,,Calculul rezervoarelor de stocare a apei și proiectarea [610215]

1

UNIVERSITATEA „POLIT EHNICA” DIN BUCUREȘT I
FACULTATEA DE MECANI CĂ ȘI MECATRONICĂ
CONCEPȚIE INTEGRATĂ ÎN INGINERIA MECA NICĂ

LUCRARE DE DISERTAȚI E
,,Calculul rezervoarelor de stocare a apei și proiectarea
panourilor solare termice ale unei instalații de energie verde”

Coordonator științific:
Prof.dr.ing. Nicolae CONSTANTIN

Masterand: [anonimizat] – Cristina DONA

2
Prefață
Etimologic, cuvântul „energie“ are la bază cuvintele de origine latină „energia“ și de
origine greacă „enerhia“, care aveau sensul – „activitate“. În termeni fizici, înseamnă abilitatea
unui sistem sau obiect de a funcționa. Energia este definită c a fiind „capacitatea unui sistem fizic
de a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr -o stare în altă stare“. [DEX, 1996, p. 342.] Aceasta
este o mărime ce prezintă o caract eristică cantitativă generlizată a diverselor forme de materie
care se află într -o stare continuă de transformări.
Energia există în diferite forme: mecanică, chimică, electrică, termică, nucleară și
radiantă. Toate formele de energie se pot transforma unele în altele.
Emisiile la producerea energiei bazate pe combustibili fosili este o cauză a schimbărilor
climatice. Extragerea și utilizarea acestor combustibili produce și poluare, dar să nu uităm că
aceste surse fosile sunt epuizabile. Astfel, o problemă foarte importantă în prezent este
securitatea alimentării cu energie, civilizația de azi fiind foarte dependentă în mod special de
petrol și de cărbune.
Folosirea energiei regenerabile și aplicarea măsurilor de eficientizare energetică
reprezintă calea cea mai bună de reducere a impactului exercitat de combustibilii fosili asupra
plane tei noastre. [1]
Agenția Internațională pentru Energie propune, pentru energiile regenerabile următoarea
definiție: „Energia regenerabilă este energia provenită din procese naturale care se repetă în mod
constant. În formele ei variate provine direct sau indirect de la soare sau din căldura generată în
scoarța terestră. Sunt incluse în această definiție energiile provenite din soare, vânt, biomasă,
geotermal, amenajări hidro și resurse marine, biocombustibili și hidrogen obținut din surse
regenerabile”.
Un punct de vedere important în evaluarea potențialului de dezvoltare al instalațiilor de
captare și conversie aferente surselor regenerabile de energie este gradul în care progresul
tehnologic este transferat către piață. Aceasta implică o bună cunoa ștere a raportului dintre
maturitatea tehnologică și maturit atea piețelor.
Sectorul energetic generează 80% din emisiile de gaze cu efect de seră (GES) din UE 15
fiind principala cauza a schimbărilor climatice și, în mare măsură, a poluării atmosferice. UE s -a
angajat să găsească o soluție, prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect de
seră în cadrul Uniunii și pe plan mondial până la un nivel care ar limita creșterea globală a
temperaturii la 2°C în comparație cu nivelurile preindustri ale. Cu toate acestea, continuarea
politicilor actuale în materie de energie și de transport ar duce la creșterea cu 5% a emisiilor de
CO2 la nivelul UE până în 2030, iar emisiile globale ar crește cu 55%. În prezent, politicile UE
privind energia nu sunt viabile. [2]

3
Cuprins

1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 4
1.1. Generarea energiei termice cu ajutorul energiei solare ………………………….. …………………… 4
1.1.1. Generalități ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 4
2. Tipuri instalații solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 6
2.1. Funcționarea colectoarelor solare ………………………….. ………………………….. ………………. 10
2.2. Bilanțu l energetic simplificat al colectorului plan solar ………………………….. …………….. 10
3. Introducere în configurația rezervoarelor de apă, prin corelare cu turn ul de susținere a
panourilor solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 15
3.1. Modalități de stocare a energiei ………………………….. ………………………….. ………………… 15
3.2. Introducere în conceptul preliminar al rezervoarelor de stocare a apei ……………………. 19
4. Studiu asupra comportamentului unor rezervoare și a dispozitivelor de rezemare a acestora,
în două concepte de modelare diferite ………………………….. ………………………….. …………………….. 21
4.1. Modelarea 3D a rezervoarelor ………………………….. ………………………….. …………………… 21
4.2. Rezervor cu diametrul de 960 mm și analiza structurală ………………………….. …………… 22
4.3. Rezervor cu diametrul de 700 mm și analiza structurală a acestuia …………………………. 31
4.4. Calculul simplificat al volumelor rezervoarelor ………………………….. ……………………….. 35
5. Introducere în configurația panourilor solare ………………………….. ………………………….. ……. 38
5.1. Funcționarea panourilor solare termice ………………………….. ………………………….. ………. 38
5.2. Calcul preliminar al unei tipodimensiuni ………………………….. ………………………….. ……. 39
6. Proiectare – Dimensionare panouri solare apă caldă menajeră ………………………….. …………. 45
6.1. Analiza panoului solar în Ansys Fluent ………………………….. ………………………….. ……… 53
7. Producția de energie în România în anul 2016 ………………………….. ………………………….. ….. 57

4
1. Introducere
1.1. Generarea energiei termice cu ajutorul energiei solare
1.1.1. Generalități

O soluție v iabilă pentru furnizarea apei calde este aceea de a folosi energia solară care
este inepuizabilă, nepoluantă, ecologică și sigură, economisindu -se astfel resursele energetice
fără a produce deșeuri sau gaze poluante.
Dintre sursele de energie din categori a celor ecologice și regenerabile precum energia
eoliană, geotermală, sau cea a mareelor, energia solară convertită în energie termică, se
deosebește prin instalații simple folosite la obținerea apei de consum sau ca aport la încălzirea
clădirilor, respect iv costuri reduse ale acestora.
Energia regenerabilă , este numită de asemenea energie alternativă, energie utilizabilă
derivată din surse care sunt capabile de a se reface, cum ar fi Soarele (energia solar ă),
vântul (energia eoliană), râurile (energie hid roelectrică ), izvoa rele termale (energie
geotermală), mareele (energia mareelor) ș i biomasa (biocombustibili). [3]
O resursa neregenerabilă este o resurs ă natural ă, care nu poate fi reprodus ă, cultivat ă,
generată sau utilizată pe o scară care poate susține rata de consum. Odată epuizată nu
mai este disponibilă pentru nevoile viitoare. De asemenea, resursele neregenerabile sunt
resursele care sunt consumate mult mai repede decat natura le poate crea, ca de exemplu
combustibilii fosili (cum ar fi cărbunele, p etrolul ș i ga zele naturale), energia nucleară
(uraniul) ș i anumite exemple acvifere. Minereurile metalifere sunt primele exemple de
resurse non -regenerabile. [4]
În România, pe o suprafață orizontală de 1 m2, se poate capta anual o cantitate de energie
de 900 – 1450 kWh, dependentă, de asemenea și de anotimp. Dintre factorii meteorologici, o
influen ță deosebit ă asupra radiației solare la sol o au: transparen ța atmosferei, nebulozitatea, felul
norilor, grosimea și pozi ția acestora. [5]
Energia eoliană este energia cu cea mai rapidă evoluție de pe piața energiilor
regenerabile. În Europa capacitatea totală de generare corespunzătoare energiei eoliene este de
3500 MW, dintr -un total mondial de cca. 6000 MW. Ritmul de creștere global tinde spre cca.
1000 MW pe an din care cca. 400 MW pe an în afara Europei. Previziunile pe termen lung cu
privire la evoluția domeniului sunt dificil de făcut din cauza dinamicii piețelor dar, o evaluare
primară arată că în anul 2010 s -ar putea ajunge la puteri instalate de 17.500 M W în Europa dintr –
un total de 37.7000 MW în lume. Tehnologia domeniului a evoluat rapid, fiind astăzi disponibile
aerogeneratoare cu puteri de până la 1,5 -2,5 MW și o durată de viață de mai mult de 25 -30 de
ani. Ca o consecință imediată a avut loc o scăder e dramatică a costurilor energie produse, acestea
ajungând să fie comparabile cu cele ale centralelor termice. Costul total pentru un aerogenerator
este de cca. 1000 USD/kW instalat.
În România potențialul eolian tehnic amenajabil este de cca. 100.000 TJ /an. concentrat în
zona litoralului Mării Negre și izolat în amplasamente montane. Cele câteva aerogeneratoare cu

