Calcululrezervoarelordestocareaapeiși [303914]

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

Universitatea „POLITEHNICA” din București

Facultatea de MECANICĂ ȘI MECATRoNICĂ

CoNCEPȚIE INTEGRATĂ ÎN INGINERIA MECANICĂ

LUCRARE DE DISERTAȚIE

,,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] – [anonimizat] „energie“ are la bază cuvintele de origine latină „energia“ și de origine greacă „enerhia“, care aveau sensul – „activitate“. [anonimizat] a funcționa. Energia este definită ca fiind „capacitatea unui sistem fizic de a [anonimizat]-o stare în altă stare“. [DEX, 1996, p. 342.] Aceasta este o mărime ce prezintă o caracteristică 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. [anonimizat]. Astfel, o [anonimizat].

Folosirea energiei regenerabile și aplicarea măsurilor de eficientizare energetică reprezintă calea cea mai bună de reducere a impactului exercitat de combustibilii fosili asupra planetei noastre. [1]

[anonimizat]: „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. [anonimizat], biomasă, geotermal, [anonimizat]”.

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 cunoaștere a raportului dintre maturitatea tehnologică și maturitatea piețelor.

Sectorul energetic generează 80% din emisiile de gaze cu efect de seră (GES) din UE 15 fiind principala cauza a [anonimizat], 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 preindustriale. [anonimizat] 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]

Introducere

1.1. Generarea energiei termice cu ajutorul energiei solare

1.1.1. Generalități

O soluție viabilă 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 categoria 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, respectiv 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 solară),
vântul (energia eoliană), râurile (energie hidroelectrică), izvoarele termale (energie
geotermală), mareele (energia mareelor) și biomasa (biocombustibili).[3]

O resursa neregenerabilă este o resursă naturală, care nu poate fi reprodusă, cultivată,
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, petrolul și gazele naturale), energia nucleară
(uraniul) și 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 influență deosebită asupra radiației solare la sol o au: transparența atmosferei, nebulozitatea, felul norilor, grosimea și poziția 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 MW 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 scădere 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 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 independentă.

În Europa, în ceea ce privește energia solară folosită pentru încălzire, se estimează existența a unei suprafețe de 5,6 mil m2 ocupată de captori solari, iar în lume SUA ocupă primul loc cu cca. 6 mil m2. În anul 2010 se estimează ca Europa să dețină o suprafață de 20 mil m2 iar în lume vor exista cca. 1005,6 mil m2, 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 m2 ocupată de concentratori de diferite tipuri. Astăzi, situația este practic necunoscută, în special din cauza decăderii tehnice a sistemelor. Preocupările în domeniu sunt exclusiv pentru utilizarea energiei solare în scopuri domestice sau, în cel mai bun caz, crearea de soluții hibride prin utilizarea celulelor fotovoltaice.

Tipuri instalații solare

Instalațiile solare sunt de două tipuri: fotovoltaice și termice. Spre deosebire 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 utilizată 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 suprafață 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 energiei 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]

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 energie mecanică pentru transportul energiei termice către consumator sau rezervorul pentru stocare.

În sistemele pasive recepția, conversia și utilizarea energiei se realizează în același loc,
razele solare încălzind consumatorul de căldură. Aceste sisteme sunt, de obicei, simple, ieftine și sigure în exploatare (încălzirea locuințelor, sere, solarii, uscătorii etc). Fluxul aerului are loc datorită diferențelor de temperatură dintre diferite straturi.

Sistemele active de transformare a energiei solare sunt dotate cu colectoare solare, în care radiația solară e convertită în căldură, apoi transportată prin intermediul unui agent caloportor la consumator sau stocată în rezervor.

De-a lungul unui an, instalațiile solare livrează până la 70% din necesarul de energie pentru încălzirea apei calde de consum. Conversia energiei de radiație în energie termică se face cu ajutorul captatorilor solari, care pot fi utilizați cu sau fără concentrarea radiației solare.

