CALITATEA MEDIULUI Ș I SURSE ENERGETICE Lucrare de disertaț ie Coordonator ș tiințific , Lect. Dr. Mircea Anton Masterand, Radu – Ionuț Voicu Cluj –… [617852]

UNIVERSITATEA BABEȘ – BOLYAI
FACULTATEA DE ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MEDIULUI
CALITATEA MEDIULUI Ș I SURSE ENERGETICE

Lucrare de disertaț ie

Coordonator ș tiințific ,
Lect. Dr. Mircea Anton

Masterand: [anonimizat] – Napoca
2017

2
UNIVERSITATEA BABEȘ – BOLYAI
FACULTATEA DE ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MEDIULUI
CALITATEA MEDIULUI Ș I SURSE ENERGETICE

CONCENTRATOR SOLAR PARABOLIC
CU MOTOR STIRLING

Coordonator ș tiințific ,
Lect. Dr. Mircea Anton

Masterand: [anonimizat] – Napoca
2017

3
Abstract română

În această lucrare am realizat construcția unui concentrator solar folosind o antenă
parabolică.
Am prezentat caracteristicile radiației solare, principalele tehnologii de folosire a
energiei sola re și tipurile de motoare Stirling (alfa, beta, gama).
Cu ajutorul relațiilor teoretice am calculat iradianța solară, am determinat distanța
focală a oglin zii, randamentul concentratorului și randamentul motorului Stirling.
Rezultatele obținute au arătat că putem obține temperaturi de 620 °C în focar .
Am folosit programul GRad , cu ajutorul cărui a am calculat iradianța solară și am
obținut o valoare de 26% a randamentului concentratorului.
Randamentul termic al motorului Stirling a fost de 21 %.
În ultima parte am pus în funțiune motorul Stirling gama cu energie solară obținută cu
concentratorul parabolic.

4

Abstract engleză

In this paper I have built a solar concentrator using a parabolic antenna.
I presented the characteristics of solar radiation, the main solar energy technology and
Stirling engine types (alpha, beta, gamma).
With theoretical calculations , I have determined the solar irradiation, the focal length
of the mirror, the concentrator efficiency and the Stirling engine efficiency.
The results of the study have shown that temperatures measured in the focal point range
around 620 ° C.
Efficiency of the solar concentrat or was experimentally determined, the result being
26% and the Stirling engine efficiency was 21%.
In the last part I started the Stirling engine with solar energy obtained by the parabolic
concentrator.

5
Cuprins

Abstract română …………………………………………………………….…… .….………3
Abstract engleză ………………………………………………………………….… .……….4
1. Introducer e…………………………………………………………………… ..…………6
2. Radiația solară ………………………………………………………………… ..………..7
2.1. Caracteristicile radiației solare …………………………………………… ..…………7
2.2. Captarea radiației solare ……………………………………………………… .…….12
3. Concentrarea energiei solare ………………………………………………… ….……..17
3.1. Concentrator solar de tip jgheab parabolic ……………………………… ……. ……18
3.2. Concentrator solar cu lentile Fresnel ……………………………………………….19
3.3. Tehnologia turnului solar …………………………………………… ………………20
3.4. Concentrator solar cu disc parabolic ………………………………………………..23
4. Motorul Stirling ………………………………………………………… ……………… 26
4.1. Motorul Stirling de tip alfa …………………………………………………………..27
4.2. Motorul Stirling de tip beta …………………………………………….…………….28
4.3. Motorul Stirling de tip gama …………………………………………………………30
4.4. Ciclul teoretic reversibil al motorului Stirling ………………………………………31
5. Partea experimental ă…………………………………………………………… .……..33
5.1. Construcția concentratorului solar ………………………………………… .……….33
5.2. Determinarea iradianței solare ………………………………………………………40
5.3. Determinarea temperaturii în focar ………………………………………………….46
5.3.1. Tablă de aluminiu …………………………………………………………….46
5.3.2. Tablă de fier……………………………………………………… ……… .…..48
5.4. Determinarea randamentului concentratorului ……………………………… .………51
5.5. Determinarea randamentului termic al motorului Stirling …………………………..53
5.6. Punerea în funțiune a motorului Stirling cu energie solară ………………… .………54
6. Concluzii ……………………………………………………………… ………… .………55
7. Bibliografie …………………………………………… ………………………… .………56

6
1. INTRODUCERE

Ultimele decenii au marcat schimb ări majore și rapide în toate domeniile, de la
economic la geopolitic și social și chiar în privința mediului înconjurător. Aceste schimbări
sunt valabile nu numai în România, dar și pe plan mondial.
Una dintre soluțiile implement ate treptat pe plan european și mondial în privința
epuizării resurselor energetice convenționale, limitate de altfel, reprezintă utilizarea unor surse
naturale inepuizabile, precum soarele, vântul, apa, mișcările va lurilor sau deșeurilor vegetale,
pentru obținerea de energie electrică, pentru biocarburanți sau pentru instalații de încălzire.
Sursele regenerabile au devenit tot mai importante în domeniul energetic la nivel global.
Cu ajutorul tehnologiilor de exploatare directă și indirectă a radiațiilor s olare se produce
energie termică și electrică.
Panourile fotovoltaice care conțin în structura lor celule solare reprezintă dispozitive
statice de conversie directă a energiei solare în energie electrică. În funcție de tehnologia de
fabricație a componen telor panourilor fotovoltaice, acestea se utilizează pentru generarea de
electricitate, livrându -se în rețeaua de distribuție națională, dar sunt folosite și de către
consumatori independenți. Pentru sistemele autonome, energia electrică se poate stoca în
acumulatori și ulterior, se poate utiliza pentru alimentarea anumitor instalații.
Cu ajutorul concentratoarelor termice care utilizează reflectarea și focalizarea undelor
solare, se realizează conversia indirectă. Aceste colectoare termice captează energia razelor
solare pe care o transformă ulterior în energie termică.
În consecință, metodele de conversie termo -solară realizează producerea de energie
termică, iar energia electrică se formează prin transformarea radiației solare de către
tehnologiile fotovoltaice.

7
2. RADIAȚIA SOLARĂ
Soarele reprezintă cea mai importantă sursă de energie cunoscută de om, c ontribuind la
menținerea temperaturii pe p ământ și reprezintă factorul principal pentru posibilitatea vieții pe
pământ. Energia solară corespunde aproximativ de 10.000 de ori totalului necesar d e energie a
pământului. Energia solară este definită ca fiind energia produsă de soare prin fuziunea
nucleară, care apoi este proiectată pe pământ sub formă de radiații electromagnetice.
Soarele este cea mai reprezentativă sursă de energie neconvențională, aflându -se în
topul surselor de energii regenerabile . Fiind o sursă gratuită și inepuzabilă, energia solară
prezintă un potențial ridicat pentru înlocuirea combustibililor fosili în domeniul industriei
energetice.

2.1. Caracteristicile radiației solare
Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică primită de la Soare, măsurată în
straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcția razelor solare. Valoarea
pentru constanta solară este de 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu
ajutorul sateliților de cercetar e științifică.
În F igura 2.1. este reprezentată atmosfera terestră și suprafața Pământului care
interacționează cu radiația solară, producâ nd o serie de transformări.

Figura 2.1. Interacțiunile dintre energia solară și atmosfer ă și suprafața terestră
Revista Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

8
Fluxul de energie solară care ajunge pe suprafața Pământului este mai mic decât
constanta solară, din cauza faptului că în timp ce traversează atmosfera terestră densă, cu o
grosime de peste 50 km, intensitatea rad iației solare este redusă treptat. Mecanismele prin care
se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosf erei, sunt absorbția și difuzia
(Lucian, 2014).
În atmosferă este absorbită aproape în totalitate radiația X și o parte din radiația
ultravioletă, acestea aflându -se la marginea spectrului de unde electromagnetice emise de
soare. Bioxidul de carbon , vaporii de apă, și alte gaze aflate în atmosferă, ajută la absorbția
radiației solare de către atmosferă. Radiația absorbită este transformat ă în căldură, iar radiația
difuză obținută este retrimisă în atmosferă în toate direcțiile . Astfel, a tmosfera se încălzește și
produce la rândul ei radiație atmosferică , o radiație c u lungime de undă mare.
Față de cele două m oduri de modificare a intensității radiați ei solare, o parte din radiație
este reflectată de atmosfera terestră sau de moleculele de aer și anumite categorii de nori .
Difuzia Rayleigh este radiația solară disipată prin reflectare , fenomen reprezentând radiați a
bolții cerești . Gradul de împrăștiere a fotonilor depinde de frecvență, cu cât frecvența este mai
mare cu atât împrăștierea este mai mare .
Suma dintre radiația directă și radiația difuză reprezintă radiația globală ajunsă de la
soare, pe o suprafață oriz ontală la nivelul solu lui într -o zi senină .
Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare.
Radiația solară difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței
receptoare, chiar dacă există mici diferențe.
În Figur a 2.2 este prezentată proporția dintre radiația difuză și radiația directă, în
radiația globală.

