este mai facilă prin crearea unor lacuri de acumulare, iar pentru biomasă, aceasta poate fi stocată atât înaintea recoltării cât și după aceasta în depozite sau sub formă de biocarburanți.

Utilizarea SER a cunoscut un prim avânt după crizele petroliere din 1973 si 1980, dar a cunoscut o stagnare de circa 12 ani după contrașocul petrolier din 1986. Abia după încheierea protocolului de la Kyoto din 1998, țările dezvoltate au început sa-și propună programe extrem de ambițioase. Astfel la Summitul de la Johannesburg țările Uniunii Europene și-au propus o creștere anuală de 1% pentru ponderea SER în balanța energetică până în anul 2010 și o creștere a ponderii biocarburanților până la 5,75 % în același an. Aceste obiective nu pot fi atinse fără dezvoltarea cercetării și colaborării internaționale în două direcții principale.

Reducerea costurilor (eolian în largul mărilor, fotovoltaic) și a fezabilității industriale (geotermia de mare adâncime), biocarburanți de sinteză. Stocajul energiei electrice (centrale de pompare, acumulare, producere de hidrogen) și termice (acumulatoare la temperatură înalta) precum și ameliorarea prognozei pentru aceste energii și multiplicarea numărului de unități distribuite în teritoriu pentru echilibrarea sistemului electroenergetic. În paralel cu acestea sunt posibile sisteme de gestiune a cererii, de exemplu la nivelul „imobilelor inteligente”, care produc, stochează și utilizează energia.

În România potențialul anual al SER, potrivit datelor comunicate de Ministerul Industriei și Resurselor era estimat în anul 2002 la circa 9 milioane tep energie termică și 65 TWh energie electrică, tabelul 1.3, distribuită pe suprafața țării așa cum reiese din Anexa 1.

1.2.Tipuri de energie și eficiența lor

Aproximativ 80% din consumul energiei pe glob se bazează pe sursele de combustibil fosil: cărbune, petrol și gaze naturale. Aceasta este cauza multiplelor probleme de mediu, a poluării solului, aerului și apei, a ploilor acide și riscul schimbării climei pe glob. Ca să se evite schimbările ireversibile ale climei sau întreprins o serie de măsuri pentru a reduce nivelul poluării. Cercetările au arătat că emisiile de CO2 vor fi reduse cu 50-60% în următorii 100 de ani. Asta ar însemna că țările dezvoltate vor trebui să-și reducă drastic elementele poluante. Aceste reduceri dramatice vor duce în final la revizuirea sistemelor energetice mondiale.

Un studiu a arătat că în ultimii 100 de ani consumul global de energie bazat pe combustibili fosili a crescut datorită mai multor factori. În ultimii 40 de ani au avut loc însă cele mai mari creșteri. Există trei factori cheie care joacă un rol important în a stabili cum să se utilizeze cel mai bine calitățile diferiților combustibili fosili:

proprietățile fizice;

satisfacerea necesarului de energie;

consecințele asupra mediului.

Proprietățile fizice ale diferitelor surse au fost întotdeauna un factor important în capacitatea omenirii de a folosi energia. Cunoașterea resurselor de energie este foarte importantă pentru viitor din punct de vedere energetic pentru omenire. Impactul asupra mediului acestor surse de energie depind de proprietățile individuale ale diferitelor surse de energie. Conform Agenției Internaționale a Energiei (IEA) emisiile generate de consumul energiei pe glob vor crește cu aproximativ 70% până în anul 2020. Totuși cantitatea de energie solară care ajunge pe pământ de-a lungul unui an este echivalentă cu 15000 de ori consumul anual de energie al întregii lumi.

Producția și folosirea energiei are un anumit impact asupra mediului înconjurător. Consumul de energie din zilele noastre nu trebuie să-l depășească pe cel care va fi necesar pentru viitoarele generații. Peste jumătate din problemele de mediu vor înceta să se mai manifeste dacă energia se va folosi mai eficient.

Eficiența surselor de energie depinde de mai mulți factori cum ar fi:

puterea calorică;

emisiile emanate;

resursele naturale ale sursei;

procedeele tehnologice prin care se obține în final energia.

Factorul cheie pentru competitivitatea sistemelor de producere a electricității bazate pe energii regenerabile este prețul kilowattului-oră produs. Acest cost se calculează plecând de la prețul de investiție al sistemului de generare, de durata sa, de mărimea dobânzii la eventualul împrumut contractat și de costurile de funcționare legate de întreținere, de energia primară (care este gratuită dacă este vorba de soare, vânt …) și plătită în cazul combustibililor fosili, nucleari, etc.

În sistemele care funcționează într-o manieră aleatoare (eoliene, solare, hidro), productivitatea sistemului depinde fundamental de condițiile naturale (de exemplu, cât din perioada unei zile este însorită); în concluzie deci, costul de investiție depinde în mod direct de puterea critică. O instalație eoliană de 1MW poate furniza cel mult o putere de 1MW, dar ea nu poate produce această putere în permanență, din pricina fluctuațiilor vitezei vântului, spre deosebire de centralele care utilizează combustibili fosili sau nucleari. Pentru instalațiile eoliene, solare, micro-hidraulice, ceea ce contează este puterea generată (nu cea instalată).

Tabelul 1.3 prezintă randamentul instalațiilor de producere a electricității pe bază de energii regenerabile, instalații care nu se bazează pe ciclul clasic apă-vapori. Randamentul este raportul dintre energia furnizată de sistemul de producție în toată durata lui de viață și energia consumată pentru a construi sistemul de producție.

Factorul de randament este mai bun pentru instalațiile hidraulice de mare putere (durată de viață de peste 30 ani, ajungând chiar la 50 ani) în raport cu instalațiile hidraulice de mică putere (durată de viață între 20 și 50 ani).

Tabelul.1.3. Factorul de randament al sistemelor de producere a energiei electrice pe baza energiilor regenerabile.

Puterea instalațiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kW înainte de 2000 ajungând la ordinul de MW după 2000 și putându-se stabiliza la o putere de 5 MW în 2010. Durata de viață a unei instalații eoliene este de 20 până la 25 ani.

Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte scăzut, din cauză că realizarea celulelor cu siliciu necesită multă energie. O celulă generează după tocmai 4 sau 5 ani energia consumată la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 – 30 ani, factorul de randament poate ajunge, în cele mai bune cazuri, la valoarea de 6.

1.3. Energii convenționale

Cel mai răspândit procedeu de producere a energiei electrice necesită o sursă de căldură care să asigure încălzirea apei în scopul obținerii de vapori sub presiune. Acești vapori, destinzându-se într-o turbină, antrenează generatorul (de curent alternativ), care produce energie electrică. După ce au efectuat lucrul mecanic necesar, vaporii sunt condensați cu ajutorul unei surse de frig, care este, în general, o sursă de apă rece (apă curgătoare, mare), în care se construiesc circuite de răcire. În figura 1.3 este reprezentat ciclul de producere clasică a energiei electrice.

În cazul în care căldura rezultată la condensarea vaporilor, este recuperată și utilizată pentru încălzire, apare noțiunea de cogenerare.

Sursa de căldură, este în mod clasic, rezultatul arderii combustibililor fosili (petrol, gaz, cărbune), sau rezultatul fisiunii nucleare, în reactoare proiectate să controleze amploarea acestei reacții.

Figura 1.3. Ciclul clasic de producere a energiei electrice.

Combustibilii fosili sau uraniul utilizate în aceste cicluri, pot fi înlocuite de surse regenerabile. Sursa de căldură poate fi astfel:

arderea biomasei (lemn, biogaz, deșeuri organice);

căldura din interiorul planetei (geotermică), ce poate fi obținută fie prin pomparea către suprafață direct a apei calde, fie exploatând temperatura ridicată a rocilor de adâncime, prin injectarea apei de la suprafață și recuperarea ei, după încălzire;

soarele, prin concentrarea razelor cu ajutorul unor oglinzi parabolice, sau prin exploatarea apei calde de la suprafața mărilor din zonele tropicale.

În cazul unor surse regenerabile de energie, nu este necesară sursa de căldură pentru producerea energiei electrice. Este cazul energiei eoliene, hidraulice și solare fotovoltaice.

În cazul energiilor eoliană și hidraulică, turbina ce antrenează generatorul electric, este antrenată la rândul ei de presiunea vântului sau a apei. În figura 1.4 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Figura 1.4. Modalitatea eoliană sau hidraulică de producere a energiei electrice.

Presiunea vântului este rezultatul energiei sale cinetice. Presiunea apei este rezultatul energiei sale potențiale și cinetice.

Energia electrică furnizată de generator, poate fi injectată direct în rețeaua electrică, fără utilizarea unui convertor static de putere, este indicat în figura 1.4, dar în acest caz, pentru a menține constantă frecvența tensiunii (și a curentului) la 50 sau 60 Hz, viteza generatorului trebuie menținută constantă, acționându-se pentru aceasta asupra orientării palelor turbinelor eoliene, sau, în cazul turbinelor hidraulice, prin reglarea debitului de apă.

Avantajul convertoarelor statice de putere constă, pe de o parte, în posibilitatea funcționării alternatorului la viteză variabilă și pe de altă parte, în creșterea randamentului conversiei energetice, prin reducerea complexității controlului mecanic al palelor turbinelor eoliene sau al debitului de apă în cazul turbinelor hidraulice. Acest tip de funcționare cu viteză variabilă se dezvoltă în domeniul generării hidraulice (mai ales pentru mică putere) și tinde să se generalizeze în cazul generării eoliene, unde acest tip de funcționare apare în mod natural, datorită variațiilor semnificative ale vitezei vântului.

În cazul generării solare fotovoltaice, energia electrică este produsă direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei conținute de radiația solară. Convertoarele statice de putere sunt în general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice. În figura 1.5 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Figura 1.5. Modalitatea solară fotovoltaică de producere a energiei electrice.

Energia electrică mai poate fi produsă pornind de la un motor diesel sau o turbină cu gaz (derivată dintr-un motor cu reacție similar celor de avion), ce antrenează un generator electric. Sursa primară de energie este, în general, reprezentată de combustibili fosili, dar se are în vedere înlocuirea acestora cu biocarburant sau biogaz.

Acest tip de energii destul de cunoscute fapt pentru care nu se va insista mult asupra lor. Principalele surse de energie din zilele noastre și care au fost folosite până în prezent le-am denumit energii convenționale. Acestea sunt cele arătate la punctul 1 adică sunt derivate ale surselor de energie fosile, cărbune, petrol, gaze naturale. Din păcate singura sursă de energie care este convențională, regenerabilă și nepoluantă în comparație cu sursele de energie convenționale are o limitare fizică. Această energie este energia produsă de hidrocentrale. Noile tipuri de energie care se vor folosi trebuie neapărat să fie nepoluante.

Consumul anual de energie este acoperit de sursele fosile dar acestea au efecte secundare cum ar fi poluarea și sunt resurse care dispar.

1.4. Energiile neconvenționale

Energiile regenerabile sunt, la scara noastră a timpului, irosite continuu de natură. Ele au ca origine razele Soarelui, nucleul Pământului și interacțiunile gravitaționale ale Lunii și ale Soarelui cu oceanele. Există energii regenerabile de origine eoliană, solară, hidro, geotermică și provenind de la biomasă.

Originea surselor de energie, este legată de procesul de formare a universului, respectiv de activitatea Soarelui.

Energia radiației solare: este forma de energie care, la scara timpului, concepută în raport cu viața pe Pământ, este inepuizabilă.

Cantitatea de energie primită de la soare corespunde anual cifrei de 1,5 miliarde de milioane de MWh, ceea ce reprezintă circa 23 000 de ori consumul actual de energie, sau de 5 – 10 ori ansamblul tuturor rezervelor de combustibili fosili cunoscuți, inclusiv minereul de uraniu.

Energia geotermică: reprezintă energia termică (căldura) existentă în sau sub scoarța terestră.

Energia de legătură chimică: (sub forma în care o putem măsura) este energia care se eliberează într-o reacție chimică de oxido-reducere.

Energia nucleară, este energia ce se obține din legături nucleare.

Hidroenergia, energia eoliană, și energia mareelor sunt forme de energie accesibile direct, și din această cauză, au fost folosite din cele mai vechi timpuri. Din punct de vedere cantitativ, ele ne sunt accesibile prin intermediul energiei mecanice.

Energia combustibililor fosili este o energie eliberată de aceste materiale, într-un proces de ardere, accesibilă cantitativ prin intermediul căldurii degajate în reacția de ardere.

Bioenergia este energia obținută din plante, altfel decât sub forma focului de lemne. Dintre toate formele sub care se consumă energia, un loc deosebit îl ocupă energia electrică. În anul 1965 pe plan mondial, aproximativ 20% din energia primară consumată a fost transformată în energie electrică, iar în anul 2000, acest procent era de peste 40%.

În continuare voi prezenta modul de conversie a diferitelor forme primare de energiei în energie electrică.

1.5. Surse de energie regenerabile

Dezvoltarea tehnologiei pentru obținerea energiei regenerabile a luat un mare avânt în ultima perioadă astfel încât se preconizează că în viitor să se renunțe treptat la combustibili clasici, derivați ai combustibililor fosili, care au efecte secundare și asupra mediului înconjurător, dar și datorită resurselor limitate ale Pământului.

Printre sursele de energie regenerabile se numără valurile oceanelor, vântul, biomasa, apa geotermală, căldura solară și hidrogenul.

Utilizarea acestor energii se face cu precădere în țările care au o economie bine dezvoltată datorită costurilor ridicate de producere a energiei. Țările Uniunii Europene împreună cu Statele Unite ale Americii au pus un mare accent pe dezvoltarea acestor energii datorită faptului că sursele lor nu dispar niciodată și datorită faptului că sunt energii nepoluante.

