INSTALAȚIE SOLARĂ PENTRU PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE CU STOCAREA CĂLDURII ÎN SĂRURI TOPITE [302388]

Universitatea ,,Petru Maior” [anonimizat]: INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

PROIECT DE LICENȚĂ

INSTALAȚIE SOLARĂ PENTRU PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE CU STOCAREA CĂLDURII ÎN SĂRURI TOPITE

Îndrumătorul temei:

Sef.Lucr. Dr. Ing. Dragomir

Stanciu Daniel

Student: [anonimizat]: 2016

[anonimizat] a [anonimizat]. A doua parte cuprinde informații despre ceea ce reprezintă principala sursă de energie regenerabilă și anume energia Solară precum și modurile în care aceasta atinge diferite suprafețe situate la suprafața Pământului. [anonimizat] a energiei solare pentru producerea ulterioară a energiei electrice indispensabile omului. [anonimizat], pornind de la datele inițiale ale temei. Pentru calculul circuitului termic am folosit metoda simplificată Panzer.

[anonimizat] o energie verde cu costuri de producție mici. [anonimizat], fapt ce va duce la folosirea acestor centrale termosolare ca principala sursă de energie electrică.

1. [anonimizat]. Dezvoltarea acestei industrii este condiționată de existența unor surse de energie primară. Aceste surse se caracterizează prin: diversitate, accesibilitate și asigurarea cantităților necesare pentru o perioadă de timp cât mai mare. [anonimizat] a găsi o gamă mai diversificată de surse de energie primară cu proprietăți diferite. [anonimizat] a societății. Sursele de energie primară sunt împărțite în două mari categori:

Surse epuizabile

Surse regenerabile

1.1 Surse epuizabile

Sursele epuizabile (finite) de energie sunt acele surse care sunt considerate a [anonimizat] a se regenera. Ele asigură nevoile societății umane numai pentru o [anonimizat].

Acești combustibili fosili provin din resturile organice( rămășițe fosilizate) ale animalelor și plantelor. Din categoria combustibililor fosili fac parte: cărbunele,petrolul și gazele naturale.

1.1.1 Cărbunii

Cărbunii sunt un tip de rocă sedimentară. Aceștia s-au format prin carbonizarea resturilor de plante. Turba este rezultatul procesului ce are loc anaerob ( lipsa aerului ) din aceste resturi vegetale. În funcție de anumite condiții la care a [anonimizat], lignit, antracit sau huilă.

[anonimizat] o [anonimizat]a de energie. În funcție de capacitatea de căldură cedată, cărbunii se împart în două categori : cărbuni inferiori și cărbuni superiori. Cărbunii inferiori degajă o cantitate mai mică de căldură față de cei superiori, fiind mai puțin bogați în carbon.[3]

Cărbunele este una dintre cele mai importante surse primare de energie, având un procent de 27 % din producția de energie mondială. Cel mai mare dezavantaj al utilizării cărbunelui constă în gazul cu efect de seră ce rezultă prin arderea sa, și anume emisia de CO2.

1.1.2 Petrolul

Petrolul este un amestec complex de hidrocarburi ce conține peste 17.000 de diferite substanțe organice, fiind cea mai importantă materie primă pentru industria chimică. Spre deosebire de cărbuni, acesta a rezultat prin descompunerea anaerobă a resturilor de origine animală. Prin prelucrare, din acest combustibil fosil se obține benzină, motorină, kerosen și o serie de mase plastice și polimeri. Utilizarea produselor rezultate din această materie primă provoacă poluări masive ale atmosferei terestre datorită gazelor rezultate din arderea sa.[1]

1.1.3 Gazele naturale

Gazul natural este un amestec puternic inflamabil, de regulă insipid și inodor (motiv pentru care se adaugă mercaptan cu scopul de a ușura detectarea scurgerilor) cu o temperatură de aprindere de circa 600 °C. Acesta se formează prin descompunerea anorganică a diferitelor resturi animale și vegetale, fiind întâlnit în straturile din adâncime ale pământului sub formă de zăcământ [5]. Principalul dezavantaj al exploatării și utilizării gazelor naturale constă în transportul de la sursă la consumator, fiind nevoie de conducte de mare capacitate.