Colectorul solar are o carcasă metalică dreptunghiulară 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% raportat 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, transferul 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 absorbant, 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]

Fig. 4 – Captator solar cu tuburi vidate

Elementul absorbant cedează căldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu atașate acestuia, agentul termic transportă energia calorică la consumator sau la un rezervor de stocare. Anumite instalații solare au circuitul agentului termic deschis, pe unde circulă apa necesară utilizatorului. În regiunile cu pericol de îngheț mai mare, se utilizează circuite separate. Circuitul primar, cel al colectorului conține un lichid 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 apei 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.

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 plastică (d).

Fig. 6 – Schimbătoare de căldură utilizate în colectoarele solare

Performanța unui colector solar este caracterizată de bilanțul său energetic, care are rolul
de a indica modul în care este distribuită energia solară incident în energie utilă și pierderile aferente.

Bilanțul energetic simplificat al colectorului plan solar

Din radiația solară globală (E) de unde scurte, directă și difuză, incidentă pe suprafața
transparentă, o parte importantă, τE, determinată de factorul de transmisie τ, ajunge pe suprafața
absorbantă unde este transformată în căldură. Radiația ρE este reflectată în spațiu de către suprafața transparentă și radiația αTE este absorbită, aceste valori fiind determinate cantitativ, respectiv de factorul de reflexie ρ și factorul de absorbție αT a materialului suprafeței transparente.

Pe suprafața absorbantă este reflectată parțial radiația τE incidentă, iar cea mai mare
parte este transformată în căldură.

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

Absorbtanța unor materiale și suprafețele absorbante sunt prezentate în următorul tabel:

Fig. 7 – Bilanțul energetic simplificat al colectorului plan solar [13]

Radiația solară este absorbită de către suprafața absorbantă a cărei temperaturi crește până la 40÷100°C, emițând și ea energie în banda de unde lungi infraroșii, pentru care suprafața transparentă este opacă. 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 transparentă, 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 acoperirea cu oxizi metalici sau vopsele speciale.

Atunci când căldura este captată de către suprafața de absorbție, rezultă creșterea temperaturii acesteia peste temperatura mediului ambiant, iar din cauza acestei diferențe de temperatură rezultă pierderi de căldură prin radiație și conducție 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 diminua prin izolația corespunzătoare, utilizând un material calitativ și mărind numărul suprafețelor transparente. Cu cât este mai mare temperatura suprafeței de absorbție și diferența de temperatură aferentă, cu atât este mai mare pierderea de căldură, realizându-se efectul de seră. Suprafața transparentă împiedică 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 suprafeței absorbante determină eficiența transformării radiației solare în căldură. O parte din radiația solară globală E, determinată de proprietățile materialelor suprafeșei trasparente și a celei absorbante, se transformă în căldură:

Qa = (ατ ) ⋅ E = A0 ⋅ E [W/m2]

unde,

Qa – este căldura produsă de suprafața de absorbție [W/m2];

A0 – factor optic – procentul din intensitatea radiației solare E care se transformă în cldură pe suprafața absorbantă.

Pierderile optice ale colectorului solar reprezintă diferența dintre intensitatea radiației solare și intensitatea radiației solare absorbită de suprafața absorbantă.

Qopt = E – Qa [W/m2]

Pierderile termice sunt proporționale cu diferența dintre temperatura Tp a suprafeței
absorbante și temperatura mediului ambiant Ta:

qt = k ⋅ (Tp – Ta ) [W / m2] sau qt = k ⋅ (Tm – Ta ) [W/m2 ]

unde,

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 suprafeței absorbante, [°C];

Tm =

unde,

Ti – temperatura lichidului la intrare, [șC];

Te – temperaturile lichidului la ieșire, [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 radiației solare date.

Fig. 8 – Trasarea caracteristicii unui captator solar

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

Pentru a proiecta 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 asemenea 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, colectorul solar va fi orientat către sud, iar în emisfera sudică, către nord.

Introducere în configurația rezervoarelor de apă, prin corelare cu turnul de susținere a panourilor solare

Modalități de stocare a energiei

Trăim intr-o perioadă de schimbări accelerate, totul fiind într-o transformare continuă. 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 construcțiilor 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 boli, 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 CO2 atmosferic 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 importante 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 asemenea, 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 produce 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.

