Convectoare cu Oglinzi Parabolice Liniare

Introducere

Producția de energie este preocuparea de bază a societații industriale în secolul 21. În marea lor majoritate, problemele noastre ecologice sunt pricinuite de utilizarea combustibililor fosili. Numai o schimbare radicală a perspectivei poate preveni "infarctul ecologic" al planetei noastre în deceniile ce urmează.

Dacă dorim să împiedicăm încălzirea atmosferei, provocată de milioane de tone de dioxid de carbon pe care le producem, să oprim distrugerea ultimelor peisaje și să păstrăm nealterate rezervele de apă potabilă, trebuie să abordăm cu totul alte strategii de obținere a energiei. Utilizarea acesteia trebuie să fie economică, ecologică și rațională, pornind de la o bază adaptabilă și descentralizată prin apelul la sursele inepuizabile de energie ale naturii.

Energia solară este energia radiantă produsă în soare ca rezultat al reacțiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spațiu în cuante de energie numite fotoni, care interacționează cu atmosfera și suprafața Pământului.

Lucrarea de față este structurată pe un număr de trei capitole care conțin atât generalități privind energia regenerabilăcât și detalii ce privesc tipurile de tehnologii.

Capitolul I. Importanța energiilor regenerabile

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbția naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane și în plante. Interacțiunea dintre energia solară, oceane și atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun mașini puternice, ușoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice condiții meteo, care atașate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei rețele de distribuție locală sau regională.

Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi și energia potențială a apei din izvoarele de munte și râuri. Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creșterea biomasei, care poate fi folosită drept combustibil incluzând lemnul și combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasă.

De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbție a energiei. Ca rezultat al absorbției energiei solare în oceane și curenți oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variații verticale se apropie de 20C pe o distanță de câteva sute de metri. Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatură mai mare și transferând o cantitate mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferența între aceste două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-un fluid care pune mareelor; energia solarã se remarcã prin instalațiile simple si cu costuri reduse ale acestora la nivelul în funcțiune un sistem de conversie a energiei electrice convenționale.
Utilizarea energiei solare apare din timpurile istoriei ca prezentã în viata oamenilor sub diferite forme: armã, curioziotate, utilizare efectivã; astfel în secolul al III-lea î.H., matematicianul grec Arhimede (287 – 212 î.H.) a apărat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriase care orientau fasciculele de luminã focalizatã spre navele inamice, incendiindu-le.

In 1767, apare si termenul de energie termo-solară, când omul de stiință elevetian Horace de Saussure a inventat "cutia fierbinte", în fapt cel dintâi colector solar iar în 1830 astrologul Sir John Hershel utilizeazã "cutia fierbinte" pentru a găti în timpul unei expeditii în sudul Africii ori în anul 1891 când are loc patentarea primului sistem comercial de încãlzire a apei de cãtre Clarence Kemp.

Dintre toate sursele de energie care intrã în categoria surse ecologice si regenerabile cum ar fi: energia eolianã, energia geotermalã, energia unor temperaturi în jur de 100°C, temperaturã folositã pentru încãlzirea apei cu peste 40 grade peste temperatura mediului ambiant, instalatii folosite la încãlzirea apei menajere sau a clãdirilor.

De aceea, este deosebit de atractivã ideea utilizării energiei solare în scopul încălzirii locuintelor si se pare cã acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare în urmãtorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalațiile solare de încãlzire a clãdirilor este deja destul de bine pusã la punct într-o serie de țãri ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.

Energia solară reprezintã una din potențialele viitoare surse de energie, folositã fie la înlocuirea definitivã a surselor convenționale de energie cum ar fi: cãrbune, petrol, gaze naturale etc, fie la folosirea ei ca alternativă la utilizarea surselor de energie convenționale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind în momentul de fațã cea mai raspânditã utilizare din întreaga lume.
Poate cel mai evident avantaj, în vederea utilizării acesteia, pe care îl are, este acela de a nu produce poluarea mediului înconjurãtor, deci este o sursã de energie curatã; un alt avantaj al energiei solare fiind faptul cã sursa de energie pe care se bazează întrega tehnologie este gratuită.

Domeniul cel mai răspândit al utilizării energiei solare în instalații îl reprezintă cel al producerii de apa caldă de consum, deoarece instalațiile de preparat apă caldă de consum sunt simple și cu eficiență ridicată, în raport cu alte instalații similare folosite pentru conversia energiei solare.

Energia solară reprezintă cea mai impresionantă și sigură sursă de energie. Într-un interval de 20 de minute, soarele furnizează echivalentul consumului energetic anual al omenirii. Pe teritoriul României, pe o suprafață orizontală de 1m2, putem capta anual o cantitate de energie cuprinsă între 900 și 1450 kwh, dependentă bineînțeles și de anotimp. Radiația medie zilnică poate să fie de 5 ori mai intensă vara decât iarna. Dar și pe timp de iarnă, în decursul unei zile senine, putem capta 4-5 kwh/m2/zi, radiația solară captată fiind independentă de temperatura mediului ambiant.

Datorită acestor cantități teoretice mari de energie care sunt înmagazinate de către radiația luminoasă și a randamentului de transformare al acestei energii în căldură, instalațiile termice care folosesc energia termică solară sunt deosebit de eficiente având câteva avantaje care le propun pentru a fi utilizate pentru pentru producerea apei calde:

– acopera până la 70% din necesarul dumneavoastră de apa caldă;

– reduce cu până la 50% costurile dumneavoastră de încălzire;

– beneficiază de subvenții din partea statului;

– reprezintă combinația ideală cu sistemele de încălzire existențe;

– permite acoperirea unei cote de până la 100% din necesarul de apa caldă cu ajutorul soarelui pe parcursul lunilor de vară;

– prin intermediul unor sisteme tehnice inovatoare, permite un montaj facil.

Capitolul II. Conversia solar -termică

Dacă ne raportăm la conversia solar-termic avem de-a face cu două categorii mari de conversii.

În cazul CSP ( Concentrating Sun Power ) energia solară este concentrată si utilizată pentru cresterea temperaturii unui agent termic, utilizat ulterior pentru producerea energiei electrice, într-un sistem de amploare industrială .

O a doua categorie este reprezentată de captatori de mică putere, destinaŃi, în general utilizării pe scară redusă, pentru obținerea apei calde (aplicații casnice sau industriale de mică putere).

Soarele, este sursa noastră principală de energie. O parte a radiației solare ne stă la dispoziție aici, pe Pământ. Ea face posibilă viașa pe planeta noastră, fără ea fiind imposibile fenomene naturale cum ar fi vântul, ploile, fotosinteza, curenții marini etc.

Soarele este o stea de mărime și luminozitate medie ca și majoritatea celorlalte stele, Soarele este alcătuit din 71% hidrogen, 27% heliu si 2% alte circa 70 de elemente. Uriașa energie furnizată de Soare este datorată reacțiilor de fuziune nucleară care au loc în interiorul său. În apropierea centrului său, temperatura este de aproximativ 16.000.000 K, iar densitatea de 150.000 kg/m3. Intensitatea radiației la suprafața Soarelui este de 70-80.000 kW/m², la o temperatură de 6000ºC. Din această cantitate enormă de energie, Pământul primește o cantitate mult mai mică, destul de considerabilă însă. Totalul energiei solare care ajunge pe suprafața Terrei este de 219.000.000 miliarde kWh pe an. La limita exterioară a atmosferei, intensitatea medie a radiației solare este de 1370 W/m² (constanta solară). Trecând prin atmosferă, o parte din radiație se pierde, astfel încât într-o zi senină de vară, totalul radiației de care ne putem folosi (radiația globală), este de aproximativ 800-1000 W/m².