1.1.4 Combustibili nucleari

Combustibilii nucleari sunt substanțe care fisionează sau fuzioneză, producând energie nucleară. Deși fac parte din categoria combustibililor fosili, aceștia nu suferă procese de combustie, ci de fisiune sau fuziune nucleară. Procesul de obținere a energiei pe baza reacției nucleare este unul complex și foarte periculos. Utilizarea combustibililor contribuie la contaminarea atmosferei, a apelor și a solului din vecinătatea reactoarelor nucleare (centralelor nucleare ).

1.2 Surse regenerabile

Sursele regenerabile de energie sunt acele surse, naturale, care se regenerează in timp, sau sunt practic inepuizabile. Acestea sunt o alternativă a combustibililor fosili având marele avantaj al reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră. Conform Comisiei Europene[7], până în 2020, 20% din consumul de energie al UE trebuie să provină din surse regenerabile de energie. S-a impus un obiectiv obligatoriu ca, până în 2020, minimum 10 % din consumul de combustibili utilizați în transport să provină din biocombustibili, precum și crearea unui nou cadru legislativ.

Principalele surse de energie regenerabilă care sunt luate în considerare pentru acoperirea cererii de energie globală sunt :

Energia solară

Biomasa

Energia eoliană

Energia geotermală

Energia hidraulică

1.2.1 Energia Solară

Energia solară a devenit în ultima perioadă un subiect foarte popular datorită faptului că omenirea a realizat că energia constituie o componentă vitală a existenței sale în condițiile civilizației moderne. Se estimează că rezervele mondiale de gaze naturale se vor epuiza în câteva zeci de ani, după care urmează epuizarea petrolului și a cărbunelui în circa 300 de ani. Într-o secundă, soarele radiază în spațiu o energie egală cu 3,86* 1026 J. O mare parte din aceasta se pierde în spațiu, dar cantitatea de energie absorbită pe suprafața Pământului într-o zi este suficientă pentru a asigura necesitățile energetice ale omenirii la nivel actual timp de circa 60 de ani.

Ca orice sursă de energie, și energia solară are avantaje și dezavantaje. Principalele avantaje sunt următoarele: această energie este practic inepuizabilă, nepoluantă, disponibilă pe toată suprafața Pământului și este gratuită. Deși avantajele joacă cel mai important rol trebuie amintite și dezavantajele : radiația solară este variabilă, depinzând de ciclul noapte/zi, de anotimpuri și de condițiile meteorologice, precum și costurile ridicate ale instalațiilor inițiale în sistemele solare. Desigur, aceste dezavantaje pot fi minimizate prin utilizarea unor sisteme pentru optimizarea și scăderea costurilor inițiale ale echipamentelor.

1.2.2 Biomasa

Biomasa este partea biodegradabilă a mai multor produse: deșeuri provenite din agricultură ( paiele de cereale, resturile de la producerea zahărului, amidonului, rapiță, floarea-soarelui, etc), resturi de origine animală și vegetală, substanțe produse prin dezvoltarea biologică naturală, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale.

Această formă de energie a fost folosită de oameni încă din cele mai vechi timpuri, în prezent ajungând să fie adaptată pentru producerea energiei electrice și a carburanților pentru autovehicule. Pentru obținerea energiei electrice, biomasa este supusă procesului de ardere directă (generare de energie termică) sau prin piroliză (generare de singaz).

Biomasa acoperă circa 15% din cererea de energie electrică globală conform[10]. Aceasta nu contribuie la creșterea concentrației emisiilor de CO2 în atmosferă, insă are impact asupra reducerii efectului de seră și nu produce ploi acide, datorită conținutului de sulf mai mic decât cel existent în structura combustibililor fosili.

1.2.3 Energia eoliană

Această formă de energie a fost utilizată încă de la începuturile umanității pentru morile de vânt și ca forță de propulsie pentru diverse ambarcațiuni. Pentru a putea fi valorificată, aceasta era supusă transformării în energie mecanică.

Pe parcurs, aceste mori de vânt au evoluat, iar prin conectarea turbinei la un generator electric, energia mecanică produsă a fost transformată în energie electrică. Creșterea numărului de turbine instalate precum și îmbunătățirile aduse rotoarelor și elicelor a dus la o creștere a puterii energiei eoliene cu circa 150 % din anul 1990 până în anul 1997. Până la sfârșitul anului 2010, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 194.400 MW.