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 dintr-o reacție chimică 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 captatoare 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. Instalațiile și kiturile fotovoltaice ajută la diminuarea concentrației de CO2 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 panouri 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 baterii 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 panourilor 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 fiecare parte a bateriei, acest lucru împiedicând efectul de scădere a acțiunii substanțelor activate.

Fig. 9 – Baterie sigilată cu GEL – 12V – 100AH [16]

Bateriile total sigilate au o întreținere ușoară, sunt adecvate pentru aplicațiile 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.10) 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 scurgeri. Nu poate fi folosită pentru pornirea motorului.

Fig. 10 – Baterii Sigilate AGM – 12V – 12AH [17]

Caracteristicile pe care trebuie sa le îndeplinească o unitate de stocare a energiei solare sunt următoarele:

unitatea de stocare trebuie să fie capabilă să primească energia cu maximum de viteză fără forțe termodinamice excesive;

unitatea de stocare trebuie să livreze energia cu maximum de viteză fără a utiliza forțe termodinamice excesive;

unitatea de stocare trebuie sa aibă pierderi mici ;

unitatea de stocare a energiei trebuie să fie capabila să suporte un numar ridicat de cicluri încarcare-descarcare, fără diminuarea substanțială a capacitatii sale;

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

capacitatea de stocare a energiei pe unitatea 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 care 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 căldurii în sistemul de stocare;

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 disponibilă 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 mai 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 panourile solare de pe acoperiș. Căldura de la lichidul 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: În 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 T2, în timp ce robinetele R1 și R2 sunt închise. După ce s-a atins temperatura T2, se pot deschide robinetele R1 și R2 pentru a furniza utilizatorului apă caldă. Temperatura apei din rezervorul de stocare începe să scadă treptat, până la limita inferioară Tx.

Există însă și situații 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 – Schema unei instalații de încălzire solară a apei cu circulație naturală [19]

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

Introducere în conceptul preliminar al rezervoarelor de stocare a apei

În continuare se va studia modul în care se vor amplasa rezervoarele și panourile solare termice, în funcție de structura turnului de susținere al acestora.

În Fig.12, 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;

Platforma 2: 4 x 960 mm;

Platforma 1: 5 x 960 mm.

Fig. 13 – Desen de execuție al turnului de suținere

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

Calcululrezervoarelordestocareaapeiși

priectareapanourilorsolaretermicealeunei

instalațiiintegratedeenergieverde

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 variantă 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 mm, umplute cu apă. Caracteristicile echivalente ale materialului pseudo(cvasi) omogen și izotrop sunt Ecomp = 12,9 Gpa și νcomp = 0,37. Se consideră că recipientele sunt umplute cu apă până la înălțimea maximă de 1500 mm a porțiunii cilindrice. Deasupra acesteia 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: EOl = 200 Gpa și νOl = 0,3.

Dispozitivele de rezemare se pot considera încărcate cu greutatea rezervoarelor, uniform distribuită pe inelul/torul pe care se sprijină rezervoarele, de fapt, 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: ρcomp=1,65 kg/dm3 și ρOl= 7,85 kg/dm3.

Modelarea 3D a rezervoarelor

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 în 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;

Postprocesare Vizualizare rezultate, analizare, comparare rezultate analitice cu cele experimentale.

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. 16 – Desen execuție recipient stocare Ø960

În figurile de mai jos se află modelarea 3D a rezervorului, împreună cu dispozitivele de rezemare.

Fig. 18 – Placa inferioară (suport)

Fig. 19 – Inel interior cu suporți

Placa inferioară, inelul interior și suporții sunt realizate din oțel pentru țevi OLT 35 care poate fi turnat în orice formă fiind flexibil și de asemenea durabil. Cele mai importante proprietăți ale oțelului sunt tenacitatea și durabilitatea înaltă, rezistența la rupere, limita la curgere și conductivitatea termică bună. Pe lângă aceste proprietăți, o altă caracteristică importantă este rezistența la coroziune.

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 hidrocarburi sau de grăsimi, silozuri etc.