Sursa eoliană disponibilă este evaluată pe scară mondială la 57.000 TWh pe an. Contribuția energiei eoliene off shore (în larg) este estimată la 25.000 – 30.000 TWh pe an, fiind limitată la locații care să nu depășească adâncimea de 50 m. Producerea mondială de electricitate în 2000, a fost de 15.000 TWh (ceea ce corespunde unei energii primare consumate de 40.000 TWh), rezultând un randament al ciclurilor termo-mecanice de 30-40%. Teoretic, energia de origine eoliană poate acoperi necesarul de electricitate pe plan mondial. În același timp, principalul inconvenient al acestei surse de energie, o reprezintă instabilitatea vântului. În perioadele de îngheț, ca și în cazul caniculei, cazuri în care cererea de energie este acerbă, efectul produs de vânt este practic inexistent, fapt care a condus, în dezvoltarea instalațiilor eoliene, la atașarea unor alte instalații de energii regenerabile caracterizate de un mai bun echilibru în funcționare, sau de sisteme de stocare a energiei electrice. Trebuie luat însă în calcul, în cazul sistemelor de stocare a energiei electrice de mare capacitate, prețul de cost ridicat al acestor sisteme, care sunt astăzi, în curs de dezvoltare.

Europa nu are decât 9% din potențialul eolian disponibil în lume, dar are 72% din puterea instalată în 2002. Ea a produs 50 TWh electricitate de origine eoliană în 2002, producția mondială fiind de 70 TWh. Potențialul eolian tehnic disponibil în Europa este de 5.000 TWh pe an.

Durata de viață a astrului solar este de 5 miliarde de ani, ceea ce conduce la concluzia că, pe scara noastră a timpului, el reprezintă o energie inepuizabilă și deci regenerabilă. Energia totală captată de scoarța terestră este de 720*106 TWh pe an. Dar disponibilitatea acestei energii depinde de ciclul zi-noapte, de latitudinea locului unde este captată, de anotimpuri și de pătura noroasă.

Energia eoliană este direct proporțională cu viteza vântului ridicată la puterea a treia.

Pentru a avea o idee despre energia eoliană în anii ’80 cel mai mare generator de energie eoliană avea o putere de 50kw iar în zilele noastre se finalizează proiectul unui generator care va produce 1500 kw. Una din țările cele mai dezvoltate din punct de vedere al energiei eoliene este Danemarca, care are o producție de energie de 1,2 TWh/an.

Energia solară termică se bazează pe producerea de apă caldă utilizată în clădiri, sau în scopul de a permite acționarea turbinelor ca și în cazul centralelor termice clasice, pentru producția de electricitate.

Această tehnică de a produce electricitate se aplică în cazul centralelor experimentale cu randamentul net într-adevăr mic, de 15%. Apele de suprafață ale mărilor sunt în mod natural încălzite de soare, ceea ce reprezintă un imens rezervor de energie în zonele tropicale. Proiectele de extracție a acestei "energii termice a mărilor" au la bază acționarea diferitelor mașini termodinamice. Acestea funcționează pe baza diferenței de temperatură dintre apa de suprafață (25 până la 30°C) și apa de adâncime (5°C la 1000 m adâncime). Pentru ca această soluție să fie practică ar trebui ca diferența de temperatură să fie mai mare 20°C, dar randamentul de 2% este foarte slab.

Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu. Atunci când strălucește și atunci când condițiile climatice sunt favorabile, soarele furnizează o putere de 1 kW/mp. Panourile fotovoltaice permit convertirea directă în electricitate a 10 – 15% din această putere. Producția de energie a unui astfel de panou variază odată cu creșterea sau scăderea intensității solare: 100 kWh/mp/an în Europa de Nord, iar în zona mediteraneană este de două ori mai mare. Un acoperiș fotovoltaic de 5×4 metri are o putere de 3kW și produce 2 – 6 MWh/an. Dacă cei 10.000 km2 de acoperiș existenți în Franța ar fi utilizați ca generator solar, producția ar fi de 1.000 TWh pe an, aproape dublul consumului final de electricitate în Franța la începutul anilor 2000 (450 TWh).

Principalele obstacole în utilizarea pe scară largă a energiei solare fotovoltaice (și termice) le reprezintă, pe de o parte disponibilul de putere furnizată, care constrânge la stocarea electricității pentru o funcționare autonomă sau la utilizarea de soluții energetice complementare, iar pe de altă parte competitivitatea economică.

Energia solară este o altă variantă de a limita poluarea și de asemenea este o energie care se poate folosi dar ea este cu adevărat viabilă doar în țările ecuatoriale unde temperatura este cam aceeași în timpul anului.

Energia geotermală este tot o energie nepoluantă dar problema principală a acestei energii este datorată faptului că se găsește numai în anumite locuri, iar acestea sunt destul de rare. Energia geotermală este împărțită în energie hidrotermală și în energie termală normală.

Energia hidrotermală este ușor de utilizat și este cea mai folosită pe mapamond. Energia geotermală se obține prin forarea în subteran și prin folosirea apei calde.

China este lider mondial când vine vorba de încălzire cu apă geotermală pe când Statele Unite ale Americii este cel mai mare producător de energie electrică obținută din energie geotermală conform ABB (1998), iar 40% din Paris este încălzită de pompe de căldură.

Sursa hidro poate fi considerată prima sursă regenerabilă de electricitate. Potențialul mondial reprezintă un avantaj care trebuie exploatat. Producția de energie hidro la începutul anilor 2000 a fost de 2.700 TWh pe an, cu o putere instalată de 740 GW. Ea poate ajunge la 8.100 TWh în anul 2050 prin dublarea competitivă economic a puterii instalate. Tehnic exploatabili sunt 14.000 TWh din potențialul teoretic de 36.000 TWh.

Sursa hidro de mare putere (cu o putere mai mare de 10 MW) este exploatată în proporție de 100% din potențialul său maxim în țările industrializate. Barajele permit stocarea de energie, furnizând-o în momentele de maximă necesitate a cererii. În diferite cazuri, bazinele de stocare a energiei în amonte sau în aval, permit o adevărată stocare de energie utilizând instalații de tip turbo-alternatoare reversibile care realizează pompajul în perioada necritică. Această formă de stocare a energiei este foarte utilizată în lume. În Franța, 4.200 MW sunt instalați în acest scop.

Sursa hidro de mică putere (cu o putere inferioară de 10 MW) este constituită în parte de centralele pe firul apei, funcționarea lor depinzând în mare măsură de debitul apei. Aceste mici centrale sunt utilizate pentru o producție descentralizată. Producția mondială este estimată la 85 TWh. În Franța, centralele hidro de mare putere au atins practic pragul de saturație, rămânând de exploatat potențialul microhidro, care se estimează a fi de 4 TWh/an. O treime din acesta ar putea fi obținut prin ameliorarea instalațiilor existente, celelalte două treimi, prin instalarea unor echipamente noi.

De asemenea și hidrocentralele pot fi considerate ca făcând parte din sistemul energiilor regenerabile, totuși numărul lor este oarecum limitat.

Energia mareelor poate fi utilizată pentru a produce electricitate. În Franța, uzina de profil de la Rance (240 MW) a pus în practică această tehnică de producere a electricității. Alte proiecte importante sunt studiate în Canada sau Anglia. Dar, realizarea acestor proiecte nu este sigură, deoarece se modifică considerabil ecosistemul local.

Valurile reprezintă imense zăcăminte de energie. Puterea medie anuală pe coasta Oceanului Atlantic este cuprinsă între 15 și 80 kW/m de coastă. Energia valurilor nu se poate folosi însă pe scară largă. Prototipuri de centrale de acest gen sunt astăzi în fază de analiză și testare.

Temperatura planetei crește considerabil odată cu aproprierea de centrul său. În anumite zone de pe planetă, la adâncime, se găsește apă la temperaturi foarte ridicate.

Există totuși câteva tipuri de energie regenerabilă care sunt la îndemâna oricui, totuși ele sunt rar utilizate în zilele noastre, cel puțin în țara noastră, una din aceste surse este biomasa iar a doua este hidrogenul.

Geotermia de temperatură ridicată (150 până la 300°C) presupune pomparea acestei ape la suprafață, unde, prin intermediul unor schimbătoare de căldură, se formează vapori, care sunt utilizați ulterior în turbine, ca și în cazul centralelor termice clasice și astfel se produce electricitate.

Resursele geotermice cu o temperatură scăzută (mai mică de 100°C) sunt extrase cu ajutorul unor pompe termice, în scopul eliberării unei cantități de căldură pentru diferite necesități.

Potențialul geotermic natural este, în continuare, considerat limitat, deoarece există numeroase locații unde se întâlnește o temperatură foarte ridicată (mai mare de 200°C), dar nu există apă. Această resursă termică poate fi exploatată prin intermediul tehnologiei "rocilor calde și uscate", în curs de dezvoltare. Principiul constă în pomparea de apă prin intermediul primului puț către zonele de mare adâncime (mai mari de 3000 m) corespunzătoare fisurilor din rocă. Această apă reîncălzită urcă prin intermediul unui al doilea puț și permite producerea de electricitate ca și în cazul centralelor termice clasice. Totuși, potențialul acestui tip de energie nu este precizat.

Biomasa este, sub rezerva unei exploatări durabile a acesteia, o energie regenerabilă, care furnizează biocombustibili, în general sub formă solidă și biocarburanți, în general sub formă lichidă.

Lemnul acoperă mai mult de 10% din cererea de energie primară în multe țări din Asia, Africa și America Latină, în câteva țări din Europa (Suedia, Finlanda, Austria). Utilizarea lemnului ca sursă de energie a crescut foarte mult în ultimele decenii în țările în curs de dezvoltare, dar această resursă nu a fost exploatată durabil, determinând despăduriri masive. Emisiile datorate arderii lemnului într-o instalație industrială de încălzire sunt mai reduse decât în cazul arderii combustibililor fosili. Dacă pădurile din care provine lemnul sunt gestionate într-o manieră durabilă, emisiile de CO2 cauzate de această filieră de producție, nu ar fi decât cele cauzate de benzina consumată în cadrul operațiilor de plantare, recoltare și comercializare. Aceasta ar reprezenta aproximativ 5% din combustibilul vândut. Trebuie subliniat faptul că o energie regenerabilă nu este neapărat și o energie total nepoluantă.

Consumul de biomasă, ca energie primară, este în Franța de 10-11 Mtep (la începutul anilor 2000), în principal sub formă lemnoasă. Fără să se constituie culturi energetice specifice, potențialul de biomasă ar putea fi dublat, doar prin recuperarea sistematică a tuturor deșeurilor organice: deșeuri menajere și industriale ne-reciclabile, tratarea prin metanizare a filtrelor de epurare și a deșeurilor agricole, care ar genera biogaz. Potențialul energetic este de 60 TWh/an, adică 15% din consumul final de electricitate din Franța.

Biomasa este frecvent utilizată în sistemele de cogenerare care produc electricitate ca și în centralele clasice, prin valorificarea căldurii, altfel pierdută, din diverse aplicații: încălzirea încăperilor, nevoi industriale, agricultură, etc. Această tehnologie permite creșterea randamentului conversiei energetice.

Biocarburanții lichizi, mai scumpi din punct de vedere al obținerii și produși pe baza unor culturi energetice (stuf, trestie de zahăr, floarea soarelui, grâu, porumb, ș.a.), sunt cel mai bine puși în valoare în aplicații din domeniul transportului. Ei sunt utilizați în prezent, mai ales pentru alimentarea motoarelor termice, fiind amestecați cu mici cantități de carburanți tradiționali, pentru a le ameliora caracteristicile.

Majoritatea resturilor menajere din zilelor noastre sunt lăsate să se descompună deși din descompunerea lor rezultă metanul, un combustibil care poluează foarte puțin. Emisiile de gaz metan ale Norvegiei sunt estimate la 325.000 tone pe an. S-a descoperit că arderea gazului rezultat din resturile menajere este o sursă de energie foarte ieftină fapt care ar putea duce la o reducere semnificativă a consumului de petrol. Această formă de reciclare a energiei din resturi menajere este de departe cea mai ieftină sursă de energie pe care și-o poate permite omenirea în momentul de față.

1.6. Resurse și depozitare

Așa cum s-a arătat și mai sus una dintre cele mai eficiente surse de energie din viitor va fi gazul metan rezultat din descompunerea resturilor menajere. Acest gaz s-ar putea înmagazina în rezervoare ceea ce ar duce și la eliminarea problemelor cauzate de emisiile de metan în atmosferă. Această metodă s-a implementat deja în Statele Unite ale Americii.

Biodiesel este un combustibil pentru care nu se plătesc taxele de poluare așa cum prevede legislația din câteva țări Europene, printre care se numără Germania, Franța și Suedia. Prețul lui este competitiv și este vândut în cantități destul de mari. El este competitiv cu dieselul obișnuit și din punct de vedere calitativ. Utilizarea biodiesel-ului reduce cu până la 40% emanațiile de CO2.

Sistemele de încălzire solară sunt și ele una din sursele de energie regenerabile, și ele pot reduce consumul de energie dintr-o locuință cu până la 25-35%. Sistemele de încălzire solare se împart în două tipuri: active și pasive. Un sistem de energie activă este alcătuit din trei componente: panouri solare, convertor termic și partea de depozitare.

Pompele de căldură se bazează pe sursele de căldurã din sol și aer. Ele sunt utilizate de obicei în țările din Peninsula Scandinavă datorită iernilor lungi.

În 2003 populația din Danemarca a folosit din surse regenerabile de 1/5 din energia consumată. Efectul acestui fapt a fost reducerea cu 35% a emisiilor de CO2. În viitorul apropiat se preconizează că cele mai folosite energii regenerabile vor fi vântul și bioenergia.

Politica Uniunii Europene din punct de vedere energetic se concentrează foarte mult asupra surselor de energie regenerabile. În tabelul 1.4 de mai jos se poate vedea o statistică făcută în anul 1999 unde se arată consumul total de energie din Danemarca și previziunile pentru anul 2010.

Tabelul 1.4. Consumul total de energie din Danemarca

1.6.1. Energia regenerabilă pe glob

În figura 1.7 este reprezentată repartiția, între diferitele surse de energie regenerabilă (geotermică, biomasă, eoliană, hidraulică), a energiei electrice produse în fiecare din țările CEE în anul 1999.

La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a decis să încurajeze creșterea ponderii energiei electrice produse în Uniunea Europeană, pe baza surselor regenerabile. Europa celor 15 va trebui să crească această pondere de la 14,2% în 1999 la 22,1% în 2010. Figura 1.8 ilustrează comparativ, pentru fiecare țară, ponderea energiei electrice produse pe baza energiilor regenerabile în 1999 și obiectivele fixate pentru 2010.