Figura. 2.2. Radiația difuză și radiația directă
Revista Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

9
Energia unitară termică provenită de la Soare, măsurată l a nivelul suprafeței
Pământului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este perfect
senin și lipsit de poluare, în Europa , în jurul amiezii , poate asigura 1000 W/ m2. Aceast a
reprezintă suma dintre radiația directă și radiația difuză. Radiația solară este influențată de
modificarea permanentă a unor parametrii, cum ar fi :
 înălțimea soarelui pe cer (unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal
al Pământului );
 unghiul de înclinare a axei Pământului;
 modificarea distanței Pământ – Soare ;
 latitudinea geografică.
În Figura 2 .3 este reprezentată variația densității radiației solare în funcție de înălțimea
Soarelui pe bolta cerească, adică unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal,
pentru diferite situații atmosferice. Cu cât raza incidentă solară face cu suprafața receptoare un
unghi mai aproape de 90ș cu atât intensitatea radiației care ajunge pe sol este mai mare (Lucian,
2014) .

Figura 2 .3. Variația radiației solare pentru diferite situații atmosferice
Revista Tehnica Instalațiilor nr. 5/2004

10
Figura 2 .4. prezintă valorile intensității radiației solare globale în România și Europa.
Valorile cele mai mari ale intensității radiației solare din Europa se află în Spania.
Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta, în aceeași
localitate și cu cât mai mult de la o localitate la alta.

Figura 2.4. Harta intensității solare în Europa și România
Revista Tehnica Instalațiilor nr. 5/2004

Evident, radiația solară este distribuită neuniform pe suprafața Pământului, poziția
geografică și condițiile climatice locale, având o influență deosebită pentru impactul radiației
solare asupra suprafeței terestre. Valoarea maximă a puterii radiate este în luna i unie la amiază.
La cer senin valoarea puterii radiante este dublă față de cer noros, acoperit. În iunie puterea
radiantă este de trei ori mai mare decât în ianuarie. La amiază (ora 12) puterea radiantă este de
cinci ori mai mare decât în zori (ora 6) sau a murg (ora 18) (Lucian, 2014) .
Componente principalele ale radiației solare care ajung pe pământ și aportul energetic
fiecărei componente în radiația globală sunt prezentate în Tabelul 2.1, care cuprinde și
domeniile lungimilor de undă pentru fiecare radiație.

Tabelul 2.1. Componente ale radiației solare și aportul energetic
COMPONENTA APORTUL ENERGETIC
[%] DOMENIUL
LUNGIMILOR DE UNDĂ
[µm]
radiație ultravioletă 3 0,28 – 0,38
radiație vizibilă 42 0,38 – 0,78
radiație infraroșie 55 0,78 – 2,50

11

Din Tabelul 2.1. se poate observa că cea mai mare cantitate de energie te rmică se
găsește în domeniul radiației infraroșii și nu în domeniul radiației vizibile, ceea ce sugerează
ideea că această radiație poate fi captată eficient și în condițiile în care cerul nu este perfect
senin.
Efectul atmosferei asupra radiației solare depinde de o serie de factori cum ar fi:
concentrația aerosolilor, umiditate și nebulozitate. Aceste condiții variază în fun cție de loc și
pot fi determinate prin măsurători.Există totuși un aspect care este cunoscut fără a fi nevoie de
măsurători: drumul optic parcurs de radiația solară prin atmosferă. Cu cât drumul parcurs de
radiația solară prin atmosferă este mai lung, cu a tât intensitatea radiației este mai mică. Distanța
parcursă de radiația solară prin atmosferă poate fi determinată în funcție de altitudinea
geografică și de unghiul solar zenital. Dacă Soarele se află la zenit, radiația directă străbate cel
mai scurt drum posibil prin atmosferă până să ajungă la suprafața Pământului; iar dacă acesta
se află la orizont radiația va străbate un drum mai lung. Pe baza acestor considerente s -a definit
o măsură relativă a factorului „air mass” care definește drumul parcurs de ra diația solară prin
atmosferă.
Lumina străbate cea mai mică masă a atmosferei atunci când Soarele se află la zenit.
Pentru această situație factorul a ir mass are valoarea 1 și se notează cu AM 1. Toate celelalte
valori au fost calculate în funcție de această valoare minimă. De exemplu: dacă unghiul zenital
este de 60 ˚ atunci distanța pe care radiația solară o străbate prin atmosferă este dublă, deci are
valoarea 2 și se notează cu AM 2. Aceasta poate fi calculată conform relației:
AM = 1 / cos θ z

12
2.2. Captarea radiației solare

Transformarea, sau conversia energiei în energie termică, este realizată în captatori
solari, având funcționarea bazată pe diverse principii constructive.

Figura 2.5. Unghiul de înclinare a captatorilor solari față de orizontală

Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare
în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât
mai corectă. Poziția de așezare a captatorilor solari este definit ă prin două unghiuri și anume,
unghiul de înclinare față de orizontală, prezentat în Figura 2.5. și notat cu α, respectiv unghiul
azimutului, reprezentând orientarea captatorului față de direcția sudului, prezentat în Figura
2.6.

Figura 2.6 . Unghiul azimutului (orientarea față de direcția Sud)

13
Figura 2.7 . prezintă influența combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea
captatorilor solari, asupra gardului de captare a energiei solare disponibile. Diagrama a fost
trasată pentru Germania, da r concluziile care se pot obține cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate
pentru majoritatea țărilor din Europa, inclusiv pentru Romania. Se observă că o orientare spre
sud și o înclinație cuprinsă între 15°− 65° asigură un grad de captare de 95%. Influența
combinată a unghiurilor de înclinare și a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a
energiei solare disponibile. Analizând figura 1.20 se observă că unghiul de înclinare optim,
care permite captarea optimă a radiației solare, este de cca. 15… 55°, iar abaterea de la direcția
Sud, poate să se situeze între ±40° fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare.
Pentru unghiuri de înclinare 5… 65°, radiația solară poate fi recuperată în proporție de 90…95%.
Valorile prea reduse ale u nghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează
mudărirea suprafaței captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutațirea performanțelor optice
ale captatorilor prin depunerea de cantități mari de praf, care opacizează suprafața captatorului.
Pentru abateri de la direcția Sud, de ±60°, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate
recupera de asemenea 90…95% din radiația solară. Chiar și colctorii montați vertical, cu o
abatere de până la ±20° față de direcția Sud, pot recupera 80% din radiația solară, ceea ce
sugerează posibilitatea montării acestora pe fațadele clădirilor.

Fig. 2.7 . Influența dintre unghiul de înclinare și orientare a panoului captator
www.viessmann.com

14
Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30° și a
unei abateri de la direcția Sud de 45°, care corespunde direcției SV, gra dul de captare a radiației
solar e este de 95% . Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităț ii de captare a energiei
solare, este tehnologia utilizată pentru construcția colectorilor sol ari, deoarece în mod
inevitabil , conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea
fiind evidențiate în Figura 2.8 . În Figura 2.8 s-au identificat și notat radiațiile solare și pierderile
de energie la care este supus un panou termic solar:
 Radiații solare cu contribuție principală la producerea de energie electrică:
A – radiația difuză; B – radiația directă;
H – fluxul termic ut il;
 Radiații solare fără contribuție la producerea de energie electrică;
C – convecție datorată vântului, ploișor și zăpezii;
D – pierderi prin convecție;
E – pierderi prin conducție;
F – radiația suprafeței absorbante;
G – radiația panoului din sticlă;
K – radiația reflectată.

