Analiza și proiectarea unei instalații de cogenerare ce folosește energia solară [304749]

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA“ din Brașov

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ

SPECIALIZAREA

INGINERIE MECANICĂ

––––––––––––––––––––––––––-

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonator științific:

Conf. dr. ing. Liviu Costiuc Absolvent: [anonimizat]: Crețu Bogdan

BRAȘOV

2017

Analiza și proiectarea unei instalații de cogenerare ce folosește energia solară

PROIECT DE DIPLOMĂ

Absolvent: [anonimizat]: [anonimizat]: Conf. dr. ing. Liviu Costiuc

2017

[anonimizat] a început să se confrunte cu probleme legate de modul în care este obținută energia. [anonimizat], [anonimizat]. Având în vedere faptul că la nivelul anului 2015, în jur de 1,2 miliarde de oameni (17 % din populația Pământului) nu aveau acces la electricitate (conform International Energy Agency), iar Organizația Națiunilor Unite are ca țintă accesul universal la electricitate până în 2030, cererea de energie va continua sa crească [1]. Conform raportului “International Energy Outlook 2016” emis de catre „U.S. Energy Information Administration” consumul de energie la nivel global este estimat că va crește cu 48% între 2012 și 2040 [2]. Majoritatea creșterii va veni din țări care nu fac parte din Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (OECD), incluzând țări (în special din Asia) a căror cerere este condusă de o creștere economică puternică. [anonimizat] (Anexa 1). [anonimizat], instabilitatea politică și economică din unele țari mari producătoare de petrol (Iran, Irak, Kuweit, Venezuela, Rusia) și efectele dioxidului de carbon asupra mediului înconjurător fac necesară utilizarea unor surse alternative de energie. O soluție eficientă energetic și nepoluantă o reprezină instalațiile în cogenerare care folosesc energia solară.

Obiectivul cercetării

Obiectivul lucrării constă în analiza și proiectarea unei instalații de cogenerare ce folosește energia solară situată în orașul Constanța și determinarea viabilitații acestui tip de instalație.

[anonimizat] a datelor cercetării

Elaborarea concluziilor și propunerilor pe baza rezultatelor cercetării

1. Fundamentarea teoretică a lucrării

1.1 Cogenerarea

Cogenerarea reprezintă generarea simultană de energie termică și mecanică sau electrică dintr-o singură sursă de combustibil [6]. Energia mecanică este folosită de obicei pentru a produce electricitate cu ajutorul unui alternator sau pentru a [anonimizat]. Energia termică poate fi folosită pentru a [anonimizat], aer cald. [anonimizat] o utilizare mai eficientă a sursei primare de energie.

Într-o centrală electrică convențională energia termică este întâi extrasă din combustibil (ex. cărbune) și folosită pentru a genera abur [14]. Aburul este apoi folosit pentru a învârti o turbină conectată la un generator, astfel convertind energia mecanică a turbinei în energie electrică. Centralele electrice de scară mare transformă în funcție de tipul de centrală și sursa de combustibil între 35 – 64 % din energia combustibilului primar în electricitate. Restul energiei este pierdută sub formă de căldură in mediul înconjurător. Prin cogenerare căldura degajată poate fi recuperată din evacuare sau din sistemul de răcire și folosită pentru a furniza căldură pentru procese industriale sau pentru clădiri rezidențiale. Eficiența totală a unei centrale în cogenerare poate ajunge până la 90% în funcție de combustibil și de tipul instalației. Sistemele în cogenerare pot fi alimentate de o varietate de combustibili, incluzând gaze naturale, cărbune, petrol și combustibili alternativi precum biomasele [5]. În ultimii ani gazele naturale au fost combustibilul predominant pentru sistemele în cogenerare, dar biomasa și “ combustibilii de oportunitate” (deșeurile sau produsele secundare din procesele industriale, agricultură sau activitați comerciale) se așteaptă să crească în proporție datorită temerilor în privința poluării și a securității energiei. Unele tehnologii în cogenerare pot funcționa folosind mai multe tipuri de combustibil, făcând astfel ca sistemul să fie mai puțin vulnerabil la fluctuațiile prețului combustibilului și la disponibilitatea acestuia.

1.2 Istoria cogenerării

Cel mai probabil prima dată când a fost reciclată energia în timpuri moderne, acest lucru a fost făcut de Thomas Edison [4]. În 1882 Pearl Street Station, prima centrală electrică comercială din lume producea energie electrică și termică în timp ce folosea căldura reziduală pentru a încălzi clădirile învecinate. Acest lucru a permis centralei să atingă o eficiență de aproape 50 % .

La începutul secolului XX aburul era principala sursă de putere mecanică. Pe măsură ce electricitatea a devenit mai ușor de folosit, multe dintre centralele care produceau abur au început să producă și să folosească electricitate, adaptându-și sistemele pentru cogenerare. Începând cu anul 1940 până în anul 1970 s-a dezvoltat conceptul de sistem centralizat de electricitate, care deservea zona adiacentă. Marile companii de utilități au devenit rapid surse ieftine și sigure de electricitate, astfel centralele mici au oprit cogenerarea și au început să cumpere electricitatea de la marile companii.

La sfârșitul anilor ’60 și începutul anilor ‘70 interesul pentru cogenerare a început să renască, iar până la sfârșitul anilor 70 a devenit clară nevoia de a conserva resursele energetice. În SUA au fost date legi pentru a încuraja dezvoltarea instalațiilor în cogenerare. În mod specific PUBLIC UTILITIES REGULATORY POLICIES ACT (PURPA) din anul 1978 a încurajat această tehnologie prin permiterea cogeneratorilor să se conecteze la rețeua de utilități pentru a cumpăra și vinde electricitate. PURPA a permis cogeneratorilor ca în perioadele în care producția de electricitate era deficitară, să poată cumpăra electricitate de la companiile de utilități la un preț echitabil. În același timp puteau să vândă electricitatea la acelasi cost pe care compania de utilități l-ar fi plătit pentru a produce acea electricitate. Aceste condiții au încurajat o creștere rapidă a capacității de cogenerare în USA.

1.3 Cogenerarea in Europa

Cogenerarea face parte din politica de energie a Uniunii Europene (UE) prin EUROPEAN UNION’S COGENERATION DIRECTIVE 2004/08/EC [3]. Această directivă intenționează să susțină cogenerarea și să stabilească o metodă pentru a calcula posibilitățile de cogenerare ale fiecărei țari. UE generează 11% din electricitate folosind cogenerarea (cifre Eurostat 2013; publicate in 2015). Există o diferență mare între statele UE în privința cantitații de energie produsă prin cogenerare, aceasta variind între 0-48,8 %. Conform cifrelor oficiale Eurostat din 2011 nu există cogenerare în Malta și foarte puțină in Cipru (0,6 %) și în Franța (2,7 %). Cel mai mare procentaj de electricitate produsă prin cogenerare îl are Slovacia (78,6 %), urmată de Danemarca (48,8 %).

Eforturi de a crește eficiența sunt făcute și de alte state europene. Germania a raportat că în prezent peste 50% din necesarul de electricitate al țării poate fi produs prin cogenerare. Germania și-a propus să iși dubleze cantitatea de electricitate obținută prin cogenerare de la 12,5% la 25% până în anul 2020 și a introdus legislații care susțin acest lucru. Statele noi membre ale UE au un mare potențial de cogenerare în special prin retehnologizarea centralelor termice existente și modernizarea lor pentru a include cogenerare acolo unde înainte era distribuită doar energie termică (căldură). Date despre cogenerarea din Europa se găsesc în Anexele 2-9.[20]

1.4 Clasificarea sistemelor în cogenerare

Sistemele în cogenerare sunt de obicei clasificate în funcție de succesiunea energiei folosite și de procedura de operare folosită [5].

Sistemul este cunoscut sub numele de “topping cycle” atunci când combustibilul este folosit întâi pentru a produce electricitate și apoi este recuperată și folosită căldura pentru a produce energie termică. Acest ciclu este cel mai răspândit în ziua de astăzi și este cel mai popular sistem in cogenerare.

Al doilea sistem cunoscut sub numele de „bottoming cycle” folosește combustibilul primar pentru a produce întăi energie termică la temperatură mare. Căldura emanată (disipată) în acest proces este folosită mai departe pentru a genera electricitate cu ajutorul unui boiler de recuperare și a unui generator cu turbină. În ziua de azi acest ciclu este folosit la scară largă în procesele industriale care necesită căldură la temperaturi mari și de asemenea disipă căldură la temperaturi foarte mari (furnale, cuptoare). Instalațiile care folosesc bottoming cycle sunt mai puțin răspândite și mai puțin folosite decât sistemele topping cycle.