Integrarea în 2004 în Uniunea Europeană a 10 noi membri, a modificat sensibil ponderea energiei electrice de origine regenerabilă, vizată pentru 2010, de la 25%, la 21%.

Creșterea puterii eoliene, în 2003 față de 2002, este de 23,5% în Europa, de 27,1% în America de Nord și de 25,1% pe plan mondial. Avântul acestei modalități de producere, este deci, remarcabil. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene în 2003 este de 5443 MW. În fruntea listei țărilor Uniunii Europene se află Germania (14609 MW), Spania (6411 MW) și Danemarca (3110 MW). Pentru comparație, iată aici puterile eoliene instalate în câteva alte țări, în 2003: Portugalia (301 MW), Franța (253 MW), Belgia (67 MW), România (1 MW). Generatoarele eoliene situate în largul mărilor (off-shore) se vor dezvolta foarte mult în anii următori. La sfârșitul anului 2003, Uniunea Europeană avea aproape 300 de generatoare eoliene instalate în largul mărilor, însumând o putere totală de 540,2 MW.

Energia solară fotovoltaică nu apare în figura 1, deoarece era foarte puțin semnificativă în 1999. Creșterea însă a acestei filiere se dovedește a avea importanță: între 2002 și 2003, ea a atins 43,4%. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene, a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea listei țărilor Uniunii Europene se află Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) și Italia (26,02 MW). Pentru comparație, iată aici puterile instalate în câteva alte țări, în 2003: Franța (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) și Belgia (1,06 MW). Se remarcă faptul că nu țările aflate în sudul Europei dezvoltă cel mai mult filiera fotovoltaică.

Figura 1.7. Repartiția [în %] a producției de energie electrică, pe baza surselor regenerabile de energie, în 1999, în țările Uniunii Europene.

Figura 1.8. Ponderea energiei electrice [în %] de origine regenerabilă produsă în 1999 și obiectivele europene pentru 2010.

1.7. Celule solare

Structura de bază a unei celule solare este arătată în figura 1,14. Radiația incidentă creează perechi electron-gol în materialul semiconductor. Electronii și golurile sunt separate de o joncțiune (o homojoncțiune, o heterojoncțiune, o joncțiune indusă,

o barieră Schottky). Acești purtători de schimb formează curentul electric prin celula solară și trebuie

să fie colectați prin contactele ohmice.

Condițiile pentru o eficiență de conversie mare sunt:

– condiții fotonice: fotonii absorbiți trebuie să creeze perechi electron-gol cu minim de pierderi de energie. Dacă energia lor hv este mai mică decât lățimea benzii Es, fotonii sunt pierduți pentru producția de electricitate. Pentru energii hv mai mari decât Eg, excesul (hv-Eg) este dat unei rețele și este de asemenea pierdut. Aceste pierderi fundamentale depind de potrivirea dintre spectrul solar și capul benzii mate-rialului.

Reflexia de către suprafața frontului trebuie să fie minimă. Acest lucru poate fi obținut prin minimizarea ariei frontului prin pulverizarea unui strat antireflexiv, de folosirea suprafeței piramidale.

Absorbția materialului trebuie să fie maximă. Aceasta poate fi cauzată de coeficientul de înaltă absorbție, a și de captarea luminii.

– condiții electrice: electronii trebuie să fie separați de goluri printr-un câmp electric al joncțiunii. Purtătorii minoritari care se mișcă în unghiul de difuzie sunt colectați. Unghiul de difuzie este o proprietate a materialului și depinde de asemenea de calitatea materialului. Unghiul de difuzie este determinat de constanta de difuzie și de timpul de viață al purtătorilor minoritari, determinat de procesele de recombinare volumice. Nu numai recombinarea volumică trebuie să fie minimă, dar și recombinarea ia frontierele granulare și la suprafețele din față și din spate. Aceasta este influențată de pasivizarea frontierei granulare de către câmpul suprafeței din spate, de pasivizarea oxidului la suprafață, de o joncțiune indusă. Voltajul circuitului deschis V0c trebuie să fie maximizat. Acesta depinde iarăși de gradul benzii materialului și de dopare. Rezistivitatea electrică trebuie să fie minimă. Aceasta depinde de rezistivitatea materialului semiconductor, de rezistența contactului metal-semiconductor și de rezistența metalului.

Progresele făcute în mai mult de 30 de ani sunt în optimizare pentru maximă eficiență la toți parametrii enumerați mai sus. Procesul este bazat pe cercetare funda-mentală, pe simulare pe computer, pe introducerea de procese tehnologice. Multe s-au învățat din dezvoltările microelectronice, folosind aceleași materiale. O distincție trebuie făcută între eficiențele obținute în laborator și cele din producția industrială. Pentru a obține eficiență în laborator nu există conținut de cost care se ia în considerare la alegerea materialelor și procedeelor. Pentru eficiența celulelor în producția industrială, alți factori sunt importanți: scala largă de materiale disponibile, toxicitatea materialelor și a procesului de producție, costurile materialului și ale procesului.

Celulele solare pot fi folosite cu sau fără concentrație. Depinde de costurile concentratorului, concentrația poate conduce potențial la costuri mai scăzute. Astăzi avem mai puțină experiență cu concentrația, datorită complexității sistemului.

Cele mai bune eficiențe obținute în laborator sunt arătate în tabelul 1.5.

Tabelul 1.5

Singurele celule din producția industrială de astăzi sunt: cu siliciu hidrogenat amorf, cu siliciu monocristal și cu siliciu policristalin. Siliciul amorf este acum mai mult folosit în aplicații ale produselor de consum (calculatoare, ceasuri etc.) și în aplicații de mică putere (iluminarea străzilor și grădinilor). Eficiența lor scade cu 10% la început și apoi se stabilizează. Celulele de siliciu cristalin sunt mai mult folosite pentru aplicații de puteri mai mari. Celulele solare cu film subțire de CdTe și CIGS sunt foarte promițătoare. Eficiența lor este relativ ridicată ca și potențialul lor pentru costuri scăzute. Numai producția industrială poate dovedi importanța acestor celule.

1.8. Energia termo- solară

Soarele scaldă Pământul cu o imensă cantitate de energie și este, de departe, cea mai importantă sursă de energie pentru noi. El încălzește atmosfera pământului, vaporizează apa din oceane, direcționează norii rezultați prin curenți de aer, spre continente, acolo unde își dovedesc utilitatea determinând ploile și menținând debitele râurilor. Aceasta este o modalitate directă de a folosi această energie și face parte din procesele fiziologice ce au loc pe pământ de milioane de ani.

Însă Soarele poate face “un pic” mai mult: ar putea să asigure întreaga cantitate de energie de care are nevoie o societate industrială modernă la scară mondială pentru un viitor nedefinit, ceea ce nu poate face o sursă de energie convențională. Energia solară trimisă în fiecare zi spre Pământ, un flux de energie care corespunde unei puteri de 170 miliarde MW totalizează energia pe care planeta, populată cu 6,1 miliarde de locuitori, o poate consuma în 27 de ani. Prin utilizarea a doar 1% din energia solară captată de Terra pentru o populație de circa 6 miliarde de oameni (anul 2000), ar reveni fiecărui locuitor o putere de 30 kW, cu o durată de 4-5 ore zilnic, s-ar putea produce circa 50.000 kWh pentru fiecare locuitor față de circa 3.000 kWh produși în prezent ceea ce ar putea asigura necesitățile energetice ale omenirii. Din păcate energia solară prezintă o serie de dezavantaje: concentrația de energie solară este mică, iar captarea ei se face greu, cu cheltuieli mari și este distribuită neregulat în timp și pe suprafața planetei.

Până nu demult resursele naturale regenerabile ale Terrei erau suficiente pentru nevoile omenirii. În prezent, ca urmare a exploziei demografice și a dezvoltării fără precedent a tuturor ramurilor de activitate, necesarul de materie primă și energie pentru producția de bunuri a crescut mult, iar exploatarea intensă a resurselor pământului relevă, tot mai evident, un dezechilibru ecologic. Perfecționarea și modernizarea proceselor tehnologice, utilizând cele mai noi cuceriri științifice, au redus mult consumurile specifice de materii prime, dar nu și pe cele energetice. Ca urmare a industrializării și creșterii producției de bunuri au sporit mult materialele ce afecteaza mediul ambiant. Creșterea economică, enorm accelerată, se bazează în majoritate nu pe surse regenerabile de energie, ci pe energia cheltuită prin folosirea combustibililor fosili, neregenerabili: cărbuni, țiței, gaze naturale.

Poluarea și diminuarea drastică a depozitelor de materii regenerabile în cantități și ritmuri ce depășesc posibilitățile de refacere a acestora pe cale naturală au produs dezechilibre serioase ecosistemului planetar.

Alvin Toffler observa cu sarcasm: "Pentru prima dată o civilizație consumă din capitalul naturii, în loc să trăiască din dobânzile pe care le dădea acest capital!". Asigurarea unei calități corespunzatoare a mediului, protejarea lui – ca necesitate a supraviețuirii și progresului – reprezintă o problemă de interes major și certă actualitate pentru evoluția socială. În acest sens, se impune păstrarea calității mediului, diminuarea efectelor negative ale activității umane cu implicații asupra acestuia.

Energia solară poate fi însă captată și folosită sub formă de căldură în aplicații termo-solare, sau poate fi transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice .

Pentru a înțelege cum sistemele termo-solare captează energia solară, este important să înțelegem cum aceasta își urmează cursul de la soare spre Pământ și cum acest flux se schimbă periodic.

1.9. Reacția de fuziune

Reacțiile de fuziune din Soare au loc între atomii de hidrogen, care se combină câte doi și formează un atom cu nucleu de heliu. În urma acestui proces se degajă energie sub forma unor radiații cu energie mare, mai cu seamă raze gamma. În timp ce această radiații migrează din centru spre exteriorul sferei solare, ele reacționează cu diferite elemente din interiorul soarelui și se transformă în radiații cu energie mică.

Fig. 1.20. Reacția de fisiune între doi atomi de hidrogen

Lumina Soarelui provine de la un înveliș de grosime mai mică de 300 km, fotosfera. Aceasta este cea care dă impresia că Soarele are o margine bine delimitată. Temperatura sa este de aproximativ 6000 de grade Celsius. Văzută prin telescop ea se prezintă ca o rețea de celule mici strălucitoare, sau granule aflate într-o permanentă agitație. Fiecare granulă este o bulă de gaz de mărimea unei țări de dimensiunea Franței. Ea apare, se transformă și dispare în aproximativ 10 minute. În urma acestei reacții se degajă caldură și lumină. Acest lucru permite Soarelui să strălucească. În fiecare minut 400 de milioane de tone de hidrogen se transformă în heliu în centrul Soarelui. Ținând cont de constanta solară (1,94 cal/cm2/min) această energie este echivalentă cu cea eliberată de explozia a 100 miliarde de bombe cu hidrogen pe secundă. Zona unde se produc aceste reacții nu reprezintă decât un sfert din raza Soarelui, dar ea cuprinde jumătate din masa acestuia. Lumina emisă din această zonă nu ajunge la suprafață decât dupa 2 milioane de ani, pentru că ea se ciocnește fără încetare de atomii de gaz din interiorul Soarelui. Când Soarele devine mai activ suprafața sa se acoperă de pete și se observă mai multe erupții. Acestea eliberează în spațiu raze X, ultraviolete și unde radio. Ele sunt însoțite de producerea unui flux imens de particule atomice încărcate electric: vântul solar. Cele care au mai multă energie ajung până la Pamânt în câteva ore și se strâng în jurul planetei noastre formând centuri de radiații. Celelalte au nevoie de o zi sau două pentru a ajunge la noi; ele sunt deviate de scutul magnetic al Pământului, magnetosfera și sunt atrase de polii magnetici. Căzând în atmosferă ele produc un efect: aurorele polare. În emisfera nordică acestea sunt numite aurore boreale iar în cea sudică aurore australe.

Soarele a produs în acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, însă sistemul solar este menit să dispară. În mai puțin de 5 miliarde de ani tot hidrogenul aflat în centrul său va dispărea. Noi fenomene se vor declanșa și Soarele va crește în dimensiuni: se va transforma într-o stea gigantică roșie. Pamântul va deveni atunci un adevărat cuptor: temperatura de la suprafață va atinge în jur de 2000 grade Celsius și din această cauză totul se va transforma în rocă fierbinte. Cu mult înainte de aceasta oceanele vor fi secat și întreaga viață va fi dispărut. După ultimele tresăriri, Soarele va înceta să mai crească. Materia se va contracta pentru a da naștere unei stele mici, de dimensiunea Pamântului, dar cu o densitate deosebit de mare, o pitică albă care se va stinge treptat lasând sistemul solar în frig și întuneric.

Pământul se rotește în jurul soarelui la o distanță de aproximativ 150 milioane de km. Radiațiile se transmit cu viteza de 300.000 de km pe secundă, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pământ este de aproximativ 8 min.

Fig 1.21. Rotirea în jurul soarelui la o distanță de aproximativ 150 milioane de km

1.9.1. Cantitatea de radiații ce ajung pe Pământ

Cantitatea de energie solară ce atinge la un moment dat un anumit loc de pe suprafața Pământului se numește constantă solară, valoarea ei depinzând de mai mulți factori. Dacă soarele este la amiază și cerul este senin, radiația pe o suprafață orizontală este de aproximativ 1000 W pe metru pătrat. Se observă scăderea constantei solare când suprafața nu este orientată perpendicular pe razele soarelui.

Variația sezonieră

Pământul se învârte în jurul axei sale o dată pe zi și se rotește într-o orbită eliptică, în jurul soarelui, o dată pe an. Axa în jurul căreia se învârte Pământul este înclinată cu aproximativ 23 de grade față de verticală. Această înclinare a dat naștere anotimpurilor: privit de pe o emisferă când axa Pământului este înclinată spre Soare, acea emisferă primește mai multe radiații solare (vara). Șase luni mai târziu, când emisfera respectivă este depărtată de Soare (iarna), în cealaltă emisferă este vară, deci cantitatea de radiații solare ce va atinge Pământul în această zonă este mai mare.

Fig 1.22. Unghiul de incidență în ceea ce privește rotirea Pământului

Înălțimea la care se găsește soarele pe cer afectează și ea valoarea constantei solare.