Figura 2.8. Pierderi care apar la conversia energiei solare în energie termică

15

Se observă că multe componente din radiația solară și de altă natură nu contribuie la
producerea energiei utile. Scopul cercetărilor și tehnicienilo r este de a produce suprafețe din
materiale care absorb cât mai multe componente ale energiilor naturale și de a transforma
radiațiile inutile în radiații utile care să contribuie la aportul termic. Evoluțiile tehnologice ale
colectorilor solari, de la cap tatorul plan reprezentat în figură, până la cele mai moderne
construcții exitente la ora actuală (vidate sau presiune), au avut ca scop creșterea capacității de
absorbție a radiației solatre și reducerea într -o proporție cât mai mare a diverselor tipuri de
pierderi.
Energia generată cu ajutorul Soarelui se poate utiliza pentru:
 prepararea apei calde menajere;
 încălzirea spațiilor de locuit;
 încălzirea apei pentru piscine;
 instalații de aer condiționat;
 iluminatul casnic și alimentarea unor aparate casnice mici consumatoare de
energie electrică;
 iluminatul stradal, în piețe, iluminat artizanal de curte și gradină, etc.
Premizele utlizării energiei solare pentru prepararea apei calde de consum sunt deosebit
de avantajoase datorită evoluției constante a necesa rului pe durata unui an calendaristic. Un
sistemcorect dimensionat poate să acopere 50 – 65% din necesarul anual de apă caldă de
consum (așa numita rată de acoperire solară), vara acoperirea fiind ce cele mai multe ori de
100% din necesar. Sistemele solare termice moderne pot fi încadrate fără dificultate în
instalațiile din cadrul construcțiilor și au o durată de viață estimată de peste 20 ani, fiind astfel
o completare ideală în tehnica modernă de încălzire.
Energia solară transmisă, este captată și recep ționată la sol și depinde de mulți factori,
printre care:
 poziția geografică, depărtarea de ecuator, latitudinea locului de captare a
radiației; cu cât locul este mai aproape de zona cuprinsă între cele două tropice, de partea
nordică și sudică a ecuatorul ui cu atât energia solară totală captată pe parcusul unui an este mai
mare;
 altitudinea față de nivelul mării;
 perioada de zi;

16
 anotimp, perioada din an,
 tehnologia și regimul ales și folosit pentru funcționarea instalatiei de captare și
conversie;
 material ele folosite pentru fabricarea instalației de captare și conversie;
 tehnologiile folosite pentru confecționarea componentelor instalației de captare
și conversie.

17
3. CONCENTRAREA ENERGIEI SOLARE

Tehnologia energiei solare concentrată folosește pentru captarea luminii solare în
scopul reținerii unui număr cât mai mare de fotoni, dispozitive speciale care produc
electricitate. În general, dispozitivele sunt reprezentate de oglinzi, acestea atrăgând razele
soarelui intr -o cant itate mai mare. Dupa aceea, energia captată se transformă în căldură cu
scopul de a alimenta turbina care va urma să producă curent electric. Astfel de tehnologii
folosite pentru energia solară concentrată (CSP – concentrated solar power), utilizează lumin a
solară focalizată. Oglinzile sau lentilele se folosec în centralele de energie solară pentru
focalizarea razelor soarelui. Energia captată este transformată ulterior la o temperatură mare în
caldură, după care este trimisă la un gemerator conventional. P ărțile componente ale unei
instalații de putere solară concentrată au rolul de a capta energia solară care este convertită în
căldură , și transformarea energiei termice î n electricitate.
În prezent există patru tehnologii CSP, cum ar fi colect orul paraboli c pentru jgheaburi,
turnul de energie solară, reflectorul linear Fresnel și sistemele parabolice. Toate centralele CSP,
fără a ține seama de tehnologia utilizată, constau din aceleași trei componente principale:
câmpul solar, blocul de putere și sistemul d e stocare. Câmpul solar este compus din
concentratoare solare având o formă adaptată tehnologiei utilizate. Funcția lor este de a reflecta
și focaliza lumina directă a soarelui pe o zonă relativ mică numită receptor, unde este încălzit
lichidul de transfer de căldură. Energia primită este transmisă blocului de putere unde este
transformată în energie electrică prin turbine. Energia termică obținută din câmpul solar poate
fi utilizată, de asemenea, direct pentru aplicații termice de proces.
Concentrarea put erii solare este o tehnologie de generare a energiei care utilizează
oglinzi sau lentile pentru a concentra razele solare și, în majoritatea sistemelor CSP, pentru a
încălzi un lichid și a produce abur. Aburul acționează o turbină și generează energie în a celași
mod ca și centralele electrice convenționale.
Un atribut al centralelor CSP este că pot fi echipate cu un sistem de stocare a căldurii
pentru a genera energie electrică chiar și atunci când cerul este înnorat sau după apusul soarelui.

18
3.1. Conce ntrator solar de tip jgheab parabolic
Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt alcătuite din oglinzi lungi și curbate
transversal pe un profil de parabola, concentrând fluxul radiației solare reflectat pe un tub
absorbant situat în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare este cuprinsă în funcție de
tip între 20 și 150 m. Tubul absorbant este format dintr -o țeavă de metal acoperită în exterior
cu un strat absorbant și prin care c urge agentul termic și care se află în interiorul unui alt tub,
confecționat din sticlă de borosilicat rezistent la a cțiuni mecanice și chimice și care este
acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce
pierderile prin convecție. Energia radi ației solare este transformată în energie calorică și cedată
agentului termic. Oglinzile parabolice sunt așezate de regulă în rânduri una după alta pe direcția
N-S, având un singur grad de libertate, rotația în jurul axei focale.
Încă din anul 1912 s -au ut ilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de către firma
Shumann und Boys pentru generarea de aburi necesari acționării unei pompe de 45 kw în
Meadi/Egipt. Colectoarele aveau o lungime de 62 m și acopereau o suprafață de 1200 m2.
Între 1977 și 1982 au fos t puse în funcțiune în SUA instalații pilot utilizând colectoare
cu jgheaburi parabolice. În 1981 a fost pusă în funcțiune o instalație pilot de producere energie
electrică de putere 500 kW la European Test Centre for Solar Energy Applications din
Platform a Solar de Almeria situat la marginea deșertului Desierto de Tabernas.

Figura 3 .1. Concentrator solar de tip jgheab parabolic
Amir Farzaneh, 2013, 327

Exploatarea comercială a acestui tip de centrale a început în anul 1984 în SUA în
deșertul Mojave din California. Cele 9 centrale SEGS’ = Solar Electricity Generation System
au o putere instalată totală de 354 MW. În colectoarele cu jgheaburi parabolice cu o lățime de

19
6 m și o lu ngime de până la 180 m se poate atinge o temperatură de 400 C. Randamentul
centralei este de 14% și asigură energia necesară pentru cca 200000 locuințe. În luna iunie 2007
s-a dat în funcțiune centrala Nevada Solar One de lângă Boulder City/Nevada cu o put ere
instalată de 64 MW cu posibilitatea de extensie până la 200 MW. Energia termică este produsă
de 19300 oglinzi de 4 m lungime înzestrate cu conducte absorbante (PTR70 Receiver) livrate
de către firma SCHOTT AG. Se prevede construirea de centrale simila re în Marve, Algeria,
Mexic și Egipt. Din anul 2006 se află în stadiu de construcție centrala Andasol 1 de 50 MW,
în prezent cea mai mare din Europa, proiectată de firma Solar Millennium.