Întâlnirea dintre razele Soarelui și suprafața terestră produce, în primul rând, o serie întreagă de procese naturale de transformare. O mare parte din căldura rezultată din energia solară se regăsește în mediul înconjurător: aerul, Pământul și apa sunt încălzite în permanența de Soare si devin, astfel, surse inepuizabile de energie, la rândul lor. O altă parte a radiației solare se transformă, prin reacții biochimice, în biomasă (plante) – astfel s-au format combustibilii fosili (cărbunele, petrolul și gazele naturale).

Un procent relativ mic al radiației solare totale produce precipitații, vânt și valuri. Aceste procese naturale sunt exploatate de către om de mult timp, prin metode eficiente de transformare a energiei vântului sau a apei curgătoare în forță mecanică sau curent electric.

Cu ocazia primelor șocuri pe piața petrolului, în anii 1973-74, a devenit evident că principalele noastre surse de energie, respectiv combustibilii fosili – nu sunt un izvor nesecat; în plus arderea acestora dăunează grav mediului înconjurător, ducând la posibile dezastre provocate de efectul de seră și ploile acide, punând în pericol, până la urmă, însăși supraviețuirea speciei umane pe planetă.

O soluție pentru această situație critică este renunțarea la sursele poluante în favoarea utilizării energiei solare prin sisteme pasive (arhitectura solară) și active (instalații termice și fotovoltaice). Utilizarea pasivă a energiei solare, printr-o arhitectură adecvată, înseamnă de fapt reproducerea efectului de seră, în cadru închis, cu scopul încălzirii.

Transformările radiației solare în alte forme de energie sunt sisteme active. Cu ajutorul celulelor solare se poate obține energie electrică. De asemenea, colectoarele solare pot fi folosite pentru producerea energiei termice.

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată prin intermediul co-lectorilor solari, având funcționarea pe diverse prin-cipii constructive. Indiferent de tipul colectorilor so-lari, pentru ca randamentul conversiei energiei so-lare în energie termică să fie ridicat, este impor-tant ca orientarea captatorilor solari spre Soare, să fie cât mai corectă. Poziția colectorilor solari este definită prin unghiul de înclinare α, respectiv unghiul azimut.

Există mai multe tipuri de conversii, și anume:

– conversia fototermicã , care prezintã o mare importanțã în aplicațiile industriale (încãlzirea clãdirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.). în cazul conversiei fototermice, adicã a termoconversiei directe a energiei solare, se obține cãldura înmagazinatã în apa, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide). Cãldura astfel obținutã poate fi folositã direct sau convertitã în energie electricã, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic; poate fi folositã prin transformãri termochimice sau poate fi stocatã în diverse medii solide sau lichide.

– conversia fotomecanică , care prezintã importanțã deocamdatã în energetica spațialã, unde conversia bazatã pe presiunea luminii dã naștere la motorul tip "velã solarã", necesar zborurilor navelor cosmice. Conversia fotomecanicã se referã la echiparea navelor cosmice destinate cãlãtoriilor lungi, interplanetare, cu așazisele "pânze solare", la care, datoritã interacției între fotoni și mari suprafețe reflectante, desfãșurate dupã ce nava a ajuns în "vidul cosmic", se produce propulsarea prin impulsul cedat de fotoni la interacție.

– conversia fotochimică care poate prin douã moduri sã utilizeze Soarele într-o reacție chimicã, fie direct prin excitații luminoase a moleculelor unui corp, fie indirect prin intermediul plantelor (fotosintezã) sau a transformãrii produselor de dejecție a animalelor. Conversia fotochimicã privește obținerea pilelor de combustie prin procesele de mai sus.

– conversia fotoelectrică cu mari aplicații atât în energetica solarã terestrã, cât și în energetica spațialã. Conversia fotoelectricã directã se poate realiza folosind proprietãțile materialelor semiconductoare din care se confecționeazã pilele fotovoltaice. Problema a fost complet rezolvatã la nivelul sateliților și a navelor cosmice, dar prețurile, pentru utilizãrile curente, sunt încã prohibitive.

II.1 Concentrating Sun Power

II.1.1 Tehnologia Power tower

Energia solară este concentrată în vârful turnului, unde este încălzit agentul termic, ce este utilizat apoi pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor, ca într-o central termo-electrică clasică.

Centralele de tip Power tower pot atinge factori de încărcare medie anuală de până la 60%. Pe durata zilelor de vară (mai lungi), factorul de încărcare poate atinge chiar 80%.

Aceste valori sunt posibile doar utilizând sisteme de stocare. Fără astfel de sisteme, factorul de încărcare este limitat la aproximativ 25%.

Studiile referitoare la acest tip de tehnologie au debutat în anii 1970, când inginerii de la Sandia National Laboratories din Albuquerque, New Mexico si Livermore, California, au studiat conceptul de turn de forță si au ajuns la concluzia că s-ar putea obŃine energie electrică pe scară mare, suficientă pentru a alimenta orase întregi. În consecinŃă, în anul 1976 s-a construit la Sandia în Albuquerque baza experimentală National Solar Thermal Test Facility (NSTTF).

Figura II.1 Turnul de la NSTTF

La NSTTF, turnul are 63 m înălțime si 222 heliostate (oglinzi) controlate digital.

Acestea pot direcționa razele solare către una din cele patru facilități de producție, fiind capabile de o producție termică de 5 MW. Baza experimentală a fost folosită în cadrul a sase programe importante de dezvoltarea a turnurilor de forță (Power tower), inclusiv pentru Solar Two (tehnologie cu sare topită).

Imediat după construirea NSTTF, s-a început construire primei centrale solare de 10 MW, Solar One, lângă Barstow, California.

În 1982 aceasta a intrat în funcțiune. Ea avea un turn de 90 m si 1818 heliostate. Centrala a funcționat, conform proiectului, până în 1988, dovedind că se poate produce energie pe scară industrială cu tehnologia Power Tower (în ultimul an a funcționat 96% din timp). Pe durata ei de viață a furnizat 38.000 MWh, funcționând aproape în permanență la capacitatea nominală de 10 MW.

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 centralele solare cu câmpuri de colectoare. Agentul termic utilizat este 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 adapate necesităților proceselor tehnologice, sau ceerințelor accelerării proceselor chimice. De regulă însă, căldura generată este utilizată totuși prim intermediul unei turbine de gaz sau de aburi la generarea de curent electric. În receiver agentul termic este încălzit pînă la 1000°C, și în final utilizat la generarea de aburi.

Figura. II.2 Tehnologia Tower Power

Curentul electric generat este livrat în rețea. Centralele cu turn solar reprezintă deci o altă modalitate îndeajuns de pusă la punct pentru a putea genera – cu sprijinul programelor de încurajare – energie electrică la preț competitiv. Cea mai mare instalație de acest tip existentă la ora actuală sunt „Solar Two“ de 10MW, având o temperatură de lucru de 290-570°C în California și Instalațiile de cercetare din Almeria/Spania. În iulie 2006 s-a început construcția unei centrale termice experimentale de 1,5MW în Jülich/NRW cu termen de predare anul 2008. Variațiile intensității radiației solare vor fi compensate cu ajutorul unui tip nou de instalație de înmagazinare.

Principiul de centralelor de tipul Power tower este ilustrat în figura următoare:

Figura II.3 Principiul de funcționare al centralelor Power Tower

Prin aceasta generarea de energie electrică se poate regal independent de intensitatea de radiație solară, în funcție de cererea de consum. În viitor acest tip de centrală, în lipsa radiației solare va putea fi acționată utilizînd biomasă. Pe termen lung se prevede posibilitatea generării de hidrogen cu acest tip de tehnologie. La Sanlucar la Mayor, 25 km de Sevilia se construiește un parc solar care la terminare în 2013 va produce 300MW energie electrică prin utilizarea a diferite tehnologii. La sfârșitul lunii martie 2007 s-a conectat la rețea prima centrală – PS10 – construită între 1 iulie 2001 și 31 decembrie 2005 având o putere instalată de 11MW și o producție anuală de 23GWh. Cheltuielile cu investiții s-au cifrat la 35 milioane € cu o contribuție de 5 milioane € din fonduri din programele de cercetare ale EU. În faza următoare se va construi o centrală cu turn solar de 20MW (PS20) apoi o instalație de 20MW (AZ20) urmată de alte 5 centrale a câte 50MW.