5
ax orizontal (Semenic 300kW) sau vertical (Tucea 100kW) corespund tehnologiei anului 1989 și
ridică probleme în funcționare. Ca previziune pe termen mediu, în România se pot amplasa cel
puțin 15 -30 aerogeneratoare cu o producție de cca. 5 TWh/an.
Energia solară, folosită atât pentru sistemele de încălzire cât și pentru producerea de
electricitate nu este încă aptă să se susțină ca sursă indepe ndentă.
În Europa, în ceea ce privește energia solară folosită pentru încălzire, se estimează
existența a unei suprafețe de 5,6 mil m 2 ocupată de captori solari, iar în lume SUA ocupă primul
loc cu cca. 6 mil m 2. În anul 2010 se estimează ca Europa să de țină o suprafață de 20 mil m 2 iar
în lume vor exista cca. 1005,6 mil m 2, suprafețe ocupate de captori solari de diferite tipuri.
Utilizarea energiei solare pentru încălzire poate acoperi 60% din necesarul domestic pentru
nordul Europei și 90% pentru sudul Europei. Costul unei instalații obișnuite domestice este între
1000 -5000 EURO.
În ceea ce privește energia solară utilizată pentru producerea de energie electrică, aceasta
este încă faza dezvoltării. Cele mai mari puteri instalate în lume sunt de cca. 80 MW iar totalul
capacităților este redus la 350 MW. În Europa nu există preocupări importante în domeniu iar la
orizontul anului 2010 va exista o putere instalată de cca. 300 MW. Pe plan mondial se estimează
un total de 2000 MW putere instalată. Costurile estimate ar trebui să ajungă la cca. 0,09 -0,10
EURO/kWh, în funcție de tehnologia folosită.
În România potențialul tehnic pentru aplicații solare este de peste 40.000 TJ/an, din care
valorificat cca. 140 TW/h, cu concentrare în zona coastei Mării Negre. La sfârșitul anului 1989,
în România exista o suprafață de cca. 1 mil m 2 ocupată de concentratori de diferite tipuri. Astăzi,
situația este practic necunoscută, în special din cauza decăderii tehnice a sistemelor. Preocupările
în domeniu sunt exclusiv pent ru utilizarea energiei solare în scopuri domestice sau, în cel mai
bun caz, crearea de soluții hibride prin utilizarea celulelor fotovoltaice. [2]

6
2. Tipuri instalații solare

Instalațiile solare sunt de două tipuri: fotovoltaice și termice. Spre deoseb ire de panourile
solare fotovltaice care transformă energia luminoasă emisă de Soare în energie electrică,
panourile solare termice captează energia solară și o transformă în energie termică.
Panourile solare fotovoltaice (Fig. 1) produc energie electrică aproximativ 4h/zi și în
același timp înmagazinează energie în baterii pentru a putea fi utilizat ă energia pe timp de noapte
fără a avea legătură la rețeaua electrică. Un exemplu de acumulator de energie termică este
reprezentat de pereții unei clădiri, iar ferestrele și camerele colectoare solare de căldură permit
pătrunderea radiației solare în banda vizibilă în interior și nu permit radiației infraroșii să
părăsească încăperea (Fig. 3).

Fig. 1 – Panou solar fotovoltaic

O supra față neagră expusă razelor solare este denumită suprafață absorbantă (Fig. 2) și
transformă energia solară în căldură. Această suprafață prezintă un convertor direct al radiației
solare în energie termică denumit colector solar plan . Conversia termică a ene rgiei solare se
obține prin tehnologii precum: încălzirea apei cu colectoare plane sau vidate, uscarea
semifabricatelor în procesarea lemnului, refrigerarea solară, distilarea apei, producerea energiei
electrice folosind procesul termodinamic etc. [6]

7

Fig. 2 – Colector plan -detalii [7]

Fig. 3 – Colector solar [8]

Sistemele utilizate pentru realizarea acestei tehnologii se numesc sisteme pasive de
utilizare a energiei solare. Acestea nu au nevoie de e nergie mecanică pentru transportul energiei
termice către consumator sau rezervorul pentru stocare.
În sistemele pasive recep ția, conversia și utilizarea energiei se realizeaz ă în acela și loc,
razele solare înc ălzind consumatorul de c ăldură. Aceste sisteme sunt, de obicei, simple, ieftine și

8
sigure în exploatare (înc ălzirea locuin țelor, sere, solarii, uscătorii etc). Fluxul aerului are loc
datorită diferențelor de temperatură dintre diferite straturi.
Sistemele active de transformare a energiei solare su nt dotate cu colectoare solare, în care
radiația solară e convertită în căldură, apoi transportată prin intermediul unu i agent caloportor la
consuma tor sau stocată în rezervor.
De-a lungul unui an, instala țiile solare livreaz ă până la 70% din necesarul de energie
pentru înc ălzirea apei calde de consum. Conversia energiei de radia ție în energie termic ă se face
cu ajutorul captatorilor solari, care pot fi utilizați cu sau fără concentrarea radia ției solare.
Colector ul solar are o carcasă metalică dreptun ghiulară în care se află celelalte elemente
componente. Razele solare intră printru -un geam de sticlă și cad pe o suprafață absorbantă .
Cele mai cunoscute colectoare sunt: colectorul plan solar fără concentrarea radiației
care este folosit pentru obținerea temperaturilor de 150 0C și colectorul solar cu concentrarea
radiației , folosit pentru obținerea temperaturilor de sute de grade.
Pentru producerea de energie termică se utilizează aproape întregul spectru al radiației
solare, iar pentru aceasta panourile solare termice trebuie să aibă un randament ridicat, de
aproximativ ”60% – 75% r aportat la energia razelor solare incidente (200 – 1000 W/m² în
Europa, în functie de latitudine, anotimp si vreme). ” [9]
Energia calorică rezultată nu se pierde, colectorul fiind izolat termic . 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 (efect de seră) .
În colectorul solar, transf erul de energie către lichid sau gaz se realizează la distanta prin
intermediul radiației solare cu lungimea de undă cuprinsă între 0,3 și 3 µm și densitatea de putere
de maximul 1000 -1100 W/m2.
Elementul abs orbant, în special la colectoarele cu vid (Fig. 4), 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 . [10]

9

Fig. 4 – Captator solar cu tuburi vidate
Elementul absorbant cedează căldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru
sau aluminiu atașate acestuia, a gentul termic transportă energia calorică l a consuma tor sau la un
rezervor de stocare. Anumite instalații solare au circuitul agentului termic deschis, pe unde
circulă apa necesară utili zatorului . În regiunile cu pericol de îngh eț mai mare, se utilizează
circuite separate. Circuitul primar, cel al colectoru lui conține un lichi d rezistent la îngheț
(antigel), iar din circuit căldura este transferată prin intermediul unui schimbător de căldură apei
din circuitul secundar, cel al utilizatorului. [11]
Schema constructivă a colectorului solar pentru încălzirea a pei este prezentată în Fig. 4.

Principalele părți componente sunt: lada neagră – 5 cu izolație termică – 4 a trei pereți,
acoperită din partea frontală cu suprafața transparentă -3. Schimbătorul de căldură este de tip
placă metalică -țeavă, respectiv suprafața absorbantă -1 și țevile 2. În cazul colectorului cu aer,
schimbătorul de căldură este de tip placă metalică – canal pentru aer.

Fig. 5 – Schema constructivă a colectorului solar tip placă -tub [12]

10
2.1. Funcționarea colectoarelor solare

Funcționarea colectorului solar se bazează pe două fenomene: absorbția de către un corp
negru a radiației solare realizate pe suprafața absorbantă și efectul de seră realizată pe suprafața
transparentă.
În cazul colectorului solar, se realizează un efect de seră artificial. O suprafața este
transparentă pentru razele solare și opacă pentru radiația infraroșie. Temperatura suprafeței
absorbante crește și căldura este transmisă apei care circulă prin țevile 2. Schimbătorul de
căldură de tip placă –țeavă este principalul element al colectorului. Există diferite soluții tehnice
de îmbinare a plăcii 1 cu țevile 2. Cele mai optime soluții sunt prezentate în Fig. 6: serpentină (a),
cu țevi paralele (b), cu canale formate din două plăci metalice sudate prin metoda de contact (c)
sau canale formate în interiorul unei plăci din masă plas tică (d).

Fig. 6 – Schimbătoare de căldură utilizate în colectoarele solare

Performan ța unui colector solar este caracterizată de bilan țul său energetic, care are rolul
de a indica modul în care este distribuit ă energia solar ă incident în energie util ă și pierderile
aferente.

2.2. Bilanțul energetic simplificat al colectorului plan solar

Din radia ția solar ă global ă (E) de unde scurte, direct ă și difuz ă, incident ă pe suprafa ța
transparent ă, o parte important ă, τE, determinat ă de factorul de transmisie τ, ajunge pe suprafa ța
absorbant ă unde este transformată în căldură. Radiația ρE este reflectată în spațiu de către
suprafața transparentă și radiația α TE este absorbită, aceste valori fiind determinate cantitativ,
respectiv de factor ul de reflexie ρ și fa ctorul de absorb ție αT a materialului suprafeței
transparente.

11
Pe suprafa ța absorbant ă este reflectat ă parțial radia ția τE incidentă , iar cea mai mare
parte este transformată în căldură.