3.2. Concentrator solar cu lentile Fresnel
O dezvoltare a tehnologiei cu jgheaburi parabolice o reprezintă așa numitele colectoare
cu oglinzi Fresnel. În acest caz în locul unei oglinzi parabolice se utilizează mai multe fâșii de
oglinzi plane situate toate la nivelul solului care se pot roti în ju rul razei longitudinale pentru a
putea fi orientate câte una astfel ca să reflecte radiația solară în direcția tubului absorbant, în
spatele căruia se află o altă oglindă liniară cu rol de concentrare a fascicolelor primite de la
oglinzi într -o linie cât m ai subțire. Acest concept este în faza de testare. Acest mod de
construcție îmbină principiul de funcționare al colectoarelor cu jgheaburi parabolice cu cel al
centralelor cu turn, dar renunțând atât la oglinzile curbate, cât și la dispozitivele de orienta re
cu mai multe grade de libertate rămânând doar construcția modulară. Utilizând oglinzi plate
ușor de construit se scontează pe un preț scăzut. Utilizarea conductei absorbante este necesară
în continuare. Rezultă posibilitatea utilizării de conducte mai l ungi, fără coturi, ceea ce reduce
pierderile datorită rezistenței hidraulice, în schimb apar pierderi de radiație solară datorită
umbririi reciproce a oglinzilor. Din anul 2004 o astfel de instalație este testată pe lângă o
centrală termică pe bază de cărb une din Australia de către Universitatea din New South Wales
și Sydney. după terminare instalația va produce cca 15 M Wth energie termică pentru încălzirea
apei de alimentare a centralei din Lidell/Hunter Valley și va contribui la economisirea de
combustibi l. Un modul format din 12 oglinzi acoperă o suprafață de cca 1350 m2 și
concentrează radiația solară pe o conductă absorbantă aflată la o distanță de 10 m deasupra lor.
Se produce abur în mod direct la o temperatură de 285șC.

20

Figura 3 .2. Concentrator so lar cu lentile Fresnel
Amir Farzaneh, 2013, 329

3.3. Centrale cu turn solar
În cazul centralelor cu turn solar este vorba de obicei de centrale pe bază de aburi
produși cu ajutorul energiei solare. Focarul (camera de combustie) încălzit până acum cu
păcură, gaz natural sau cărbune, este înlocuit de un focar solar așezat în vârful unui turn.
Radiația solară, a sute, chiar mii de oglinzi cu orientare automată după poziția soarelui este
reflectată către o suprafață absorbantă centrală numită ”receiver”. Datorită puternicei
concentrări de radiație, în turn apar temperaturi de ordinul a mii de grade. Temperatura
exploatabilă rațional este în jur de 1300 C. Nivelele de temperaturi și prin acestea, randamentul
termic posibil de atins, sunt mult mai mari decât la cent ralele solare cu câmpuri de colectoare.
Agentul termic utilizat sunt nitrați fluizi, aburi sau aer cald. Acest principiu este utilizat de fapt
și la cuptorul de topire solar din Odeillo. În acest mod se pot genera temperaturi cu valori
adaptate necesitățil or proceselor tehnologice sau cerințelor accelerării proceselor chimice. De
regulă însă, căldura generată este utilizată prin intermediul unei turbine de gaz sau de aburi la
generarea de curent electric. În receiver agentul termic este încălzit până la 100 0C, în final
utilizat la generarea de aburi.
Fluidul încălzit este folosit la producerea energiei electrice cu ajutorul unei turbine de
aer cald la care se cuplează un generator electric. Energia produsă depinde de numărul de
oglinzi, de forma oglinzii c are produce focalizarea radiației solare, știut fiind, că oglinzile de

21
formă concavă focalizează puternic radiația incidentă și de cantitatea de fluid folosită pentru
antrenarea turbinei de aer cald.
Sistemul de producere a apei calde și/sau a energiei ele ctrice se compune din:
 oglinzi reflectorizante parabolice, concentratoare de energie;
 pompe de introdus apa rece în rezervorul încălzit de razele solare;
 rezervor de apă amplasat în vârful unui turn; apa din rezervor este încălzită de razele
solare cu ajut orul razelor reflectate de oglinzile din jurul turnului, oglinzi amplasate pe sol;
 conducta de legătură între rezervor și turbina amplasată la baza turnului;
 rezervor de abur sau apă caldă;
 generator electric care produce energie electrică;
 vane de separare.

Figura. 3 .3. Turnul solar
Amir Farzaneh, 2013, 328

Principiul de funcționare a sistemului prezentat este următorul: oglinzile captează razele
solare, le reflectă și concentrează pe rezervorul de apă pe care o încălzește. Dacă se dorește
numai producerea de apă caldă temperatura apei este mai scăzută conform cerinței
consumatorului. Apa caldă este transferată la sol într -un rezervor din care se alimentează
consumatorul. Consumatorul o folosește ca apă menajeră, pentru încălzire sau în proce s
tehnologic de producție. Dacă se dorește producerea de energie electrică, apa se supraîncălzește
până se transformă în abur. Aburul este introdus în turbina de abur care antrenează un generator
electric care produce energie electrică. Sistemul poate fi t otal independent energetic pentru că
pompa de alimentare cu apă a rezervorului cu apă rece se poate alimenta cu energie electrică
produsă de la generatorul instalației.

22
Restul energiei produse se poate comercializa sau trimite consumatorilor proprii.
Avant ajele instalației prezentate:
 energia solară este pusă gratuit la dispoziția producătorului de energie de natură și
mediul înconjurător, în cantități infinite;
 soluția de captare a energiei solare este simplă și nepoluantă;
 prima treaptă de conversie este simplă; energia primară solară captată cu ajutorul
oglinzilor parabolice este transformată direct în energie termică, care este transferată apei din
circuitul hidraulic termic; nu sunt piese în mișcare în instalația de captare și conversie;
 a doua treaptă de conversie este tot simplă; energia primară termică acumulată în
vaporii de apă este transformată în energie mecanică în turbina cu abur;
 a treia treaptă de conversie este la fel de simplă; energia primară mecanică acumulată
în rotorul turbinei este tran sformată în energie electrică în generatorul electric; există
experiență suficientă în acest domeniu fiind conversie clasică;
 procesul de captare a energiei primare solare și acumulare a energiei termice, dintr -o
formă în alta sunt nepoluante;
 toate transf ormările de energii dintr -o formă în alta sunt nepoluante;
 exploatare simplă a întregii instalații de captare, conversie și acumulare a energiei
calorice;
 instalația în timpul exploatării nu produce nici un tip de deșeuri sau produse poluante
care să afect eze mediul înconjurător;
 costurile de exploatare a întregii instalații sunt scăzute; personalul de supraveghere a
procesului este mic numeric, chiar nul, dacă regimul de funcționare al instalației nu se modifică
și se trece pe funcționare automată, asistat de calculator de proces; toate componentele
instalației pot funcționa nesupravegheate de personalul de exploatare;
 costul energiei electrice produse este mic în special datorită faptului că procurarea
energiei primare – solare, este nul, ea fiind utilizat ă așa cum este oferită de natură;
 costurile cu mentenanța întregii instalații, prevenția avariilor și întreținerea instalațiilor
sunt mici;
 pentru că conversiile de energii dintr -o formă în alta sunt cu pierderi mici, randamentul
global al întregii instalații este satisfăcător.
Schema de principiu a instalației descrise este prezentată în figura 1. Instalația prezentată în
figură produce atât en ergie termică, cât și energie electrică.

23

Fig. 3.4. Schema de principiu a instalației de producere apă caldă și energie electrică cu
ajutorul oglinzilor care reflectă radiațiile termice solare

3.4. Concentrator solar cu disc parabolic
Principiul de funcționare al unui concentrator solar cu disc parabolic constă în
concentrarea energiei solare într -un receiver montat în focarul parabolei. În acest punct este
fixată o unitate de conversie a energiei, care generează energie electrică direct din energia
solară. Discul parabolic trebuie să fie montat pe o structură care urmărește Soarele de la răsărit
până la apus, pentru a reflecta în receiver un procent cât mai mare de lumină solară.
Sistemele ce funcționează pe baza concentratorului solar cu disc parabo lic au
capacitatea de a converti energia solară în energie electrică cu o eficiență foarte ridicată, mai
mare decât oricare altă tehnologie de captare a energiei solare (Jagoo, 2013). În teorie, un singur
concentrator solar poate produce un peak de aproxim ativ 10000 wați de căldură și un peak de
3500 wați de energie electrică.
Unul dintre avantajele majore ale acestei metode de captare a energiei solare este că
presupune folosirea unui mecanism de suntracking cu ax dublu, fapt ce amplifică producția de
energie, transformându -l în cel mai eficient tip de concentrator solar.
Cel mai mare dezavantaj al concentratorului solar cu disc parabolic este reprezentat de
costurile foarte mari de implementare, determinate de dificultatea ridicată de proiectare precisă

24
a discului parabolic. Din acest motiv, este destul de rar întâlnită această metodă de captare a
energiei solare (Jagoo, 2013).