În cazul centralelor cu turn solar este vorba de obicei de centrale pe bază de aburi generați 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.

II.1.2 Tehnologia Disk

Tehnologia Disk este defapt o combinație între tehnologia solară și tehnologia eoliană.

Aerul încălzit este evacuat printr-un coș sub un acoperiș. Căldura pământului și cea a soarelui încălzesc aerul din colector. Coșul din mijlocul acoperișului prezintă spații mari de acces pentru aerul cald care ajunge la bază. Crentul ascendent este asigurat de radiația solară iar îmbinarea dintre coș și bază este necesară a fi atanșă pentru a nu se pierde sursa de căldură. Turbina de presiune transformă aerul din turn din energie cinetică în energie mecanică.

Turbina de presiune din cadrul acestei tehnologii antrenează generatorul electric ca și în cazul unei eoliene.

Figura II.4 Tehnologie de tip Disk

O central de acest tip (colector de 5 km în diametru, turn de 1000 m înălŃime si 150 m diametru) generează o energie de 200 MW care este sufieentă pentru asigurarea energiei unui întrg oraș cu număr mare de locuitori. Bineînțeles că o astfel de centrală ar reduce emisiile de gaze cu efect de seră cu 830 de mii de tone anual.

Avantajele acestei tehnologii sunt:

– nu prezintă consecințe negative asupra mediului

– este captată atât radiația direct cât și cea difuză. În acest caz un mare avantaj prezintă faptul că razele soarelui nu cad direct pe receptor ci sunt difuzate în general de nori

– este asigurată acumularea naturală de energie, fără tehnologii adiționale de stocare. Solul de sub captator acumulează energie ziua, pe care o eliberează pe perioada nopții. Prin dispunerea pe sol a unor conducte cu apă care să acumuleze mai multă energie termică pe timpul zilei, se poate ajunge ca centrala să producă energie întreaga zi.

– la baza turnului temperature nu este foarte mare iar viteza este de aproximativ de 15m/s. Din cauza acestui lucru se pot face întrețineri periodice fără oprirea capacității având în vedere faptul că echipamentele nu necesită o întreținere deosebită.

– consumul de energie este mic.

Procesul este arătat în figura de mai jos.

Figura II.5 Procesul de funcționare al tehnologiei Disk

2.1.3 Tehnologia Trough

Energia solară este concentrată cu ajutorul oglinzilor parabolice liniare către un tub aflat în interiorul parabolei. Energia este utilizată pentru obținerea gazului care antrenează turbine clasică ce pune in funcțiune generatorul electric.

Figura II.6 Sistemul Trough

O astfel de central presupune un câmp de oglinzi parabolice orientate pe direcția

nord-sud, care pot fi rotite est-vest pentru a urmări deplasarea Soarelui.

Acest tip de central sunt hibride deoarece folosesc gazul pentru compensarea perioadelor cu radiații reduse, fiind prevăzute cu sistem de stocare.

În perioada anilor 1984 și 1991 a fost contruită cea mai mare capacitate de producție SEGS aceasta găsindu-se în deșertul Mojave, California, totalizând 354 Mwe. Acest complex cuprinde 9 centrale cu concentratoare parabolice liniare folosind ca sursă de rezervă gazele naturale, asigurând necesarul de energie electrică pentru o populație de 250.000 de locuitori.

Figura II.7 producția SEGS din California

Randamentul maxim atins a fost de21%, iar media anuală este cuprinsă între 14 si 18%. Factorul de capacitate anual (ponderea dintr-un an când puterea nominală a fost menținută doar pe baza energiei solare) a fost de24%.

În Europa, prima instalație a fost dezvoltată la platforma Solar de Almería, în Spania, compusă dintr-un câmp de 11 colectoare parabolice liniare orientate pe direcția nord sud.Aceste 11 colectoare erau realizate din module parabolice de 12 m lungime, 5,7 m lățime, conectate în serie pe câte 550 m.

Oglinda parabolică este formată din 54 de elemente reflectorizante triunghiulare, si produce abur la temperatura de 500°C. Aburul antrenează un turbogenerator conectat la rețeaua Canberra.

Liderii mondiali în domeniul centralelor solar-termice cu concentrator (CSP) sunt în prezent Statele Unite si Spania. În 2008 două noi centrale CSP au devenit functionale – una de 50 MW (Andasol-1) în Spania si una demonstrativă de 5 MW în California. Acestea urmează altor trei proiecte finalizate în cele două tări în perioada 2006–2007.Alte câteva proiecte au fost date în folosință în 2009, inclusive două capacităti de 50 MW în Spania si o centrală CSP de 20MW integrate,o centrala de 450 MW pegaz in Maroc.

Tehnologia de generare a energiei fotovoltaice utilizează, ca element de bază, celulele semiconductoare . Principiul constă în generarea curentului electric între doi electrozi atașați la un sistem solid sau lichid, sub directa acțiune a luminiisolare. Pentru a produce curent electric, se cuplează între 36 și 72 de asemenea celule. Dispozitivele fotovoltaice încorporează semiconductori de-a lungul cărora luminozitatea solară este transformată în energie electrică.

Figura II.8 Tehnologia de generare a energiei fotovoltaice

Sistemul poate avea în component lui o baterie carestochează suficientă energie pentru a „supraviețui" chiar și unei nopți lungi de iarnă, în condiții de mediu favorabil, o parte din cantitatea de energie este consumată, iar surplusul estes tocat în baterii, fiind apoi consumat în timpul nopții sau pe vreme nefavorabilă.

O combinație între celulele fotovoltaice și generatoarele bazate pe combustibil lichid (petrol, de exemplu), garantează aceeași fiabilitate ca serviciul public de curent electric.

II.2 Convectoare termice ( tuburi)

Energia solară este cea mai curată, dar și cea mai inepuizabilă dintre toate sursele de caldură cunoscute. Radiațiile solare sunt compuse din căldură, lumină și alte radiații emise de soare. Radiațiile solare conțin o cantitate uriașă de energie și acestea sunt responsabile de toate pocesele naturale de pe pământ. Energia solară, deși atât de abundentă, a fost foarte greu să fie exploatată în mod direct până acum.
Energia solara poate fi clasificată în două categorii, termică și luminoasă.

Energia termică obținută de la soare poate fi folosită pentru un număr de aplicații incluzând producerea de apă caldă, încălzirea unor spații și de asemenea chiar pentru răcire, făcută prin intermediul tehnologiei de răcire prin absorție. Folosind energia solară și alte forme de energie care se pot reîmprospăta se va reduce sprijinul dat de produsele petroliere pentru producerea de energie, în așa fel încât se vor reduce emisiile de CO2. Emisiile de CO2 contribuie la încălzirea globală a atmosferei, acesta fiind o depreciere a mediului ambiant căreia astăzi i se dă o deosebită atenție. Media Emisiilor de CO2 datorate uzului casnic vor fi reduse cu 20% prin instalarea unui colector solar.

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor curgatoare, a proceselor biologice și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee.

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc.

Panourile solare termice reprezintă instalații care captează energia din razele solare și o transformă în energie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiației solare este utilizat pentru producerea de energie termică, randamentul acestor panouri este ridicat fiind în jur de 60%-75% raportat la energia razelor solare incidente (200 – 1000 W/m² în Europa, in functie de latitudine, anotimp și vreme).Expresii cu semnificatie identica sau apropiata: captatoare solare, colectoare solare. Energia solar termică este captată prin intermediul mai multor sisteme, și acestea pot fi : panouri plate și panouri cu tuburi vidate.