În tabelul de mai jos, vor fi prezentate carac teristicile materialelor transparente:

Tip material Transmisibilitate, τ
Sticlă obișnuită (pentru geam, 6 mm) 0,80
Sticlă flotant ă (4 mm) 0,87
Sticlă cu conținut redus de oxizi de fier 0,91
Plexiglas (3 mm) 0,80
Tedlar 0,88

Absorbtanța unor mater iale și suprafețele absorba nte sunt prezentate în următorul tabel:

Tip material /
suprafață absorbantă Absorbtanța,
αscurte, unde scurte
Materiale tradiționale
Fier curat 0,44
Aluminiu curat 0,10
Cupru poleit 0,35
Tablă de oțel oxidat 0,74
Tablă de oțel acoperită cu vopsea neagră 0,95
Materiale și suprafețe selective
Crom negru pe o suprafață de nichel 0,95
Ceramică poroasă pe o suprafață de oțel 0,96
Oxid negru de nichel pe o suprafață de
aluminiu 0,85÷0,93

Fig. 7 – Bilanțul energetic simplificat al colectorului plan solar [1 3]

12
Radiația solar ă este absorbită de către suprafața absorbantă a cărei temperaturi crește
până la 40÷100°C, emițând și ea energie în banda de unde lungi infraro șii, pentru care suprafa ța
transp arent ă este opac ă. Odată ajunse la suprafața transparentă, aceste radiații sunt parțial
absorbite încălzind -o și sunt mai departe reflectate către suprafața absorbantă.
Pot apărea pierderi optice, datorită reflexiei radiației solare pe o suprafață transpa rentă,
precum și absorbției radiației solare în masa materialului transparent, de unde rezultă că o parte
din radiația solară nu ajunge la suprafața absorbantă. Aceste pierderi pot fi reduse prin utilizarea
unor suprafețe de captare selective, precum acope rirea cu oxizi metalici sau vopsele speciale.
Atunci când căldura este captată de către suprafața de absorbție , rezultă creșterea
temperaturii acesteia pes te temperatura mediului ambiant, iar din cauza acestei diferențe de
temperatură rezultă pierderi de căldură prin radiație și conducț ie termică. Pierderile termice sunt
în strânsă legătură cu caracteristicile termice constructive ale colectorului solar și cu diferența de
temperatură dintre mediul ambiant și suprafața absorbantă.
Aceste pierderi se pot di minua prin izolația corespunzătoare, utilizând un material
calitativ și mărind numărul suprafețelor transparente. Cu cât este mai mare temperatura
suprafe ței de absorb ție și diferența de temperatură aferentă, cu atât este mai mare pierderea de
căldură, realizându -se efectul de seră. Suprafața transparentă împiedic ă astfel emisia în spațiu a
radiației infraroșii trasmisă de către suprafața absorbantă.

Factorul de transmisie al căldurii dată de suprafața trasparentă ( τ) și factorul de absorbție
(α) a supr afeței absorbante d etermină eficiența transformării radiației solare în căldură. O parte
din radiația solară globală E, determinată de proprietățile materialelor suprafeșei trasparente și a
celei absor bante, se transformă în căldură:
Qa = (ατ ) ⋅ E = A 0 ⋅ E [W/m2]
unde,
Qa – este căldura produs ă de suprafa ța de absorb ție [W/m2];
A0 – factor optic – procentul din intensitatea radia ției solare E care se transform ă în cldur ă pe
suprafa ța absorbant ă.

Pierderile optice ale colectorului solar reprezint ă difere nța dintre intensitatea radia ției
solare și intensitatea radia ției solare absorbit ă de suprafa ța absorbant ă.

Qopt = E – Qa [W/m2]

Pierderi le termice sunt propor ționale cu diferen ța dintre temperatura T p a suprafe ței
absorbante și temperatura mediului am biant T a:
qt = k ⋅ (T p – Ta ) [W / m2] sau qt = k ⋅ (T m – Ta ) [W/m2 ]
unde,

13
Tp – temperatura suprafeei absorbante, [°C];
Ta – temperatura mediului ambiant, [°C];
k – este coeficientul pierderilor globale, W/m2·°C,
k – variază între 1 – 30 W/m2·°C;
Tm – temperatura medie a suprafe ței absorbante, [°C];
Tm =

unde,
Ti – temperatu ra lichidului la intrare, [șC];
Te – temperaturile lichidului la ie șire, [șC].
Randamentul termic al captatorului este:

η =

Pentru vizualizarea variației randamentului cu diferența de temperatură a unui colector
solar, se folosește un grafic, ce are pe ordonată randamentul captatorului, iar pe abscisă diferența
de temperatură dintre agentul termic și mediul ambiant pentru o intensitate a radiație i solare date.

Fig. 8 – Trasarea caracteristicii unui captator solar

Se observă faptul că, cu cât crește temperatura agentului termic (ΔT=T m-Ta), cu atât cresc
pierderile termice și scade randamentul colectorului.

14
Pentru a pr oiecta un panou solar fotovoltaic trebuie să se ia în considerare în primul rând
costul energiei furnizate. Se poate îmbunătăți randamentul dacă se adaugă un geam sau o
suprafață selectivă, însă acestea conduc și la o mărire a costului total.
Panoul solar trebuie proiectat astfel încât să reziste la temperaturi ridicate de aproximativ
200°C peste temperatura mediului ambiant care se pot atinge uneori, atunci când nu circulă
fluidul purtător de căldură în urma defectării sistemului de pompare. Trebuie de as emenea să
reziste la fenomene meteorologice extreme.
Eficiența unui panou solar fotovoltaic este influențată de poziția acestuia față de radiația
solară, cea mai bună poziție fiind pe direcția ecuatorului. Dacă montarea este în emisfera
nordică, colectoru l solar va fi orientat c ătre sud, iar în emisfera sudic ă, către nord.

15
3. Introducere în configurația rezervoarelor de apă, prin corelare cu
turnul de susținere a panourilor solare
3.1. Modalități de stocare a energiei

Trăim intr -o perioadă de schimbări accel erate, totul fiind într-o transformare continu ă.
Noile tehnologii ne transformă felul de a trăi , de asemenea, mediul global se schimbă rapid și
imprevizibil, forțat de o creștere a numărului de ființe umane și de o rapidă expansiune a
industriei, a constr ucțiilor și a numărului de autovehicule.
Existența „găurii “ din stratul de ozon de deasupra Antarcticii, pierderea continuă, fără
precedent, a unui număr de specii de plante și animale, legătura dintre substanțele chimice
sintetice și o multitudine de bo li, reducerea evidentă a capacității surselor de energie bazate pe
combustibili fosili etc. sunt argumente ne vom confrunta cu un viitor de schimbare rapidă și
distrugătoare a climei.
Se estimează că lumea va trebui să reducă emisiile globale de compuși ai carbonului cu
cel puțin 60% sub nivelurile momentului, pentru a stabiliza CO 2 atmosf eric la concentrațiile
curente. [14]
Realizări recente în domeniul așa -ziselor „energii reînnoibile” transformă energia solară
și energia eoliană în opțiuni viabile din punct de vedere economic. Necesitatea conceperii și
realizării unor sisteme performante pentru „stocarea energiei” este impusă de nepotrivirea dintre
momentul și locul producerii și consumării acesteia.
Sistemele de acumulare a energiei sunt extrem de im portante pentru evoluția și
dezvoltarea de tehnologii. Energia produsă de centrale termo -solare nu trebuie să fie limitată la
ore de soare și nu trebuie să fie împiedicată de nori.

Din acest motiv, două tehnici au fost testate. Acestea permit, de aseme nea, o mai bună
utilizare a instalației și, prin urmare, un cost mai mic pentru producerea energiei electrice:

 Acumularea de energie termică: caldura este utilizată pentru a încălzi un mediu din care,
pe un anumit moment, caldura este extrasă pentru a pr oduce energie electrică. Aceste
dispozitive sunt destul de ieftine, eficiente și permit funcționarea instalației în timpul
perioadelor de vârf și noaptea. Au de asemenea avantajul de a elimina, în multe cazuri,
fluctuațiile datorate norilor.
 Sisteme solare -metan hibride: în timpul perioadelor prelungite în cazul în care căldura
solară este absentă, metanul poate oferi energia lipsă, cu o reducere a costurilor. Un
sistem hibrid poate fi convenabil din punct de vedere economic, de asemenea, pentru
furnizarea de energie solară modestă.

16
Stocarea energiei solare se poate face sub formă de: căldură sensibilă a unui mediu solid
sau lichid, căldură latentă la schimbare de fază a unor sisteme chimice sau energie chimică a
produselor rezultate dint r-o reacție chimi că reversibilă.
Alegerea modului de stocare a energiei solare depinde de natura procesului care se
urmărește în instalația solară. Pentru încălzirea apei este practică folosirea stocării energiei solare
prin căldura sensibilă a apei.
Dacă se folosesc ca ptatoare solare cu încălzirea aerului, se poate utiliza pentru stocarea
energiei solare căldura sensibilă a unui pat de pietre în schimbătoare de căldură de tip
regenerativ. Dacă în instalația solară se folosesc celule fotovoltaice sau fotochimice, cea mai
indicată formă de stocare a energiei este, în acest caz, energia chimică.
Tehnologia solară fotovoltaică cuprinde toate echipamentele, instalațiile și sistemele
fotovoltaice care au capacitatea de a converti radiația solară, în curent electric. Instalați ile și
kiturile fotovoltaice ajută la diminuarea concentrației de CO 2 în atmosfera, și pot oferi
independența energetică unor consumatori, dacă sunt sisteme fotovoltaice izolate.
Există și sisteme fotovoltaice conectate la rețeaua electrică, în cazul în care accesul la
aceasta este posibil. Tehnologia solară fotovoltaică evoluează de la an la an, atât în ceea ce
privește puterea echipamentelor, cât și tipurile de instalații.
Toate instalațiile fotovoltaice independente, care nu sunt conectate la rețeaua națională de
electricitate, au nevoie de echipamente speciale care să stocheze energia solară produsă în exces
și care poate fi utilizată atunci când generatorul nu mai poate produce sau produce sub necesarul
de consum. Bateriile sau acumulatorii pentru pa nouri fotovoltaice sunt echipamentele potrivite
pentru înmagazinarea excesului de energie produs de modulele solare. [15]
Acumulatorii solari pentru sisteme fotovoltaice sunt de mai multe tipuri, în funcție de
materialul cu care sunt umplute . Există bater ii cu gel, care au electrolitul sub formă unei mase
vâscoase, și baterii plumb -acid, care au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apă.
Acumulatori solari cu gel (Fig. 9.) au performanțe foarte ridicate în păstrarea energiei
produse cu ajutorul panouril or solare și a turbinelor eoliene de mici dimensiuni. Bateriile solare
cu gel fac parte din gama premium în ceea ce privește ciclurile de încărcare descărcare totală sau
parțială pentru ani de zile. Gelul electrolitic are aceeași gravitate specifică în fie care parte a
bateriei, acest lucru împiedicând efectul de scădere a acțiunii substanțelor activate.