Figura 3 .4. Concentrator solar cu disc parabolic
Amir Farzaneh, 2013, 328

Determinarea distanței focale a parabolei concentratorului
Pentru determinarea distanței focale se folosește relația:
F=D2
16∙d′ (3.1)
unde: F – distanța focală
D – diametrul parabolei
d’ – adâncimea parabolei

25

Pentru determinarea su prafeței se folosește următoarea relație:
A=(π
6)∙(r
d′2)∙[(r2+4d′2)3
2 −r3] (3.2)

unde: A – suprafața parabolei
r – raza parabolei
d’ – adâncimea parabole i
Figura 3.5. Focalizarea razelor paralele în focarul f

Figura 3.6 . Reprezentarea grafică a variabilelor adâncime și diametru a parabolei

26

4. Motorul Stirling
Motoru l Stirling a fost realizat de către Robert Stirling în anul 1816, făcâ nd parte din
catego ria motoarelor cu ardere externă, avâ nd ca age nt de lucru un gaz ce parcurge într -un
sistem î nchis un ciclu termodinamic. Avantajele motorului Stir ling sunt de tip ecologic, dar și
din punct de vedere al utiliză rii energiilor neconventionale, î n cea ma i mare parte a energiei
solare î n vederea producer ii energ iei mecanice. Motorul utilizează diferite tipuri de
combustibil și valorifică energia te rmică reziduală a diferitelor instalații termice datorită
randamentului termic ridicat al motorului.

Figura 4.1. Diagrama P -V a motorului Stirling
www.slideshare.net/vishalpatel86/ppt -10-42805443

Principiul de funcționare al unui motor Stirling este următorul:
Parametrul motor care permite transformarea căldurii în lucru mecanic constă în
diferența de temperatură dintre doua surse de căldură. Natur a surselor de căldură și a agentului
de lucru este indiferentă, acesta fiind cel mai mare avantaj al mașinilor care funcționează după
acest ciclu termodinamic. Motoarele Stirling se găsesc în diferite variante constructive, cu un
singur cilindru sau cu doi cilindri. În ambele cazuri există două pistoane, unul cald și unul rece.
Între spațiile de lucru ale celor două pistoane se află un schimbător de căldură regenerativ care

27
separă două surse de caldură de temperaturi diferite. Gazul care parcurge ciclul ter modinamic
al motorului ajunge succesiv în contact cu sursa caldă și sursa rece, primind și respectiv cedând
căldură. Lucrul mecanic teoretic produs este egal cu diferența dintre căldurile schimbate. În
contact cu sursele de căldură agentul de lucru suferă o transformare izotermică, iar la trecere
prin regeneratorul de caldură este supus unei tranformari izocore, realizată prin defazajul de
mișcare a celor două pistoane.
Motoarele Stirling moderne utilizează ca agent de lucru hidrogen sau heliu, la presiuni
mari, etanșări performante și soluții eficiente pentru transferul de caldură. Regeneratorul de
căldură se materializează prin fire foarte fine de cupru care se încalzesc și se răcesc alternativ.

4.1. Motorul Stirling de tip a lfa
Un motor de tip Alfa Stirling conține două pistoane de lucru, unul cald și altul rece,
situa te separat în câte un cilindru. Cilindru l pistonului cald este situat în interiorul
schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de
căldură de temp eratură scăzută. Acest tip de motor are o putere litrică foarte mare dar prezintă
dificultăți tehnice din cauza temperaturilor foarte mari din zona pist onului cald și a etanșării
sale.
Funcționarea motorului Stirling alfa po ate fi descrisă în patru timpi:
Timpul 1: Cea mai mare parte a gazului de lucru este în conta ct cu peretele cilindrului
cald. Se încălzește prin mărirea volumul ui și împingând pis tonul spre capătul cilindrului;
dilatarea continuă și în cilindrul rece al cărui piston are o mișcare defazată cu 90° față de pistonul
cilindrului cald, însoțită de extragere de lucru mecanic;
Timpul 2: Gazul de l ucru a ajuns la un volum maxim, iar pistonul în cilindrul cald începe
să împingă cea mai mare parte din gaz în cilindrul rece unde pierde din te mperatu ra acumulată,
iar presiunea scade;
Timpul 3: Apro ape toată cantitatea de gaz se află în cilindrul r ece și răcirea continuă;
pistonul rece, acționat de momentul de inerție al volantului sau o altă pereche de pistoane situate
pe același arbore comprimă gazul;

28
Timpul 4: Gazul ajunge la volumul minim și pistonul din cilindrul cald va permite
vehicularea spre acest cilindru unde va fi încălzit din nou și va începe cedarea de lucru mecanic
către pistonul de lucru.

Figura 4.2. Motorul Stirling de tip alfa
www.slideshare.net/vishalpatel86/ppt -10-42805443

4.2. Motorul Stirling de tip b eta
Un motor Stirling de tip beta are un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru
și unul de refulare montate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește
la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de
lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul
cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. Când este împins către capătul rece, se
contractă și momentul de inerție al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant , împinge
pistonul de lucru în sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul a lfa în acest
caz se evită problemele tehnice legate de inelele de etanșare de la pistonul cald.
Cei patru timpi de funcțio narea a motorului b eta sunt:
– Timpul 1 ->2: Gazul de lucru este încălzit în zona caldă a cilindrului, pe baza absorbției
de energie termică de la sursa caldă. Prin încălzire gazul de lucru se dilată. În urma acesteia
pistonul de refulare este împins înainte. Odată cu mișcarea pistonului de refulare se va mișca și
pistonul de lucru. Cele două pistoane se mișcă defazat cu 90°. Prin urmare în primul timp

29
pistonul de refulare va avea o cursă nesemnificativă (proiecția lungimii manivelei pe orizontală).
În acest timp pistonul de lucru c edează lucru mecanic volantului;
– Timpu l 2->3: Volantul se mișcă datorită momentului de inerție mai departe. Pistonul de
refulare împinge acum gazul de lucru din zona caldă în zona rece unde se va răci. De cele mai
multe ori pistonul de lucru preia și rolul regeneratorului: preia o parte din căldura gazului de
lucru ce curge din zona caldă spre cea rece. În zona rece gazul de lucru va fi răcit cu ajutorul
unui radiator de răcire cu aer sau prin mantaua ci lindrului răcit cu ajutorul apei. Poziția
pistonului de lucru se schimbă în această fază foarte puțin. Presiunea în int erior scade datorită
răcirii;
– Timpul 3 ->4: La motoare Stirling cu presiune internă mare în această fază are loc o
compresie, pe când la c ele cu presiune internă mică poate avea loc încă cedare de lucru mecanic
în timp ce presiunea atmosferică acționează asupra pistonului de lucru. În caz contrar, în timpul
compresiei este nevoie de un aport de lucru mecanic, care se preia din momentul de in erție al
volantului. La acest timp poziția pistonului de refula re se schimbă doar foarte puțin;
– Timpul 4 ->1: Volantul se învârte în continuare și prin aceasta pistonul de refulare se va
deplasa în sus. Acest lucru are ca rezultat trecerea gazului din zona superioară rece în zona
inferioară caldă (încălzire). Regeneratorul cedează gazului de lucru căldura înmagazinată în
timpul 2 preîncălzindu -l. Ciclul se reia de la început.
Regeneratorul (la variantele constructive fără piston de refulare se numește diafragmă) în
funcționare va avea o temperatură mijlocie ce se situează între cea a zonei reci și a celei calde.
Lucrează pe baza capacității sale temice, înmagazinează căldura în tre timpii cu schimb de gaz,
și în caz ideal asigură ca gazul să ajungă cu această temperatură medie în zona caldă respectiv
rece. Tocmai aceasta este cantitatea de căldură ce nu trebuie introdusă prin schimbătorul de
cădură din zona caldă respectiv elimin ată prin cel din zona rece, mărindu -se astfel randamentul.