Tehnologiile "termo-solare" folosesc căldura razelor solare pentru a produce apă caldă, energie electrică și pentru a încălzi unele locuințe. Aplicațiile termo-solare se extind de la un simplu sistem rezidențial de încălzire a apei până la stații foarte mari de generare a energie electrice.

Dacă ne gândim la Soare, ne gândim la căldura blândă pe care ne-o dă tuturor deopotrivă: pământ, ființe și obiecte. Razele infraroșii emise de Soare ating suprafețele încălzindu-le. Transferul de energie termică prin radiație are loc datorită proprietății corpurilor de a radia, în spațiul care le înconjoară, energia sub formă de unde electromagnetice și de a absorbi (parțial) asemenea radiații. Energia radiațiilor provine din energia internă a corpurilor emitore si diferă de la o radiație la alta, cea mai mare fiind aceea transportată de radiațiile infraroșii. În fapt, radiația infraroșie dirijată în cea mai mare parte de sus în jos, va încălzi solul, coeficientul de absorbție fiind crescut. Toate suprafețele încălzite vor deveni la rândul lor emitori de temperatură scăzută. Aceasta contribuie la încălzirea aerului prin convecție, iar pierderile de căldură globale rămân mult inferioare celor obținute cu un alt mod de încălzire.

Pe parcursul istoriei, oamenii au folosit căldura soarelui pentru diferite întrebuințări casnice. Astăzi, energia termo-solară este folosită aproape în orice climat pentru a furniza o sursă sigură și ieftină de energie. În ultimii ani energia termo-solară este folosită pentru crearea aburilor ce alimentează turbine generatoare de energie electrică. Lumina solară are un rol foarte important în hrănirea noastră. Toate alimentele și toți combustibilii fosili folosiți de noi sunt produși ai fotosintezei, proces ce transformă energia luminii solare, în forme chimice de energie ce pot fi folosite în sisteme biologice.

Oamenii au folosit razele solare pentru diferite întrebuințări de secole dar conceptul propriu-zis de energie termo-solară a apărut în anul 1767 când omul de știința elvețian Horace de Saussure a inventat primul colector solar, sau "cutia fierbinte". Renumitul astrolog Sir John Hershel a folosit în anul 1830 aceste "cutii fierbinți" pentru a găti în timpul expediției sale în sudul Africii. Energia termo-solară a devenit foarte importantă în unele părți ale Africii pentru gătit și pentru distilarea apei. Încălzirea solară a început să ia amploare când Clarence Kemp a patentat primul sistem comercial de încălzire a apei în anul 1891. Ideea a prins repede în regiunile unde trebuia importat combustibil pentru încălzirea apei.

Sistemele de încălzire prin radiație implică costuri de investiție relativ mari, însă costurile de exploatare sunt mult mai reduse decât la sistemele clasice de încălzire, economiile de energie realizate fiind de cca. 35÷62%. Procentul depinde de mai mulți factori: gradul de izolare al clădirii, tipul de instalație de încălzire cu care se face comparația, aer cald sau corpuri statice, înălțimea spațiului care urmează a se încălzi etc.

Aceste sisteme de încălzire sunt utilizate cu rezultate deosebite în cazul magazinelor foarte mari, sălilor de sport, piețelor acoperite, atelierelor, în încălzirea posturilor de lucru situate la distanțe mari, în cazul depozitelor, platformelor de încărcare a mărfurilor, garajelor, spălătoriilor auto, terenurilor de tenis acoperite, serelor, grădinilor, halelor și parcurilor de expoziții acoperite, crescătorii de păsări sau animale etc.

În anul 1987, aproape 30% din casele din Pasadena, California (S.U.A.) aveau un sistem termo-solar de încălzire. Încălzirea solară a apei a înflorit (în S.U.A.) în timpul anilor ’70 când prețul energiei a început să crească accentuat. Datorită faptului că încălzirea apei într-o reședință poate însemna până la 40% din consumația totală de energie, încălzirea solară joacă un rol important în multe țării. De exemplu, aproximativ 1.5 mil de clădiri din Tokyo, și peste 30% dintre cele din Israel au sisteme de încălzire solară a apei. Energia termo-solară mai poate fi folosită și indirect pentru alimentarea cu aburi a unei turbine generatoare de electricitate. Aceasta metoda este foarte eficientă și competitivă. Prima aplicație comercială a acestui sistem a apărut la începutul anilor ‘80. În Statele Unite aceastã industrie este coordonată de către Departamentul American de Energie și a crescut foarte mult datorită proiectelor inițiate de acesta.

Încălzirea apei menajere ,a unei locuințe,cu panouri solare.

Capitolul 2

Caracteristicile climatului cu radiații solare în diferite parți ale Lumii

Climaul solar cât și radiațiile solare au un impact deosebit atât asupra proiectării unui sistem solar cât și asupra montajului propriu zis. Proiectanții au nevoie atât de datele solare cât și de datele legate de temperatură. Temperatura afectează performanțele unei instalații solare. Când vine vorba de utilizarea unei surse de energie alternative se pune problema corelãrii corecte a debitului de energie a unei centrale și necesarul consumatorului. Furnizorul de energie trebuie să ia in considerare o metodă de depozitare a energiei produse pentru a realiza o furnizare destul de stabilă având în vedere că energia solară nu se distribuie în mod egal în toate zonele de pe Glob și intensitatea radiației solare variază în funcție de momentul din zi. În mod ideal un proiectant ar trebui să aibe datele legate de intensitatea radiației solare pentru diferite zone ale Globului și datele legate de temperatură, măsurate la nivel de ore din zi și în funcție de anotimp. Astfel de date sunt rare și de aceea în ultimii ani s-a realizat o abordare statistică astfel incat să se umple acest gol din domeniul proiectării. Toate aceste date sunt esențiale pentru o proiectare eficientă a unui sistem solar autonom.

2.1 Definiții de termeni și unități de măsură asociate

Radiația solară de undă-scurtă care cade pe o suprafață orizontală provenită de la soare și ozon combinate se numește radiația globală de undă-scurtă. Fluxul radiației globale de undă-scurtă, care reprezintă energia radiată pe unitate de timp, este cunoscuta sub denumirea de iradiere, simbol G.Unitatea de mãsurã este [Wm-2] .

În mod tipic perioada de iradiere se mãsoară în ore, de unde rezultă iradiația globală în ore Gh cu unitatea de măsură [] sau [] sau în zile Gd [], sau în luni Gm [] pe lună sau pe lună. Iradiația medie zilnică dintr-o lună este notata cu (Gd)m .

Radiația globaă poate fi impărțită în două componente: unda de radiație directă și radiația difuză. Metoda de indicare a perioadei de integrare pentru aceste date de iradiere corespund celor folosite pentru iradierea globalã și anume Bh, Bd,Bm și (Bd)m sunt simboluri folosite pentru unda de radiație directã și Dh, Dd, Dm și (Dd)m sunt pentru unda de radiație difuză în funcție de perioada de măsurare h – ore, d – zile, m – luni și media lunară.

Radiația solară este prezentată de multe ori intr-o formă adimensională notată cu KT numit și index de claritate al radiației.Această valoare reprezintă raportul dintre iradiația globală la suprafața panoului și iradiația globală de la nivelul atmosferei în aceeași unitate de timp. Trei perioade de integrare sunt des folosite în aceasta lucrare: indexul de claritate in ore KTh care reprezintã Gh/Goh, indexul în zile KTd care reprezintã raportul Gd/God și indexul de claritate al mediei lunare KTm care este (Gd)m/(God)m.Goh, God si (God)m sunt cantitățile globale de iradiație la nivelul atmosferei pentru perioadele de integrare definite de indicii fiecărei cantități.

Constanta solară I0 reprezintă iradierea la nivelul atmosferei a razei solare la distanța solară medie.Valoarea acceptată este 1367 Wm-2. Distanța Pămantului față de soare se modifică pe parcursul anului datorită mișcării de revoluție. Simbolul folosit pentru corectarea acestei distanțe medii este . Iradierea extraterestră normală este deci [Wm-2].

2.2. Variabilitatea radiațiilor solare și implicațiile ei în proiectare

Proiectanții din domeniul fotovoltaic se confruntă în esență cu problema de a realiza o performanță optimă în conversia energiei naturale în energie electrică prin realizarea de materiale cât mai sensibile la radiațiile solare astfel ca perechile de purtători de sarcină, în speța electron-gol, să se genereze cât mai ușor. Trei situații de bază în ceea ce privește claritatea cerului, pot fi identificate: cer senin, cer parțial senin sau cer inorat. Acoperirea cerului cu nori este prima cauză în ceea ce privește variabilitatea intensității radiației solare de la un minut la altul și de la o zi la alta. Modelul tipic de acoperire cu nori variază în funcție de locația geografică. În climatul de deșert nu avem nici un nor pe cer zile la rând. În climate maritime la latitudini mari, pot fi nori pe cer o perioadă mai lunga în continuu, mai ales iarna când pot să fie foarte puține zile însorate. Statistici legate de perioade de înorare și de însorire, care în ultima vreme sunt destul de dispoinibile pe site-uri de profil, vin cu informații de mare importanță în proiectarea unui sistem în funcție de zona de amplasare a lui și ne informează cu privire la viabilitatea realizării unei astfel de instalații intr-o anumită zonă având în vedere cantitatea de radiiații anuală. Astfel de statistici sunt disponibile sub forma unor hărți sistematice care scot în evidența climatul diferitelor zone din Europa și din alte părți ale lumii. Având în vedere că un proiect eficient are nevoie de date solide în ceea ce privește cantitatea de flux energetic solar, punctul de pornire în realizarea unui astfel de proiect este să înțelegem chestiunile de bază legate de climatul radiațiilor solare pentru cele trei condiții de bază: cer senin, parțial senin și cer înorat.

2.3. Radiația solară globală a cerului senin la diferite latitudini

Iradiația globalã este compusă din două componente, radiația solară orizontală directă și radiația solară orizontală difuză provenind din zona emisferică a atmosferei. Radiația solară globală a cerului senin poate fi calculată folosind modelul ESRA(European Solar Radiation Atlas) a cerului senin. Modelul necesită introducerea latitudinii zonei care se deorește a se analiza, data din an, care determină geometria solară și claritatea atmosferei. Claritatea cerului este descrisă de un index cunoscut ca și factorul de nebulozitate Linke. Praful, poluarea realizată de om și vaporii de apă reduc cantitatea de iradiație solară clară și măresc cantitatea de iradiație difuză. Figura 2.1 afișază calculul iradierii cerului senin normala la raza solară ca și funcție de altitudinile solare la nivelul mării pentru diferite valori ale factorului de nebulozitate Linke. Figura 2.2 afișază valorile corespunzătoare iradierii difuze pe suprafețe orizontale. Reprezentarea spectrală a radiației globale și dufuze este reprezentată in Figura 2.3.

Figura 2.1. Modelul ESRA al iradierii de undă directă in condiții de cer senin .Estimări ale iradierii normale la unda în Whm-2 la nivelul mării și la distanța medie solarã pentru un interval al factorului Linke de 1.5 – 8.5. În practică factorul de turbulență Linke la nivelul mării este rar sub 3.5. Valori de peste 6 sunt comune în zone de deșert datoritã prafului din atmosferă.

Figura 2.2. Modelul ESRA al iraderii în condiții de cer senin;estimări ale iradierii difuze pe o suprafață plană în Whm-2 la nivelul mării și distanță medie solară petru un interval al factorului Linke intre 2 și 8 .Se observă că iradierea difuză crește o dată cu creșterea factorului Linke în timp ce iradierea de unda directa scade.

Figura 2.4 arată calculul raportat la ore din zi a iradiației globale, iradiației directe și difuze în condiții de cer senin la latitudinea de N în 30 aprilie. Factorul de nebulozitate Linke a fost fixat la 3 pentru acest exemplu. Acest exemplu reprezintă un cer senin aproape ideal. În codiții de cer senin iradiația difuză reprezintă în mod tipic 10-20% din radiația globalã. Dacă se realizează același calcul, zi de zi pe tot parcursul anului și după aceea se realizează integrarea valorilor in funcție de oră, se poate estima modelul anual al iradiației zilnice in condiții de cer senin, la această latitudine, la orice nivel de claritate al atmosferei. Figura 2.5 arată rezultatul.Variațiile intersezoniale datorită modificării lungimii perioadei de zi și schimbările asociate altitudinilor solare în funcție de perioada din an sunt evidente. Figura 2.6 arată impactul substanțial al factorului Linke asupra radiației globale zilnice în condiții de cer senin la latitudine de . Este foarte rar să întalnim o turbulență sub 2.5 la nivelul mării. Orașele mari au în general un factor de nebulozitate de aproximativ 4.5 în perioada verii. În condiții esxtreme de praf în atmosferă, ar putea ridica factorul Linke la 6.0 sau chiar peste.Proporțiile difuze a iradiației zilnice cresc odată cu micșorarea clarității cerului. Proporțiile iradiației difuze cresc și odată cu micșorarea unghiului latitudinii solare. Radiația globală disponibilă devine extrem de scăzută în decembrie la latitudini nordice mari deoarece o astfel de latitudine este aproape de Cercul Arctic și soarele la amiază se află la un unghi destul de mic. Într-o altă figură, figura 2.7, avem afișată influența latitudinii asupra iradiației dintr-o zi cu cer senin ca și funcție de numărul zilei. Având în vedere faptul că factorul Linke este foarte important în realizarea estimărilor legate de cantitatea de energie solară, eforturi considerabile au fost făcute, prin intermediul programului SoDa(SolarData), pentru a realiza o bază de date globală care să cuprindă valori ale factorului Linke pentru toate zonele de pe glob.

Se observă în Figura 2.7 împreunarea curbelor în iunie în perioada solstițiului de vară, în emisfera nordică. Valorile de la Ecuator arată că mărimile maxime sunt în perioada de echinocțiu, 21 martie și 23 septembrie. Figura 2.7 ne arată efectiv valorile radiației globale maxime care ar putea fi observate pe o suprafață orizontală plană la orice dată.

Figura 2.3. Calculul iradierii spectrale globale și difuze în condiții de cer senin, pe o suprafață orizontală pentru o latitudine solară de . Iradierea globală integrată este de 476 Wm-2 și iradierea difuzã integrată este de 114 Wm-2. [6]

Figura 2.4. Estimarea iradierii orizontale dintr-o oră în condiții de cer senin, la nivelul mării, la o latitudine de , și arătarea componentelor directe și difuze la nivel de oră pentru un factor Linke de 3.