Fig. 9 – Bater ie sigilată cu GEL – 12V – 100AH [1 6]

17
Bateriile total sigilate au o întreținere ușoară, sunt adecvate pentru apl icațiile fotovoltaice,
ele având o durata de viață îndelungată și performanțe ridicate. Aceste baterii au o durata de
viață de 10 ani în condițiile folosirii lor în mod corect.
Bateriile sigilate cu plumb acid (Fig.1 0) sunt concepute după o tehnologie de
recombinare a oxigenului. Utilizarea acestor baterii este foarte facilă, ele fiind potrivite pentru
aplicațiile ce folosesc sisteme fotovoltaice datorită duratei de funcționare de lungă durata și a
performanțelor ridicate. Acest tip de baterie are o durata de viață în medie de 5 ani (în cazul în
care utilizarea este corectă). Bateria este construită din plăci, separatoare, supape de siguranță și
un container. Datorită construcției interioare speciale, bateria poate fi folosită în orice poziție,
fără scurger i. Nu poate fi folosită pentru pornirea motorului.

Fig. 10 – Baterii Sigilate AGM – 12V – 12AH [1 7]
Caracter isticile pe care trebuie sa le îndeplinească o unitate de stocare a energiei solare
sunt urmă toarele:
 unitatea d e stocar e trebuie s ă fie capabil ă să primeasc ă energia cu maximum de vitez ă
fără forțe termodinamice excesive;
 unitatea de stocare trebuie s ă livreze energia cu maximum de vitez ă fără a utiliza for țe
termodinamice excesive;
 unitatea de stocare trebuie sa aib ă pierderi mici ;
 unitatea de stocare a energiei trebuie s ă fie capabila s ă suporte un numar ridicat de cicluri
încarcare -descarcare, f ără diminuarea substanțială a capacitatii sale;

Principalele caracteristici pe care trebuie să le îndeplinească un sistem de stocare a
energiei termice s unt [18]:

 capacitatea de stocare a energiei pe unitat ea de volum sau de greutate ;
 domeniul de temperaturi în care funcționează sistemul de stocare, adică temperatura la
care căldura este introdusă în sistem și temperatura la c are căldura este evacuată din
sistem;
 modurile de introducere sau evacuare a căldurii în sistem și diferențele de temperatură
asociate cu acestea;
 distribuția temperaturii în sistemul de stocare;
 cerințele de putere privind introducerea și evacuarea căldu rii în sistemul de stocare;

18
 containerele, rezervoarele sau celelalte elemente componente ale sistemului de stocare;
 mijloacele de control al pierderilor termice din sistemul de stocare;
 costul sistemului de stocare.

O alternativă eficientă în acumularea energiei termice este reprezentată de utilizarea unor
boilere în care apa caldă să fie preparată în regim cvasi -permanent.
Instalațiile solare termice încălzesc apă potabilă, cu ajutorul energiei solare. Având în
vedere că energia solară nu este disponibi lă în mod constant și uniform, aceste instalații au
nevoie de boilere sau rezervoare pentru stocarea apei calde. Apa sau agentul termic stocat, vor fi
utilizate în perioadele fără disponibil de energie solară sau în care necesarul de energie termică
este m ai mare decât disponibilul de energie solară. Volumul de apă caldă sau de agent termic
stocat în aceste instalații, este mai mare decât în cazul instalațiilor convenționale. Soarele
încălzește lichidul din panouril e solare de pe acoperiș. Căldura de la lic hidul din panouri este
transferată în apa menajeră din rezervor și astfel această este încălzită.
Un sistem de stocare prevăzut cu circulația forțată a apei între captator și rezervor
funcționează astfel: Î n timpul captării și stocării energiei solare sub formă de apă caldă,
utilizatorul nu consumă energie (deci apă caldă). Temperatura apei din rezervorul de stocare
crește, de la o valoare inițială T1 pînă la o valoare finală T 2, în timp ce robinetele R 1 și R 2 sunt
închise. După ce s -a atins temperatura T 2, se pot deschide robinetele R 1 și R 2 pentru a furniza
utilizatorul ui apă caldă. Temperatura apei din rezervorul de sto care începe să scadă treptat, pâ nă
la limita inferioară Tx.
Există însă și situaț ii în care fluidul din captator nu poate fi același cu cel din rezervorul
de stocare a energiei. De exemplu, în regiunile cu climă rece este necesar a se circula prin
captator un fluid cu punct scăzut de înghețare pentru evitarea înghețului în zilele geroase de
iarnă.

Fig. 11 – Sche ma unei instalații de încălzire solară a apei cu circulație naturală [19]

19

Fig. 12 – Schema unei instalații de încălzire solară a apei cu circulație forțată [19]

3.2. Introducere în conceptul preliminar al rezervoare lor de stocare a a pei

În continuare s e va studia modul în care se vor amplasa rezervoarele și panourile solare
termice , în fun cție de structura turnului de susținere al acestora .
În Fig.1 4, este realizat desenul de execuție al turnului de susținere al panourilor solare și
turbinei eoliene. Cu ajutorul acestuia se poate calcula usor suprafața totală pentru a amplasa
numărul optim de panouri solare.

Rezervoarele ce vor colecta apa sunt amplasate
în felul următor:
 Platforma 4: 1 x 700 mm;
 Platforma 3: 4 x 700 mm;
 Platfo rma 2: 4 x 960 mm;
 Platforma 1: 5 x 960 mm.

Fig. 13 – Modul de fixare al structurii

20

Fig. 14 – Desen de execuție al turnului de suținere

21
4. Studiu asupra comportamentului unor rezervoare și a dispozitivelor de
rezemare a acestora, în două concepte de modelare diferite

În lucrare se studiază modul în care se comportă un rezervor, în funcție de modelarea
structurală. În prima varia ntă se va prezenta un rezervor cu diametrul de 960 mm, cu înalțimea
de 1500 mm, iar în a doua variantă, rezervorul va avea diametrul de 700 mm cu înalțimea de
1500 mm.
Recipientele sunt realizate dintr -un material compozit stratificat cu grosimea de 1,5 m m,
umplute cu apă. Caracteristicile echivalente ale materialului pseudo(cvasi) omogen și izotrop
sunt E comp = 12,9 Gpa și ν comp = 0,37. Se consideră că recipientele sunt umplute cu apă până la
înălțimea maximă de 1500 mm a porțiunii cilindrice. Deasupra ac esteia se consideră că fiecare
recipient este închis cu un capac similar celui din partea inferioară.
Dispozitivele de rezemare sunt realizate în ambele cazuri din țevi de oțel Ø 33,7 x 3,25
mm, picioarele având tălpici rotunde din tablă de 5 mm grosime, cu diametrul de 100 mm.
Caracteristicile elastice sunt cele cunoscute: E Ol = 200 Gpa și ν Ol = 0,3.
Dispozitivele de rezemare se pot considera încărcate cu greutatea rezervoarelor, uniform
distribuită pe inelul/torul pe care se sprijină rezervoarele, de fa pt, prin intermediul elementelor de
fixare, greutatea fiind orientată pe direcția normalei la capac (se măsoară pe desenul reprezentat
corect la scară).
Densitățile celor două materiale sunt: ρ comp=1,65 kg/dm3 și ρ Ol= 7,85 kg/dm3.

4.1. Modelarea 3D a rezervo arelor

Din analiza asupra comportamentului structural a cele două concepte mai sus amintite, va
rezulta modul de răspuns a elementelor structurale în funcție de conlucrarea elementelor. Am
ales să reprezint tridimensional cele două modele structurale î n programul Catia V5R19,
deoarece cu acesta se lucrează mult mai ușor și mai apoi să le import pentru calcul în Ansys,
pentru a avea o analiză cu elemnte finite cât mai apropiată de realitate a modelului, ceea ce într –
un soft de modelare 3D precum Catia nu se poate obține.

Etapele simulării în analiza structurală cu elemente finite în programul Ansys Workbench
sunt următoarele:

 Preprocesare  Material, model geometric, condiții la limită, discretizare;
 Procesare  Rezolvarea modelului matematic ;
 Postpr ocesare  Vizualizare rezultate, analizare, comparare rezultate analitice cu cele
experimentale .