30

Figura 4.3. Motorul Stirling de tip beta
www.slideshare.net/vishalpatel86/ppt -10-42805443

4.3. Motorul Stirling de tip gama
Un motor de tip gama este un motor Stirling b eta la care pistonul de lucru este montat
într-un cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la același volant. Gazul
din cei doi cilindri circulă liber între aceștia. Această variantă produce o rată de compresie mai
mică dar est e constructiv mai simplă și adeseori este utilizat în motoare Stirling cu mai mulți
cilindri.
– Timpul 1: În timpul acestei faze pistonul de lucru efectuează o cursă minimă, volumul
total este minim. În schimb pistonul de refulare efectuează o cursă lungă și gazul de lucru se
încălzește;
– Timpul 2: Pistonul de refulare are o cursă scurtă, pe când pistonul de lucru efectuează
mai mult de 70% din cursa sa totală . El generează energie mecanică;
– Timpul 3: Pistonul de refulare efectuează cea mai mare parte din curs a sa: gazul este
răcit. Pisto nul de lucru are o cursă scurtă;
– Timpul 4: Pistonul de refulare rămâne în partea superioară a cilindrului: gazul este
complet răcit. Față de acesta pistonul de lucru parcurge cea mai mare parte a cursei sale:
comprimă gazul și cedează lucru mecanic în acest scop.

31

Figura 4.4. Motor Stirling de tip gama
www.slideshare.net/vishalpatel86/ppt -10-42805443

4.4. Ciclul teoretic reversibil al motorului Stirling

Randamentul termic al cicl ului Stirling reversibil va fi:
𝜂=𝐿
𝑄𝑆𝐶=1−𝑇3
𝑇1 (4.1)
Randamentul termic este identic cu cel al c iclului Carnot reversibil, funcționând între
aceleași surse de căldură , fapt deosebit de importan t din punct de vedere energetic.
Lucrul mecanic este cu atât mai mare cu cât diferenț a dintre temperaturile T1 si T3 este
mai mare. Această diferență depinde de t emperaturile surselor de că ldură și de performanțele
regeneratorului termic. Valoarea lui T1 este dată de starea sursei calde , iar T3 este limitată
inferior la temperatura mediului ambiant.
Ciclul efectiv (real) diferă mult de ciclul teoretic datorită faptului că fazele schimbului
de caldură dintre sistemul ter modinamic ș i mediul exterior se sup rapun parț ial. Astfel,
destinderea izotermică are loc parțial în zona de ră cire, iar la comprimarea izotermică nu se
găsește întreaga masă a agentului de lucru în zona răcită. De asemenea încălzirea și ră cirea
mediului ev olutiv î n regenerator nu are loc du pă o transformare riguros izocoră, din cauza
suprapunerii parțiale a începutului și sfarșitului transformărilor izoterme și izocore. Din ace asta
cauză ciclul real are formă ovală în orice sistem de coordonate.
Diferenț a dintre te mperaturile surselor de caldură trebuie sa fie cât mai mare, atâ t din
punct de vede re exergetic, cât ș i a puterii dezvoltate de motor .

32
5. Partea experimentală

5.1. Construc ția concentratorului solar

Construcția concentratorului solar a fost realizată cu o antenă TV satelit și un suport
metalic care permite orientarea oglinzii după soare.
Oglinda, construită dintr -o antenă TV, a fost curățată și șlefuită pentru aplicarea foliei
reflectorizante. Dimensiunile parabo lei sunt prezentate î n Tabelul 5 .1. Am utilizat o folie
autoadezivă cu un efect mare de oglindă. Folia reflectorizantă a fost tăiată în 12 triunghiuri
egale , cum este ilustrată și în Figura 5.1. Calculul pentru determinarea laturilor și unghiurilor
triunghiurilor este:

Știind că lungimea cercului este :
𝐿=2𝜋𝑅 (5.1)
unde: L – lungimea cercului
R – raza cercului

Atunci, rezultă că:
𝐿=282,6 cm (5.2)
Valoarea lui λ est e dată de ecuația:
λ= 𝐿
𝑁 (5.3)
unde N reprezintă numărul de triunghiuri.
Înlocui nd în relația (5.3), obținem :
λ= 23,55 cm (5.4)
Unghiul α se calculează cu formula:
𝛼= 360
𝑁
Înlocui nd în relația (5.4) se obține:
𝛼= 30˚ (5.5)

33
Tabelul 5.1. Parametrii parabolei
Diametrul (cm) Raza (cm) Adâncimea (cm)
90 45 9,2

Figura 5.1. Secțiunile foliei reflectorizante

În Figurile (5.2), (5.3) și (5.4) se pot observa etapele parc urse pentru construirea oglinzii .

Figura 5.2. Suprafața parabolei după curățare

34

Figura 5.3. Aplicarea primei parți de folie

Figura 5.4. Folia reflectorizantă aplicată pe parabolă

35
Suportul este format dintr -un soclu metalic (Figura 5.5) pe care este sudat o țeavă (Figura
5.6), care permite orientarea parabolei stânga – dreapta.

Figura 5.5. Suportul concentratorului

36
Figura 5.6. Ansam blul ce permite orientarea parabolei stânga – dreapta

Înclinația parabolei este posibilă cu ajutorul unui ansamblu metalic (Figura 5.7) care
permite modificarea unghiului până la 60 °, iar dacă este nevoie de un unghi mai mare, acesta se
poate mări prin ridicarea soclului .

Figura 5.7 Ansamblul de modificare al unghiului

Suportul motorului Stirling este confecționat dintr -o tablă de aluminiu (Figura 5.8).
Aceasta a fost proiectată astfel încât motorul să se poată amplasa în trei poziții diferite, asigurând
o poziție cât mai exactă a punctului focar.
Suportul motorului se amplasează pe o țeavă în formă de „T ” și are doua grade de libertate
(stânga – dreapta și sus – jos), asigurând astfel o concentrare cât mai mar e a radiației solare în
cilindrul motorului.

37

Figura 5.8. Suportul de aluminiu al motorului Stirling

Piesele au fost apoi vopsite (Figura 5.9) și asamblate . În Figurile 5.10 și 5.11 este ilustrat
concentratorul solar .

Figura 5.9 . Vopsirea pieselor concentratorului

38

Figura 5. 10. Concentratorul solar parabolic – vedere din față

Figura 5.11. Concentratorul solar parabolic – vedere din spate

39
Determinarea distanței focale si suprafața parabolei
Pentru a putea determina focarul parabolei, este necesară cunoașterea celor două variabile
fundamentale ale parabolei: diametrul și adâncimea. Valorile acestor variabile sunt:
D = 0,9 m
d’ = 0.092 m.
Înlocuind valorile în relația (3.1 ), obținem:
F= 0,55 m
Calculăm suprafața parabolei, de care avem nevoie in calcularea randamentului
concentratorului solar. Pentru determinarea supra feței se înlocuiesc termenii în relația (3.2) și
obținem:
A= 0,66 m2

5.2. Determinarea iradianței solare
În acest subcapitol am determinat iradianța, mai precis cantitatea de lumină difuză care
cade pe suprafața concentratorului cu ajutorul programului GRad v.1.2.1.
GRad este un model știin țific al radiației solare, programat in Java, cu ajutorul căruia se
poate calcu la radiația directă, difuză și reflectată pentru suprafețele orizontale sau înclinate, dar și
radiația pentru cer senin, cât și cea pentru un cer real, adică cu anumite condiții atmosferice date.
Cu această aplicație se pot realiza calcule pentru orice per ioadă de timp, de la minute la ani.
Aplicația GRad suportă trei tipuri de operații, acestea fiind calculul iradianței pentru un cer
senin sau cer real ( 𝑊/𝑚2) și calculul iradiației pentru cer senin ( 𝑊ℎ/𝑚2). Operațiile legate de
iradianță au ca rezultat un tabel cu câte o valoare pentru fiecare pas de timp, iar operația iradiației
calculează energia primită de fiecare metru pătrat în aceeași perioadă de timp.
În GRad, datele de intrare sunt introduse dintr -un fișier unde sunt definite coordonatele
zonei de interes, latitudine și longitudine, dar si de alți parametrii, cum ar fi aspectul, elevația și
înclinația.
Elevația reprezintă înălțimea locației geografice dedesubtul sau deasupra unui punct de
referință fix, al nivelului mării Pământului. În Figura 5 .12 este prezentată harta de elevație din
Cluj-Napoca, România, care afișează gama de elevație prin culori diferite.