A.Panouri plate

În principiu, un panou solar are o carcasa metalica de forma dreptunghiulara in care se afla montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticla, razele solare cad pe o suprafata care absoarbe aproape intregul domeniu spectral al acestora.

În cazul tuburilor termice, se cunoaște faptul că acestea sunt folosite pentru transferarea căldurii de la un corp cald la unul rece.

Figura II. 9 Panou solar plat

Colectoare solare plane au trei elemente importante :

Sticla

Absorber

Panou propiu zis

Sticla – folosită este un sortiment de sticlă prismatică rezistentă la șocuri termice și mecanice. Acest sortiment de sticlă lasă să treacă circa 92-93% din razele solare, pe când sticla obișnuită de geam lasă să treaca decât 85%.

În acelasi timp, sticla blochează radiațiile termice să nu se întoarca în mediul exterior, după ce piesa denumită a fost încăzită.

Au apărut și sortimente speciale de sticlă pentru colectoare solare, la care, s-a ajuns la 96% împreună cu îmbunătățirea folosirii razelor, care nu cad perpendicular. La aceste sortimente, câștigul total este de circa 10% mai mult ca la sortimentele clasice.

Absorberul -este realizat din cupru, cu acoperiri speciale pentru a mari gradul de absorbție a razelor solare. Se folosesc acoperiri cu oxid de crom, oxid de nichel, oxid de vanadiu, chiar si titan. Aceste materiale au fiecare culoarea lor specifica, nu mereu negru este cea mai bună soluție.

De exemplu, acoperirile cu titan dau o tentă albastră și ajută în special la captarea radiației difuze care deja are rezultate superioare iarna.
În unele cazuri se folosesc si lacuri si vopsele, dar în clipa în care trebuie să reziste la temperaturi in gama 150 -200°C conditiile de indeplinit sunt grele.
Absorberul se infierbanta si isi cedeaza caldura agentului termic care circula prin el. Ca agent termic se poate folosi si apa, in circuit inchis sau deschis, dar de multe ori este folosit antigel.

Pentru a reduce pierderile datorate radiatiei absorberului (orice corp cald radiaza) se izoleaza spatele absorberului si in unele cazuri, tot colectorul solar este vidat. Cu aceasta metoda se poate creste energia cistigata cu 10 – 13 %.

Avantaje:

Durata medie de functionare mare, se garanteaza uzual 20 – 30 de ani. Simplitate exista solutii care din cauza simplitatii au devenit extrem de fiabile. Experienta indelungata, se gasesc deja exemplare de 30 -40 de ani izolarea nu este perfecta, dar in schimb este stabila in timp, zapada nu ramane pe colector ci se topeste mai usor ajuta acoperisul la izolarea termica, in cazul in care s-a folosit montajul integrat in țiglă. Protejeaza antigelul temperatura vara poate sa atingaă200-220°C, iar antigelul la circa 160°C începe să se descompună.

Dezavantaje

Unghiul de incidenta a razelor solare este optim decat la pranz. Imunitate redusa la vant vantul nu reuseste sa treaca prin panou ca la varianta cu tuburi

B Panouri cu tuburi vidate

Acesta este reprezentat de o țeavă din cupru sau un alt metal care este termoconductor, închisă la capete și care conține un agent ce schimbă faza, adică un fluid care fierbe la o temperatură mică în condiții de presiune și trece de la faza lichidă la faza gazoasă.

În aceste condiții, fluidul va absorbi căldura latentă de vaporizare, căldură ce va fi cedată la trecerea inversă din faza gazoasă în cea lichidă.

Această schimbare a fazelor are loc în cadrul condensatorului. Căldura absorbită la evaporare este condensată și cedată de agentul de schimbare de fază.

Figura II.10 Tub vidat

Nivelul de insolatie este cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și cade pe suprafața pământului. Această cantitate de energie variază în funcție de latitudine, altitudine și de perioada anului. Nivelul de insolație este de obicei exprimat ca medie anuală sau lunară, în killowati-ora pe metru pătrat. Pentru a corela mai ușor aceasta mărime cu consumul zilnic de energie termică, nivelul de insolație se exprima ca medie lunara în kWh/m2/zi. Nivelul de insolație se poate determina în functie de locație cu ajutorul unor hărți de insolație. O astfel de harta împarte țara noastră în trei zone principale de însorire:

– zona 0 (>1250 kWh/m2/an), care coincide practic cu litoralul Mării Negre;

– zona 1 (1150-1250 kWh/m2/an) care include în mare parte regiunile carpatice și subcarpatice

– zona 2 (1000-1150 kWh/m2/an), compusă în principal din regiunile de șes.

Această hartă reprezintă zonarea României în funcție de nivelul mediu anual de insolație. Valorile zilnice obținute împărțind valoarea medie anuală la numarul de zile dintr-un an, reprezintă valori medii. Dimensionarea unei instalații solare se poate face și la valoarea medie anuala raportată la numarul de zile dintr-un an, însa în acest caz instalația va produce caldura în exces pe perioada de vară.

Tuburile vidate constituie elementul cheie al captarii energiei solare. La origine un proiect dezvoltat de Universitatea din Sydney, Australia, acest sistem de tuburi sunt actualmente larg utilizate în Germania, Canada, Marea Britanie si China datorita performantelor lor tehnice si a pretului scazut.Fiecare tub este format din doua tuburi concentrice din sticla borosilicat (foarte rezistenta si cu un grad de transparenta ridicat), sudate între ele. Spatiul dintre cele doua tuburi se videaza iar suprafata interioara a tubului interior se acopera cu un strat selectiv cu excelente proprietati de absorbtie a radiatiei solare (>92%) si cu o reflexivitate foarte redusa (<8%). Caldura este transferata agentului termic sau în mod direct, sau cu ajutorul unui tub termic. Vacuum-ul dintre cele doua tuburi formeaza un fel de "termos" astfel încâz – desi temperatura în interior ajunge la 150ｰC – la exterior tubul este rece.Aceasta proprietate face instalatia utilizabila si în climate foarte reci, colectoarele cu tuburi fiind mai eficiente decât colectoarele solare clasice, plane.

Pentru pensiunea noastra, datorită avantajelor pe care le prezintă, am ales colectoarele solare de uz general cu transfer direct.

Figura II. 11 Captator plan cu vitrare

Energia utilă (Qu) reprezintă energia incidentă pe captator (Qi) diminuată de pierderile optice (energia reflectată de materialul transparent – de cele mai multe ori sticla, și de către materialul absorbant-factorul TA) și de pierderile termice pe fețele acestuia.

Considerându-se o zi tip cu o însorire normală (fără nori) se constată că pentru un captator orientat către sud, energia captată este egală cu produsul dintre energia incidentă și factorul optic F.

Luând în calcul și pierderile termice ale captatorului se constată că acesta își îndeplinește rolul atât timp cât bilanțul termic este pozitiv (energia captată minus pierderile) până în momentul când el devine negativ (ceea ce se întâmplă de regulă la sfârșitul zilei).

Intersecția cu axa ordonatei corespunde factorului optic iar intersecția cu axa abscisei reprezintă coeficientul de pierderi termice.

Acest tip de captatoare sunt de regulă utilizate când se solicită temperaturi medii (apă caldă menajeră, încălzirea clădirilor, încălzirea apei din piscine, diverse aplicații industriale etc.).

Colectoare solare de uz general cu tuburi vidate, nepresurizate. Se pot folosi în aplicatii combinate, la prepararea apei calde menajere, încalzirea piscinelor, etc. Transferul caldurii catre agentul termic se realizeaza direct.

Colectoarele sunt alcatuite dintr-un numar de tuburi duble vidate care au suprafata interioara acoperita cu un strat selectiv.