22
4.2. Rezervor cu diametrul de 960 mm și analiza structurală

În figura de mai jos se află desenul de execuție al primului rezervor, realizat de S.C.
Compozite S .R.L. Brașov și aprobat de dr. Ing. Dorin Roșu.

Fig. 15 – Desen execuție recipient stocare Ø960
În figurile de mai jos se află modelarea 3D a rezervorului, împreună cu dispozitivele de
rezemare.

Fig. 16 – Recipient stocare modelat în programul Catia V5R19

23

Fig. 17 – Placa inferioară (suport)

Fig. 18 – Inel interior cu suporți

Placa inferioară, inelul interior și suporții sunt reali zate din oțel pentru țevi OLT 35 care
poate fi turnat în orice formă fiind flexibil și de as emenea durabil. Cele mai importante
proprietăți ale oțelului sunt tenacitate a și durabilitate a înaltă, rezistența la rupere, limita la
curgere și conductivitate a termică bună. Pe lângă aceste proprietăți , o altă caracteristică
importantă este rezistența la coroziune.

24
Inelul are trei picioare scurte deoarece în acest mod ii oferă stabilitate rezervorului,
centrul de greutate fiind foarte jos.
Recipientul este realizat din poliester armat cu fibră de sticlă (P.A.F.S.), un material
compozit format din rășini armate cu fibră de sticlă. P.A.F.S. este un material ușor, puternic, cu
foarte multe utilizări, inclusiv rezervoare de stocare, stații de epurare, separatoare de hidroc arburi
sau de grăsimi, silozuri etc.
Produsele din poliester armat cu fibră de sticlă sunt tes tate în timp, deoarece acestea și -au
dovedit durabilitatea și eficiența în medii dificile și aplicații speciale, perioade foarte lungi.
Acesta are o durată minimă de viață de 50 de ani. Calitatea suprafețelor interioare și exterioare
este constantă fără modificări majore în timp.
Alte avantaje ale acestui material ar fi că produsele obținute sunt cu 10% – 15% mai
ieftine decât cele din metal și cu 20% – 30% mai ieftine decât cele construite din beton, cântăresc
doar 25% din greutatea produselor sim ilare din metal și aproximativ 10% comparativ cu produse
similare din beton. Produsele din P.A.F.S. sunt mai ușoare, deci costurile de transport și
manipulare sunt mult reduse, utilizarea de echipamente grele pentru manevrare fiind practic
eliminată. [20]
Produsele din P.A.F.S. pot menține nivelul de rezistență structurală solicitat în cele mai
multe proiecte și aplicații, iar conductivitatea termică scăzută minimizează pierderile de
temperatură și, în multe cazuri, elimină condensul sau nevoia de izolare termică suplimentară.
Produsele realizate din P.A.F.S. sunt rezistente la coroziune atât la interior cât și la
exterior. Acestea se pot folosi pentru acizi diluați, solvenți organici și alte chimicale corozive
fără să fie necesare căptușeli suplimentare s au acoperire la exterior. Costurile cu întreținerea pe
durata de viață sunt reduse aproape la zero datorită absenței coroziunii și oferă o mare
flexibilitate în design. S e pot realiza cu rezistență la foc prin selecția adecvată a tipului de rășină.

Pentru a avea rezultatele simulării structurale cât mai bune, se face o discretizare a
modelului 3D. Discretizarea este, probabil, cea mai important ă parte în oricare dintre simulări pe
computer , deoarece aceasta poate arăta schimbări drastice în rezultatele pe care le obține.
Discretizarea sau mesh -area înseamnă că se creează un fel rețea virtuală cu un număr finit
de puncte denumite ”noduri ”. Rezultatele sunt calculate prin rezolvarea ecuațiilor relevante
numeric la fiecare dintre nodurile rețelei . Ecuații le care guvernează sunt aproape întotdeaun a
ecuații diferențiale parțiale , și se utilizează metoda elementelor finite pentru a găsi soluții la
aceste ecuații . Structura și poziționarea r elativă a nodurilor afectează soluția , eficiența
algoritmilor si timp ul de calcul . Discretizarea modelului de față nu este foarte fină, deoarece
sotware -ul academic are o limită de 30000 de noduri/elemente, iar la o geometrie mai complicată
ca aceasta, cu multe elemente , mesh -ul este mai slab din punct de vedere al apropieri i de realitate
al rezultatelor generate. Am ales să fac multiple simulări cu discretizări diferite pentru a compara
rezultatele.

25

Fig. 19 – Discretizarea modelului cu 30 mm (35282 elemente)

Recipientul este fixat pe fundamen tul din ciment, căruia i s -a adăugat presiune
hidrostatică pe fețele interioare.

26

Fig. 20 – Aplicarea presiunii hidrostatice

Presiunea exercitat ă în interiorul lichidului, în cazul de față apă, aflat în echilibru în câ mp
gravi tațional se numeș te presiune hidrostatică . Aceasta este evident mai mare în partea inferioară
a recipientului și mai mică în partea superioară.
Un fluid aflat în repaus, exercită forțe orientate perpendicular pe orice suprafață aflată în
conta ct cu fluidul. Dacă forța F exercitată de lichid nu ar fi perpendiculară pe perete, am putea să
o descompunem într -o componentă normală și o componentă tangențială. Sub acțiunea forței
tangențiale, lichidul s -ar deplasa în lungul peretelui vasului și nu a r mai fi în echilibru.
Suprafața liberă a unui lichid aflat în echilibru se orientează asfel încât ea să fie
perpendiculară pe rezultanta tuturor forțelor. Astfel, dacă un vas ce conține apă este pus într -o
mișcare accelerată, suprafață apei s e înclină până când devine perpendiculară pe rez ultanta dintre
greutate și forța de inerție.
Presiunea p la adancimea h in lichid se calculeaza astfel:

Astfel, expresia de calcul a presiunii in interiorul unui lichid este:
p =ρgh

Presiunea este independentă de orientarea suprafeței, depinzâ nd numai de adâncimea h la
care se masoar ă aceasta ș i de densitatea ρ a lichidului.
Valoarea maximă rezultată a presiunii hidrostatice este 0,015 3 MPa, aplicându -se forța
gravitațio nală de 9,81 m/s2 și densitatea apei de 1000 kg/m3.

27
Conform teoriei clasice de rezistență, avem ipoteza că că un anumit factor determinant
este preponderent în atingerea stării limită și că valoarea acestuia este aceeași în cazul stării
plane sau spațial e de tensiune ca și în cazul stării monoaxiale de tracțiune simplă constituie o
teorie de rezistență.
În figurile de mai jos este reprezentată tensiunea echivalentă, tensiunea normală
principală produsă în recipientul supus la întindere și compresiune, p entru a se crea în aceasta o
stare de tensiune cu același grad de periculozitate ca și în cazul stării de tensiune inițiale.
Starea limită se atinge când tensiunea principală maximă din elementul de rezistență
atinge valoarea tensiunii principale maxime d e la solicitarea de tracțiune simplă.

Fig. 21 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960, ech max = 41,5 Mpa , cu discretizare a modelului – 30 mm
(35282 elemente)

Fig. 22 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960, ech max = 41,5 Mpa , cu discretizare a modelului – 30 mm
(35282 elemente)

28

Fig. 23 – Deformația totală a rezervorului cu Ø960 (secțiune), este 1,078 mm , cu discretizare a modelului – 30 mm
(35282 element e)

Fig. 24 – Deformația totală a rezervorului cu Ø960, este 1,078 mm , cu discretizare a modelului – 30 mm (35282
elemente)

Conform analizei structurale, valoarea maximă a tensiunii echivalente de 41,5 MPa în
zona suporților pe care este rezemat recipientul de stocare a apei, iar valoarea scade spre partea
superioară unde nu mai avem încărcări .
O altă simulare este realizată cu o discretizare mai fină de 25 mm ( 67375 elemente) care
vor genera rezultate mai apropiate de realitat e.

29

Fig. 25 – Discretizare a modelului – 25 mm (67375 elemente)

Fig. 26 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960, ech max = 45,9 Mpa ,
cu discretizare a modelului – 25 mm (67375 elemente)

30

Fig. 27 – Tensiunea echi valentă pentru rezervor cu Ø960 (mesh rafinat cu schimbarea modului de rezemare) ,
ech max = 48,9 Mpa

Fig. 28 – Deformația totală pentru rezervorul cu Ø960 este 1,14 mm ,
cu discret izare a modelului – 25 mm (67375 elemente)

31

4.3. Rezervor cu diametrul de 700 mm și analiza structurală a acestuia

Un al doilea model de recipient de stocare a apei este cel cu diametrul de 700 mm și
înalțimea de 1500 mm, la fel ca în cazul anterior. Desenu l de execuție a fost realizat de
furnizorul proiectului, S.C. Compozite S.R.L. Brașov și aprobat de dr. Ing. Dorin Roșu.

Fig. 29 – Desen execuție recipient stocare Ø700
Acest recipient a fost modelat în mod silmilar celui preze ntat anterior, în scopul analizării
structurale și comparării rezultatelor.