40
Aspectul reprezintă unghiul format de orientarea captatorului față de direcția nordului.
Înclinația este reprezentată de unghiul de înclin are a captatorilor solari față de orizontală.
Factorul de turbiditate Linke reprezintă un alt parametru de intrare, o valoare ce descrie
starea atmosferei. Aceasta poate fi foarte clară sau poate avea aerosoli care reduc radiația solară.
Deși acest factor poate varia de la zi la zi, de obicei sunt disponibile doar valorile medii lunare.
Valorile pentru factorul de turbiditate Linke sunt prezentate în Figura 5.1 3, găsite la adresa
web: http://sunbird.jrc.it/pvgis/solres/solrespvgis.htm .

Figura 5 .12 Elevația în Cluj – Napoca
http://www.floodmap.net/elevation/ElevationMap/?gi=681290

41

Figura 5.1 3 Factorul de turbiditate Linke
http://sunbird.jrc.it/pvgis/solres/solrespvgis.htm .

Cu ajutorul unei aplicații on -line ce utilizează hărți, se poate afla poziția soarelui pe bolta
cerească și direcția razelor solare pentru fiecare moment al zilei pentru coordonatele geografice a
zonei de interes. Aceasta m -a ajutat la aflarea aspectului ( unghiul format de orientarea captatorului
față de direcția nordului ).

Figura 5.14. Unghiul format de orientarea captatorului față de direcția nordului

42
Cu ajutorul programulu GRad, am calculat iradianța solară din data de 19 Iunie 2017 din
Cluj-Napoca, mai exact cantitatea de lumină care cade pe concentrator și având ca parametrii
datele prezentate în Tabelul 5.2 .

Tabel 5.2. Date de intrare GRad
Longitudine [°] 23.55 23.55 23.55 23.55 23.55 23.55
Latitudine [°] 46.76 46.76 46.76 46.76 46.76 46.76
Elevație [𝒎] 350 350 350 350 350 350
Aspect [°] 135.63 150.05 164.48 181.52 198.57 212.56
Înclinație [°] 45 50 50 55 60 60

În Figura 5.15 am prezentat interfața grafică a programului GRad v.1.2.1 împreună cu
parametrii completați pentru efectuarea calculelor.

Figura 5. 15 Interfața grafică a aplicației GRad

43
Tabel 5.3 Iradianța în funcție de oră
Ora Iradianța (𝑊/𝑚2)
6:00 118.6
6:30 253.4
7:00 387.2
7:30 520.3
8:00 647.4
8:30 764.6
9:00 868.7
9:30 957.3
10:00 1028.6
10:30 1081.3
11:00 1114.5
11:30 1127.8
12:00 1121.3
12:30 1095.3
13:00 1060.4
13:30 1038.6
14:00 1004.1
14:30 999.3
15:00 1016
15:30 1012.8
16:00 989.6
16:30 946.6
17:00 884.7
17:30 805
18:00 709.3
18:30 600.1
19:00 480.6
19:30 354.9
20:00 228.8
20:30 111.2
21:00 16.7

44
În Tabelul 5.3 sunt afișate valorile iradianței obținute în funcție de oră pe parcursul zilei d e
19 Iunie 2017 în Cluj -Napoca.

În Figura 5.16 am realizat graficul iradianței funcție de oră pentr u datele obținute în Tabelul
5.3. În urma reprezentării grafice se poate ob serva că iradianța a atins valoarea maximă de 1127.8
𝑊/𝑚2 la ora 11:30.

Figura 5.16 Grafic iradianța în funcție de oră

-200020040060080010001200
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00Iradianța [𝑊/𝑚^2]
Ora

45

5.3. Determinarea temperaturii în focar
Determinarea temperaturii în focar a fost realizată folosind două table metalice diferite,
una din aluminiu și una din fier (tablă neagră). În Tabelul 5.4 sunt prezentate câteva proprietăți ale
celor două table metalice.

Tabel 5.4 Proprietățile tablelor metalice folosite pentru măsurarea temperaturii în focar
Denumire obiect Material Greutate
[Kg] Căldură
specifică
[J/Kg·K] Punct de
topire
[°C]
Tablă metalică Aluminiu 0,25 919.6 660,3
Tablă metalică
Fier 0,25 459.8 1538

Primul experiment a constat în măsurarea temperaturii tablei din aluminiu cu un
termocuplu Cromel – Alumel legat la un multimetru de tip Peak Tech 3340 DMM . Pentru evitarea
pierderii de căldură între tablă și brațul de prindere am folosit o vată minerală de sticlă.
Condițiile meteo au fost favorabile, cerul a fost senin. Măsurătoarea a fost efectuată în data
de 19 Iunie 2017. În Tabelul 5.5 sunt prezentate datele obținute experimental în urma
măsurătorilor.

46

Tabel 5.5 Datele obținute în urma măsurătorilor folosind tabla din aluminiu
Timp (min) Temperatura ( ℃)
0 43
0.5 53
1 62
1.5 71
2 79
2.5 86
3 93
3.5 99
4 105
4.5 110
5 115
5.5 119
6 122
6.5 125
7 127
7.5 130
8 132
8.5 134
9 139
9.5 143
10 146
10.5 149
11 152
11.5 154
12 156
12.5 158
13 160

47

În urma rezultatelor obținute am realizat graficul variației temperaturii în funcție de timp
pentru tabla metalică din aluminiu, grafic reprezentat în Figura 5.17 . Se poate observa că
temperatura maximă obținută a atins valoarea de 160 ℃ după un timp de 13 minute.

Figura 5.17 Variația temperaturii în funcție de timp pentru tabla metalică din aluminiu

Al doilea experiment s -a realizat măsurând temperatura unei table metalice din fier (tablă
neagră) cu ajutorul unui termocuplu de tip Cromel – Alumel, legat de un multimetru de tip Peak
Tech 3340 DMM . Măsurătoarea a avut loc în data de 19 Iunie 2017, în condiții meteo favorabile.

În Tabelul 5.6 sunt prezentate datele obținute experimental în urma măsurătorilor pe tabla
neagră.

020406080100120140160180
0 2 4 6 8 10 12 14Temperatura ( ℃)
Timp (min)

48
Tabel 5.6 Datele obținute în urma măsurătorilor folosind tabla din fier
Timp (s) Temperatura ( ℃)
0 170
30 280
60 347
70 359
80 368
90 372
100 377
110 380
120 384
130 385
140 460
150 490
160 516
170 533
180 556
190 569
200 578
210 588
220 599
230 606
240 610
250 617
260 618
270 619
280 620

49

În urma rezultatelor obținute am realizat graficul variației temperaturii în funcție de timp
pentru tabla metalică din fier, grafic reprezentat în Figura 5.18 .

Figura 5.18 Variația temperaturii în funcție de timp pentru tabla metalică din fier

Din graficul prezentat în Figura 5.18 se poate observa că după 2 minute temperatura a început
să se stabilizeze la valoarea de 385 ℃. Am modificat poziția concentratorului la un alt unghi pentru
mentinerea spotului luminos pe mijlocul tableai si am continuat m ăsurătorile . După schimbarea
unghiului concentratorului, temperatura a continuat să crească, atingând valoarea de 620 ℃ într-
un timp de 4 minute și 40 de secunde.