Produsele din poliester armat cu fibră de sticlă sunt testate 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 similare 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 sau 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. Se 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 importantă 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. Ecuațiile care guvernează sunt aproape întotdeauna ecuații diferențiale parțiale, și se utilizează metoda elementelor finite pentru a găsi soluții la aceste ecuații. Structura și poziționarea relativă a nodurilor afectează soluția, eficiența algoritmilor si timpul 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 apropierii de realitate al rezultatelor generate. Am ales să fac multiple simulări cu discretizări diferite pentru a compara rezultatele.

Fig. 20 – Discretizarea modelului cu 30 mm (35282 elemente)

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

Fig. 21 – Aplicarea presiunii hidrostatice

Presiunea exercitată în interiorul lichidului, în cazul de față apă, aflat în echilibru în câmp gravitațional se numește 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 contact 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 ar 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 se înclină până când devine perpendiculară pe rezultanta 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, depinzând numai de adâncimea h la care se masoară aceasta și de densitatea ρ a lichidului.

Valoarea maximă rezultată a presiunii hidrostatice este 0,0153 MPa, aplicându-se forța gravitațională de 9,81 m/s2 și densitatea apei de 1000 kg/m3.

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 spațiale 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, pentru 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 de la solicitarea de tracțiune simplă.

Fig. 22 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960, ech max = 41,5 Mpa

Fig. 23 – Deformația totală a rezervorului cu Ø960 (secțiune), este 1,078 mm

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 realitate.

Fig. 24 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960, ech max = 45,9 Mpa

Fig. 25 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø960 (mesh rafinat), ech max = 48,9 Mpa

Fig. 26 – Deformația totală pentru rezervorul cu Ø960 este 1,14 mm

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. Desenul de execuție a fost realizat de furnizorul proiectului, S.C. Compozite S.R.L. Brașov și aprobat de dr. Ing. Dorin Roșu.

Fig. 27 – Desen execuție recipient stocare Ø700

Acest recipient a fost modelat în mod silmilar celui prezentat anterior, în scopul analizării structurale și comparării rezultatelor.

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 25 mm. Datorită discretizării puțin mai fine, având un diametru mai mic, nodurile nu au un număr la fel de mare ca primul rezervor.

Fig. 29 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700, ech max = 41,5 Mpa

Fig. 30 – Deformația totală a rezervorului cu Ø700, este 1,078 mm

Fig. 31 – Discretizare a modelului – 25 mm (67375 elemente)

Fig. 32 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700, ech max = 15,9 Mpa

Fig. 33 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700 (detaliu picioare rezemare)

Fig. 34 – Deformația totală pentru rezervorul cu Ø700 este 0,136 mm

Fig. 35 – Deformația totală pentru rezervorul cu Ø700 (detaliu)

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

Un rezultat surprinzător se observă la analiza deformației totale. În partea superioară rezervorul se deformează maxim cu numai 0,136 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. 36 – Aplicarea condițiilor la limită: 1 picior fixat, 2 se deplasează în plan

Fig. 37 – Deformația totală a rezervorului cu Ø700 este de 0,162 mm, Mesh – 20 mm (101883 elemente)

Fig. 38 – Tensiunea echivalentă pentru rezervor cu Ø700, ech max = 26,861 Mpa

În conluzie, cu cât este mai mic rezervorul, cu atât se deformează mai puțin iar materialul compozit ales are o rezistență foarte bună, având o deformație de până la 1 mm. Dispozitivele de rezemare scurte au centrul de greutate foarte jos și sunt confecșionate din oțel pentru țevi ceea ce oferă o susținere și o rezistență foarte bună o lungă perioadă de timp.

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. 39 – Formulă calcul cilindru circular drept [21]

Fig. 40 – Formule calcul calotă sferică [22]

Calculele analitice au fost realizate în Microsoft Excel, pentru a face comparație cu rezultatele generate de Ansys.

Fig. 41 – Comparație calcule analitice cu rezultate Ansys

Fig. 42 – Variația rezultatelor în funcție de Mesh

Introducere în configurația panourilor solare

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 colectori 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 energia 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 căldură 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 vom 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 de 100 %.

Acestea sunt formate din plăci plane din cupru, care ajută la captarea energiei solare. Sunt acoperite cu un material conceput pentru a determina absorbția energiei solare și sunt amplasate pe o izolație din fibră de sticlă, închise într-un cadru 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.