Fig. 30 – Modelarea 3D a recipientului al doilea de stocare a apei în programul Catia V5R19

32

Rezultatele obținute în acest caz sunt diferite față de primul model. În primul rând avem o
discretizare de 30 mm, apoi mesh -ul se rafinează, la 20 mm. Datori tă discretizării puțin mai fine,
având un diametru mai mic, nodurile nu au un număr la fel de mare ca primul rezervor.

Fig. 31 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700, ech max = 15,9 Mpa, cu discretizare a modelului – 30 mm
(35282 elemente)

Fig. 32 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700 (detaliu picioare rezemare)

33

Fig. 33 – Deformația totală a rezervorului cu Ø700, este 1,078 mm , cu discretizare a model ului – 30 mm (35282
elemente)

Fig. 34 – Deformația totală pentru rezervorul cu Ø700 (detaliu), cu discretizare a modelului – 30 mm (35282
elemente)

Se observă faptul că în zona picioarelor de susținere tensiunea este cea mai m are, acestea
fiind supuse la compresiune și sunt încărcate cu greutatea rezervorului uniform distribuită pe
inelul pe care se sprijină acesta.

34

Un rezultat surprinzător se observă la an aliza deformației totale. În partea superioară
rezervorul se deformează maxim cu numai 1,078 mm.
O a treia variantă de simulare este reprezentată de modul în care am ales condițiile la
limită diferit și anume unul din picioarele suportului fixat, iar celelalte două se deplasează în
plan.

Fig. 35 – Aplicarea condițiilor la limită: 1 picior fixat, 2 se deplasează în plan

Fig. 36 – Deformația totală a rezervorului cu Ø700 este de 0,162 mm, Mesh – 20 mm (101883 elemente)

35

Fig. 37 – Tensiunea echiva lentă pentru rezervor cu Ø700, ech max = 26,861 Mpa

În conluzie, rezervoarele rezistă sarcinilor aplicate, fără să se rupă , însă c el de -al doilea
rezervor (D=700mm) este mai rezistent .Cu cât discretizarea este mai fină cu mai multe noduri și
elemente, cu atât rezultatele calculelor sunt mai corecte și mai apropiate de realitate , iar
tensiunea maximă crește odată cu creșterea numărului de elemente . Dispozitivele de rezemare
scurte au centrul de greutate foarte jos și sunt confecșionate din oțel pentru țe vi ceea ce oferă o
susținere și o rezistență foarte bună o lungă perioadă de timp.
Dacă se fixează un picior și celelalte două se mișcă pe plan, cresc tensiunile, acestea
putând să se deplaseze, nepărăsind însă planul .

4.4. Calculul simplificat al volumelor rezervoarelor

Pentru calculul volumului primului rezervor, voi lua în considerare cilindrul principal,
partea cilindrului de la bază și cele două calote sferice.

Fig. 38 – Formulă calcul cilindru circular drept [21]

36

Fig. 39 – Formule calcul calotă sferică [ 22]

Calculele analitice au fost realizate în Microsoft Excel , pentru a face comparație cu
rezultatele generate de Ansys .
Cilindrul Ø960 mm3 l
Vol cil 1 1085734421.0806 1085.734421
Vol cil 2 21714688.42 21.71468842
Vol calota sf 1 46291158.31 46.29115831
Vol calota sf 2 46291158.31 46.29115831
Vol total 1200031426.1245 1200.031426

Cilindrul Ø700 mm3 l
Vol cil 1 577267650.0971 577.2676501
Vol cil 2 7696902.001 7.696902001
Vol calot a sf 1 8415279.521 8.415279521
Vol calota sf 2 8415279.521 8.415279521
Vol total 601795111.1413 601.7951111

37

Fig. 40 – Comparație calcule analitice cu rezultate Ansys

Fig. 41 – Variația rezultatelor în funcție de Mesh

38
5. Introducere în configurația panourilor solare
5.1. Funcționarea panourilor solare termice

Energia solară este difuza. Prima oară este colectată apoi concentrată. În sisteme de scară
utilitară energia solară tinde să fie concentrată în c olectori la un nivel mult mai ridicat. În
sistemele rezidențiale, se obișnuiește să se folosească panouri solare pentru a colecta și concentra
energia solară.
De aceea, sistemele de scară utilitară sunt denumite „concentratori” și panourile
rezidențiale „ colectori”. Sistemele de scară utilitară sunt de obicei amplasate în cele mai bune
locații și folosesc heliostate pentru a monitoriza mișcarea soarelui pentru o eficientă adițională,
în timp ce panourile rezidențiale nu au suficiente economii de scară.
Panourile solare sunt clasificate în mai multe tipuri de categorii, după diferite criterii: în
funcție de modul de utilizare , în funcție de modalitatea de captare a căldurii sau după
modalitățile de construcție.
Panourile solare termice concentrează energi a în sisteme de stocare termică. Panourile
fotovltaice fac același lucru, electric, dar nu colectează totdeauna. La instalarea panourilor
fotovoltaice trebuie să se țină cont dacă se leagă la sistem, unde se poate vinde energia obținută
suplimentar sau un sistem independent care are încorporată o baterie sau alt sistem de stocare a
energiei.
Panourile solare termice sunt folosite pentru a genera căldură. Sunt 4 tipuri de colectoare:
plate, cu tuburi vidate, parabolice și aerotermice. Acestea colectează căl dură provenită de la
soare și o transferă încălzind apă într -o zona centrală unde poate fi depozitată. Majoritatea
acestor sisteme sunt active și folosesc pompe pentru a transferă fluidul. Sistemele pasive folosesc
termosifon (circulația fluidului se face în circuit închis datorită diferenței dintre greutatea
specifică a fluidului cald care se ridică prin conducta de plecare și greutatea specifică a fluidului
care vine pe conducta de întoarcere la sursă de căldură).
Panourile solare termice, pe care le vo m utiliza în proiectul de față sunt recomandate în
sezonul rece, fiind utilizate pentru încălzirea apei menajere, a piscinelor, etc. în intervalul
primăvară -toamnă. Ele asigură în jur de 60 -80% din necesarul de apă caldă iarna, iar vara asigură
necesarul d e 100 %.
Acestea sunt formate din plăci plane din cupru, care ajută la captarea energiei solare . Sunt
acoperite cu un material conceput pentru a deter mina absorbția energiei solare și sunt amplasate
pe o izolație din fibră de sticlă, înch ise într -un cadr u de aluminiu, acoperite cu sticlă pentru o
eficiență sporită .
Principiul de fincționare al panourilor solare termice este deci de a capta energia solară și a o
transforma în căldură, transferand -o în sistem sub forma apei calde. Se utilizează împreună cu un
boiler ce va colecta apa.

39
Panoul utilizează energia soarelui pentru a încalzi fluidul din interiorul acesuia care în
general e un amestec de apă și glycol (antigel solar) , indispensabil pentru functionarea unui
sistem de panouri solare pentru incalzir ea apei menajere și care asigură protectie impotriva
inghetului circuitelor termice .

5.2. Calcul preliminar al unei tipodimensiuni

Fig. 42 – Geometria panoului solar termic

40

Forța aerodinamică pe panou:
=
[N]
unde,
S – suprafața în plan a panoului;
v – viteza vântului, v = 30 m/s;
ρ – densitatea aerului , ρ = 1,29 kg/m3
Cx – coeficientul aerodinamic, unde Cx ≈ 2
L = 1956 mm, l = 992 mm, h = 50 mm

 Se consideră cazul în care vântul bat e perpendicular pe panou:
=
( )
=
=
 Se consideră cazul în care L panou este înclinat cu 13 °:
=
( )
= ( )
=

Se consideră o grindă a structurii încas trată la un capăt și simplu rezemată la
celălalt, încărcată cu o sarcină uniform distribuită. Se vor realiza calculele de rezistență pentru a
determina deplasarea maximă, momentul încovoietor ș i tensiunea de fo rfecare și se va trasa
diagrama de eforturi. [ 23]

41

Calculul reacțiunilor, verificarea reacțiunilor, calculul eforturilor și trasarea diagramelor
N(efort axial), V(forță tăietoare), M(moment încovoietor).
 Ecuațiile de echilibru static:
∑ = ; ∑ = ; ∑ =
∑ = = = ;
∑ = ; =
∑ = => -RV B * 1000 m + 200 daN/m * 1000 m * 1000m/2=0
=> RV B*1000 m = 200 daN/m *1000 m * 500 m
=>RV B = 100000 daN/m
∑ = => +RV A * 1000 m – 200 daN/m * 1000 m * 1000m/2=0
=> RV A*1000 m = 200 daN/m *1000 m * 500 m
=>RV A=100000 daN/m

42
 Verificarea reacțiunilor verticale;
∑ = ; = =

 Calculul eforturilor și trasarea diagramelor:
VA = + R VA = +10 0000 daN
VB = + R VB = -100000 daN
M1 = 0
M2 = 0
M3(VB) = Mmax = R VA * 500 m – 200 daNm * 500 m * 250 m
M3(VB) = Mmax = 100000 daN * 500 m – 200 daNm * 500 m * 250 m
M3(VB) = Mmax = 100000 daN * 500 m – 200 daNm * 500 m * 250 m
M3(VB) = Mmax = 50000000 daN – 25000000 daNm = 25000000 daNm

Fig. 43 – Diagrama de eforturi a grindei simplu rezemate

RH

43
Unde:
P – sarcina concentrată sau suma sarcinilor distribuite (daN)
T – forța tăietoare aplicată asupra grinzii într -o secțiune oarecar e (daN)
M – momentul încovoietor aplicat asupra grinzii într -o secțiune oarecare (daN cm)

Pentru simplificare, calculele au fost realizate inițial în Microsoft Excel pentru o bară cu secțiune
patrată cu profil închis. [24]

44

Fig. 4. Deformația pe dir ecția axei Y

Fig. 5. Tensiunea echivalentă von Mises

În graficul de mai sus, putem observa cum variază curba tensiunii echivalente pe
suprafața superioară a grinzii.