Sisteme în cogenerare de tip topping cycle

Fiecare sistem în cogenerare este adaptat la nevoile individuale ale unei clădiri rezidențiale sau ale unei instalații industriale [5]. Designul sistemului este modificat în funcție de locație, mărime și cerințele energetice ale consumatorului, astfel obținându-se o eficiență cât mai mare a sistemului. Instalațiile mari folosesc în general sisteme personalizate in timp ce instalațiile mai mici pot folosi sisteme gata fabricate. Sistemele în cogenerare sunt clasificate în functie de sursa primara de energie, deși sistemul mai conține și schimbătoare de căldură, turbine, generatoare, recuperatoare de căldură, componente electrice etc. În momentul de față există cinci tipuri de surse primare de căldură disponibile pe piață: turbine cu gaz, turbine cu abur, motoare cu ardere internă, motoare Stirling și celule de combustibil. Turbinele cu gaz și abur sunt cele mai potrivite pentru folosirea în procese industriale datorită faptului că au capacități mari și a abilității de a produce abur cu temperaturi medii spre mari, folosit în mod obișnuit în aceste procese.

Turbina cu gaz

Într-o turbină cu gaz, combustibilul este ars într-o cameră de combustie presurizată folosind aer furnizat de către un compresor [15]. Într-o turbină pe gaz convenționlă, gazul intră la o temperatură ce variază între 900 – 1000°C și iese la o temperatură ce variază între 400 – 500°C. Gazele presurizate și foarte fierbinți sunt folosite pentru a roti palele turbinei impreună cu axul pe care acestea sunt montate, producând astfel energie mecanică. Energia reziduală sub formă de gaze de eșapament fierbinți, poate fi folosită pentru a satisface parțial sau total necesarul termic al instalației. Sistemul de cogenerare folosește un sistem de recuperare a căldurii din gazele de eșapament ale turbinei. Energia mecanică produsă poate fi folosită în urmatoarele feluri :

Pentru a produce electricitate folosind un generator

Pentru a acționa pompe, compresoare, suflante etc.

O turbină pe gaz funcționează în condiții exigente de temperatură și viteză mare. Gazele fierbinți care o alimentează trebuie să fie curate (fără particule care ar putea să erodeze palele) și trebuie să conțină o cantitate minimă de contaminanți care ar putea cauza coroziune in timpul funcționării. Din această cauză sunt folosiți combustibili de calitate premium in special gaz natural. Mai poate fi folosit si petrolul distilat (motorină). Sunt des folosite instații capabile să utilizeze ambii combustibili.

Avantajele folosirii unei turbine pe gaz pentru cogenerare sunt

Timp scurt de pornire

Flexibilitatea operării intermitente

La temperaturi mari se poate recupera mai multă căldură

Alți combustibili precum LPG și naphtha sunt de asemenea folosiți, LPG fiind utilizat sub formă gazoasă sau lichidă.Turbinele pe gaz au în mod obișnuit capacități între 80 Kw și 250 Mw

Fig. 1.1. Sistem în cogenerare cu turbină cu gaz

Turbina cu abur

Turbinele cu abur sunt cele mai folosite surse primare de căldură pentru cogenerare [15]. Într-o turbină cu abur, aburul care intră la presiune mare este expandat, ajungând până la o presiune mai mică. În urma acestui proces energia termică a aburului cu presiune mare este transformată în energie cinetică prin intermediul unor duze (ajutaje) și apoi in energie mecanică prin intermediul unor pale rotative.

Turbina cu contrapresiune

În acest tip de turbină aburul intră în camera turbinei la presiune mare și se expandează ajungând la presiune mică sau medie. Diferența de entalpie este folosită pentru a genera lucru mecanic. Eficiența unui sistem în cogenerare care folosește o turbină cu contrapresiune este cea mai mare. Folosind un boiler eficient randamentul termic al sistemului poate ajunge chiar până la 90 %.

Turbina cu condensație

În acest tip de turbină aburul care intră la o presiune mare/medie este extras la o presiune intermediară din turbină pentru a fi folosit în proces. Aburul rămas, continuă să se expandeze și generează lucrul mecanic până când aburul ajunge la presiunea de condensare (vacuum) în schimbătorul de căldură. Acest tip de turbine au un raport putere – căldură mai mare decât cele cu contrapresiune. Eficiența sistemelor în cogenerare folosind turbina cu condensație este mai mică decât cea a sistemelor care folosesc turbina cu contrapresiune. Cu toate acestea sistemele in cogenerare cu turbină cu condensație au eficiență mai mare in producerea energiei electrice.

Fig. 1.2. Sistem în cogenerare cu turbină cu abur

Turbinele cu abur au în mod obișnuit capacități intre 50 Kw și 250 Mw și funcționează prin arderea combustibilului într-un cazan pentru a încălzi apă și a genera abur la presiune mare care apoi învârte o turbină pentru a produce electricitate [5]. Aburul la presiune mică care iese ulterior din turbină poate fi folosit pentru a furniza energie termică utilă. Aplicațiile ideale a sistemelor în cogenerare cu turbină cu abur, includ instalatii industriale de mărime medie și mare care au sarcini termice mari și unde combustibilii solizi sunt ușor accesibili. Turbinele cu abur pot folosi o varietate de combustibili, incluzând gaz natural, deșeuri solide, cărbune, lemn, deșeuri lemnoase și produse secundare din agricultură.

Într-o instalație în cogenerare ce folosește turbine cu abur, căldura este recuperată într-unul dintre următoarele etape ale procesului [6] :

Din aburul cu presiune medie aflat între etapele turbinei, în detrimentul generării de electricitate.

Din aburul cu presiune mică care iese din etapa finală a turbinei

Din apa caldă (aprox.30°C) recuperată din circuitul de răcire secundar

Motorul cu ardere internă

Motorul cu ardere internă este folosit la instalațiile în cogenerare mici [15]. Acesta pune în mișcare un generator de electricitate iar căldura rezultată este recuperată și folosită la încălzirea apei cu ajutorul unui schimbător de căldură. Cele două surse din care se recuperează căldura sunt gazele de eșapament (temperatură mare) și apa de răcire a motorului (temperatură mică). Acest tip de sistem este folosit cu predilecție în zone și în instalații care consumă o cantitate mică de energie, deoarece recuperarea căldurii este eficientă pentru sisteme mici. De aceea este folosit în instalatii care au o mai mare nevoie de electricitate decăt energie termică. Deși cel mai folosit combustibil este motorina, acest tip de sistem poate funcționa și cu gaz natural sau păcură. Spre deosebire de turbinele cu gaz, motorul cu ardere internă nu este sensibil la variațiile ambientale de temperatură. Eficiența electrică a motoarelor cu ardere internă este în mod obișnuit intre 25 – 40 %, aceasta crescând odată cu mărimea. Pentru fiecare unitate de electricitate sunt produse una-două unitați de căldură, raportul dintre căldură si putere scăzând odată cu mărimea. Capacitatea obișnuită este intre 70 – 1500 Kw, dar poate ajunge si până la 5 Mw.

Motorul Stirling

Este compus dintr-un schimbător de căldură, un cilindru închis, două pistoane și o roată volantă conectată la cele două pistoane [7]. Principiul de funcționare este următorul :

Gazul încălzit se dilată în cilindrul închis și pune în mișcare pistonul cald.

Concomitent cu pistonul cald se mișcă și pistonul rece acesta comprimând gazul rece.

Roata volantă este pusă în mișcare de către cele două pistoane conectate între ele, astfel transformând energia termică în mișcare mecanică.

Energia mecanică este stocată de roata volantă și apoi transferată către generator producând energie electrică.

Geometria legăturii dintre cele două pistoane determină relația de mișcare dintre pistonul cald și cel rece.

Deoarece combustia are loc extern, se poate folosi o mare varietate de combustibili, orice material inflamabil putând fi introdus în camera de combustie pentru a alimenta motorul. Cu toate acestea cele mai folosite tipuri de combustibil sunt benzina, motorina, gazul natural, propanul și biogazul. Un alt avantaj al combustiei externe este faptul că spre deosebire de motoarele cu ardere internă nu este necesară rafinarea combustibilului. Combustia externă permite arderea completă, rezultând o cantitate mai mică de hidrocarburi nearse emise în gazele de eșapament.

În privința sistemelor în cogenerare, motoarele Stirling, datorită dimensiunilor reduse sunt folosite în microcentralele instalate în clădiri rezidențiale. Recuperarea de căldură folosită pentru a încalzi apa, este realizată la pistonul rece prin folosirea unui schimbător de căldură. Puterea generată de microcentralele care utilizează motorul Stirling este mai mică de 3 Kw.

Celule de combustibil

Celulele de combustibil funcționează după următorul concept: reacția de electroliză a apei în hidrogen și oxigen prin aplicarea unui curent electric ( => ) poate fi inversată pentru a produce apă și electricitate ( => ) [7]. O celulă de combustibil este compusă dintr-un anod poros și un catod poros, acești doi electrozi fiind separați de un electrolit. Catodul este alimentat de către un oxidant care asigură necesarul de oxigen, iar anodul este alimentat de un combustibil care asigură necesarul de hidrogen. Electrolitul reprezintă mediul de transfer al ionilor între anod și catod, proces ce permite inversarea reacției de electroliză.