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 incalzirea apei menajere și care asigură protectie impotriva inghetului circuitelor termice.

Calcul preliminar al unei tipodimensiuni

Fig. 43 – Geometria panoului solar termic

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 bate perpendicular pe panou:

Se consideră cazul în care Lpanou este înclinat cu 13°:

Se consideră o grindă a structurii încastrată 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 și tensiunea de forfecare și se va trasa diagrama de eforturi. [23]

Calculul reacțiunilor, verificarea reacțiunilor, calculul eforturilor și trasarea diagramelor N(efort axial), V(forță tăietoare), M(moment încovoietor).

Ecuațiile de echilibru static:

; ;

;

;

=> -RVB * 1000 m + 200 daN/m * 1000 m * 1000m/2=0

=> RVB*1000 m = 200 daN/m *1000 m * 500 m

=>RVB = 100000 daN/m

=> +RVA * 1000 m – 200 daN/m * 1000 m * 1000m/2=0

=> RVA*1000 m = 200 daN/m *1000 m * 500 m

=>RVA=100000 daN/m

Verificarea reacțiunilor verticale;

;

Calculul eforturilor și trasarea diagramelor:

VA = + RVA = +100000 daN

VB = + RVB = -100000 daN

M1 = 0

M2 = 0

M3(VB) = Mmax = RVA * 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. 44 – Diagrama de eforturi a grindei simplu rezemate

Unde:

P – sarcina concentrată sau suma sarcinilor distribuite (daN)

T – forța tăietoare aplicată asupra grinzii într-o secțiune oarecare (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]

Fig.4. Deformația pe direcția 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.

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 anumit 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 specifice 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 panourilor 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. 45 – 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.

Fig. 46 – Orientarea Υ: Orientarea spre sud (Υ=0°) reprezintă condiția ideală, obținându-se astfel cea mai mare cantitate de energie atât pe o baza anuală cât și lunară.

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.

Analiza panoului solar în Ansys Fluent

Am proiectat panoul solar în programul Catia VR19, apoi am efectuat o simulare 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, temperatura constantă de 300 K, suprafața superioară a panoului este semitransparentă din plexiglas, iar cea inferioară este cea absorbanta din aluminiu.

Fig.15. Aplicarea condițiilor la limită în Ansys Workbench

Fig.16. Calcularea soluției cu 10 iterații

Fig.17. Viteza de intrare / ieșire

Fig.18. Variația temperaturii

Fig.19. Vizualizarea propagării turbulențelor

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.

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 pentru energia obținută din biomasă observăm următoarele valori procentuale pentru resursele regenerabile:

28.476% hidroenergie

10.135% energie eoliană

1.988% energie fotovoltaică

0.701% biomasă

Totalul valorii medii zilnice a energiei regenerabile 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. 50 – Producție energie resurse neregenerabile – 2016 [27]

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. 51 – Grafic – Producția medie zilnică de energie 2016 [27]

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

Fig. 52 – Producția, consumul și exportul de energie 2016 [27]

BIBLIOGRAFIE

[1] SURSE DE ENERGIE REGENERABILĂ, 2017. [Online]. Disponibil: http://biomasa.md/wp-content/uploads/2016/09/Surse-de-energie-regenerabile_ROM_2015_Web-micsorat.pdf.

[2] Curs „SURSE ReGENERABILE DE ENERGIE” – Adrian Ciocănea 2016.

[3] Encyclopedia Britannica, "renewable energy", 2015. [Online]. Disponibil: http://www.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/stories/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/energii-neconventionale/energia-solara-termica.

[12] S. S.R.L, "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.

[15] Esolar.ro, "Baterii – Acumulatori panouri 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 Sigilate 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-ENERGIEI.

[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, Universitatea 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 cilindru 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]. Disponibil:http://www.efunda.com/formulae/solid_mechanics/beams/casestudy_display.cfm?case=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: http://www.calorserv.ro/articole/panouri-solare/proiectare-dimensionare-panouri-solare-apa-calda-menajera.

[27] "Sistemul Energetic", Sistemulenergetic.com, 2017. [Online]. Disponibil: http://sistemulenergetic.com/graphs.