45
6. Proiectare – Dimensionare panouri solare apă caldă menajeră

Instalația solară este o sursă suplimentară și, prin urmare, trebuie să reprezinte doar o
sursă de economisire, și nu de asigurare a confortului. Din acest motiv, sunt neglijate, în general,
valorile maxime ale consumului zilnic.
Fiecare aplicație a sistemului termic are un anu mit profil anual de consum al apei
menajere care trebuie luat în calcul în scopul unei dimensionări corecte a sistemului solar.
Componentă principală care stă la baza dimensionării panourilor solare este reprezentată
de necesarul termic al aplicasiei spec ifice pe care dorim să o integrăm. În mod special, se vor
stabili valorile lunare și cele anuale ale necesarului termic. În cazul instalațiilor solare se pot
ignoră informațiile legate de vârfurile zilnice de consum și se va ține cont de dimensionarea
pano urilor solare și nu de gradul de confort (că de exemplu, prezența constanța a unei mari
cantități de apă menajeră), acesta din urmă reprezentând o prerogativa fundamentală atunci când
se aleg dimensiunile sistemelor tradiționale de încălzire (instalații cu cazan ori sisteme similare).
Evoluția anuală a necesarului de energie trebuie comparată cu energia furnizată de soare.
Acest raport crește în timpul verii și scade pe măsură ce vremea se răcește (curbă tip clopot).îi cu
cazan ori sisteme similare).

Fig. 44 – Evoluția anuală a necesarului de energie [25]
Evolutia anuala a energiei solare este influentata in mod considerabil de pozitionarea
(inclinarea si orientarea) campului de colectoare, element tratat in Fig. 46.

46

Fig. 45 – Orientarea Υ: Orien tarea spre sud (Υ=0°) reprezintă condi ția ideal ă, obținâ ndu-se astfel
cea m ai mare cantitate de energie atâ t pe o baza anual ă câ t și lunar ă.
Înclinatia ß: Unghiul de inclinație optimă [26]

Unghiurile optime de înclinație sunt mai reduse pentru producția de apă caldă, deoarece
țin cont de înălțimea cea mai ridicată a soarelui în timpul verii.
În Fig.46, am proiectat panoul solar termic, de dimensiuni 2000 mm x1000mm x100mm,
cu țevi din cupru cu diametrul de 5 0 mm. Cadrul este realizat din aluminiu, acoperit cu o placă
din plexiglas.

47

Fig. 46 – Proiectare 3D panou solar în programul Catia V5R19

În continuare am proiectat și analizat structural mai multe variante de suporți pentru
panouri pentru a vedea rezistența acestora din punct de vedere mecanic.

Fig. 47 – Proiectare cadre panou ri solar e – ansamblu , bare profil pătrat

48

Fig. 48 – Detalii prindere cadru panou

În figurile de ma i jos, am realizat analiza structurală a cadrului panoului solar din bare cu
profil pătrat, dimensiuni 40mm x 40 mm. Forța aplicată este de 5000 N iar materialul este
aluminiu , cu densitatea 2770 kg/m3, modulul lui Young 71000 Mpa și coeficientul Poisson 0 ,33.

Fig. 49 – Deformația totală a cadrului panoului este 0,384 mm în zona mediană

49

Fig. 50 – Tensiunea echivalentă von – Mises este 11,16 Mpa

O altă variantă a cadrului am realizat -o cu bare profil dreptunghiular din aluminiu, cu
dimensiunile 50mm x 40 mm și bare profil U.

Fig. 51 – Proiectare cadru bare profil rectangular și profil U

50

Fig. 52 – Deformația totală – 12,53 mm

Fig. 53 – Tensiune echivalentă maximă, ech max = 224 Mpa

Rezultatele acestui tip de cadru arată faptul că nu este la fel de rezistent precum cel,
anterior, deci nu este o alegere fericită din punct de vedere mecanic/structural.
Următorul cadru l -am realizat cu posibilitatea de reglare a unghiului panoului solar, ceea
ce ii oferă o eficientă sporită. Suporții care vor ține cadrul fixat sunt din ciment, barele principale
din oțel, iar barele pe care se vor sprijini panourile din aluminiu.

51

Fig. 54 – Variantă complexă cadru panou solar fără panouri

Fig. 55 – Variantă complexă cadru cu panouri montate
Panourile solare pot fi montate atât vertical cât și orizontal, utilizându -se ansamble ce pot
regla unghiul de înclinare a panourilor între 10 și 45 ° grade, cu pas de 5 °.

52

Fig. 56 – Poziționare profil cadru [27]

Fig. 57 – Utilizare cârlige prindere panou solar [27]

Fig. 58 – Sisteme de susținere și clipsare

53
Structurile metalice din oțel galvanizat după profilare și profile din tablă zincată sunt
utilizate la orientarea și fixarea panourilor, conferă o siguranță deplină în exploatare.
Clemele de fixare din aluminiu al iaj 6060 cu rezistență înalta la solicitări mecanice,
împreună cu șuruburile inoxidabile tip A2, conferă stabilitate și termen nelimitat de garanție a
fixării panourilor fotovoltaice fără întreținere. [28]

Avantajele structurilor si sistemelor de fixare pen tru modulele fotovoltaice:

 Structuri din aluminiu și inox, pentru rezistență nelimitată;
 Sistem de structuri economice galvanizate, cu nivel înalt de rezistență la coroziune;
 Ancorare cu buloane in în fundație de beton armat ;
 Utilizare șuruburi zincate cu re zisten ță mărită clasa 8.8 sau 10.9 ;
 Fixare fermă a modulelor fotovoltaice cu rezistență la vânt de până la 150 km/h și zăpadă
de 200 kg/m2.

6.1. Analiza panoului solar în Ansys Fluent

La începutul anilor 80, energia solară a revenit în sfera de interes a activității tehnice mai
ales din cauza creșterii continue a prețurilor resurselor clasice de energie, dar și datori tă
perfectionării tehnologice care i -au permis o utilizare mai rentabilă. În acest context s -au
promovat sistemele de preparare a apei calde și cel pentru încălzirea clădirilor cu ajutorul
captatoarelor solare. Aceste aplicații imediate ale energiei solar e reprezintă varianta activă a
tehnicilor termice, adică producerea de apă caldă (30  – 70C) prin transformarea cu ajutorul
insolatorilor în caldură, a circa 35% din energia incidentă. De asemenea aerul poate fi agent
termic pentru aplicații specifice: în călzirea unor incinte, uscarea unor produse, etc. [19]

Se consideră o porțiune dintr -un insolator plan a cărui construcție schematizată este
reprezentată în figura 59. Țeava cu aripioare este montată într -o incintă izolată termic la partea
inferioară și prevăzută cu un geam transparent la partea superioară. Notațiile din figură
reprezintă:
 H radiația solară incidentă [kcal/m2h],
 R pierderile de căldură prin radiație termică în mediul înconjurător [kcal/m2h],
 C pierderile de căldură prin conducție în izolația insolatorului [kcal/m2h].

54

Fig. 59 – a) Schema de principiu a insulatorului plan
b) Domeniul de integrare [19]

Am proiectat panoul solar în programul Catia VR19, apoi am efectuat o sim ulare a
acestuia în Ansys Workbench – Fluent, pentru a vedea cum se propagă căldura în interiorul
acestuia.
Am aplicat accelerația gravitaționala de 9,81 m/s2, pe direcția axei Z, viteza de admisie
de 1 m/s magnitudine, presiune la ieșire constantă, temp eratura constantă de 300 K, suprafața
superioară a panoului este semitransparentă din plexiglas, iar cea inferioară este cea absorbanta
din aluminiu.

55

Fig.1 5. Aplicarea condițiilor la limită în Ansys Workbench

Fig.1 6. Calcularea soluției cu 10 iterații

Fig.1 7. Viteza de intrare / ieșire

56

Fig.1 8. Variația temperaturii

Fig.1 9. Vizualizarea propagării turbulențelor

Rezultatele stu diului, reprezentate în figur ile de mai sus, arată că pentru a încerca o
îmbunătățire a randamentului termic al acestui tip de insolator este necesar ca liniile de
temperatură constantă să aibă de străbătut un drum cât mai scurt prin plăcuțele elementului
considerat până la țeava tranzitată de curentul de lichid, ceea ce rec lamă o geometrie specială a
plăcuțelor care să aibă o grosime s variabilă; de asemenea devierea liniilor de flux termic este
influențată de temperatura de intrare a lichidului precum și de viteza cu care aceasta circulă prin
țeavă.
Ținând seama de rezultat ele teoretice precum și de cele experimentale dar și prin
utilizarea unor materiale cu calități termice superioare este posibil ca în faza de proiectare să se
estimeze optimul între lungimea L și înălțimea B a elemenților insolatorului precum și distanța
între aceștia și geamul carcasei pentru a contracara pierderile de căldură prin izolație.