Celulele de combustibil necesită un flux continuu de oxigen și o sursă de hidrogen (un combustibil). Deși hidrogenul poate fi folosit pe post de combustibil, acest lucru nu este convenabil deoarece acesta este greu de obținut, de stocat și de transportat. În general sunt folosiți combustibili fosili precum metan, metanol și alte hidrocarburi, aceștia fiind descompuși chimic (nu arși) pentru a produce hidrogen. Datorită procesului de descompunere a hidrocarburilor, instalațiile cu celule de combustibil produc pe lângă apă, dioxid de carbon și alți poluanți. În comparație cu alte surse de energie, celulele de combustibil sunt relativ nepoluante, silențioase, ușor de întreținut (nu au părți mobile) și prin cogenerare pot atinge o eficiență de până la 80 %. Căldura reziduală produsă de celulele de combustibil poate fi folosită pentru încălzire. Pentru recuperarea acestei călduri, anodul și catodul trebuie să aibă canale ce permit circulația unui lichid de răcire precum apa.

Fig. 1.3. Sistem în cogenerare cu celule de combustibil

Un dezavantaj îl reprezintă necesitatea în multe cazuri a unui catalizator pentru a accelera reacția de electroliză inversată (în special în celulele de combustibil care funcționează la temperaturi scăzute). Acest lucru devine o problemă deoarece în cazul unor tipuri de celule de combustibil, catalizatorul este confecționat din platină, astfel crescându-le prețul.

1.5 Tehnologii de concentrare a energiei solare

Concentrarea energiei solare (CES) este o tehnologie de generare a energiei care folosește oglinzi sau lentile pentru a concentra razele solare pe o suprafața mică. Energia solară este transformată în căldura și folosită pentru a alimenta un motor termic (de exemplu turbină cu abur) conectat la un generator de electricitate. Căldura care în mod normal ar fi pierdută, se poate folosi într-un sistem de cogenerare pentru a produce apă caldă. Centralele CSP pot fi echipate cu un sistem de stocare a căldurii și astfel pot produce electricitate chiar și atunci când cerul este înorat sau după apusul soarelui.

1.6 Istoric al centralelor solare termice cu concentrarea radiației solare directe

În anul 1880 John Ericsson a construit primul colector parabolic solar, folosind-ul la alimentarea unui motor cu aer cald [8]. În 1907 germanii Wilhelm Meier și Adolf Remshardt au înregistrat primul patent pentru folosirea căldurii solare cu scopul de a genera abur folosind colectori solari parabolici. În anul 1913, englezul Frank Shumann și americanul C.V.Boys, au construit în orașul Maadi din Egipt, o stație de pompare cu motor cu abur care folosea ca sursă de energie colectori parabolici solari. Instalația avea o putere de 45 kw și putea pompa 27 000 l de apă pe minut.

Au fost folosiți colectori parabolici solari cu o lungime totală de 62 m, o lațime a aperturii de 4 m și o arie totală a aperturii de 1200 . Deși instalația a fost un succes, aceasta a fost închisă în anul 1915 din cauza primului război mondial și din cauza descoperirii de petrol în Orientul Apropiat, fapt care a dus la căderea prețului combustibilului pentru tehnologiile bazate pe combustie internă.

Fig. 1.4. Prima centrală termică cu colectori parabolici solari – Maadi, Egipt 1913

Sursa – http://www.theworldfolio.com/\

Înteresul pentru această tehnologie a reapărut în anul 1977, când departamentul american de energie și ministerul federal german al cercetării și tehnologiei au început să finanțeze dezvoltarea unor instalații termice ce foloseau colectori parabolici solari. Creșterea prețului combustibilului convențional și criza petrolului din anii ’70, au încurajat guvernele să ia măsuri. Printre rezultatele acestor măsuri se numără următoarele:

Între anii 1977 și 1982 compania Acurex a instalat în S.U.A. sisteme demonstrative cu o arie totală a aperturii de aprox. 10 000 .

Prima centrală solară modernă a fost construită în anul 1979 în Coolidge, Arizona și avea o putere de 150 Kw.

Nouă state membre ale Agenției Internaționale pentru Energie au participat la un proiect de construcție a unor instalații cu scop demonstrativ, situate la Platforma Solar de Almeira din Spania. Instalațiile au intrat în funcțiune în anul 1981 și aveau o putere de 500 kw.

Prima instalație finanțată din fonduri private, avea o suprafață a aperturii de 5580 și a fost pusă în funcțiune în anul 1983 în Arizona. Instalația putea genera temperaturi de peste 260°C și era folosită pentru încalzirea rezervoarelor cu electroliți într-o fabrică de procesare a cuprului.

În anul 1983 Southern California Edison (SCE) a semnat un acord cu Luz International Limited pentru cumpărarea de energie de la primele două centrale electrice solare ce urmau să fie construite în deșertul Mojave din California. Aceste centrale numite Solar Electric Generating System (SEGS) I și II au intrat în funcțiune în anii 1985 și 1986. Până în anul 1990 au fost construite nouă asemenea centrale cu o capacitate totală de 354 Mw, care sunt în funcțiune și în prezent.

Fig. 1.5. Centralele SEGS 3-7

Sursa – http://clui.org/

O altă nouă centrală nu a mai fost pusă în funcțiune decât abia în anul 2007, atunci când s-a inaugurat centrala Nevada Solar One cu o capacitate de 64 Mw .

În Europa, prima centrală comercială a fost Andasol I deschisă în anul 2008 lângă Guadix în Andaluzia, Spania. Au urmat Andasol II (2009) și Andasol III (2011) ridicând capacitatea întregului complex la 150 Mw. Centralele Andasol au fost primele care au folosit un sistem de stocare termală de mare capacitate putând fi stocată caldură pentru 7,5 ore de funcționare la capacitate maximă. În timpul verii centralele pot funcționa aproape 24h / zi. Până în prezent au mai fost construite zeci de centrale în țări precum Maroc, Africa de Sud, Emiratele Arabe Unite etc.

Fig. 1.6. Centralele Andansol 1 și 2

Sursa – http://www.engineeringdaily.net/, Foto – Markel Redondo

Temerile în privința încălzirii globale și dorința de a atinge independența energetică au dus la susținerea politică a acestor proiecte. În momentul de față sunt în construcție mai multe centrale, printre cele mai mari fiind :

Noor II, în Maroc cu o capacitate de 200 Mw.

Xina Solar One, în Africa de Sud cu o capacitate de 100 Mw.

1.7 Clasificarea centralelor CES

Centralele CES pot fi împărțite în două grupe în funcție de modul în care concentrează razele solare: de-a lungul unei linii sau într-un singur punct [9]. Sistemele care concentrează razele solare de-a lungul unei linii, folosesc colectori parabolice și linii Fresnel care urmăresc soarele după o singură axă. Sistemele care concentrează razele solare într-un singur punct, folosesc oglinzi parabolice care urmăresc soarele după două axe.

Instalații cu colectori parabolici solari

Acestea sunt compuse din colectori solari (oglinzi), receptori de căldură și suporți [9]. Oglinzile sunt construite prin modelarea unei table de material reflectorizant intr-o formă parabolică care concentrează razele solare într-un tub absorbant situat pe linia focală a colectorului.

Fig. 1.7. Instalație cu colector parabolic – Sunray Energy, California, SUA

Sursa : http://www.sunwindenergy.com/

Este folosit un mecanism de urmărire a soarelui pe o singură axă, aceste sisteme fiind de obicei aliniate pe direcția N – S și urmăresc soarele pe direcția E – V pentru a maximiza colectarea de energie. Tubul absorbant este constituit dintr-o țeavă de metal acoperită cu un strat care absoarbe bine radiațiile solare (undele scurte) dar emite foarte puțin radiațiile infraroșii (unde lungi). Acest lucru ajută la reducerea pierderilor de căldură. Această țeavă este situată in interiorul unui alt tub din sticlă de borosilicat, între cele două tuburi fiind creat vid pentru a reduce pierderile prin convecție. Un agent termic este circulat prin tubul absorbant, colectând energie solară și transferând-o către generatorul de abur sau către sistemul de stocare a căldurii. Majoritatea colectorilor solari folosesc uleiuri sintetice pe post de agent termic, acestea fiind stabile până la 400°C. Pentru a îmbunătați performanța sistemului de stocare a căldurii se poate folosi sare topită.

Instalații solare de tip Fresner

Aceste instalații sunt similare cu jgheaburile parabolice dar folosesc o serie de oglinzi late sau puțin curbate așezate la unghiuri diferite pentru a concentra lumina solară de o parte și de alta a unui receptor fix situat la câțiva metri deasupra [9].

Fig. 1.8. Instalație Fresnel – Puerto Errado, Spania, Sursa : http://helioscsp.com/

Fiecare șir de oglinzi este echipat cu un sistem de urmărire a soarelui după o singură axă și este optimizat individual pentru a se asigura că lumina solară este tot timpul concentrată pe receptor. Receptorul este similar cu cel folosit la jgheaburile parabolice. Spre deosebire de jgheaburile parabolice linia focală a colectoarelor de tip Fresner este distorsiontă de astigmatism. Acest lucru necesită o oglindă situată deasupra tubului absorbant ce are ca scop reflectarea razelor care trec pe lângă tub. O altă soluție este folosirea unui sistem multitub a cărui lațime să permită captarea majoritații luminii fără a mai fi nevoie de un reflector secundar.