Funcționează pe baza principiului de termosifonare, apa încălzită solar în tuburile vidate ridicându-se în corpul colectorului, fiind înlocuită de un volum echivalent de apă mai rece. Căldura este transferată direct apei din colector, care umple interiorul tuburilor duble din sticlă. Acest tip de colectoare solare pot fi folosite în cadrul unor aplicații casnice diverse: la prepararea apei calde menajere, încălzirea piscinelor, etc.

În cazul acestor colectoare condensatorul este introdus în corpul colectorului prin intermediul unei teci. Corpul rece este reprezentat de agentul termic, iar corpul cald este reprezentat de o parte din tubul vidat care prezintă depuneri încălzite de soare.

Figura II. 12 Tub colector

Acestea sunt compuse din două tuburi de sticlă compuse și dintr-un tub termic în contact cu lamelă de absorbție. Tipurile acestea de tub reprezintă o inovație recentă fiind cele mai eficiente tuburi din componența instalațiilor ce funcționează și la temperature foarte mici. Ele prezintă în interior o țeavă din cupru cu aripioare unde elemental de absorbție este acoperit de un strat selective, iar țeava din cupru transfer căldura ce este absorbită la capătul superior de unde este preluată de agentul termic.

Aceste tehnologii prezintă o serie de avantaje:

– Tehnologia cu eficiența cea mai mare în colectarea căldurii solare

– Functioneaza eficient chiarsi la temperaturi scazute

– Utilizarea unui agent termic potrivit (solutie de antigel) asigura functionarea colectorului la temperaturi foarte scăzute

– Durata medie de functionare foarte mare datorita materialelor utilizate: sticla ,borosilicat s i otel inoxidabil

– Constructia cilindrica a tubului face ca razele soarelui sa cada mereu

perpendicular pe suprafata tubului, crescând eficienta colectorului

– Colectoarele se pot monta pe acoperis uri înclinate, terase plane sau pe pereti verticali

– Tuburile pot fi înlocuite individual

– construcție simplă, modulară

– instalare facilă

– durată lungă de viață

– cost redus

2.2.1Caracteristici tehnice

A. Corp colector

Corpul colectorului este fabricat integral din oțel inoxidabil. Izolația termică a corpului colectorului este realizată din spumă poliuretanică de 40-45 mm grosime. Racordurile colectorului sunt fabricate din teavă de oțel inoxidabil de 1¾".

Tuburile vidate sunt produse din sticlă borosilicat, având o structură tub-în-tub. Spațiul dintre cele două tuburi concentrice este vidat pentru a îmbunătăți proprietățile termoizolante ale tubului din sticlă. Tuburile vidate rezistă la impact cu grindină de până la 35 mm. Dimensiunile unui tub vidat pentru acest tip de colectoare solare sunt 1500 mm lungime și 47 mm diametru. Un colector solar are între 12 și 30 de tuburi, în funcție de model.

1. Componentele unui tub vidat

Figura II.13 Componente ale unui tb vidat

O parte importantă a tubului vidat sunt piesele care captează, trasportă și cedează căldura. În acest scop, se folosesc piese din cupru și aluminiu, datorită conductibilității termice excelente. Este nevoie de o suprafață mare gen radiator realizat din aluminiu pentru a culege eficient energia termică din interiorul tubului de sticla și de a transfera către agentul termic care circulă prin țeava racordată la colectorul solar.

Pentru a menține poziția tubului termic în interiorul tubului de sticlă și a mări suprafața prin care se captează energia, din interiorul tubului de sticlă se folosesc radiatoarele din aluminiu.

2. Instalarea unui tb vidat

Precautii in timpul instalarii aparatului

– Instalarea sistemului poate fi executată doar de personal calificat.

– Locul în care se realizează instalarea trebuie sa fie plan și în fața acestuia să nu existe nici un obiect care să bareze razele solare care cad pe sistem.

– Fundația pe care este amplasat aparatul trebuie să reziste la cel puțin de două ori greutatea rezervorului.

– Instalația trebuie sa fie stabilă și sigură astfel încât sa se elimine riscul de producere al accidentelor

– Este recomandat să izolați intrările și ieșirile din aparat pentru a preveni înghețul în timpul iernii care ar afecta funcționarea normală a sistemului.

– Inainte de a instala, asigurați-vă și verificați rezervorul colector să nu aibă impurități sau corpuri străine și umpleți-l cu apă curată. Încălzitoarele solare de apa conțin tuburi vidate de sticla, rezervoare de apă, suport și oglindă reflectoare, care sunt împachetate în cutii de carton.

1) Pasul unu:

-scoateți obiectele din cutiile de carton

-vă rugăm despachetați cu grija

-selectați toate accesoriile în forma de U și așezați-le pe mărimi.

2) Pasul doi:

-montarea oglinzii reflectoare

-vă rugăm despachetați cutia de carton mai îngustă

-două dintre cele patru panouri sunt reflectoare ce se prind pe două sau trei accesorii in U pe picioare

-cele două reflectoare se vor monta în linie dreaptă pe structură

-fixați cele trei piulițe în partea de jos a celor trei picioare

-atașați cele trei șuruburi în partea de sus a celor trei picioare

NOTA: în partea de sus, atât în dreapta cât și în stanga, există un loc pentru fixarea oglinzilor.

-fixați șuruburile în partea din spate a fiecarui picior

-în partea din spate a celor trei picioare se atașeaza triunghirile de consolidare

-acum se fixează brațele diagonale

-sub panourile reflectoare înaintea picioarelor din față fixați suportul pentru tuburi și inserati capetele de plastic pentru susținerea acestora.

-asigurați-vă că toate șuruburile sunt strânse și că suportul este rigid

3) Pasul trei:

-Asamblarea rezervorului: -acum sunteți gata să fixați suportul direct pe pământ.

-atașați rezervorul suportului și asigurați-vă că orificiile pentru tuburi sunt dispuse în plan paralel cu picioarele scheletului, după aceea fixați rezervorul cu șuruburile aferente și strângeți-le după care reasigurați-vă că orificiile sunt în plan paralel cu scheletul. Utilizând o cârpă curată și o cantitate mică de grăsime siliconica curățați și lubrifiați fiecare dintre cele 30 de orificii aferente fiecărui tub din rezervor.

NOTA: înainte de asamblare vă rugăm, verificați dacă în rezervor se află alte obiecte. Dacă da, vă rugam să extrageți acele obiecte și curățați rezervorul cu apă.

4) Pasul patru:

Asamblarea tuburilor vidate

Cu atenție despachetați tuburile vidate. Amintiți-vă că acestea sunt din sticlă și că ele pot fi sparte, de asemenea sunt singurele părți fragile ale sistemului și trebuie mânuite cu atenție.

Fixați o garnitură care folosește la etanșare și trageți-o în jos prin rotire. Fixați aceasta garnitură la cca 200mm mai jos de partea deschisă a tubului. Ungeți tubul cu grăsime la vârful din partea deschisă a tubului cca 100mm

Introduceți ușor tuburile în rezervor până când acestea sunt bine introduse, iar partea de jos se afla la cel puțin 25mm liberă deasupra suportului tuburilor. Acum trageți ușor în jos de tuburi până când acestea se fixează în lăcașul de suport. Fixați garnitura tubului împingând-o în sus până când este înafara marginii, astfel încât. apa să nu curgă pe lângă aceasta. Repetați operația pentru toate tuburile.

În timpul instalarii tineți cont de urmatoarele:

-daca elemental electric este folosit , vă rugăm asigurați-vă că firul cu care aparatul este conectat la sursa de energie este izolat și de asemenea asigurați-vă că are și legatura de împământare atât cablul cât și priza de la care este alimentat.

-Paratrăznetul cladirii trebuie să fie montat la o înalțime mai mare decât cea a aparatului. Nu utilizați aparatul în timpul furtunilor cu descărcări electrice.

-Asigurați-vă că aparatul este bine ancorat asttfel încat să reziste la vânt puternic.

-Instalarea țevilor trebuie efectuată de personal calificat și să corespundă normelor de instalație.