Figura 2.5. Estimarea iradiației orizontale zilnice în condiții de cer senin la nivelul mării în diferite sezoane, la o latitudine de

Figura 2.6. Estimarea iradiației globale orizontale zilnice în conditii de cer senin la nivelul mării, latitudine . Se observă impactul pe care îl are factorul Linke combinat cu perioada din an.

Figura 2.7. Iradiația globală zilnică în condiții de cer senin care cade pe o suprafață orizontală, calculată la 4 altitudini diferite și pentru un factor Linke de 3.5.

2.4. Condiții de înorare parțială

Norii împiedică trecerea undei solare directe, astfel iradiația undei solare directe este foarte variabilă în climate parțial înorate. Schimbări majore în intensitatea iradierii pot să apară în numai câteva secunde. Un cer cu mulți nori împrăstiați are tendința de a fi relativ strălucitor. În consecintă radiația difuză asociată poate fi semnificativă într-o astfel de perioadă. Dar variația pe termen scurt a iradierii difuze nu este la fel de mare ca și cea a razei clare. Iradierea undei clare poate să cadă de la 750 Wm-2 la 0 în câteva secunde și în mai puțin de un minut să crească din nou la peste 750 Wm-2 .

2.5. Evaluarea radiației solare pe planuri înclinate: terminologii

În cazul panourilor înclinate, radiația incidentă este formată din trei componente: unda de radiație directã, radiația difuză de la cer și radiația reflectată de la sol.Componenta reflectată de la sol depinde de coeficientul de reflexie a suprafeței respective.Aici vorbim de o medie a reflexiei suprafețelor asupra intregului spectru solar.Valoarea tipica a acestui coeficient de reflexie este de 0.2 .Acoperirile cu zăpadă poate să mărească coeficientul de reflexie la 0.6 – 0.8 in funcție de vechimea zăpezii.Terminologia folosită aici pentru a descrie iradierea pe un plan inclinat este pentru unda de iradiere directă care cade pe o suprafată cu inclinația și unghiul de azimut . D() este folosit pentru a descrie radiația difuză venită de la stratul de ozon și R(reprezintă radiația difuză reflectată de sol.Notațiile pentru cantitățile de iradiații integrate pe diferite perioade de timp sunt indicate prin adăugarea următorilor indici: h pentru ore, d pentru zile și m pentru luni. Aceste notații sunt conformte cu cele din secțiunile precedente.

2.6. Exemplu de analiză a radiației solare pe un plan inclinat

Un studiu specific cu ajutorul unor grafice va fi prezentat în continuare pentru a scoate în evidență necesitatea luării unor decizii cu privire la orientarea colectorului și inclinația lui față de soare. Acest exemplu este bazat pe utilizarea datelor numerice privind iradiația medie lunară și a datelor privind iradiațiile din zilele senine din Londra(Bracknell).

Figura 2.8.(a) arată media lunară a iradiației zilnice estimate pe panouri incidente orientate către sud și înclinate la diferite unghiuri. Aceste date au fost procesate prin observarea oră de oră a iradiației globale și difuze pe suprafețe orizontale pe o perioadă cuprinsă intre anii 1981-92. Figura 2.8.(b) prezintă raportul dintre radiația difuză dintr-o zi și radiația globală de pe acel plan înclinat. Figura 2.8.(c) compară valoarea iradiației totale estimate pe diferite planuri înclinate către sud cu valorile corespunzătoare radiației globale observate pe planurile orizontale. Raportul dintre iradiația medie lunară pe planurile inclinate/iradiația medie lunară pe planurile orizontale a fost denumit factor de amplificare a mediei zilnice pe o lună pentru o mai bună determinare a înclinării și orientării panourilor. Reprezintă un obiectiv esențial într-un proiect să optimizăm factorul de amplificare în contextul în care avem nevoie de un randament cât mai mare în ceea ce privește exploatarea panourilor solare. Factorul de aplificare mediu lunar este diferit pentru unda de radiație directă, radiație difuză și radiație totală. O intrebare importantă ar fi “Când este energia cea mai importantă?”. Alegerea înclinației și orientării panourilor colectoare devine importantă mai ales în perioadele din an în care energia radiată de la soare este mică și cererea de energie electrică este mai mare.

Figura 2.8.(c) arată factorul global de amplificare maxim din luna ianuarie care este 1.90 pe un panou cu orientarea spre sud și cu o inclinație de . Această înclinație poate fi comparată cu latitudinea zonei Bracknell de N. Valoarea din decembrie este puțin mai mare și anume 1.98. Factorul de amplificare totală maxim, în iunie, este de 1.01 la un panou orientat spre sud cu o înclinație de . O suprafață verticală orientată spre sud, în iunie are un factor de amplificare mediu lunar de numai 0.56 comparabil cu 1.79 în ianuarie.

Figura 2.9 sumarizează prezicerile pe iulie și decembrie pentru pante orientate spre sud la diferite înclinații. Curba medie anuală este de asemenea inclusă.

Figura 2.8. (a)Iradiația medie zilnică dintr-o lună pe panourile înclinate spre sud. (b)Raportul dintre iradiația difuză și cea globală dintr-o zi, de pe planurile înclinate. (c)Factorul de amplificare al radiației totale de pe suprafețele orizontale.

Figura 2.9. Iradiația medie zilnică pe o suprafață inclinată cu orientarea spre sud, in Londra in iulie și decembrie și valoarea medie anuală ca și funcție de unghiul de inclinație.

Capitolul 3

Calculul geometriei solare

3.1.Mișcările unghiulare ale soarelui pe parcursul anotimpurilor

Calculul geometriei solare este adesea util. Acest calcul este esențial pentru a alege atât înclinația cât și orientarea panourilor solare cât mai eficient, cât și pentru a putea lua în considerare posibilele umbriri sau obstrucții asupra luminii soarelui care ar putea să apară pe parcursul zilei și care ar împiedica radiațiile solare să ajungă pe întreaga suprafață a panoului solar. Această secțiune descrie calculul mișcării soarelui așa cum este văzut el de oriunde de pe Pămant.

Traiectoria zilnică pe care o urmează soarele depinde de latitudinea zonei respective și de data din an. Variabila de intrare de bază în estimarea trigonometrică a geometriei solare este înclinația solară. Înclinația solară este unghiul dintre direcția centrului discului solar masurat de la centrul pămantului și planul ecuatorial. Înclinația este o funcție continuă variabilă în timp. Solstițiul de vară, adică cea mai lungã zi, apare când înclinația solară ajunge la valoarea maximă pentru acea emisferă. Solstițiul de iarnă, adică cea mai scurtă zi din an, apare când înclinația solară ajunge la valoarea ei minimă pentru acea emisferă. Înclinația dintr-o zi anume în emisfera sudică are semnul opus celei din emisfera nordică din aceeași zi. În timp ce oricare zi din an poate fi studiată, marea majoritate a manualelor de proiectare selectează una sau două zile din fiecare lună pentru a realiza calculele detailate de referință, ca de exemplu în Atlasul Radiațiilor Solare European (European Solar Radiation Atlas) și Ghidul CIBSE. Valorile lunare adoptate în această lucrare sunt date în Tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. Ecuația de Timp(EDT exprimată atât în ore cât și în minute) și valorile inclinațiilor solare la date lunare de proiectare bazate pe inclinația medie. Valorile pentru 21 iunie și 22 decembrie sunt de asemenea date. Unghiurile de înclinație sunt date pentru emisfera nordică, pentru emisfera sudică trebuie doar schimbat semnul.

Trecerea de la o zi la alta se realizează în mod continuu numărând zilele dintr-un an după modelul Julian, J. Astfel pentru 1 Ianuarie, J=1;1 Februarie, J=32; 1 Martie, J=57 și tot așa. Fiecare zi din an poate după aceea fi exprimată într-o formă unghiulară ca și unghi de zi,J’, în grade prin înmulțirea lui J cu 360/365.25. Unghiul de zi este folosit în multe dintre expresiile trigonometrice care urmează.

3.2. Sisteme de timp folosite în conjuncție cu geometria solară

Diferite sisteme de timp sunt introduse în practică. Timpul folosit în mod cotidian diferă de timpul solar. Timpul solar este determinat în funcție de mișcarea soarelui. Momentul în care soarele are cea mai mare înălțime pe cer este definit ca amiaza solară. Amiaza solară în orice loc de pe glob apare în momentul în care soarele traversează meridianul nord-sud. Este foarte recomandat ca toate calculele geometriei solare să fie realizate în timp solar. Acest sistem de timp este numit în mod uzual timp local de aparent (Local Apparent Time). Timpul solar este convertit în forma lui unghiulară, unghiul orei solare, pentru calculul trigonometric al traiectoriei solare. Unghiul orei solare se referă la amiaza solară. Pământul se rotește câte pe oră. Convenția standard utilizată este aceea că unghiul orei solare este negativ înaintea amiezii solare. Deci ora 14:00 LAT reprezintă unghiul orei solare de . Ora 10:00 LAT reprezintã unghiul orei solare de -.

3.3. Conversia timpului mediu local în timp local aparent

Timpul mediu local (LMT), deseori numit timpul orar sau timpul civil, diferã de timpul local aparent(timpul solar,LAT).Diferența depinde de longitudinea locului, longitudinea de referință a zonei orare folosite și data precisă din an. Majoritatea observațiilor climatice sunt realizate în timp sinoptic. Oră de oră se realizează observații cu privire la radiațiile solare și intensitatea luminoasă a razelor solare.

Datorită faptului cã datele climatice pot fi colectate în două sisteme diferite de timp, câteodată este important să se poată realiza legătura între cele două sisteme de timp, în special în cazul realizării unor simulări. Iradiația solară este o funcție discontinuă la răsărit și la apus. Celelalte variabile de vreme sinoptice sunt continue. Deci, este mult mai exact să interpolezi valori sinoptice în timp solar decât să interpolezi valori de iradiație în timp sinoptic când se compilează seturi de date consistente pentru o simulare.

Conversia sistemelor de timp necesită cunoașterea atât a longitudinii locului respectiv cât și a longitudinii de referintă a sistemului de timp folosit. Conversia necesită de asemenea aplicarea Ecuației de Timp, care ține cont de anumite perturbații în rotația Pământului în jurul axei sale. În Marea Britanie LMT este Greenwich Mean Time(GMT) iarna și British Summer Time (BST) în perioada verii. Multe țări din vestul Uniunii Europene folosesc West European Time (WET) și varianta alternativă proprie pentru vară. Bazându-ne pe longitudine E, aceste țări au sisteme de timp cu o oră inainte față de GMT și BST (este politica UE ca toate statele membre să treacă către și de la timpul de vară în aceeași dată). Țările câteodată își schimbă timpul de referință: de exemplu Portugalia a trecut la WET pentru a se alinia la standardul european, ca după aceea să fie forțată de proteste publice de stradă ca să treacă înapoi la GMT.

Ecuația timpului este diferența exprimată în timp dintre prânzul solar la longitudinea de și 12:00 GMT în acea zi. Calculul ecuației timpului necesită ca și variabilă de intrare numărul zilei din an. Aceasta este după aceea convertită în unghiul zilei repsective din an. Ecuația timpului(EOT) este calculată în felul următor:

[ore] (3.1)

și după aceea timpul local aparent LAT

[ore] (3.2)

unde: – J’ este unghiul de zi din an în grade,

este longitudinea zonei respective, tot în grade,

este longitudinea de referință a zonei în care este situat locul, tot în grade și c este un factor de corecție a timpului de vară măsurat in ore.

Valori ale ecuației timpului pentru anumite date selectate pot fi găsite în Tabelul 1.1.

3.4. Determinarea trigonometrică a geometriei solare

a) Unghiuri cheie care descriu geometria solară

Două unghiuri sunt folosite pentru a defini poziția unghiulară a soarelui văzută dintr-un anumit punct de pe suprafața Pământului (Figura 3.1):

Figura 3.1. Definirea unghiurilor folosite pentru a descrie poziția solară (și ), orientarea și înclinația plăcii iradiate ( si ), unghiul de incidență () și unghiul de umbră orizontal ().

Altitudinea solară. Aceasta este inălțimea unghiulară a centrului discului solar deasupra planului orizontal.

Azimutul solar. Acesta este unghiul orizontal dintre planul vertical care conține centru discului solar și planul vertical care trece prin planul inițial cu o direcție de la nord la sud. Este măsurat ca venind dinspre sud în emisfera nordică, în sensul acelor de ceasornic referindu-ne la polul nord.Este măsurat dinspre nord în emisfera de sud, invers acelor de ceasornic referindu-ne la polul sud.Valorile sunt negative înainte de amiaza solară și pozitive după.

Alte patru unghiuri importante sunt:

Unghiul solar de incidență pe un plan de înclinație și pantă . Acesta este unghiul dintre normala la planul pe care razele solare ajung și linia de la suprafața care trece prin centrul discului solar. Cosinusul lui este folosit pentru a estima unda iradiantă incidentă pe suprafața plană față de iradiația normală la plan.

Unghiul de umbră vertical, câteodatã numit și unghiul de profil vertical. Aceasta este direcția unghiulară a centrului discului solar, așa cum apare pe graficul unei secțiuni verticale cu o anumită orientare (Figura 3.2).

Unghiul de azimut solar marginit , adeseori numit unghiul de umbră orizontal. Acesta este unghiul dintre planul vertical care conține normala la suprafață și planul vertical care trece prin centrul discului solar. Cu alte cuvinte, este unghiul calculat de pe planul orizontal dintre direcția soarelui și direcția normalei la suprafața planului (vezi figura 3.2).