Acest sistem prezintă o serie de avantaje față de jgheaburile parabolice:

Se pot folosi oglinzi plate și ieftine din sticlă

Deoarece structura de susținere este mai ușoară se folosește mai puțin oțel și beton iar procesul de asamblare este mai ușor.

Solicitarea datorită vântului este mai scăzută rezultând o stabilitate structurală mai bună.

Aceste avantaje trebuie puse în balanță cu faptul că eficiența optică a câmpurilor solare Fresnel este mai scăzută decât cea a câmpurilor solare cu jgheaburi parabolice. Acest lucru se datorează proprietaților geometrice ale sistemelor Fresnel, respectiv a pierderilor de radiație solară din cauza umbririlor reciproce a oglinzilor.

Instalații cu turn solar

Aceste instalații folosesc un câmp de oglinzi aflat la nivelul solului, pentru a concentra radiațiile solare într-un receptor aflat in vârful unui turn central unde lumina este captată și transformată în căldură [9]. Căldura pune în mișcare un ciclu termodinamic, în mod obișnuit un ciclu apă-abur, pentru a genera electricitate. Câmpul solar este alcătuit dintr-un număr mare de oglinzi controlate de calculator care urmăresc soarele individual pe două axe. Aceste oglinzi reflectă lumina soarelui într-un receptor acolo unde agentul termic este încălzit. Turnurile solare pot ajunge la temperaturi mai mari decât jgheaburile parabolice și sistemele liniare Fresnel, deoarece o mai mare cantitate de lumină pote fi concentrată într-un singur receptor, astfel se pot minimiza pierderile de căldură în acel punct.

Fig. 1.9. Instalație cu Turn solar – Ivanpah, SUA

Sursa : http://www.businesswire.com/

Turnurile solare actuale folosesc abur, aer sau sare topită pentru a transporta căldura către schimbătorul de căldură/turbina cu aburi. În funcție de designul receptorului și de tipul de agent termic, temperaturile de lucru pot varia între 250°C și peste 1000°C. Uleiuri sintetice, sau sare topită pot fi folosite ca agent termic și ca mediu de stocare al energiei termice. Temperatura de lucru în cazul uleiurilor sintetice este limitată la aprox. 390°C. Folosind sare topită temperatura de lucru poate crește până la 550-650°C.

Cea mai mare instalație cu turn solar se află în deșertul Mojave în SUA. Aceasta are o capacitate instalată de 392 Mw și o producție anuală de 650 Gwh.

Instalații cu oglinzi parabolice

Acest sistem este compus dintr-un concentrator în formă de oglindă parabolică, care reflectă radiatia solară directă într-un receptor aflat in punctul focal [9].

Fig. 1.10. Instalație cu oglinda parabolică și motor Stirling

Sursa : http://www.solar-thermal.com/

Receptorul poate fi un motor Stirling sau o microturbină. Sistemele cu motor Stirling necesită urmărirea soarelui pe două axe, dar cantitatea mare de energie concentrată într-un singur punct poate duce la obținerea de temperaturi mari. Oglinzile pot avea un diametru cuprins între 3 și 25 m, rezultând o putere ce variază între 5 și 50 kw.

Motorul Stirling este un motor termic care funcționează prin compresia și expansiunea ciclică a aerului sau a altui gaz la diferite temperaturi astfel transformând energia termică în lucru mecanic, putând acționa un generator electric.

Pricipalele avantaje ale acestei tehnologii:

Plasarea generatorului în receptor ajută la reducerea pierderilor de căldură.

Folosirea răcirii uscate nu necesită sisteme mari de răcire premițând funcționarea în zone aride.

Având o amprentă mică la sol pot fi amplasate pe teren denivelat sau în pante.

1.8 Centrala electrică cu colectori parabolici solari

Într-o centrală electrică cu colectori parabolici solari, fluxul de energie parcurge urmatoarele etape [8] :

Radiația solară directă este concentrată și convertită în energie termică

Energia termică este convertită în energie de presiune a vaporilor care la rândul ei este transformată în energie cinetică.

În final energia cinetică este transformată în produsul final al centralei și anume energie electrică.

Aceste etape ale conversiei de energie sunt realizate în următoarele componente:

Colectorul parabolic solar concentrează radiația solară

Receptorul transformă energia radiației în energie termică

Fluidul de transfer termic și sistemul de stocare transportă energia termică

Generatorul de abur convertește energia termică în energie de presiune prin evaporarea lichidului de lucru

Sistemul de răcire completează ciclul lichid – gazos

Turbina cu abur transformă energia de presiune din abur în energie mecanică

Generatorul electric transformă energia mecanică în energie electrică

1.9 Colectorul parabolic solar

Componenta caracteristică acestui tip de centrală o constituie colectorul parabolic solar. Componentele și caracteristicile acestuia sunt detaliate în continuare.

Geometria colectorului parabolic solar

Colectorul parabolic solar, este un jgheab a cărui secțiune tansversală este de forma unei părți dintr-o parabolă [8]. Colectorul parabolic solar are o linie focală, ce este constituită din punctele focale ale secțiunii transversale a parabolei. Radiația care cade pe un plan paralel cu planul optic este reflectată în așa fel încât trece prin linia focală.

Pentru a putea descrie din punct de vedere geometric un jgheab parabolic, trebuie determinată parabola, secțiunea parabolei care este acoperită de oglinzi și lungimea jgheabului. Pentru a caracteriza forma și mărimea unui jgheab parabolic sunt folosiți următorii patru parametri:

lungimea jgheabului

lungimea focală (distanța dintre receptor și vîrful parabolei)

lățimea aperturii (distanța dintre cele două margini)

unghiul marginii (unghiul dintre axa optică și linia dintre punctul focal și marginea oglinzii).

Fig. 1.11. Traiectoria razelor paralele până în punctul focal F

Unghiul marginii reprezintă un aspect foarte important din punct de vedere constructiv, având efect asupra radiației totale pe metru de tub absorbator [w/m] și a procentului de concentrație. Din punct de vedere calitativ există un unghi ideal al marginii ce trebuie sa fie nici prea mare nici prea mic. Ținând cont de acest lucru trebuie să avem în vedere următoarele:

Dacă unghiul marginii este foarte mic, atunci oglinda este foarte îngustă și astfel este redusă cantitatea de radiații colectată.

Dacă unghiul marginii este foarte mare, atunci radiațiile reflectate din părțile exterioare ale oglinzii, parcurg un drum lung, difuzia lor fiind mare. Acest lucru face ca părțile exterioare să aibă o contribuție scăzută la totalul energiei în raport cu aria oglinzii.

Luând în considerare aceste criterii, s-a ajuns la cocluzia că unghiul marginii trebuie să fie în jur de 80°.

Fig. 1.12. Parametri geometrici ai colectorului parabolic

Lățimea aperturii la majoritatea jgheaburilor curente este de aproximativ 6 m. Lungimea focală este (conform cu unghiul marginii și lațimea aperturii) aprox. 1,75 m. iar lungimea modulului este intre 12 – 14 m.

Raportul concentrației este unul dintre parametrii de bază ai colectorului solar parabolic, fiind critic în determinarea temperaturilor de lucru. Raportul concentrației este definit ca fiind raportul dintre densitatea fluxului de radiație în linia focală și radiația directă în apertura colectorului.

Fig. 1.13. Colector parabolic solar

Materialul oglinzilor

Principala caracteristică a materialului din care este confecțonată oglinda este să aibă reflectivitate mare [8]. Reflectivitatea unei suprafețe reprezintă procentul de radiație incidentă care este reflectată de către suprafață. Deoarece reflectivitatea diferă în funcție de lungimea de undă, trebuie specificată gama lungimii de undă care este luată în calcul. În cazul colectorilor solari, este luat în calcul spectrul solar. În general este specificat gradul de reflexie ponderat, care ia în considerare faptul că există diferite cantități de energie pentru diferite lungimi de undă ale spectrului solar. Astfel, gradul de reflexie ponderat indică fracțiunea de energie solară care este reflectată de oglindă. Reflexia poate fi împărțită în reflexie speculară și reflexie difuză. Reflexia speculară înseamnă că lumina care vine dintr-o singură direcție este reflectată tot intr-o singură direcție. Conform legilor reflexiei, direcția luminii de intrare și direcția luminii de ieșire, fac același unghi cu normala la suprafața oglinzii. În cazul reflexiei difuze, lumina este reflectată în mai multe direcții. În aplicațiile solare doar reflectivitatea speculară este de interes deoarece radiația reflectată trebuia să aibă o direcție bine definită. Astfel criteriul decisiv al calității pentru a obține o oglindă eficientă, este gradul de reflexie speculară ponderată