– Instalația exterioară ar trebui să aibă suport și nu este permis ca țevile să fie agațate direct de rezervor.

– Instalația trebuie să fie efectuată astfel încat țevile să plece din partea de sus spre cea de jos, să nu aibe sectoare orizontale, iar coturile pentru schimbarea direcției să nu aibe un unghi foarte mare astfel încat să se obtureze calea de acces a apei. În unele clădiri instalațiile pot trece prin interiorul culoarelor de ventilație.

-Toate țevile trebuiesc izolate pentru zonele în care temperatura scade iarna sub pragul de îngheț , de asemenea trebuie să folosiți o izolație specială care să nu fie mai subțire de 50mm. Izolația poate să fie din azbest sau alte materiale izolante.

-Daca încalzitorul dvs solar de apă este instalat la o înaltime superioară decât cea a cladirii, trebuie să aveți instalat în imediata apropiere a acestuia un paratrăznet mai înalt cu cel puțin 50 cm decât sistemul solar de încalzire al apei. În cazul în care paratrăznetul are ca suport sistemul solar de încălzire al apei acesta trebuie separat de paratrăznet printr-o izolație care să nu fie mai mică de 30mm.

3. Principiul de funcționare

Principiu de funcționare

Tuburile vidate captează radiația solară și o transformă în energie termică, încălzind heatpipe-urile. Căldura este transmisă în capatul superior al hetpipe-ului, care încălzește agentul termic(antigel). Agentul termic încălzit este circulat de pompa prin serpentina din interiorul rezervorului. Apa rece preia caldura de la serpentină și poate fi folosită ca apă caldă menajeră sau aport la încălzire.

Schimbătorul de căldură (colectorul) este constituit dintr-o teava de cupru în care sunt introduse un numar de 18 sau 24 teci sudate printre care circulă antigelul (agentul termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat și închis într-o carcasă exterioară din tablă de aluminiu. Tuburile se introduc in decupările cilindrice practicate în carcasă, bulbul superior al țevii de cupru patrunzând în teaca colectorului astfel încat să se asigure un contact termic cât mai bun. Rigidizarea tubului pe poziția de funcționare se face prin fixarea acestuia cu bride metalice, pe latura inferioară a cadrului Cele doua capete ale țevii colectorului sunt cuplate într-un circuit hidraulic închis prin care, cu o pompa de circulație, căldura este transferată în preparator adică in acumulatorul propriu-zis.

Varianta de utilizare recomandată este cea cu acumulator, pompă de circulțtie și panou electronic de comandă (regulator electronic dedicat).

Montajul panoului solar se face pe un cadru metalic dreptunghiular, sistemul de fixare la locul de montaj căzând în sarcina instalatorului (proiectantului). Se pot monta direct pe acoperisuri inclinate sau, cu un suport adecvat, pe suprafețe orizontale sau pe fațada clădirilor.

Acest tip de panou solar se utilizează la sistemele solare complexe pentru apă caldă tot timpul anului și pentru aport la încalzirea încăperolor toamna, iarna și primăvara.

Capitolul III. Convectoare cu oglinzi parabolice liniare

Oglinzile parabolice liniare ajută la concentrarea energiei soarelui și o direcționează către un tub cu ulei. Aburul obținut în urma acestui proces antrenează o turbină care la rândul ei andrenează un generator electric.

Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabolă concentrând fluxul radiației solare pe un tub absorbant situat în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare este cuprinsă în funcție de tip între 20 și 150m. Tubul absorbant este constituit dintr-o țeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant și prin care curge agentul termic și care este în interiorul unui alt tub, de astă dată de sticlă de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convecție. Energia radiației 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.

Figura III.1 Colectoarele cu jgheaburi parabolice la Kramer Junction în California

Deja în anul 1912 s-a utilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de către firma Shumann und Boys pentru generarea de aburi necesari acționării unei pompe de 45kW în Meadi/Egipt. Colectoarele aveau o lungime de 62m și acopereau o suprafață de 1200m²

Între 1977 și 1982 au fost 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 500kW la European Test Centre for Solar Energy Applications din Plataforma Solar de Almería situat la marginea deșertului desierto de Tabernas.

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 6m și o lungime de până la 180m 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 putere instalată de 64MW cu posibilitatea de extensie până la 200MW. Energia temică este produsă de 19.300 oglinzi de 4m lungime înzestrate cu conducte absorbante (PTR70 Receiver) livrate de către firma SCHOTT AG . Se prevede construirea de centrale similare în Maroc, Algeria, Mexic și Egipt.

Din anul 2006 se află în stadiu de construcție centrala Andasol 1 de 50MW, în prezent cea mai mare din Europa, proiectată de firma Solar Millennium..

Focalizarea câmpurilor solare a covatelor parabolice și colectoarele Fresnel liniare reflectă radiația incidentă pe un filtru poziționat pe linia focală a concentratorului. Colectorul urmărește soarele într-o singură axă (Figura 1). Datorită acestei „concentrării într-o singură dimensiune” factorii geometrici ai concentrării de 15 până la 30 sunt considerabil mai mici decât colectorii în 2 dimensiuni discutați mai sus. Din acest motiv temperaturi mici sunt atinse când sunt comparate cu centralele electrice solare pe bază de turn. Dar, acest dezavantaj este compensat de costurile specifice mai mici cât și o structură mai simplă și mai ușor de întreținut.

Fig.III.2 Principiile colectorilor focalizați

(a) covată parabolică, (b) covate Fresnel.

Centralele electrice solare focalizate au o structură modulară. Datorită acestei caracteristici și a formei câmpului solar, centralele electrice solare focalizate au fost cunoscute în trecut sub numele de ferme solare.

În cele ce urmează, tehnologia centralelor electrice cu covată parabolică și colectori Fresnel și toate componentele auxiliare vor fi descrise.

Elementele sistemului ce compun centralele electrice cu covată parabolică cuprind colectori, filtre, fluid de transfer al căldurii și blocaje de energie.

Colectorii care au în general 100 m, dar în zilele noastre pot atinge si 150 m lungime, sunt dotate cu o singură axă de urmărire a soarelui. Pierderea anuală de cosinus a covatelor parabolice poate varia între 10 și 13 %, pe când conceptele lui Fresnel sunt duble. După deducerea pierderilor optice și termale în interiorul colectorului de la 40 până la 70 % din radiația incidentă poate fi folosită tehnic. Procentajul depinde de design, mărimea câmpului și de poziția geografică a centralei electrice. În cele ce urmează tipurile principale de colectori sunt discutate.

Colectorii cu covata parabolică. Acest tip de colector este caracterizat de un reflector parabolic care concentrează radiația incidentă într-un tub poziționat pe linia de focalizare.

Reflectorul în sine poate fi format dintr-o suprafață cu o folie reflectoare (folie de metal, oglinzi subțiri de sticlă) sau din câteva segmente de oglinzi curbate aranjate într-o structură legată; varianta recentă este aplicată comercial. Colectorii sunt montați pe o structură și urmăresc direcția diurnă a soarelui printr-un sistem cu o singură axă ce urmărește axa longitudinală.

Figura III.3 Principiul funcțional al unei covate parabolice

Segmentele de oglindă au pe spate o sticlă albă de oțel argintat pentru a obține mari valori de reflectivitate în spectrul solar. Când segmentele de oglindă sunt curate se ajunge la valori de reflectivitate solară de aproximativ 94%. Atât timp cât sticla este anti apă reflectivitatea a reflectoarelor curățate rămâne practic neschimbată.

Un colector (SCA) este compus dintr-un număr de elemente colectoare (SCE) cu o lungime de 12 m fiecare. Cel mai mare colector construit la zi (Skal-ET) este compus din 12 SCE (câte 6 pe fiecare parte a pilonului de conducere centrală). Are o lungime totală de 150 m și o deschizătură cu un dimetru de 5,77m.