0100200300400500600700
0 50 100 150 200 250 300Temperatura ( ℃)
Timp (s)

50

5.4. Determinarea randamentului concentratorului
Randamentul concentratorului se calculează cu ajutorul relației:

𝜂=𝑄
𝑊 (5.1)

Pentru determinarea randamentului concentratorului este necesar să se cunoască cantitatea
de căldură utilă și cantitatea totală de energie captată de suprafața concentratorului parabolic.
Cantitatea de căldura (Q) reprezintă energia transferată între un sistem termodinamic și
mediul înconjurător, între două sisteme termodinamice sau î ntre diferite părți ale aceluiași sistem
termodinamic în care par ametrii externi rămân constanți și are ca unitate de măsură Joule -ul (J).
În cazul concentratorului, Q reprezintă cantit atea de căldură înmagazinată în tabla metalică
de fier aflată în focar , într-un timp t de expunere la soare și se exprimă prin relația:

𝑄=𝑚∙𝑐∙∆𝑇, (5.2)
unde: m – masa tablei metalice din fier , m = 0,25 [Kg]
c – căldura specifică a fierului, c = 459.8 [ 𝐽/(𝐾𝑔∙𝐾) ]
ΔT – variația temperaturii tablei din fier din momentul inițial până când s -a scurs timpu t,
ΔT = 450 °C.
Înlocuid valorile în relația (5 .2), am obținut 𝑄=51727 .5 𝐽

Energia solară captată de parabolă în timpul t se notează cu W, iar unitatea de măsură
pentru aceasta este 𝑊∙𝑠.
Pentru determinarea cantității de energie captată de parabolă se folosește relația:
𝑊=𝐼∙𝐴∙𝑡 (5.3)

51
unde: I – iradianța solară, I = 1127.8 [𝑊/𝑚2]
A – supraf ața discului parabolic, A = 0,635 [𝑚2]
t – timpul alocat experimentului, t = 280 [s]
Înlocuid valorile în relația (5 .3), am obținut 𝑊=200522 .84 𝑊∙𝑠

Pentru calcularea randamentului am înlocuit valorile obținute pentru cantitatea de căldură
(Q), respectiv cantitatea de energie captată d e parabolă (W) în relația 5 .1, obținând un randament
de 26 %.

5.5. Randament ul termic al motorului St irling
Randamentul termic al motorului Stirling este același cu randamentul cilclului Carnot și
se calculează cu ajutorul relației:

𝜂=𝑇𝐶−𝑇𝑅
𝑇𝐶 (5.4)

unde: 𝑇𝐶 este temperatura cilindrului cald
𝑇𝑅 este temperatura cilindrului rece

Inițial, am calculat randamentul motorului Stirling la flacăra unei lămpi cu spirt.
Temperaturi le au fost măsurate cu ajuto rul unui termometru laser cu infraroșu fără contact (BK
Precision 636) și sunt prezentate în Tabelul 5.6.

Tabel 5 .6 Temperaturile pistoanelor motorului pentru lampa cu spirt
𝑇𝐶1 (K) 𝑇𝑅1 (𝐾)
383.15 293.15

Înlocuind in formula (5 .4), randamentul termic al motorului Stirling obținut în urma
măsurătorilor efectuate în cadrul funcționării acestuia folosind lampa cu spirt, este de 23 %.

52
După care, am calculat randamentul motorului Stirling situat în focarul concentratorului
solar. Temperaturile au fo st măsurate tot cu termometrul laser cu infraroșu fără contact (BK
Precision 63 6), date prezentate în Tabelul 5 .7.

Tabel 5 .7 Temperaturile pistoanelor motorului pentru concentratorul solar
𝑇𝐶2 (𝐾) 𝑇𝑅2 (𝐾)
388.15 305.15

În acest caz, dacă înlocuim în formula (5 .4), ra ndamentul termic este egal cu 21 %.

5.6. Punerea în funcțiune a motorului Stirling
În această parte a lucrarei am montat în focar un motor Stirling de tip gama, care a
funcționat cu energie solara obținută cu ajutorul concentratorului sol ar parabolic.
Figura 5.19 prezintă întreg ansamblul: concentrator solar parabolic cu motor Stirling.

Figura 5.19 Concentrator solar parabolic cu motor Stirling

53

6. CONCLUZII

În lucr area de față am realizat construirea unui concentrator solar parabolic, p ornind de la
o antenă TV satelit. Din antenă am construit o oglindă care reflectă radiația solară în punctul focar.
Pentru orientarea acesteia după soare, am realizat un su port metalic, care se manevrează ușor și
eficient.
Am înregistrat evoluția în timp a temperaturii în focarul parabolei, obținând o valoare de
620 ℃ după 4 minute.
Pentru a determina randamentul concentratorului solar, am aflat cu ajutorul aplicației GRad
(Global Radiation) v1.2.1. cantitatea de lumină difuză care cade pe parabolă. Astfe l, randamentul
concentratorului este de 26%.
În final, a m montat un motor Stirling de tip gama în focarul concentratorului solar și l -am
pus în funcțiune, obținând un randament termic al motorului de 21 %, în condiții meteo favorabile.

54
8. BIBLIOGRAFIA

 Cărți:
1. Câmpeanu V., Pencea S. (2014), Energiile Regenerabile – Încotro , Editura Universitară
București.
2. Chen H., Czerniak S. (2014), Design of a Stirling Engine for Electricity Generation .
3. Duffie J.A., Beckman W.A. (1980), Solar Engineering of Thermal Processes , Second ed.,
Wiley & Sons, Singapore.
4. Fara L., Mitroi M. R. (2009), Fizica și tehnologia celulelor solare și sistemelor
fotovoltaice, Editura Academiei oamenilor de știință din România, București.
5. Fraser P. R. (2008), Stirling Dish System Performance Prediction Model, Master Of
Science, University of Wisconsin – Madison.
6. Gielen D. (2012), Renewable energy technologies: cost analysis series, Volume 1:
Concentrating solar power, Editura Irena.
7. Günther M., Advanced CSP Tea ching Materials: Chapter 2 – Solar Radiation.
8. Homutescu C. A., Savitescu G. (2003), Introducere în mașini Stirling, Editura Cermi, Iași.
9. Lucian V. (2014), Energia solară: Ghid de captare și conversie a energiei solare pentru
utilizare, Editura Universitară București.
10. Madarasan T. (1998), Bazele termotehnicii , Editura Sincron, Cluj -Napoca.

 Articole :
1. Bălan M.C., Jäntschi L., Bolboacă S.D., Damian M. (2010), Thermal Solar Collectors
Behaviour in Romania , Polish Journal of Environmental Studies, ISSN 1230 -1485, 19(1):231 -241.
2. Chaanaoui M., Vaudreuil S., T. Bounahmidi (2016), Benchmark of Concentrating Solar
Power plants: historical, current and future technical and economic development, Procedia
Computer Science vol. 83, p. 782 – 789.
3. Farzaneh A., M. Mohammadi, Z. Ahmad, I. Ahmad (2013), Aluminium Alloys in Solar
Power − Benefits and Limitations, Chapter 13.
4. Fernández -Ahumada L.M., Casares F.J. (2017), Mathematical study of the movement of
solar tracking systems based on rational models, Solar Ene rgy vol. 150, p. 20 – 29.

55
5. Giovannelli A. (2015), State of the Art on Small -Scale Concentrated Solar Power Plants,
Energy Procedia vol. 82, p. 607 – 614.
6. Hafez A.Z., A. Soliman (2016) , Solar parabolic dish Stirling engine system design,
simulation, and thermal analysis, Energy Conversion and Management vol. 126, p. 60 – 75.
7. Hijazi H., O. Mokhiamar, O. Elsamni (2016), Mechanical design of a low cost parabolic
solar dish concentrator, Alex andria Engineering Journal vol. 55, p. 1 – 11.
8. Kongtragool B., S. Wongwises (2003), A review of solar -powered Stirling engines and low
temperature differential Stirling engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 7, p.
131 – 154.
9. Li Ruijie Grosu , Lavinia (2016), Parameter effect analysis for a Stirling cryocooler.
10. Liu Y. H and Richard C. Jordan, The Interrelationship and of Direct, Diffuse and
Characteristic Distribution Total Solar Radiation.
11. Lloyd C. Ngo, Exergetic Analysis and Optimisati on of a Parabolic Dish Collector for Low
Power Application, University of Pretoria, Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies.

 Pagini web:
1. http://sunbird.jrc.it/pvgis/solres/solrespvgis.htm .
2. www.slideshare.net/vishalpatel86/ppt -10-42805443
3. http://geografilia.blogspot.ro/2013/09/o -aplicatie -interesanta -de-vizualizare.html
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance
5. http://www.termo.utcluj.ro/termo/p2.pdf