Structura de susținere

În mod obișnuit structura de susținere a unui colector solar este compusă din [8]:

corp principal construit dintr-o structură tubulară (oțel sau aluminiu)

suport pentru oglinzi

suport pentru receptor

structură pentru montarea pe piloni

piloni și fundație

Fig. 1.14. Structură de susținere – Sursa : www.SkyFuel.com

Structura de susținere a unui colector solar, are funcția de a asigura stabilitatea jgheaburilor și de a permite urmărirea cât mai exactă a soarelui. Pentru a se conforma acestor necesități, structura trebuie să îndeplinească unele cerințe constructive. Rigiditatea trebuie să fie mare, deoarece orice deviație de la forma ideală a parabolei duce la pierderi din punct de vedere al eficienței optice a sistemului. O rigiditate mare permite o lungime mai mare a colectorului, astfel reducându-se numărul de piloni și implicit costurile. Este important ca jgheaburile parabolice să nu se deformeze nici sub acțiunea propriei greutăți și nici sub acțiunea vântului. Deoarece aria aperturii reprezintă o suprafață mare care este expusă la vânt, tensiunile provocate de acesta sunt considerabile. Rigiditatea trebuie combinată cu o construcție cât mai ușoară, acest lucru permițând folosirea unei fundații mai mici și a unui mecanism de urmărire a soarelui cu o putere mai scăzută. De asemenea, o construcție mai ușoară este mai puțin predispusă la deformații cauzate de propria greutate și necesită mai puțină energie electrică pentru sistemul de urmărire a soarelui. Acestă reducere de energie este semnificativă, deoarece cei mai importanți consumatori într-o centrală cu colectori parabolici sunt sistemul de urmărire al soarelui și sistemul de pompare a agentului termic. Trebuie luat în considerare faptul că, instalatia solară este cea mai scumpă parte a întregii centrale și astfel o reducere a costului are un efect major asupra prețului final al centralei.

Sistemul de urmărire a soarelui

Pentru a atinge o concentrare continuă a radiațiilor solare, colectorii parabolici trebuie să urmărească soarele [8]. Aceste instalații folosesc sisteme de urmărire a soarelui pe o singură axă. Deși urmărirea soarelui este posibilă indiferent de orientarea colectorului, este preferată alinierea nord-sud cu urmărirea soarelui pe direcția est-vest. Orientarea est-vest cu urmărirea soarelui pe direcția nord-sud a fost folosită doar în scopuri experimentale. În funcție de latitudinea unde este instalată centrala electrică, energia produsă diferă în funcție de orientare.

Orientarea est-vest are următorele avantaje și dezavantaje :

Performanța colectorului solar dealungul zilei este destul de inegală. Din cauza unghiurilor mari de incidență performanța este redusă considerabil în orele de după răsărit și înainte de apus. La amiază întreaga apertură este cu fața la soare, unghiul de incidență fiind zero. Acest lucru înseamnă că vârful de putere termică al colectorului solar la o radiație dată, este atins întotdeauna, dacă are o orientare est-vest (acest lucru nu se întâmplă neapărat dacă orientarea este nord-sud).

Diferențele de randament energetic între vară și iarnă sunt mai mici decât atunci când este folosită orientarea nord-sud. Spre deosebire de orientarea nord-sud, unghiurile de incidență nu sunt mai mari iarna dacât vara.

Mișcările de urmărire a soarelui sunt destul de mici.

Randamentul energetic anual este mai mic decât în cazul orientarii nord-sud.

Orientarea nord- sud are următorele avantaje și dezavantaje :

Performanța colectorului solar dealungul zilei este la un nivel destul de constant.

Diferențele între randamentul energetic sezonal sunt mai mari decât în cazul orientarii est-vest din cauza diferenței unghiului de incidență între vară și iarnă.

Randamentul energetic anual este mai mare decât în cazul orientarii est-vest.

Fig. 1.15. Sistem de urmărire a soarelui pe o singură axă

Mișcarea colectorului solar este realizată de către un sistem de antrenare a mișcării. Sistemul trebuie să fie îndeajuns de puternic pentru a mișca ansamblul colector și pentru a-l menține în poziția ideală chiar dacă bate vântul. Din punct de vedere mecanic, sistemul poate fi realizat folosind o unitate motor-cutie de viteze sau un sistem electro-hidraulic. Condițiile mediului înconjurător, ca de exemplu viteza vântului, sunt montorizate de către o unitate de control. Dacă apar condiții periculoase de operare, atunci colectorul este mutat în poziția de siguranță. În timpul nopții colectorul este de asemenea așezat în poziția de siguranță, aceasta fiind aproape verticală cu o mică înclinație a oglinzilor către bază.

Fig. 1.16. Unitate de antrenare a mișcării – Sursa : www.SkyFuel.com

Fig. 1.17. Unitate de control – Sursa : www.SkyFuel.com

Receptorul

Receptoarele folosite în instalațiile cu colectori parabolici solari, au rolul de a converti radiația care este reflectată în ele în căldură și să transporte acea căldură în conducte care o duc mai departe în instalație [8]. Cele mai importante caracteristici ale unui receptor, sunt o bună absorbție a radiațiilor și pierderi mici de căldură. O problemă constructivă o reprezintă dilatarea termică a tubului receptor datorită variațiilor mari de temperatură între perioadele de operare și de repaus. Acest lucru face necesară îndeplinirea unor cerințe fizice și geometrice. Deoarece radiația reflectată trebuie să atingă suprafața absorbatorului, acest lucru implică unele constrângeri geometrice.

Fig. 1.18. Tubul receptor – Sursa http://www.schott.com

Radiația trebuie să fie transformată într-un procent cât mai mare în căldură iar pierderile termice și optice localizate în componentele receptorului trebuie să fie cât mai mici. Pentru a îndeplini aceste cerințe se folosește un înveliș special și izolație termică. Temperatura maximă de lucru este de 400°C pentru receptoarele care folosesc ulei sintetic și 580°C pentru cele care folosesc sare topită.

Fig. 1.19. Tubul receptor-secțiune transversală

Componentele tubului receptor

Tubul absorbant

Pentru a îndeplini caracteristicile necesare unei funcționări cât mai eficiente, gradul de absorbție al tubului absorbator trebuie să fie mare în spectrul luminii vizibile, în timp ce emisivitatea trebuie să fie scăzută în spectru luminii infraroșii [8]. Pentru diferite game ale spectrului, absorbanța și emisivitatea pot fi (și în mod normal sunt) diferite. În ceea ce privește tubul absorbator, absorbanța pentru spectrul luminii vizibile trebuie să fie mai mare sau egală cu 250 nm și mai mică sau egală cu 2500 nm; emisivitatea pentru spectrul infraroșu trebuie să fie mai mare sau egală cu 3000 nm și mai mică sau egală cu 50000 nm. Pentru ca acest lucru să fie posibil au fost dezvoltate învelișuri speciale. Acestea sunt făcute din cermet, care este un material realizat din nanoparticule metalice care sunt încorporate într-o matrice ceramică. Învelișul tubului absorbant este compus din trei straturi diferite

Stratul reflector, este făcut dintr-un metal cu reflectivitate foarte mare în spectrul infraroșu (cupru, aluminiu sau molibden)

Stratul de cermet (care la rândul său are două straturi unul cu conținut mare de metal și unul cu conținut mic).

Stratul ceramic antireflector, este constituit din oxizi precum și Si

Fig. 1.20. Straturile tubului absorbant

Tubul absorbator trebuie să aibă un diametru suficient de mare pentru a avea un factor de interceptare crescut. Factorul de interceptare este raportul dintre radiația totală reflectată și radiația reflectată care lovește suprafața absorbatorului. Trebuie ținut cont de faptul că o dată cu creșterea în diametru, crește și aria absorbatorului, astfel, pierderile termice sunt mai mari decât în cazul unui absorbator cu diametrul mai mic.

Tubul de sticlă

Pentru a avea pierderi conductive și convective cât mai mici, tubul absorbator este protejat de un tub de sticlă ce împiedică circulația aerului în jurul acestuia. Pentru ca pierderile să fie și mai reduse tubul de sticlă este vidat. Tuburile sunt realizate din sticlă borosilicată și au un indice de transparență pentru radiația solară de 0,96. Sticla borosilicată are un indice de

transparență scăzut pentru spectrul infraroșu, acest lucru având o contribuție mică la izolare deoarece o parte din radiația termică emisă de tubul absorbator este menținută în sistem.

Fig. 1.21. Fluxul de energie la nivelul tubului receptor

Alte componente ale receptorului

Schimbările de temperatură ale tubului absorbator, necesită ca acesta să fie conectat într-un mod flexibil cu tubul de sticlă. Acest lucru este realizat prin folosirea unor burdufuri montate la capetele receptorului. Variațiile de temperatură ale tubului de sticlă și ale componentelor metalice situate la capetele receptorului duc la apariția unei probleme constructive: coeficienții de dilatare termică trebuie să coincidă pentru a reduce tensiunile. Acest lucru este necesar în special pentru obținerea unei durabilități cât mai mare a vidului din tubul de sticlă.

Fluidul de transfer termic

Fluidul de transfer termic are rolul de a acumula energie termică și de a o transfera în fluidul de lucru al ciclului Rankine [8]. Fluidul de transfer termic trebuie să îndeplinească anumite cerințe :

Temperatură de evaporare trebuie să fie destul de mare încât să nu se evapore la temperaturile mari atinse în colectorul solar.