Figura 3.2. Definirea unghiului de umbră vertical și unghiului de umbră orizontal .

b) Algoritmi climatologici pentru estimarea inclinației

Anul solar este de aproximativ 365.24 zile. Calendarul este destul de sincronizat cu sezoanele solare prin introducerea anilor bisecți. Acest ciclu al unui an bisect ne arată că înclinația precisă a oricarei zi selectate variază în funcție de poziția ei în ciclul de 4 ani dintre doi ani bisecți. Pentru calculele care împlică medii de date climatologice care se intind pe mai mulți ani, este indicat să se foloseascã formule care calculează valori medii pe termen lung pentru a estima înclinația. Dar dacă se dispune de date solare pentru anumite zile dintr-un an anume, este normal să optăm pentru niște formule care să ne dea date mai exacte în ceea ce privește înclinația pentru o anumită zi și longitudine. De exemplu în analizarea geometriei solare se pot folosi casete cu simulări bazate pe serii de perioade de observare. De obicei sunt folosite valorile înclinațiilor de la amiază. Aceste date dau suficientă acuratețe pentru realizarea calculelor practice. Urmatoarea ecuație este folositã în Atlasul Radiatiilor Solare European (ESRA) pentru calcularea valorilor medii reprezentative a înclinației în funcție de anul format din 365 de zile:

(3.3)

unde: J’ este unghiul de zi în radian (sistemul Iulian de numerotare a zilelor ).

Valorile înclinațiilor medii lunare pot fi obținute pentru fiecare lună integrând valorile inclinațiilor zilnice pe parcursul fiecărei luni și luan valoarea medie.Fiecare medie poate fi asociată cu o medie lunară a unei date reprezentative de proiectare. Tabelul 3.1 arată valorile climatologice recomandate a înclinațiilor medii pentru a fi folosite la nivelul mediu lunar. Tabelul 2.1 include ziua din lună când înclinația reprezentativă este cea mai apropiată de valoarea medie lunară.

Formule mai detailate folosite pentru calcularea înclinației solare pentru o anumită perioadă dintr-un loc anume intr-un anumit an sunt disponibile, cum ar fi de exemplu algoritmul Bourges, care este recomandat de a fi folosit de ingineri pentru a obține date exacte în ceea ce privește înclinația pentru anumite zile din anumiți ani. Proiectanții celulelor solare nu au nevoie în general de o acuratețe atât de mare, doar în condițiile în care folosesc sisteme de concentrare a undei solare foarte rafinate.

c) Calculul altitudinii solare și a unghiurilor de azimut și a lungimii unei zile astronomice

Aceste două unghiuri care au fost definite mai înainte, depind de momentul din zi t, măsurat în ore LAT după ceasul normal de 24 ore. Pentru calculul trigonometric solar care urmează, timpul este exprimat printr-un unghi de ore unde:

grade (2.4)

unde: – t este timpul solar în ore(LAT).

Unghiul altitudinii solare se obține din:

(2.5)

unde: este latitudinea locației. Unghiul de azimut solar este obținut din :

(2.6)

Dacă atunci ;dacă atunc .

Ambele formule din ecuația (2.6) sunt necesare pentru a determina unghiul de azimut în cadranul corect în programele de calculator. Unghiul orei de apus,, este calculat prin setarea altitudinii solare la zero în ecuația (2.5). poate fi determinat în felul următor:

(2.7)

Lungimea unei zile astronomice este deci ore. Lungimea zilei este o variabilă importantă de proiectare. La latitudini înalte se schimbă considerabil cu perioada din an. Diagrama traiectoriei soarelui pentru latitudinea de N este aratată în figura 2.12. Variația anuală a lungimii unei zile, arătată în figura 2.13, este mult mai mică la latitudini mai mici decât la latitudini mai mari. Lungimea unei zile astronomice este de 12 ore în fiecare zi la Ecuator. Aceste informații au o importanță deosebită în determinarea perioadei de timp în care se utilizează iluminatul electric nocturn în diferite părțti ale lumii, având o influență importantă asupra analizării cererii de energie corelate cu analiza performanței sistemului fotovoltaic.

Figura 2.12. Diagrama traiectoriei solare pentru latitudinea solară de . Orele din zi sunt exprimate în LAT.

Figura 2.13. Variația anuală a lungimii unei zile astronomice pentru patru latitudini.

3.4.1. Calculul unghiului de incidență și a unghiului de umbră orizontală și verticală

Unghiul de incidență al undei solare, , pe o suprafață de înclinație și unghi de azimut la suprafață se determină cu ajutorul altitudinii solare și a unghiurilor de azimut. Unghiul de azimut solar mãrginit trebuie calculat prima oară, folosind ecuația 2.8. Convenția de semn adoptată pentru unghiul de azimut solar mãrginit este aceeași ca și în cazul unhiului de azimut solar. Unghiul este considerat ca orientare dinspre sud în emisfera nordică și ca orientare dinspre nord în emisfera sudică. Valorile din est sunt negative și valorile din vest sunt pozitive.

(2.8)

unde: este unghiul de azimut solar și este unghiul de azimut la suprafață. Dacă atunci ; daca atunci .

Odată ce unghiul de azimut solar mãrginit a fost calculat,unghiul de incidență poate fi calculat folosind ecuația (2.9). O valoare negativă semnifică faptul că soarele este în spatele suprafetei și atunci valoarea este de obicei setată la 0:

(2.9)

Un parametru geometric util folosit în proiectare este unghiul de umbră vertical pentru că se aliniază la practici inginerești standard de proiectare. Poate fi determinat cu formula următoare:

(2.10)

Dacă , ,pentru o suprafață verticală; daca atunci soarele luminează suprafața verticală paralelă opusă. Unghiul de umbră orizontal este identic cu .

3.4.2. Determinarea exactă a înclinației la amiază și determinarea exactă a geometriei solare

Anumite ori când lucrăm cu date pentru anumite zile sau când realizăm observații la fața locului, este util să folosim o formulă mai exactă pentru a estima înclinația. Formula lui Bourges este simplu de aplicat. Este adecvat să acceptăm înclinația de la amiază ca reprezentativă pentru toată ziua:

grade (2.11)

unde:

radiani, radiani

zile, (2.12)

unde: – este longitudinea(pozitiva la est),

Y este anul întreg,

INT este partea întreagă a expresiei

J reprezintă zilele după modelul Iulian de la 1 pana la 365 și de la 1 la 366 în ani bisecți.

3.5. Estimarea iradiației, pentru diferite condiții ale cerului, pe planuri înclinate din iradiația orizontală la nivel de oră

3.5.1. Estimarea componentelor iradiației inclinate din principiul de bază

În această sectiune vom vedea cum se realizează conversia iradiatiei globale și difuze observate pe suprafețe orizontale în iradiație globală și difuză pe suprafețe înclinate, la nivel de oră. Metoda presupune dispunerea de date privind iradiația globală și difuză orizontală la nivel de oră provenită de la o sursa meteorologică de încredere. Dacă nu se dispune de date privind iradiația difuză, ele trebuiesc determinate cu ajutorul algoritmului prezentat anterior.

Înclinarea suprafeței iradiate față de planul orizontal este definită cu ajutorul simbolului . Acest unghi va trebui notat în radiani pentru unii algoritmi folosiți. Unghiul azimut este măsurat de la sud în emisfera nordică și de la nord în emisfera sudică. Direcția către vest este pozitivă și cãtre est este negativă.

Iradiația totală de undă scurtă care se regãsește pe o suprafață înclinată într-o oră se determină prin insumarea a trei componente de iradiație înclinată: componenta înclinată directă dintr-o oră , componenta difuză dintr-o oră și componeta reflectată de Pământ dintr-o oră notată cu . Fiecare componentă trebuie estimată separat:

(2.12)

Înaintea realizării acestui calcul trebuie dezvoltat calculul geometriei solare utilizând algoritmii din paragrafele precedente.

3.5.2. Iradiația de undă directă pe planuri înclinate

Estimarea iradiației directe înclinate din iradiația normală la suprafață se realizează în mod direct, odată ce cosinusul unghiului de incidență a undei solare de pe suprafața înclinată a fost stabilit:

pentru (2.13)

în rest

Totuși, aces proces are de-a face cu date de iradiație observate oră de oră. În afara orelor de rãsãrit și de apus, iradiația normală de undă directă dintr-o oră Bnh poate fi estimată în felul următor:

(2.14)

unde: este altitudinea solară.

Pentru orele de răsărit și apus, trebuie să se țină cont de proporția orei, când soarele se află deasupra orizontului:

(2.15)

unde: este acum altitudinea solară de la momentul dintre răsărit și sfarșitul orei respective sau momentul de apus și sfarșitul orei respective, și este perioada din timpul răsăritului sau apusului, în care soarele este deasupra orizontului.

O estimare exactă a iradiației directe pe o suprafață înclinată folosind perioada standard de observare de o oră, complică situația datorită faptului că soarele se deplasează pe parcursul unei ore . De aceea, se poate utiliza o estimare simplă a iradiației dintr-o oră când soarele luminează suprafața pe parcursul intregii ore, folosind unghiul de incidență a mijlocului orei și setând iradiația dintr-o oră să fie egală cu iradiația de la mijlocul orei respective. Deci:

(2.16)

Metodologia din ESRA reduce riscul de erori printr-un calcul realizat la intervale de 6 minute pe parcursul unei ore.

Metoda necesită, ca și intrări, valorile la nivel de oră a iradiației orizontale globale și difuze,Gh și Dh. Metoda a fost testată și recomandată de CEC ESRA în cadrul proeictului lor de analiză a radiațiilor solare. Algoritmul face deosebire între suprafețele care au un potential solar bun și suprafețele care nu au un potențial solar bun. Pentru suprafețele orientate cãtre soare, sunt folosiți diferiți algoritmi pentru soare slab(sub ) și soare puternic (peste ). Pentru suprafețele însorite se mai face o distincție intre orele cu cer acoperit și orele cu cer neacoperit de nori. O oră cu cer înorat este definită ca o oră în care diferența Whm-2. O funcție de modulație Kb este calculată astfel:

(2.17)

unde: – I0 este constanta solară (1367 Wm-2)

– este corecția distanței solare medii din ziua J

– este unghiul de altitudine solară.

Aceste unghiuri au fost definite în paragrafele anterioare. Kb exprima iradierea de undă orizontală ca și raportată la iradierea orizontală extraterestră corectată cu distanta solară medie. După aceea o funcție pentru înclinația este calculatã. trebuie exprimat în radiani. Această funcție este definită ca:

(2.18)

unde : b ia urmatoarele valori: – suprafața umbrită, 5.73;

suprafața însorită sub cer înorat, 1.68;

suprafața însorită sub cer senin, -0.62.

Ca și o îmbunătățire, pentru anumite zone specifice pentru care avem date rezultate din observații, Muneer a sugerat o metodă alternativă de a evalua pentru a fi aplicată doar pentru cazul suprafetelor însorite.

Nordul Europei fiind reprezentat de Bracknell:

cu (2.19)

Sudul Europei fiind reprezentat de Geneva:

cu (2.20)

Ecuația (2.19), pentru o suprafața verticalã se reduce la:

(2.21.)

Pentru o suprafață verticală însorită, sub un cer senin, folosind b = -0.62:

Dacã suprafața verticală nu este însorită, adică este 0 sau negativ, atunci ecuația (2.21) trebuie evaluată folosind , rezultând :

Pentru o suprafață însorită în condiții de cer înorat, folosind , pentru o suprafața verticală obținem:

Pentru suprafețe însorite, cu , este determinat folosind următoarea formulă:

(2.22)

unde: – Dh este iradiația difuză dintr-o oră, pe o suprafață orizontală

– este unghiul de incidență la suprafață.

Pentru o suprafață însorită cu condiții de cer înorat Kb = 0 și pentru toate altitudinile:

pentru o suprafață verticală (2..23)

Pentru suprafețe umbrite, adică și pentru toate altitudinile solare:

pentru o suprafață verticală (2.24)

Capitolul 4

Colector solar

Spre deosebire de panourile solare fotovoltaice, un colector solar, (captator solar, panou solar termic) este o instalație ce captează energia 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).

Istoric

Ideea utilizării efectului termic al radiației solare este veche. Încă din antichitate Arhimede a incendiat flota romană concentrând razele solare cu ajutorul oglinzilor (legendă?).

În secolul al XVIII-lea naturalistul Horace-Bénédict de Saussure a construit precursorul colectorului solar de azi, o cutie simplă de lemn, cu interiorul vopsit în negru și acoperită cu sticlă. Cu acest prim colector solar s-a atins o temperatură de 87 °C.

La mijlocul secolului al XIX-lea francezul Augustin Mouchot a dezvoltat colectorul lui Saussure adăugându-i oglinzi concave, iar în anul 1878 la expoziția mondială din Paris a expus o mașină cu abur acționată cu energie solară și a făcut propunere utilizării acesteia pentru generarea de electricitate.

Principiu de funcționare

Din punct de vedere funcțional, componenta principală a colectorului solar este elementul absorbant care transformă energia razelor solare în energie termică și o cedează unui agent termic (apă, antigel). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluată de la colector și este fie stocată, fie utilizată direct (ex. apă caldă de consum).

Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o izolare termică a elementului absorbant de mediul înconjurător. În funcție de tehnica utilizată în acest scop se deosebesc:

colectoare ce utilizează materiale izolatoare obișnuite;

colectoare în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricație costisitoare;

colectoare ce se bazează pe tehnici simple și care se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

Mod de construcție

4.1. Colectoare plate

În principiu, un colector solar are o carcasă metalică de formă dreptunghiulară în care se află montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticlă, razele solare cad pe o suprafață care absoarbe aproape întregul domeniu spectral al acestora. Energia calorică rezultată nu se pierde, colectorul fiind izolat termic în toate părțile. Căldura de convecție spre exterior este limitată de unul sau mai multe geamuri. La colectoarele cu vacuum, aceasta este aproape în întregime eliminată. Căldura de radiație, datorată temperaturii proprii, este de asemenea împiedicată de geamul de sticlă care este opac pentru lungimile de undă mai mari. Această căldură este reținută în interiorul colectorului, echilibrul termic conducând la o temperatură mai înaltă decât în situația fără geam. Acest efect este cunoscut sub numele de efect de seră. La colectoarele solare moderne se utilizează sticlă specială, cu un conținut cât mai mic posibil de fier și cu o rezistență mărită la grindină și încărcare cu zăpadă.