Fiecare unitate colectoare este echipată cu un senzor poziționat unghiular pentru a urmări poziția colectorului și opțional se adaugă un senzor de soare. Primele motoare electrice echipate cu cutie de viteză sau macarale de cablu erau folosite ca metode de conducere. Pentru recentele colectoare LS-3 și EuroTrough, au fost aplicate transmisii hidraulice ce sunt mai eficiente /5-16/.

Colectoarele Fresnel. Pentru acest tip de colectoare profilul de parabolă este aproximat cu segmentele individuale. Segmente individuale de oglinzi lungi rectangulare de o lățime de aproximativ 2 m urmăresc soarele la fel ca și câmpurile de heliostate, pentru a reflecta radiația incidentă la o linie focală obișnuită. Toate segmentele sunt montate la același nivel (ori lângă pământ ori mai înalt pe structuri montate). Datorită lățimii lor mai mici ele sunt expuse unor cantități mai mici de bun comparativ cu colectoarele cu covată parabolice. Cu toate acestea diferite segmente se umbresc una pe cealaltă. Datorită geometriei lor specifice, colectoarele Fresnel sunt caracterizate de concentrări mai mici și o eficiență optică mai mică comparate cu colectoarele cu covată parabolică. Aceste pierderi pot fi cel puțin compensate de poziționarea alternativă a oglinzilor.

Fiecare segment care rotește se rotește în jurul centrului său de gravitate. Segmentele sunt acționate individual sau ca grup. Așadar colectoarele Fresnel necesită un sistem de control mai sofisticat decât colectorii cu covată deoarece trebuie folosite un număr mai mare de drivere. De aceea colectoarele Fresnel au fost testate până în prezent la o scară mică și de asemenea au fost utilizate la o scară mică din 2004 în Liddell, Australia.

Absorberul Filtru / Elementul de colectare a căldurii (HCE). Tuburile orizontale individuale sunt folosite pentru absorbere în linie focală a colectoarelor; pentru colectoarele Fresnel se v-a folosi o grupare de tuburi deoarece au linia focală mai mare. Astăzi tuburile de absorbție din oțel inoxidabil ale colectorilor cu covată (HCE) sunt închise în tuburi de sticlă pentru a minimaliza pierderile (Fig.9). în cazul colectorilor cu covată vidul creat este de asemenea folosit pentru a proteja stratul acoperit foarte sensibil. În zilele de azi aceste straturi selective rămân stabile până la temperaturi de 450-500 °C; absorbția solară este peste 95% și la o temperatură de 400°C, umisiunitatea este sub 14% /5-18/.

Fig.III.4 Cilindrul absorbant Filtru tubic al unui colector cu covată parabolică

În plus față de designul testat HCE (Figura 10.a), Figura 10.b) și c) arată două variante în plus folosind un concentrator secundar și un receptor țevi grupate. Amândouă opțiunile au fost propuse pentru optica colectoarelor Fresnel.

Fig.III.5 Designul principal al receptoarelor cu covată parabolică (a),

colectoarele Fresnel (b), lățimea liniei focale (c)

Mediul de transfer a căldurii. Până în prezent uleiul termal sintetic cu grad ridicat de fierbere a fost aplicat ca transfer mediu de căldură în tuburile de absorbție. Datorită stabilității termale scăzute a uleiului, temperatura maximă de lucru este limitată la abia 400°C.. această temperatură necesită tinerea uleiului sub presiune (aproximativ 12-16 bari). De aceea tuburile colectoare ca și rezervoarele de expansiune și schimbătoarele de căldură trebuie să aibă un design rezistent la presiune. Așadar sunt necesare investiții relativ mari.

De aceea sarea topită fost propusă pentru transferul mediu de căldură. Sarea topită este caracterizată cu următoarele avantaje: costuri mici, o capacitate de căldură mai mare absoarbe un potențial ridicat de temperatură pe de o parte și vâscozitatea mare a temperaturii de topire mare si medie necesitând urma de căldură pe de alta. Datorită capacității mai mari de căldură, necesarul de căldură pentru pompat este de așteptat să fie mai mic în comparație cu uleiul termal. Până în prezent au fost construite numai prototipuri ale acestor variante.

Din acest motiv investigarea generării de abur direct în tuburile colectoare este promovată deoarece costurile sunt reduse și eficiența este de așteptat. Avantajele sunt: temperatură ridicată de lucru a aburului pentru transferul mediu și faptul că nu necesită transfer de căldură fluid care include și schimbările de căldură.

Problemele legate de evaporarea apei în tuburile orizontale (incluzând fluxul în două faze și de aceea transmisia de căldură diferită) pot fi rezolvate folosind tehnologia valabilă pe piață (boiler cu circulație forțată cu o rată relativ mare de recirculare și separator apă/abur). Este așadar posibil să generezi direct abur saturat de colectoarele în linie. Totuși presiunea mare a aburului (de obicei între 50-100 bari) necesită o grosime a tubului mai mare, așa că grupările de tuburi colectoare foarte late ar fi mai indicate decât tubul individual /5-40/.

Câmpurile de colectoare. În zilele de azi câmpurile de colectoare sunt compuse dintr-un anual număr de bucle cu o lungime aproximativă de 600 m fiecare. Aceste bucle sunt fiecare conectate la un alimentare feed și la o linie de deschidere. Aceste colectoare sunt orientate nord-sud pentru a permite energia indicată si constantă.

În legătură cu designul corpurilor colectoare o importanță mare trebuie dată distanței dintre rândurile colectoare individuale. Distanța determină umbra dimineața și după-amiază așadar o reducere a eficacității întregului câmp. Mai mult,costul pentru teren și țevi ca și pierderile termale și la pompă trebuie luate în considerare. Deoarece efectele umbrei depind și de latitudine,designul pentru fiecare umbră trebuie optimizat condițiilor fiecărui teren. Ca regulă distanța dintre liniile centralei electrice cu covată parabolică este de obicei de trei ori mai mare decât lățimea optimă.

Colectoarele sunt poziționate orizontal, este admisibilă și o pantă de câteva procente. Totuși inegalitatea terenului trebuie ajustată.

Producția termală a întregului câmp trebuie limitată de pierderile de presiune a transferului mediu de căldură și costul țevilor. În ziua de azi, capacitatea termică a unui câmp solar care folosește ulei termal este estimată la 600 MW.

O parte importantă din electricitatea termică solară este generată prin intermediul uzinelor cu covată parabolică. În deșertul Mojave în California/ SUA nouă așa numitele uzine SEGS ( sisteme generatoare de electricitate solară) au fost construite, a căror concepte sunt detaliate după cum urmează. În plus, mai multe abordări sunt discutate.

Din 1985 până în 1991, nouă uzine SEGS (Tabelul 1) pentru o capacitate electrică de 345 MW au fost construite în deșertul Californian Mojave. Toate uzinele au fost operate pentru producerea de energie pe bază comercială încă de atunci.

Tabelul 1 Parametrii tehnici ai centralelor electrice cu covată parabolică

Toate uzinele SEGS sunt operate cu ulei termal care este pompat prin intermediu câmpului solar. Pentru prima uzină (SEGS I) uleiul mineral a fost selectat că se poate opera la temperaturi mici și nu necesită operare presurizată. Supra încălzirea necesară pentru operarea turbinei de abur este oferită de un boiler alimentat cu gaz care asigură operarea constantă a uzinei. Uleiul aplicat era așa ieftin încât o simplă stocare termală de 120 MW putea fi adăugată.

Pentru următoarele centrale electrice atât fluidul de transfer al căldurii cât și configurația uzinei au fost modificate. Uleiul termal, încă în folosință azi permite maximul de temperaturi funcționale de 400ºC, dar trebuie ținută la o presiune mai mică de cel puțin 12 bari.

De la uzina SEGS VI, s-a introdus un reîncălzitor solar care (împreună cu parametri de abur) mărește eficiența termică a ciclului de energie de la 30.6 la 37.5% (Figura 6).