57

fotovoltaic
ă eolian
ă total
ă
hidr
o 7. Producția de energie în România în anul 2016

România și -a asumat pentru anul 2020 un procent al producției de energie din resurse
regenerabile de 24%. România a depășit deja acest prag. Vom analiza în continuare producția de
energie în România pentru anul 2016 folosind sistemulenergetic.com, ce raportează live date
despre producția și consumul de energie din România.

hidr
o eolian
ă fotovoltaic
ă
Fig. 60 – Energia reg enerabilă in România – 2016 [29]
Fig. 61 – Energia regenerabilă in România în raport cu producția totală de energie – 2016 [29]

58

fotovoltaic biomasă
Făcând media rezultă o producție totală medie zilnică de energie de 7244.94 MW.
Comparând cu 2063.14 MW media pentru hidroenergie, 734.29 MW media zilnică pentru
energia eoliană, 144.05 MW media zilnică pentru energia fotovoltaică și 50.84 MW media
zilnică pe ntru energia obținută din biomasă observăm următoarele valori procentual e pentru
resursele regenerabile :
 28.476% hidroenergie
 10.135% energie eoliană
 1.988% energie fotovoltaică
 0.701% biomasă

Totalul valorii medii zilnice a energiei regenerab ile produse în România în anul 2016
însumează aproximativ 41.3% din energia produsă.
În următoarea figură putem observa resursele din care este produsă restul energiei :

Fig. 63 – Producție energie resurse neregenerabile – 2016 [29]
Fig. 62 – Producția de energie din biomasă comparativ cu energia fotovoltaică – 2016 [2 9]
cărbune nucleară hidrocarburi

59
Folosind datele din figura precedentă obținem o medie zilnică de 1835.28 MW de energie
produsă din cărbuni, 1130.52 MW din hidrocarburi și 1286.84 MW din energie nucleară. Astfel
obținem următoarele procente :
 25.332% cărbune
 17.76% energie nucleară
 15.06% hidrocarburi

Reprezentând grafic producția medie zilnică de energie în anul 2016 în România
obținem:

Fig. 64 – Grafic – Producția medie zilnică de energie 2016 [29]

În figura de mai jos observăm compar ația între energia electrică produsă în Romania, cea
consumată si cea exportată.

Fig. 65 – Producția, consumul și exportul de energie 2016 [2 9] 10.14
28.48
15.60 25.33 1.99 0.70 Producție Medie Zilnic ă de Energie 2016
Eolian [%]
Hidro [%]
Hidrocarburi
[%]
consum productie
export

60
8. Concluzii

61
BIBLIOGRAFIE

[1] SURSE DE ENERGIE REGENERABILĂ, 2017 . [Online]. Disponibil :
http://biomasa.md/wp -content/u ploads/2016/09/Surse -de-energie –
regenerabile_ROM_2015_Web -micsorat.pdf .
[2] Curs „SURSE R EGENERABILE DE ENERGIE” – Adrian Ciocănea 201 6.
[3] Encyclopedia Britannica, "renewable energy", 2015. [Online]. Disponibil :
http://ww w.britannica.com/EBchecked/topic/17668/renewable -energy.

[4] Wikipedia, "Non -renewable resource", 2016. [Online]. Disponibil :
http://en.wikipedia.org/wiki/Non -renewable_resources.

[5] Curs ”Generarea energiei termice cu ajutorul energiei solare” – Cristian Bratu 2016. [Online].
Disponibil :http://retele.elth.ucv.ro/Bratu%20Cristian/SDPE/003%20 -%20Curs%202%20 –
%20SDPE%20 -%20Sisteme%20solaro -termice.pdf.

[6] Curs ” ENERGIA SOLARĂ TERMICĂ”, 2016. [Online]. Disponibil : http://www.ro -bul-
ret.eu/images/storie s/results/ret/modulul -3.pdf.

[7] S. Mediasoft, "Ghid Panouri Solare", Solarzone.ro, 2016. [Online]. Disponibil :
http://www.solarzone.ro/Ghid -Panouri -Solare.

[8] Amber.ro, "AMBER TECHNOLOGIES SRL – Categorii Panouri solare", 2016. [Online].
Disponibil : http://amber.ro/categorie/energii -regenerabile/panouri -solare/.

[9] Naturenergy.ro, "Panou solar termic", 2016. [Online]. Disponibil :
http://www.naturenergy.ro/panou -solar -termic -160185.htm#.VnMP2kp97IU.

[10] Energy.gov, "Solar Powering America Home | Department of Energy", 2016. [Online].
Disponibil : http://energy.gov/eere/solarpoweringamerica/solar -powering -america –
home#evacuatedtube.

[11] Instalatii.ro, "Energia Solara – Termica – Instalatii", 2016. [Online]. Disponibil :
http://www.instalatii.ro/en ergii-neconventionale/energia -solara -termica.

[12] "Principii de funcționare | ECOINSTAL – Pompe de căldură", Pompedecaldura.eu, 2016.
[Online]. Disponibil : http://pompedecaldura.eu/ro/principii -functionare.aspx .

[13] Retele.elth.ucv.ro, "Index of /", 2016. [Online]. Disponibil : http://retele.elth.ucv.ro.

[14] ”Soluții noi oferite de progresele chimiei moderne și unele contribuții românești”, 2016.
[Online]. Disponibil : http://www.agir.ro/buletine/170.pdf.

62
[15] Esolar.ro, "Baterii – Acumulatori pan ouri fotovoltaice pentru stocarea energiei la preturi
ieftine", 2016. [Online]. Disponibil : https://www.esolar.ro/tehnologie -solara -fotovoltaica/baterii –
acumulatori -panouri -fotovoltaice.html.

[16] Panouri -fotovoltaice.ro, "Categorii » Baterii » Baterii S igilate cu GEL – 12V – 100AH –
panouri -fotovoltaice.ro", 2016. [Online]. Disponibil : http://www.panouri –
fotovoltaice.ro/det_76_baterii -sigilate -cu-gel–12v–100ah.htm.

[17] Panouri -fotovoltaice.ro, "Categorii » Baterii » Baterii Sigilate AGM – 12V – 12AH –
panouri -fotovoltaice.ro", 2016. [Online]. Disponibil : http://www.panouri –
fotovoltaice.ro/det_72_baterii -sigilate -agm–12v–12ah.htm.

[18] Scribd, "STOCAREA ENERGIEI", 2016. [Online]. Disponibil :
https://www.scribd.com/doc/136329600/STOCAREA -ENERG IEI.

[19] M.D.Cazacu, R.M.R.Neacsu, Ciocănea, A., 1997, “Transferul de caldura in insolatorul
plan.”, Acta Universitatis Cibiniensis, Seria Tehnicã C, Mecanicã Apicatã, Vol. XVIII, , Sibiu,
Romania și A VII -a Conf. Nationala de Termotehnica, Universitate a Transilvania, Brasov, 23 -24
Mai 1997, 49 -54.
[20] "Poliester armat cu fibra de sticla", Spatiulconstruit.ro, 2017. [Online]. Disponibil:
http://www.spatiulconstruit.ro/articol/poliester -armat -cu-fibra -de-sticla -object_id=16858.
[21] "Formule calcul cili ndru drept – Geometrie", Imatematica.ro, 2017. [Online]. Disponibil:
http://www.imatematica.ro/volum_ccircular_drept.php.
[22] "Formule calcul calota sferica – Geometrie", Imatematica.ro, 2016. [Online]. Disponibil :
http://www.imatematica.ro/volum_calota_ sferica.php.

[23] "Rezistenta materialelor – calcule, confectii metalice, stalpi iluminat", Rezmat.ro, 2017.
[Online]. Disponibil : http://www.rezmat.ro.
[24]"Specific Beam Loading Case: Simply Supported: Uniform Load", Efunda.com, 2017.
[Online].
Dispon ibil:http://www.efunda.com/formulae/solid_mechanics/beams/casestudy_display.cfm?cas
e=simple_uniformload#target.
[25] "Proiectare – Dimensionarea Instalatiilor Solare – Panouri solare – sistem solar –
CALOR", Calorserv.ro, 2017. [Online]. Disponibil: http: //www.calorserv.ro/articole/panouri –
solare/proiectare -dimensionarea -instalatiilor -solare.
[26] "Proiectare – Dimensionare Panouri Solare Apa Calda Menajera – Panouri solare – sistem
solar – CALOR", Calorserv.ro, 2017. [Online]. Disponibil:

63
http://www.calo rserv.ro/articole/panouri -solare/proiectare -dimensionare -panouri -solare -apa-
calda -menajera.
[27] "How to install the solar panels on flat roof ?", Alma -solarshop.com, 2017. [Online].
Disponibil: https://www.alma -solarshop.com/blog/how -to-install -the-solar -panels -on-flat-roof–
n33.
[11] Structuri suport pentru panouri fotovoltaice in camp. [Online]. Disponibil :
http://www.goldprofil.ro/structuri -suport -panouri -fotovoltaice -in-camp.html.

[29] "Sistemul Energetic", Sistemulenergetic.com, 2017. [Online]. Dis ponibil:
http://sistemulenergetic.com/graphs.