Elementul absorbant, mai ales la colectoarele cu vid, poate prezenta o selectivitate față de lungimea de undă, astfel încât, pe de o parte, să absoarbă o gamă cât mai largă de radiație solară și, pe de altă parte, să aibă o emisie cât mai redusă în domeniul de infraroșu apropiat, pentru a reduce emisia de căldură

Elementul absorbant cedează căldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu atașate acestuia. Agentul termic transportă energia calorică la utilizator sau la un recipient de stocare. Unele instalații solare au circuitul agentului termic deschis, ceea ce înseamnă că prin conductele colectorului circulă chiar apa necesară utilizatorului, cum este cazul în principal al instalațiilor funcționând pe principiul termosifonului. În regiunile cu pericol de îngheț mai mare, se apelează totuși de regulă la circuite separate. Circuitul primar, cel al colectorului conține un lichid rezistent la îngheț (antigel). Din circuitul primar căldura este transferată prin intermediul unui schimbător de căldură apei din circuitul secundar, cel al utilizatorului.

4.2. Colectoare cu tuburi vidate

O construcție specială prezintă colectoarele solare cu tuburi vidate[1]. Ele se compun din tuburi paralele în spatele cărora se află reflectoare pentru concentrarea radiației solare. Tuburile vidate se compun din două tuburi de sticlă concentrice intre care este vid. Tubul din interior este înconjurat de o suprafață absorbantă de care este atașat un tub de cupru prin care circulă un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de căldură prin convecție și conducție, permițând obținerea de performanțe superioare (randament și temperaturi mai mari). Datorită temperaturilor mai mari instalația de încălzire poate necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraîncălzirii. Astfel de colectoare sunt mai eficiente în zonele cu temperatură moderată, utilizarea lor în zone calde justificându-se doar în instalații tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari. Un alt avantaj îl reprezintă faptul că suprafața absorbantă fiind mereu perpendiculară pe direcția razelor solare, energia absorbită este aproape constantă în cursul zilei. Tehnologia utilizată la fabricarea acestui tip de colector este asemănătoare celei de la centralele termice cu jgheaburi parabolice.

Elementul absorbant

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 să fie cât se poate de mică. În termeni tehnici aceasta înseamnă că trebuie să se comporte selectiv față de lungimile de undă corespunzătoare celor două procese.

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 gradul de absorbție cel mai mare posibil pentru radiația solară. În același timp aceste lacuri au un nivel destul de înalt de emisie în zona de mijloc a radiației infraroșii – ca urmare o parte a căldurii captate va fi emisă din nou.

Pentru a reduce la minimum pierderile de energie, se va acoperi partea absorbantă cu un strat foarte selectiv. Astfel se pot obține coeficienți de absorbție de 94 % în banda de 0,4 … 0,8 µm lungime de undă și coeficienți de emisie de 6 % pentru lungimea de undă de 7,5 µm corespunzătoare radiației proprii a materialului absorbant.

Una din primele acoperiri cu materiale cu absorbție selectivă, utilizabilă în producția în serie, a fost acoperirea cu crom. Acesta se aplică pe suprafețele de aluminiu sau cupru prin galvanzare. Pe suprafața metalului apar firicele de crom care captează între ele razele de lumină, dar datorită mărimii lor reduse nu permit emiterea de lungimi de undă mai mari. O modalitate elaborată dar care însă nu a mai fost pusă în fabricație a avut ca bază acoperirea cu nichel.

Până prin anul 1977 procedeul de cromare era dominant pe piață. Între timp au apărut noi modalități de acoperire cu strat absorbant care permit obținerea de randamente mai mari pe de o parte, și prin renunțarea la procesele galvanice sunt mai ecologice din punct de vedere al producției și reciclării pe de altă parte.

Actualmente cel mai extins procedeu este cel de depunere în atmosferă de gaz inert a unui strat de titan de culoare albastră (procedeul PVD), care cu toate că în comparație cu negrul din cazul acoperirii cu crom are un coeficient de absorbție mai mic, prezintă o emisie mult mai slabă și ca atare un randament total mai mare. Primele acoperiri de acest tip s-au elaborat în Germania și au fost lansate pe piață de către TiNOX GmbH. Teoretic se pot obține și alte culori ale stratului de acoperire, care însă nu au același randament.

O altă tehnologie a fost elaborată în anii 90 de către firma Interpane care creează o structură de ceramică – metal (probabil tot pe bază de titan) care strălucește într-un ton de negru-albăstrui.

Cele două procedee de acoperire, până mai recent, erau posibile doar pe suprafețe de cupru, pentru aluminiu tehnici corespunzătoare au apărut doar de puțin timp pe piață. Chiar și în acest caz pentru transportul căldurii cu ajutorul agentului termic se utilizează conducte de cupru care se racordează prin sudare laser cu partea absorbantă.

Pe lângă materialul de acoperire utilizat, producătorii se disting și prin forma de realizare a părții absorbante. Frecvente sunt soluțiile ce utilizează o placă metalică ce acoperă toată suprafața interioară a colectorului. În acest caz conducta este sudată/lipită în formă de harfă sau serpentină pe spatele plăcii. Pe lângă aceasta există construcții pe bază de benzi se cca 10-15cm lățime pe reversul cărora se află câte o conductă sudată. Benzile mai apoi sunt racordate prin sudură la cele două capete la o conductă colectoare. O a treia formă este asemănătoare unei perne, pe spatele plăcii absorbante fiind sudată o a doua placă, formată prin stanțare. Agentul termic circulă printre cele două plăci. În principiu prima variantă de realizare prezintă eficiența cea mai mare. Dar pentru că producătorii, la început au putut utiliza noile procedee de obținere a straturilor foarte selective doar în cazul plăcilor de cupru cu dimensiuni limitate, mai ales în cazul modelelor mai vechi a fost posibilă utilizarea doar a benzilor. Între timp noile tehnologii permit fabricarea de plăci de până la 1200 mm lățime, ceea ce asigură o mai mare flexibilitate în variantele de fabricație. În schimb utilizarea benzilor pe de o parte face posibilă doar asamblarea în formă de harfă, pe de altă parte permite adaptarea mai ușoară la forma acoperișurilor (colectoare cu dimensiuni la cerere).

Utilizări

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. Principiul termosifon

Vehicularea energiei termice între colectorul solar și locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fără utilizarea unei surse de energie externă. În primul caz avem de-a face cu sisteme ce utilizează pompe acționate electric, sisteme de reglare automată etc., în al doilea caz se utilizează principiul termosifon bazat pe diferența de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa caldă se ridică în sus, pe când cea rece coboară. Altfel decât la încălzire centrală funcționând pe același principiu, în acest caz rezervorul trebuie să se găsească deasupra colectorului solar. Adesea colectorul solar și rezervorul constituie un bloc comun.

Cele mai cunoscute și frecvente utilizări ale colectoarelor solare este în prepararea apei calde menajere. La montare corespunzătoare a colectoarelor și a rezervorului, în Europa Centrală se poate asigura apa necesară pentru spălat și baie pe întreg pe o perioadă de cca. o jumătate de an (sezonul de vară). Teoretic se poate asigura căldura necesară consumului casnic pe parcursul întregului an, dar în acest caz este nevoie de o suprafață mai mare acoperită cu colectoare, rezultând un exces de apă caldă pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investiției semnificativ mai mari va fi redus și nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, păcură, lemn etc.) sau electricitate devenind nerentabil. Colectoare dimensionate economic, pot înlocui sau completa sursele de energie termică într-un procent suficient de mare contribuția la prepararea apei calde variind între 30 % și 100 % raportat la un an întreg.

Primele suprafețe mari acoperite cu colectoare solare au apărut după criza petrolieră din anii 70 fiind utilizate la încălzirea apei din bazinele de înot publice și private. Instalarea de colectoare solare a primit un impuls suplimentar în Germani datorită sprijinului guvernamental federal și celui al landurilor. Chiar și procese industriale utilizează energia termică solară. Un exemplu în acest sens îl prezintă încălzirea biomasei în procesul de preparare al biogazului.

Dacă instalațiile cu colectoare solare 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.

Amortizarea unei instalații solare pentru producerea apei calde este posibilă în cca. 8 ani în condițiile unei construcții optime, a unei utilizări raționale și a existenței unui sprijin din partea statului la tendințele actuale de pe piața combustibililor fosili. Producătorii livrează colectoare solare cu o durată de viață previzibilă de cca. 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar dacă instalația a fost necorespunzător proiectată, respective utilizată.

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 de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru clădirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorită mărimii au o utilizării 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.

Schemă simplificată de prepararea apei calde menajere cu colector solar 1. Colector solar; 2. Comandă; 3. Pompă; 4. Vas de presiune; 5. Rezervor de apă; 6. Sursă de căldură complementară).

Considerente economice

Colectoarele solare transformă energia radiației solare în căldură atunci când aceasta cade pe suprafața de absorbție

Pentru a obține o temperatură de 40-60 °C în rezervor, este necesar ca în colector să se atingă cel puțin 65 °C. Dacă colectorul solar este montat în circuit doar pentru a preîncălzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatură pot fi mai mici.

Izolarea termică împiedică schimbul de căldură între două medii.

Scopul și locul instalării sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficienței în exploatare și ca urmare al economicității instalației.

Cele de mai sus au o greutate considerabilă în analiza economicității utilizării colectoarelor solare unde întrebarea de bază se referă la recuperarea investiției. Tendința este de a utiliza capacitatea colectoarelor la maximum fără perioade de mers în gol.

Pentru prepararea apei calde menajere de exemplu, este nevoie să se cunoască nevoia zilnică de apă caldă. În acest caz este bine ca instalația să se dimensioneze la 70 % din necesarul de energie din cauza diferențelor de capacitate în funcție de anotimp. Dacă se dimensionează la o capacitate de 100 % din energia necesitată iarna, în vară vom avea un exces de apă caldă care nu se poate utiliza, deci o suprafață de colector neutilizată în care s-a investit. Dacă se dimensionează rezervorul astfel încât să stocheze toată energia calorică produsă, apar pierderile în timp datorită izolației imperfecte a acestuia. Rezultă că atât din punct de vedere economic cât și ecologic, este rațional să se apeleze la un sistem hibrid care combină colectoarele solare cu sisteme clasice de încălzire.

4.3. Sisteme Solare Complete

Sistemele solare complete sunt construite cu panouri solare presurizate care folosesc tuburile vidate superconductoare

Tuburile vidate superconductoare sunt cele mai eficiente dispozitive de captare a energiei solare datorita folosirii tehnologiei cu heat-pipe din cupru.
        Tuburile vidate capteaza radiatia solara si o transforma in energie termica, incalzind heatpipe-urile. Caldura este transmisa in capatul superior al hetpipe-ului, care incalzeste agentul termic (antigel). Agentul termic incalzit este circulat de pompa prin serpentina din interiorul rezervorului. Apa rece preia caldura de la serpentina si poate fi folosita ca apa calda menajera sau aport la incalzire.
       Tuburile sunt realizate din sticla borosilicata de 3.3mm grosime, rezistenta la socuri si au pereti dublii intre care se afla vid. Vidul are rol de izolator termic si de crestere a puterii de absorbtie a radiatiei solare.

Constructia sistemelor solare complete

Sitemele solare complete sunt compuse din mai multe componente: unul sau mai multe panouri presurizate, statia de lucru (controller-ul electronic), manometru, debimetru, pompa de recilculare, supapa de siguranta, robineti, supape de sens, aerisitoare, vas de expansiune si boiler. Boilerul poate fi fara serpentina, cu o serpentina, sau cu 2 serpentine de cupru. Alegerea comonentelor optime si a numarului acestora se face in functie de aplicatia pe care dorim sa o realizam. Ex: apa calda pe toata perioada anului (este necesar un boiler cu o singura serpentina); apa calda si aport la incalzire(calorifere sau in pardoseala) ( este necesar un boiler cu 2 serpentine). Incalzirea apei din piscine se poate realiza cu sisteme ce contin boilere fara serpentina sau cu o serpentina.
     In imagine aveti un sistem solar compus din panou solar de 18 tuburi vidate, work station, boiler de 200L si vas de expansiune.

Principiul de functionare al sistemelor solare complete

Energia solara este captata in interiorul tubuliu vidat, unde este transferata heat-pipe-ului de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de incalzire. Operarea sistemelor solare complete este asigurata de controllerul electronic care comanda pornirea si oprirea pompei de recilculare.
     La o diferenta de temperatura de 8 grade Celsius intre temperatura indicata de senzorul din panou si temperatura indicata de senzorul din boiler, este pusa in functiune pompa de recilculare, care functioneaza pana cand diferenta ajunge la 4 grade Celsius.

Instalarea sistemelor solare complete

Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana (cu suportul din imagine), cat si pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.
     In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.
      Montarea boilerului se face in casa, la subsol, la etaj, in camera cu centrala termica, depinde de fiecare situatie in parte. Sistemul se poate racorda la instalatia existenta sau se poate crea un proiect nou, care sa includa atat montajul panourilor solare cat si al centralei termice.

Avantajele folosirii sistemelor solare complete:

Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;

Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa capteze radiatiile infrarosii care patrund prin nori;

Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -20 grade Celsius;

Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;

Tuburile avariate sunt usor de schimbat;

Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;

Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul inconjurator;

Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.

4.4. Panouri Solare Nepresurizate

Panourile solare nepresurizate folosesc tuburi vidate conductoare

Tuburile vidate conductoare sunt eficiente in captarea radiatiei solare in perioada martie-octombrie.
     Tuburile sunt realizate din sticla borosilicata de 3.3mm grosime, rezistenta la socuri si au pereti dublii intre care se afla vid, cu rol de izolator termic. Tubul exterior este transparent, pentru a lasa radiatia sa patrunda prin el si sa ajunga la tubul interior care, pe exterior este acoperit cu o vopsea speciala ce absoarbe radiatia solara. Radiatia infrarosie reuseste totusi sa patrunda si prin tubul interior. Pentru a capta si aceasta radiatie, el este acoperit pe interior cu o vopsea relfectorizanta ce nu mai da voie radiatiei sa paraseasca tubul si este astfel transformata in totalitate in energie termica.

Constructia panoului solar nepresurizat compact

Schimbatorul de caldura (colectorul) il reprezinta chiar tuburile vidate deoarece transfera direct apei caldura.
     Tuburile sunt introduse in orificiile care traverseaza peretii rezervorului, fixarea lor facandu-se cu ajutorul suportului inferior. Etansarea este asigurata cu garnituri speciale din silicon. Rezervorul de acumulare este conectat la reteaua de alimentare cu apa rece printr-un rezervor de alimentare cu flotor si cu reteaua de consumatori de apa calda menajera printr-un stut de la partea inferioara. Pe peretele lateral al vasului se poate monta un senzor de temperatura, intr-un racord filetat. Rezervorul este situat deasupra tuburilor si este prins de cadru, care este fixat pe suprafata de instalare prin intermediul picioarelor de fixare. Aria de contact dintre piciorul suportului si suprafata de instalare se etanseaza cu o garnitura de cauciuc sau silicon.