Figura 5 arată un exemplu al eficienței caracteristică acestui tip de centrală electrică (i.e energia electrică oferită ca o funcție a radiației directe).

Caracteristica performanțelor SEGS VI

Aburul necesar este generat direct sau indirect de un circuit secundar (Figura 6). parametri tipici ai aburului sunt aproximativ 100 bari/371°C pentru generarea indirectă (datorită limitei de temperatură a transferului de căldură fluid) sau 80 bari/430°C pentru generare directă. Comparate cu ciclurile unei centrale electrice cu aburi obișnuită,valorile indicate sunt joase. Totuși acestea sunt compensate de un efort tehnic mărit. Cu toate acestea pentru o uzină cu o asemenea capacitate necesită îmbunătățiri cum ar fi supra încălzirea intermediată și preîncălzirea apei oferite. Consecvent în ciuda parametrilor nefavorabili, de exemplu, uzina de 30 MW SEGS IV până la SEGS VI ating eficiențe termale în blocajul de energie de până la 38%.

Hibridizarea este posibilă prin integrarea de aprindere adițională bazată pe combustibil fosil sau biogenetic pentru a asigura operarea pe timpul fluctuațiilor sau când nu există radiație solară. Ca o alternativă, și generatoarele de abur pot fi aplicate în paralel; acest efort tehnic adițional permite parametrii mai buni pentru abur și eficiențe mai mari electrice.

Conceptul uzinelor SEGS este aplicat pentru mai recentele centrale electrice cu covată parabolică a cărui operare este asigurată predominant de generarea de energie solară fără aprinderi majore adiționale.

Figura III.6 Diagramă a unei centrale electrice cu covată parabolică (SEGS VI și VII)

Sistemul integrat solar de cicluri combinate. Pentru a spori disponibilitatea, eficiența și controlul, câmpul solar poate fi încorporat într-o centrală electrică cu cicluri combinate. Aburul solar este supra încălzit încă o dată până la o temperatură de aproximativ 530ºC într-un boiler de recuperare a căldurii

Dacă un câmp colector solar este integrat în ciclul de abur a unui sistemul integrat solar de cicluri combinate aburul „solar” este transferat într-un ciclu de înaltă presiune al generatorului de abur. Combustibilul fosil necesar este redus pentru ca mai mult abur să fie generat cu aceeași cantitate de combustibil sau chiar mai puțin pentru a produce aceeași cantitate de abur. În acest mod operațional, turbina pe gaz poate fi operată la doar o parte din încărcătură; și deci câmpul solar economisește combustibil fosil. Partea de generare a energiei este între 3 și 10 %.

Integrarea în centralele electrice convenționale. O altă posibilitate de a integra căldura solară în procesele centralelor electrice convenționale este de a încorpora căldura solară în apa oferită pentru a pre încălzi convenționalele centrale electrice pe abur. Pentru pre încălzirea internă a apei oferite, aburul din extracția turbinelor normale este necesar, care apoi nu mai e disponibil pentru expansiune în turbină. Dacă căldura solară este disponibilă pentru pre încălzirea apei oferite, aburul poate fi folosit pentru turbine.

În vara lui 2004, prima fază de pre încălzire solară prin mijloacele colectorilor Fresnel a fost comisionată în Liddell, Australia. Pentru ultima configurare este planificată ca ultima pre încălzire la presiune mare să fie exclusiv operată de căldura solară. În plus, această uzină urmează a fi testată cu o adițională generare de abur

Analiza economică. În următoarea analiză costurile de generare a energiei pentru uzinele termale solare menționate vor fi calculate. În linie cu precedentele metode de apreciere aplicate prin intermediul acestei cărți, costurile pentru construcția și operare sunt determinate și distribuite sub formă de anuități asupra vieții tehnice a uzinei. Bazat pe costurile anuale și energia oferită, costurile generării de energie pe kilowatt pe oră sunt calculate. Pentru a permite, pentru comparație, ca de obicei o viață tehnică de 25 de ani și o dobândă de 4.5% se iau în considerare.

Deoarece aceste uzine sunt construite doar în zone cu o mare parte de radiație directă, de asemenea o zonă de referință a fost luată în calcul, care este caracterizată de o radiație anuală directă de 2700kWh/m2.

Concluzii

Energia solarã reprezintã una din potențialele viitoare surse de energie, folositã fie la înlocuirea definitivã a surselor convenționale de energie cum ar fi: cãrbune, petrol, gaze naturale etc, fie la folosirea ei ca alternativã la utilizarea surselor de energie convenționale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind în momentul de fațã cea mai raspânditã utilizare din întreaga lume.

Poate cel mai evident avantaj, în vederea utilizãrii acesteia, pe care îl are, este acela de a nu produce poluarea mediului înconjurãtor, deci este o sursã de energie curatã; un alt avantaj al energiei solare este faptul cã sursa de energie pe care se bazeazã întrega tehnologie este gratuitã.

Dintre toate sursele de energie care intrã în categoria surse ecologice si regenerabile cum ar fi: energia eolianã, energia geotermalã, energia mareelor; energia solarã se remarcã prin instalatiile simple si cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi în jur de 100°C, temperaturã folositã pentru încãlzirea apei cu peste 40 grade peste temperatura mediului ambiant, instalatii folosite la încãlzirea apei menajere sau a clãdirilor. De aceea, este deosebit de atractivã ideea utilizãrii energiei solare în scopul încãlzirii locuintelor si se pare cã acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare în urmãtorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalatiile solare de încãlzire a clãdirilor este deja destul de bine pusã la punct într-o serie de tãri ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.

După cum am încercat să prezentăm în acest proiect, achiziționarea unui sistem solar nu aduce doar beneficii din punct de vedere financiar, sistemul fiind eficient, ușor de întreținut dar și protejeaza mediului înconjurator, un aspect foarte împortant într-o perioadă în care planeta se confruntă cu poluarea și cu încalzirea globală.

De aceea, este deosebit de atractivã ideea utilizãrii energiei solare în scopul încãlzirii locuințelor și se pare cã acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicație a energiei solare în urmãtorul secol.

Bibliografie

1. Themßl A., Weiß W., Instalații Solare: proiectarea și construcția unei instalații solare: ghid informativ, editura M.A.S.T. Bucuresti, 2008

2. Corbureanu C., sub îndrumarea d-lui Prof. dr. ing. Mugur Bălan, Instalație pentru încălzirea și prepararea apeicalde menajere într-o locuință unifamilială prin utilizarea de surse regenerabile – proiect de diplomă, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca – Facultatea de Mecanică, 2006

3. Popa I.M., sub îndrumarea d-lui Prof. dr. ing. Mugur Bălan, Instalație pentru încălzirea și condiționarea aerului, și încălzirea apei menajere, într-o pensiune turistică montană, utilizând resurse regenerabile de energie – proiect de diplom, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca – Facultatea de Mecanică

4. http://www.eurosolar.ro/instalatii_solare.html

Bibliografie

1. Themßl A., Weiß W., Instalații Solare: proiectarea și construcția unei instalații solare: ghid informativ, editura M.A.S.T. Bucuresti, 2008

2. Corbureanu C., sub îndrumarea d-lui Prof. dr. ing. Mugur Bălan, Instalație pentru încălzirea și prepararea apeicalde menajere într-o locuință unifamilială prin utilizarea de surse regenerabile – proiect de diplomă, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca – Facultatea de Mecanică, 2006

3. Popa I.M., sub îndrumarea d-lui Prof. dr. ing. Mugur Bălan, Instalație pentru încălzirea și condiționarea aerului, și încălzirea apei menajere, într-o pensiune turistică montană, utilizând resurse regenerabile de energie – proiect de diplom, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca – Facultatea de Mecanică

4. http://www.eurosolar.ro/instalatii_solare.html