Să aibă o temperatură scăzută de îngheț pentru a nu fi nevoie de măsuri de protecție împotriva înghețului atunci când temperatura mediului ambiant scade foarte mult.

Să aibă un coeficient mare al căldurii specifice pentru stocarea și transportul unor cantități mari de energie termică.

Să aibă conductivitate termică mare pentru un transfer rapid de căldură.

Vâscozitate scăzută pentru a reduce energia necesară pompării.

Impact redus asupra mediului.

Inflamabilitate și explozivitate redusă.

Stabilitatea termică trebuie să fie suficient de mare pentru a rezista temperaturilor mari de lucru.

Cost scăzut și disponibilitate mare

Unele criterii sunt mai importante decât altele. Temperatura de evaporare și stabilitatea termică sunt criterii foarte importante, deoarece determină temperatura maximă de funcționare a ciclului de abur. Pe de altă parte, o inflamabilitate scăzută nu este întotdeauna un criteriu decisiv. Importanța diferitelor criterii depinde deasemenea de configurația instalației. De exemplu, dacă instalația are în componență și sisteme de stocare termică, atunci utilizarea lichidului de transfer termic ca mediu de stocare, poate fi un avantaj deoarece se elimină o etapă de transfer termic între lichidul de transfer termic și mediul de stocare. În această situație pentru că sunt necesare cantitați mari de lichid de transfer termic, criteriul economic poate fi mai important decât în alte cazuri.

Aproape toate instalațiile cu colectori solari folosesc ulei sintetic pe post de fluid de transfer termic.

1.10 Ciclul Rankine

Ciclul Rankine este un ciclu termodinamic ideal al unui motor termic care convertește căldura în lucru mecanic trecând printr-o schimbare de fază [10]. Ciclul este numit după William John Macquorn Rankine, un scoțian profesor la Universitatea din Glasgow.

Fluidul de lucru într-un ciclu Rankine urmează un circuit închis și este refolosit constant. Deși pot fi folosite și alte substanțe pe post de fluide de lucru, apa este de obicei cel mai folosit fluid datorită proprietăților sale precum cost scăzut, netoxicitate și abundență.

Fig. 1.22. Ciclul Rankine simplu

Un ciclu Rankine simplu are patru procese :

Procesul 1-2: Fluidul de lucru este adus de la presiune mică la presiune mare cu ajutorul unei pompe. Datorită stării lichide a fluidului pompa necesită puțină energie.

Procesul 2-3: Fluidul cu presiune mare intră în boiler unde este încălzit la presiune constantă până când ajunge în starea de vapori saturați uscați.

Procesul 3-4: Vaporii saturați uscați se dilată în turbină generând lucru mecanic. Acest proces scade presiunea și temperatura vaporilor ducând la apariția condensației.

Procesul 4-1: Vaporii umezi intră în condensator unde sunt condensați la presiune constantă până la starea de lichid saturat.

Într-un ciclu Rankine ideal pompa și turbina sunt considerate izentropice, adică nu produc entropie și astfel maximizează lucrul produs. Într-un ciclu real, pompa și turbina nu sunt izentropice adică procesele sunt nereversibile, entropia crescând pe parcursul lor. Acest lucru crește puterea necesară pentru pompă și scade puterea generată de turbină. Ciclul real diferă de cel ideal din cauza proceselor ireversibile din componente, cauzate de către fricțiunea fluidului și pierderile de căldură în mediul înconjurător. Datorită fricțiunii fluidului se produc scăderi de presiune în boiler, condensator și în țevile ce leagă componentele, acest lucru ducând la o presiune mai mică a aburului la ieșirea din boiler. Pierderile de căldură reduc lucrul produs, astfel fiind necesar adăugarea de căldură în abur pentru a menține un nivel constant al lucrului produs. Formarea picăturilor de apă are efect negativ asupra eficienței turbinei. În timp ce aburul se dilată el se răcește și se condensează formând astfel picături de apă care lovesc cu viteză mare palele turbinei cauzând eroziunea acestora, scăderea duratei de viață și scăderea eficienței. Această problemă poate fi evitată prin supraîncălzirea aburului.

Ciclul Rankine cu reîncăzire

Scopul acestui ciclu este de a elimina umezeala din abur în stadiul final al procesului de dilatare[10]. În acest scop se folosesc două turbine ce lucrează în serie. Prima turbină primește vapori cu presiune mare de la boiler. După ce vaporii au trecut prin prima turbină aceștia reintră în boiler și sunt reîncălziți înainte de a trece prin a doua turbină cu presiune mai mică. Temperaturile de încălzire sunt foarte apropiate sau egale cu cele de la intrarea în turbină, iar presiunea optimă necesară pentru reîncălzire este doar o pătrime din presiunea necesară la prima încălzire.

Fig. 1.23. Ciclul Rankine cu reîncăzire

Ciclul Rankine cu regenerare

În acest ciclu, aburul de la ieșirea din turbină este folosit pentru a preîncălzi fluidul de lucru. Acest lucru are loc într-un schimbător de căldură numit regenerator. Dacă aburul este amestecat cu fluidul de lucru atunci sistemul este deschis, iar dacă aburul nu este amestecat cu fluidul de lucru atunci sistemul este închis

Fig. 1.24. Ciclul Rankine cu reîncălzire și regenerare

Ciclul Rankine organic

Acest ciclu folosește în loc de apă un fluid organic precum toluen, izobutan, izopropan și altele. Deoarece fluidele organice au temperaturi de fierbere mai scăzute decât apa se pot folosi surse de căldură cu temperaturi mai scăzute (80-350°C). Într-o instalație cu abur convențională ciclul apă – abur este adecvat pentru temperaturi de peste 350°C la intrarea în turbină [7]. La temperaturi mai scăzute eficiența scade semnificativ și crește pericolul de eroziune a palelor turbinei datorită condensării picăturilor de apă. Această problemă este evitată într-un ciclu organic deoarece după expansiune aburul este mai uscat.

1.11 Radiația solară

Radiația solară reprezintă energia primită de la soare pe unitatea de arie, sub forma de radiație electromagnetică [12]. Radiația se măsoară de obicei la limita superioară a atmosferei sau la suprafața pamântului (pe o suprafață perpendiculară la razele soarelui) după ce intensitatea acesteia a fost redusă de atmosferă. Radiația măsurată la limita superioară a atmosferei are o valoare aproape constantă fiind numită constantă solară [11]. Valoarea acesteia depinde de trei parametri: temperatura soarelui (a fotosferei), dimensiunea soarelui și distanța dintre Soare și Pământ. Constanta solară are o valoare medie anuală general acceptată și măsurată cu ajutorul sateliților de 1350 . Deoarece orbita Pământului în jurul soarelui descrie o elipsă, radiația solară la limita superioară a atmosferei variază cu față de valoarea constantei solare. Radiația măsurată la nivelul pământului este mai mică decât cea de la limita de sus a atmosferei din cauza interacțiunii cu atmosfera terestră. Există două categorii de procese prin care intensitatea radiației solare este diminuată : absorbția și difuzia.

Prin procesul de absorbție unele componente ale atmosferei rețin o parte din radiație. Ozonul din partea superioară a atmosferei absoarbe aproape complet radiațiile cu lungimi de undă sub 290 nm. Vaporii de apă absorb partea infraroșie a spectrului solar cu lungimi de undă de 1, 1,4 și 1,8 µm. Oxigenul și azotul absorb radiații cu o gamă largă a lungimilor de undă.

Difuzia este un proces prin care radiația este deviată de la traiectoria sa dreaptă de către anumite obstacole (molecule, particule de praf, etc). Există două tipuri de radiație difuză și anume difuzia Rayleigh și difuzia Mie. Tipul de difuzie care are loc depinde în principal de dimensiunea obstacolelor întâlnite. Pe lîngă cele două procese de atenuare a intensității radiației solare mai are loc și procesul de reflexie. Prin acest proces o parte din radiația solară este reflectată de suprafața terestră și de unele componente ale atmosferei (molecule de aer și nori).

Instalațiile care au ca sursă de energie puterea solară concentrată pot folosi doar radiația directă (care vine dela soare în linie dreaptă).Radiația nondirecțională nu poate fi concentrată și în consecință nu poate fi folosită în astfel de sisteme.

Fig. 1.25. Harta distribuției radiației normale directe în România

2. Proiectarea instalației

2.1 Locația instalației

După studierea condițiilor meteorologice din cele mai importante orașe din România, a fost selectat orașul Constanța ca locație pentru analiza instalației. Cu un număr de 2357 de ore cu soare pe an și cu o medie zilnica în luna Iulie a radiației normale directe de 577 Constanța este printre cele mai potrivite locații pentru instalațiile solare. Datele meteorologice se găsesc în Anexa 10 [17] și Anexa 13 [16].