Principiul de functionare al panourilor solare nepresurizate

Acest tip de colector solar se utilizeaza pentru prepararea apei calde in perioada martie – octombrie. Este construit din tuburi vidate individuale ce transfera radiatia solara, prin convectie, in masa apei din rezervor. Din acest motiv rezervorul de acumulare este montat in partea superioara a panoului solar. Apa din tuburile vidate se incalzeste, isi reduce densitatea si se ridica in rezervor, fiind inlocuita de un volum echivalent de apa rece, cu densitate mai mare. Vidul din tuburile de sticla asigura o termoizolare eficienta, pierderile de caldura spre exterior fiind extrem de mici.
     Umplerea rezervorului cu apa rece se realizeaza cu ajutorul unui rezervor cu flotor, care, in momentul cand se incepe consumul de apa calda, da voie apei reci sa patrunda in bazin si sa ia locul apei calde consumate. Acest tip de panou nu consuma curent electric.

Instalarea panourilor solare nepresurizate

Panourile solare nepresurizate se monteaza deasupra celui mai de sus consumator, de obicei pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.
     Partea acoperisului, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o orientare sudica. Daca aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe panou pe tot parcursul zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult dimineata si dupa-amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-amiaza si seara.
     In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.
     Presiunea minima a coloanei de apa calda este data doar de inaltimea la care este montat panoul.

Avantajele folosirii panourilor solare nepresurizate:

Sunt cele mai ieftine dispozitive pentru captarea energie solare termice;

Daca utilizarea apei calde se face numai prin cadere libera, sistemul nu este dependent de reteaua electrica, in schimb trebuie sa fie amplasat la o inaltime superioara celui mai de sus consumator;

Energia pe care o produce este complet gratuita si ecologica;

Vara acopera 100% necesarul de apa calda menajera, iar primvara si toamna, de la 60 la 80% din necesar;

Este usor de montat si de intretinut.

4.5. Panouri Solare Presurizate Separate

Panourile presurizate folosesc tuburi superconductoare cu heat- pipe

Tuburile vidate superconductoare sunt cele mai eficiente dispozitive de captare a energiei solare datorita folosirii tehnologiei cu heat-pipe din cupru.
        Tuburile vidate capteaza radiatia solara si o transforma in energie termica, incalzind heatpipe-urile. Caldura este transmisa in capatul superior al hetpipe-ului, care incalzeste agentul termic (antigel). Agentul termic incalzit este circulat de pompa prin serpentina din interiorul rezervorului. Apa rece preia caldura de la serpentina si poate fi folosita ca apa calda menajera sau aport la incalzire.
       Tuburile sunt realizate din sticla borosilicata de 3.3mm grosime, rezistenta la socuri si au pereti dublii intre care se afla vid. Vidul are rol de izolator termic si de crestere a puterii de absorbtie a radiatiei solare.

Constructia panoului solar presurizat separat

Schimbatorul de caldura (colectorul) este constituit dintr-o teava de cupru in care sunt introduse un numar de 15, 18, 21, 24 sau 30 teci sudate printre care circula antigelul (agentul termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat cu spuma poliuretanica si inchis intr-o carcasa exterioara din tabla de aluminiu.
     Tuburile se introduc in decuparile cilindrice practicate in carcasa, etansarea facandu-se prin intermediul garniturilor de silicon. Bulbul superior al heap-pipe-ului de cupru patrunzand in teaca colectorului astfel incat sa se asigure un contact termic cat mai bun. Rigidizarea tubului pe pozitia de functionare se face prin fixarea acestuia cu bride metalice, pe latura inferioara a cadrului. Cadrul este apoi fixat pe suprafata de instalare prin intermediul picioarelor de fixare. Aria de contact dintre piciorul suportului si suprafata de instalare se etanseaza cu o garnitura de cauciuc sau silicon.

Principiul de functionare al panourilor solare presurizate separate

Energia solara este captata in interiorul tubuliu vidat, unde este transferata heat-pipe-ului de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de incalzire. Operarea acestui tip de panou este asigurata de controllerul electronic care comanda pornirea si oprirea pompei de recilculare.
     Panourile solare presurizate separate nu pot functiona independent. Deoarece nu au un rezervor de stocare, ele trebuiesc conectate la un boiler montat in zona de consum (in casa). Varianta de utilizare recomandata este cea cu boiler bivalent, pompa de circulatie si panou electronic de comanda (regulator electronic dedicat). Toate acestea formeaza un sistem complet.

Instalarea panourilor solare presurizate separate

Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana (cu suportul din imagine), cat si pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.
     Partea acoperisului, sau suprafata plana, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o orientare sudica. Daca aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe panou pe tot parcursul zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult dimineata si dupa-amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-amiaza si seara.
     In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.

Avantajele folosirii panourilor presurizate separate:

Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;

Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa capteze radiatiile infrarosii care patrund prin nori;

Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -20 grade Celsius;

Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;

Tuburile avariate sunt usor de schimbat;

Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;

Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul inconjurator;

Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.

Capitolul 5

Proiectarea unui sistem de incalzire a apei menajere pentru o locuinta cu panouri solare plate

5.1.Bazele tehnicii solare

Schema generala de proiectare a instalatiei solare

5.2. Date referitoare la energia solara

Influienta directiei si inclinarii colectorilor solari

Unghiul de inclinatie:(a)

Unghiul de lnclinatie a este unghiul dintre orizontala si collector.In cazul acoperisurilor inclinate unghiul este dat de inclinatia acoperisului.Cantitatea cea mai mare de energie poate fi preluata daca planul in care se afla colectorul este perpendicular pe radiatia solara.In practica sau dovedit ca optime pentru zona noastra unghiul de 42 grade.

Unghiul azimutal

Unghiul azimutal descrie abaterea planului in care se afla colectorii de la directia sudica.Aceasta inseamna ca atunci cand planul colectorilor este orientat spre sud unghiul azimutal egal zero grade.Deoarece radiatiile solare sunt mai puternice in timpul pranzului,planul colectorilor trebuie sa fie orientat pe cat se poate spre sud.Se accepta insa si abateri de la directia sudica de pana la 45 grade sud-est respective sud-vest.

Umbra diminueaza aportul de energie.

Campul de colectori trebuie astfel amplasat si dimensionat si orientat ca influienta umbrii cauzate de cladirile vecine,pomi, etc.sa ramana minima.

2. Structura si functiile colectorilor

5.3.Colectori plati Vitosol 050

Componenta principal a colectorului este captatorul din cupru acoperit cu strat protector selectiv.El asigura o captare eficienta a radiatiei solare si pierderi termice reduse.La captator este fixata o teava de cupru in forma de serpentina prin care curge agentul termic.Agentul termic preia caldura de la captator prin teava de cupru.Captatorul este prevazut cu o carcasa foarte bine izolata termic si acest lucru asigura o reducere la minimum a pierderilor de caldura.Izolatia termica este rezistenta la caldura si nu degaja gaze.Colectorul este acoperit cu un geam de sticla solara rezistent la grindina.Carcasa colectorului este compusa dintr-o rama de aluminiu indoita de jur imprejur in care geamul de sticla solara este incadrat etans pe durata lunga.

5.4. Randamentul colectorilor

Consideram un panou solar Vitosol 050 cu urmatoarele dimensiuni :

A. Suprafata bruta 2,18 m2

B. Suprafata de captare 2,0 m2

C. Suprafata de apertura 2,1 m2

– Suprafata bruta reprezinta lungimea ori latimea dimensiunilor exterioare.

– Suprafata de captare reprezinta suprafata acoperita selectiv cu strat.

– Suprafata de aperture este suprafata proiectata cea mai mare prin care poate intra radiatia solara.

Pentru dimensionarea instalatiei se ia in considerare suprafata de captare sau aperture si se utilizeaza valori corespunzatoare ale randamentului. Randamentul unui collector indica ce proprietati din radiatia solara care cade pe suprafata de aperture poate fi transformata in putere termica utila.

O parte din radiatia solara care ajunge la collector se pierde prin reflexive si absortie. Randamentul optic ia in calcul aceste pierderi. La incalzirea colectorilor acestia transmit prin conductive termica, radiatie termica si convective, o parte din caldura ambiantei. Acesti pierderi se iau in consideratie prin factorii de corectie pentru pierderile de caldura k1, k2. Valorile sunt determinate de fabricant dupa urmatorul tabel.

5.5. Indicatii de proiectare si de functionare

– Dimensionarea instalatiei de preparare a apei calde menajere.

– Boiler pentru preparare si collector.

Baza pentru dimensionarea instalatiei solare reprezinta necesarul de apa calda.

Pentru o locuinta cu 3 persoane consumatori de apa calda, cantitatea de apa calda folosita intr- o zi este de 50- 80 litri/ persoana la temperature de 45o C sau 35- 55 litri/ persoana la temperature de 60o C. Pentru 3 persoane necesarul este de 200 litri apa calda/ zi.

Capacitatea boilerului trebuie sa fie de 400 litri. Avem nevoie in acest caz de 2 colectori plati de 2 m2/ buc. Acestia sunt valabile pentru:

Temperature apei calde menajere de tw = 60o C

Orientare Sud- Vest, Sud sau Sud- Est

Inclinari ale acoperisului 42o

5.6. Montare pe acoperis

Montarea pe acoperis se realizeaza cu ajutorul unui system de prindere proiectat pt acest scop. Sistemul de prindere asigura reglarea unghiului de inclinare. Asigura greutatea la incarcarea nominal. Asigura colectorii impotriva alunecarii. Cele doua colectori racordam dupa urmatorul tabel schita:

5.7. Dimensionarea pompei de circulatie

Daca sunt cunoscute debitul si pierderile de presiune din intreaga instalatie se alege pompa pe baza caracteristicilor pompelor. Cele mai indicate sunt pompele cu trepte, care pot fi adaptate prin comutare la instalatie. Pentru buna functionare a sistemului de pompare este nevoie de elemente de siguranta, cum ar fi:

Robinet de inchidere

Termometru

Supapa unisons

Pompa de circulatie

Indicator de debit

Firma Viessmann recomanda pentru functionare in regim High- Flow (debit marit) tipul de pompe PS10 respectiv P10 pana la 40 m2 apertura si PS20 respectiv P20 pana la 70 m2 apertura. Caracteristicile pompelor gasim in tabelul de mai jos:

5.8. Dotarea cu elemente de siguranta

Circuitul colectorului trebuie astfel asigurat ca la cea mai mare temperature ce poate fi inregistrata la collector in stare de repaus sa nu poata sa se scurga agent termic pe la supapa de siguranta. Acest lucru se asigura prin dimensionarea corecta a vasului de expansiune si prin adaptarea presiunii din instalatie. In cazul lungimilor totale ale tevilor mai mici de 10 m se recomanda montajul pe tur a unui vas preliminary si a unui vas de expansiune cu membrane, iar pe retur numai a elementului de siguranta. In regim de stationare care apare la o eventual defectare a sistemului, agentul termic isi schiba proprietatile la temperature peste 170o C si se produc aburi. La proiectarea campuluide colectori trebuie avut in vedere, ca intalatia sa poata evacua aburi fara problem. Pentru protectia vasului de expansiune cu membara se instaleaza un vas preliminar. Determinarea vasului preliminar este:

1,5 x continutul colectorului x numarul colectorilor

In cazul nostru continutul colectorului Vitosol 050 este de 1,4 litri.

1,5 x 1,4 x 2 = 4,20 litri

Vasul preliminar trebuie sa aiba cel putin 4,20 litri.

Vasul de expansiune cu membrane

Structura si functionare:

Un vas de expansiune cu membrana este un vas de expansiune inchis, a carui camera de gaz (umpluta cu azot) este separata de camera de lichid (agent tremic) printr- o membrana si a carei presiune preliminara depinde de inaltimea instalatiei.

In cazul nostru avem doi colectori Vitosol 050.

Datorita formarii de aburi posibile in circuitul solar de conducte, se recomanda a inmulti valoarea obtinuta cu un factor de siguranta de 1,5. Se va alege vasul de expansiune de 25 litri. Supapa de presiune finala fiind de pe = 5,4 bar. Pentru supapa de siguranta se admite +10 %, deci supapa de siguranta este de 6 bar la temperatura de 120o C.

Termostat de siguranta

Automatizarile pentru sisteme solare sunt dotate cu o limitare electronic a valorii temperaturii. Un thermostat de siguranta in boilerul pentru preparae de apa calda menajera este necesar in cazul in care pe m2 de suprafata de captare stau la dispozitie mai putin de 40 litri de capacitate a boilerului. Pentru buna functionare a sistemului solar introducem un termostat electronic cu doua sonde. Una in colectorul solar si cealalta in circuitul agentului termic din boiler. Termostatul masoara temperatura agentului termic in ambele locuri si da comanda pompei pentru pornire sau oprire la o diferenta de 5o C intre cele doua valori ale temperaturii.

5.9. Optimizarea sistemului solar

Se folosesc urmatoarele elemente:

Concluzii

Am ales acest tip de incalzire a apei menajere cu panou solar deoarece:

– Sunt cele mai ieftine dispositive pentru captarea energiei solare termice

– Energia pe care o produce este complet gratuita si ecologica

– Vara acopera 100% necesarul de apa calda menajera, iar primavera si toamna, de la 60 la 80% din necesar

– Este usor de montat si de intretinut

Bibliografie

Hurley, P. – Solar II, Wheelock Mountain Publications, 2007.

Maghiar T., Bondor K. – Surse noi de energie. Editura Universitatii din Oradea, 2001.

Mircea Pantea, Noi surse de energie regenerabile Volumul 1 ISBN: 978-973-759-580-5, ISBN Vol 1. 978-973-759-581-2, 2008

Palz W. and Grief J., Eds. – European Solar Radiation Atlas, 3rd Edition. Solar Radiation on Horizontal and Inclined Surfaces, 1996.

Rigollier C., Bauer O., and Wald L. – On the clear sky model of the ESRA with respect to the heliostat method, Solar Energy, Vol. 68, 2000.

www.google.com

www.wikipedia.org