2.2 Componentele instalației

Instalația este formată din următoarele componente

Colector parabolic solar

Fluid de transfer termic

Fluid de lucru

Regenerator

Schimbător de căldură

Două turbine

Condensator

Două pompe

2.3 Descrierea instalației

Ținând cont de caracteristicile colectoarelor parabolice solare și ale fluidelor de transfer termic enumerate în Capitolul 1, s-a ales colectorul parabolic solar SkyTrough și fluidului de transfer termic Dynalene HT. Proprietățile lor se gasesc în Anexa 11 [21] și Anexa 12 [26]. Având în vedere temperaturile ridicate ale fluidului de transfer termic s-a ales Ciclohexan (diagrama T-s se găsește în Anexa 18 [23]) ca fluid de lucru. Instalația funcționează cu un ciclul Rankine cu reîncălzire și regenerare.

Fig. 2.1. Schema instalației

Agentul termic (Dynalene HT) iese din schimbătorul de căldură și intră în colectorul solar. După ce temperatura acestuia ajunge la valoarea dorită, iese din câmpul solar și intră în schimbătorul de căldură. Aici are loc transferul de căldură către fluidul de lucru iar temperatura uleiului este redusă. Acest ulei rece se întoarce în colectorul solar și astfel ciclul se închide.

A doua parte a sistemului (ciclul Rankine cu reîncălzire și regenerare) este compusă din schimbător de căldură, două turbine, regenerator, condensator și pompă. Ciclul începe în punctul 6 unde fluidul de lucru (Ciclohexan) saturat iese din condensator cu presiune mică și intră în pompă unde este adus la presiune mare. Următoarea etapă a sistemului o reprezintă preîncălzirea fluidului de lucru în regenerator. Fluidul preîncălzit, intră în schimbătorul de căldură unde preia energie termică și iese sub formă de vapori saturați. Vapori saturați intră în turbina 1 unde se destind producând lucru mecanic. După ieșirea din turbina 1 vapori intră în schimbător unde sunt reîncălziți și folosiți pentru a produce lucru mecanic în turbina 2. În etapa următoare vaporii ies din turbina 2 și intră in regenerator unde sunt folosiți pentru a preîncălzi fluidul de lucru. În continuare, vaporii saturați intră în condensator unde căldura reziduală este folosită pentru a încalzi apă. Fluidul de lucru iese din condensator în stare de lichid saturat și ciclul se repetă.

2.4 Pierderile de căldură ale receptorului

Pierderile de căldură ale receptorului se măsoară în lungime de tub absorbant depind de temperatura mediului ambiant, de viteza vântului și de diametrul tubului absorbant. În cazul recptorului folosit în colectorul parabolic solar SkyTrough, The National Renewable Energy Laboratory (NREL) a efectuat o serie de teste independente pentru a determina eficiența optică și pierderile de caldură în diferite condiții de vânt și temperatură [22]. Aceste teste au fost făcute pe un colector parabolic solar cu o apertură de 6 metri și cu o temperatură a fluidului de transfer termic de 350. Creșterea temperaturii mediului ambiant de la 25 la 40 a dus la o scădere a pierderii de căldură cu doar 1%, iar scăderea temperaturii mediului ambiant la 25 0 a dus la o creștere a pierderii de căldură cu doar 2%. Deoarece pierderile de energie variază atât de puțin între 0 la 40, eficiența termică a colectorului se modifică doar cu 0,2%.

Fig. 2.2. Pierderile de căldură și eficiența termică în funcție de temperatura ambientală

În cazul efectului vitezei vântului, o creștere a vitezei de la 0 la 10 m/s a dus la o creștere a pierderii de căldură cu 4% și o scădere a eficienței termice cu 0,4%. Ținând cont de aceste rezultate s-a adoptat o pierdere de căldură de 180 de W/m de tub receptor. Eficiența optică a colectorului a fost măsurată, stabilindu-se o valoare de 77,3% în cazul radiației normale directe.

Fig. 2.3. Pierderile de căldură și eficiența termică în funcție de viteza vântului

2.5 Ipoteze

Pentru analiza instalației s-au făcut următoarele ipoteze

Temperatura de condensare este cu 20 mai mica decât temperatura de fierbere a apei de pe circuitul de incalzire la presiunea atmosferică

Temperatura vaporilor la ieșirea din schimbătorul de căldură este impusă

Temperatura de la intrare a fluidului de transfer termic în colectorul solar este de , iar la ieșire este de 350

Debitul masic este constant po tot parcursul ciclului

Presiunea vaporilor la ieșirea din turbina 1 este impusă

Procesele din pompă și turbină sunt izentrope și reversibile

Temperatura apei reci la intrarea în condensator este de 15 și debitul masic estr 0,133 kg/s

Eficiența optică a colectorului este de 77,3%

Pierderile de căldură ale receptorului sunt de 180 de W/m de tub receptor.

2.6 Etapele analizei

Etapele analizei sunt următoarele

Analiza instalației în condiții medii de temperatură ambiantă și radiație normală directă pentru o zi din luna Iulie.

Determinarea variației puterii nete, eficienței termice, COP, temperatura apei calde, fluxul de căldură pentru regenerare și fluxul de căldură pentru reîncălzire, în funcție de presiunea intermediară (la ieșirea din turbina 1), în condiții medii de radiație normală directă ale unei zilei din luna Iulie.

Deteterminarea variației fluxului de căldură primit de schimbătorul de caldura de la colectorul solar pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie.

Deteterminarea variației puterii nete pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie în funcție de căldura primită de schimbătorul de caldură de la colectorul solar.

3. Calculul instalației

3.1 Simboluri utilizate

Pentru efectuarea calculelor s-a folosit programul Equation Engineering Solver [23].

3.2 Calculul colectorului parabolic solar

Se cunosc:

Aria colectorului solar:

Radiația normală directă:

Eficienta optica a colectorului:

Temperatura agentului termic la intrare in receptor

Temperatura agentului termic la ieșire din receptor:

Caldura specifică a agentului termic:

Lungimea receptorului:

Pierderile de căldură pe metru de tub receptor:

Cantitatea disponibilă de energie ajunsă pe suprafața colectorului solar se calculează în funcție de aria colectorului și de cantitatea disponibilă de radiație normală directă pe :

Pierderile de căldură totale ale tubului receptor se calculează în funcție de pierderile de căldură pe metru de tub și lungimea tubului, folosind relația:

Cantitatea de energie absorbită de tubul receptor, se calculează în funcție de fluxul de căldură din receptor, eficiența optică a colectorului și pierderile totale ale receptorului, cu următoarea formulă:

Fluxul de căldură în schimbătorul de căldură se calculează în funcție de fluxul de căldura din receptor și considerându-se o pierdere de căldură de 10% între colectorul solar și schimbătorul de căldură:

Debitul masic al agentului termic se calculează în funcție de fluxul de căldura din receptor, căldura specifică a agentului termic și diferența de temperatură dintre temperatura de ieșire și intrare în colectorul solar:

3.3 Calculul ciclului Rankine

Forma generalã de descriere a proprietãtilor termodinamice de stare ale fluidului de lucru, considerându-se ca parametrii termodinamici P (presiunea,[bar]), T (temperatura,[°C]), h (entalpia,[kJ/kg), s (entropia,[Kj/kg]} si x (titlul) s-a considerat sub forma unor functii dupã cum urmeazã:

Condensator

Se cunosc:

Se determină:

Temperatura de fierbere corespunzătoare presiunii:

Temperatura de condensare:

Calculul starilor termodinamice ale ciclului Rankine

Starea 6 – lichid saturat – joasa presiune

Se cunosc:

Se determină:

Presiunea în funcție de temperatură:

Entalpia în funcție de temperatură și titlu:

Entropia în funcție de entalpie și titlu:

Volumul specific în funcție de presiune și titlu:

Starea 8 – vapori saturati – joasa presiune

Se cunosc:

Se determină:

Entalpia în funcție de temperatură și titlu:

Entropia în funcție de presiune și titlu:

Volumul specific în funcție de presiune și titlu:

Starea 7 – lichid saturat – înaltă presiune

Se cunosc:

Se determină:

Presiunea în funcție de temperatură:

Entalpia în funcție de temperatură și titlu:

Entropia în funcție de temperatură și titlu:

Starea 1

Se cunosc:

Se determină:

Lucrul mecanic specific al pompei:

Entalpia în funcție de lucrul specific al pompei:

Temperatura în funcție de presiune și entropie:

Starea 2

Se cunosc:

Se determină:

Entalpia în funcție de temperatură și presiune:

Entropia în funcție de temperatură și presiune:

Starea 3

Se cunosc:

Se determină:

Temperatura în funcție de presiune și entropie:

Entalpia în funcție de presiune și titlu:

Entalpia în funcție de presiune și titlu:

Entalpia în stadiul lichid-vapori:

Entropia în funcție de presiune și titlu:

Entropia în funcție de presiune și titlu:

Entropia în stadiul lichid-vapori:

Titlul:

Entalpia în funcție de presiune și entropie:

Dacă , atunci:

Starea 4

Se cunosc:

Se determină:

Entalpia în funcție de presiune și temperatură:

Entropia în funcție de presiune și temperatură:

Starea 5

Se cunosc:

Se determină:

Entalpia în funcție de presiune și titlu:

Entalpia în funcție de presiune și titlu:

Temperatura în funcție de presiune și entropie:

Entalpia în funcție de presiune și entropie:

Starea 9

Se cunosc:

Se determină:

Entalpia:

Temperatura în funcție de presiune și entalpie:

Rezultate

Lucrul mecanic specific al turbinei 1:

Lucrul mecanic specific al turbinei 2:

Fluxul de căldură specific pentru reîncălzire:

Fluxul de căldură specific din condensator:

Fluxul de căldură specific din regenerator:

Fluxul de căldură specific din schimbător:

Lucrul mecanic specific net:

Coeficient de performanță al ciclului:

Randament termic al ciclului:

Debitul masic al fluidului de lucru:

Puterea pompei:

Puterea turbinei 1:

Puterea turbinei 2:

Puterea netă:

Fluxul de căldură pentru reîncălzire:

Fluxul de căldură din regenerator:

Fluxul de căldură ejectat de condensator:

Cogenerare

Temperatura de intrare a apei reci:

Debitul masic al apei reci:

Caldura specifică a apei:

Temperatura de ieșire a apei calde:

Fluxul de căldură al apei

Rezultate numerice pentru analiza instalației în condiții medii de temperatură ambiantă și radiație normală directă pentru o zi din luna Iulie

Parametrii de stare ai ciclului Rankine

Fig. 3.1. Parametrii de stare

Fig. 3.2. Parametrii de stare

3.4 Parametrizarea rezultatelor

Folosind funcția de parametrizare (Parametric Table) din Engineering Equation Solver, s-a deteterminat variația în funcție de presiunea intermediară (la ieșirea din turbina 1), a puterii nete, eficienței termice, COP, temperatura apei calde, fluxul de căldură în regenerator și fluxul de căldură pentru reîncălzire, în condiții medii de radiație normală directă ale unei zilei din luna Iulie. La fel s-a determinat și variația temperaturii apei calde în funcție de debitul masic. Rezultatele se găsesc în Anexa 16 și Anexa 17. Rezultatele obținute au fost prelucrate grafic și sunt ilustrate în continuare.

Fig. 3.3. Fluxul de căldură în regenerator în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.4. Eficiența termică în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.5. Fluxul de căldură pentru reîncălzire în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.6. COP în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.7. Temperaturapei calde în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.8. Puterea netă în funcție de presiunea intermediară

Fig. 3.9. Variația temperaturii apei calde în funcție de debitul masic

Folosind funcția de parametrizare (Parametric Table) din Engineering Equation Solver, s-a deteterminat variația fluxului de căldură primit de schimbătorul de caldura de la colectorul solar pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie. Rezultatele se găsesc în Anexa 14. Rezultatele obținute au fost prelucrate grafic și sunt ilustrate în continuare.

Fig. 3.10. Variația fluxului de căldura pe parcursul unei zile

Fig. 3.11. Variația fluxului de căldura pe parcursul unei zile

Fig. 3.12. Variația fluxului de căldura pe parcursul unei zile

Fig. 3.13. Variația fluxului de căldura pe parcursul unei zile

Folosind funcția de parametrizare (Parametric Table) din Engineering Equation Solver, s-a deteterminat variația puterii nete în funcție de fluxului de căldură primit de schimbătorul de caldura de la colectorul solar pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie. Rezultatele se găsesc în Anexa 15. Rezultatele obținute au fost prelucrate grafic și sunt ilustrate în continuare.

Fig. 3.14. Puterea netă pe parcursul unei zile, în funcție de fluxul de căldură în condițile medii ale unei zile din luna Ianuarie

Fig. 3.15. Puterea netă pe parcursul unei zile, în funcție de fluxul de căldură în condițile medii ale unei zile din luna Aprilie

Fig. 3.16. Puterea netă pe parcursul unei zile, în funcție de fluxul de căldură în condițile medii ale unei zile din luna Iulie

Fig. 3.17. Puterea netă pe parcursul unei zile, în funcție de fluxul de căldură în condițile medii ale unei zile din luna Octombrie

Fig. 3.18. Puterea netă medie pe parcursul unei zile

4. Concluzii finale

În urma analizării instalației s-a determinat că puterea netă maximă este de 10,9 [kW], fiind obținută în condițiile medii de temperatură și radiație normală directă pentru o zi din luna Iulie. În ceea ce privește apa caldă, aceasta poate fi livrată la o temperatură de 65 cu un debit de 0,133 kg/s (acest debit este similar cu cel dintr-o centrală termică de apartament – 8 l/minut)

S-a constatat că odată cu scăderea presiunii intermediare (la ieșire din Turbina 1) crește puterea netă, eficiența termică, coeficientul de performanță al ciclului, temperatura apei calde, fluxul de căldură în regenerator și fluxul de căldură pentru reîncălzire.

Având în vedere puterea netă medie obținută pentru o zi din luna Ianuarie, Aprilie, Iunie și Octombrie, este posibilă utilizarea instalației pentru alimentarea parțială (în combinație cu un furnizor de electricitate) cu energie electrică a unei case. Pe timpul lunilor de vară (Iunie, Iulie și August) și al ultimelor luni de primăvară (Aprilie și Mai), este posibilă chiar și atingerea independenței energetice.

Bibliografie

[1] *** World Outlook Energy, International Energy Agency, 2015

[2] *** International Energy Outlook, 2016

[3] *** https://en.wikipedia.org/wiki/Cogeneration, Accesat: 23-02-2017

[4] *** http://science.jrank.org/pages/1572/Cogeneration-History-cogeneration.html, Accesat: 15-04-2017

[5] *** Cogeneration/Combined Heat and Power (CHP), Pew Center On Global Climate Change, 2011

[6] *** Introducing combined heat and power, Carbon Trust, 2010

[7] *** CHP ‐ Cogeneration Power, Renewables Academy (RENAC)

[8] Matthias Günther, Michael Joemann, Simon Csambor, Advanced CSP Teaching Materials, Deutsches Zentrum für und Raumfahrt, enerMENA

[9] *** Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series, Concentrating SolarPower, The International Renewable Energy Agency (IRENA), 2012

[10] *** https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle, Accesat: 07-02-2017

[11] Matthias Günther, Solar Radiation, Deutsches Zentrum für und Raumfahrt, enerMENA

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance, Accesat: 07-02-2017

[13] E. Mathas, St. Mengos, P. Choustoulakis, Ch. Malamatenios, K. Grepmeier, A. Babeck, C. Mӧller, Training Guide on Combined Heat & Power Systems, Centre for Renewable Energy, Zentrum für rationelle Energieanwendung Umwelt GmbH, 2001

[14] *** Cogeneration, or Combined Heat and Power (CHP), Strategic Energy Technologies Information System (SETIS)

[15] *** Bureau of Energy Efficiency

[16] *** http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/solres/solrespvgis.htm, Accesat: 11-04-2017

[17] *** http://www.weatheronline.co.uk/, Accesat: 11-04-2017

[18] *** https://www.eia.gov/, Accesat: 25-04-2017

[19] *** https://www.iea.org/, Accesat: 25-04-2017

[20] *** http://ec.europa.eu/eurostat, Accesat: 19-01-2017

[21] *** http://www.dynalene.com/, Accesat: 19-01-2017

[22] Charles Kutscher, Frank Burkholder, Kathleen Stynes, Generation of a Parabolic Trough Collector Efficiency Curve from Separate Measurements of Outdoor Optical Efficiency and Indoor Receiver Heat Loss, National Renewable Energy Laboratory, 2010

[23] F-Chart Software: Engineering Equation Solver, Educational License 1998

[24] Autodesk AutoCad Student 2016

[25] Microsoft Office 2015

[26] www.SkyFuel.com, Accesat: 08-03-2017

Anexe

Anexa 1. Estimarea creșterii consumului de energie la nivel global 2012-2040

Anexa 2. Capacitatea de producție a caldurii prin cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 3. Capacitatea de producție a electricității prin cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 4. Producția de căldură prin cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 5. Producția de electricitate prin cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 6. Procentajul de electricitate produsă prin cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 7. Capacitatea de producție a electricității prin cogenerare în Europa 2005-2013

Anexa 8. Tipuri de combustibil folosit la cogenerare în Europa în anul 2013

Anexa 9. Tipuri de combustibil folosit la cogenerare în Europa 2005-2013

Anexa 10. Date climatologice pentru orașul Constanța 2007-2016

Anexa 11. Proprietățile fluidului de transfer termic Dynalene HT

Anexa 12. Caracteristicile colectorului parabolic solar SkyTrough®

Anexa 13. Radiați normală directă în orașul Constanța

Anexa 14. Variația variația fluxului de căldură primit de schimbătorul de caldură de la colectorul solar pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie

Anexa 15. Variația puterii nete pe parcursul unei zile din luna Ianuarie, Aprilie, Iulie și Octombrie în funcție de căldura primit de schimbătorul de caldură de la colectorul solar

Anexa 16. Variația în funcție de presiunea intermediară, a puterii nete, eficienței termice, COP, temperatura apei calde, fluxul de căldură în regenerator și fluxul de căldură pentru reîncălzire, în condiții medii de radiație normală directă ale unei zilei din luna Iulie

Anexa 17. Variația temperaturii apei calde în funcție de debitul masic

Anexa 18. Diagrama T-s pentru Ciclohexan