Actual, energia eoliană este folosită pentru a asigura echivalentul a 2,5% din consumul mondial de energie conform[11].

Criza petrolului din anii 1970 a fost un stimulent pentru preocupările de valorificare a energie eoliene ca o sursă verde, alternativă de electricitate. Turbinele de vânt uzuale moderne generează între 250-300 KW [12].

În România, cele mai favorabile zone pentru montarea de astfel de turbine sunt platforma continentală a Mării Negre, zona litorală, podișurile din estul țării și platourile montane. În tabelul următor ( Tabelul 1.2.3 ) este prezentat potențialul eolian al țării noastre.

Tabelul 1.2.3 Sursa: ENERO,2010

În urma datelor evaluate și înregistrate de către compania Erste Group[13], în România se pot instala generatoare eoliene cu o capacitate de până la 14.000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrică de aproximativ 23.000 GWh/an.

Energia eoliană este o energie curată și regenerabilă ceea ce duce la avantaje enorme față de combustibilii fosili. Principalul avantaj este lipsa emisiilor de gaze cu efect de seră și a deșeurilor, precum și costurile reduse de instalare și întreținere. Legat de dezavantaje, putem enumera poluarea vizuală (aspectul neplăcut), cea fonică (zgomotul produs) precum și poluarea ecosistemelor din împrejurimi. Alt dezavantaj major este riscul de distrugere în caz de furtuni și inconstanța datorată varieției vitezei vântului.

1.2.4 Energia geotermală

Energia geotermală, situată în scoarța terestră este o categorie particulară de energie termică. Temperatura crește cu cât se coboară mai adânc în interiorul scoarței terestre. Singura problemă fiind reprezentată de adâncimea la care este disponibilă această energie [14]. Utilizarea energiei geotermale a început în jurul anilor 1920, fiind folosită căldura apelor geotermale sau a gheizerelor pentru încălzirea locuințelor.

Conform figurei următoare ( Fig 1.2.4), temperatura în nucleul pământului ajunge la aproximativ 6000 0C ceea ce sugerează faptul că interiorul lui reprezintă o sursă regenerabilă de energie de mare importanță.

Fig.1.2.4. Temperatura în interiorul Pământului

La adâncime mare, în anumite zone ale planetei se găsește apă la temperaturi foarte ridicate. În urma pompării acestei ape la suprafață, prin intermediul unor schimbătoare de căldură, se formează vapori care sunt ulterior utilizați în turbine pentru producerea energiei electrice.

Potențialul geotermic este în continuare limitat datorită faptului că nu există multe locații unde se întâlnește apă la o temperatură foarte ridicată. În prezent, energia geotermală este convertită în energie electrică în centrale de 20-50 MW.

1.2.5 Energia hidraulică

Energia hidraulică este o energie mecanică formată din energia potențială a apei dată de diferența de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mișcare[8]. Aceasta acoperă circa 22 % din cererea mondială de energie electrică [9].

Procesul de obținere a energiei electrice din energie hidraulică are loc în hidrocentrale, microhidrocentrale (5-100kW) și picocentrale hidraulice (1-5kW),energia potențială a apei fiind transformată în energie cinetică cu ajutorul unor turbine hidraulice.

Față de sursele epuizabile de energie, energia hidraulică deține o serie de avantaje majore printre care amintim: ecologic, economic, durată de funcționare mare, randament ridicat și nu există costuri de carburanți.

2. Energia Solară

Soarele este o stea de mărime mijlocie, având raza de 695.000 km și un volum egal cu 1,42 *1018 km3. Este situat la o distanță medie față de Pământ egală cu 149.450.000 km (Fig.2.1). Această distanță este parcursă de radiația solară în circa 8 min. cu o viteză de 300.000 km/s.

Fig.2.1.Așezare geometrică Soare-Pământ

În urma reacțiilor termonucleare de transformare a hidrogenului în heliu,care au loc în Soare la o temperatură de cca. 20.000.000 oC, se degajă în mod continuu în spațiul cosmic un flux de energie radiantă de cca. 8,8* 1025 cal/s.

Nucleul are o densitate de 100 de ori mai mare decât a apei și masa lui constituie 40% din masa totală. La o distanță de 0,7 R de la centru, temperatura scade până la 130.000 K și densitatea scade până la 70 kg/m3 . Zona cuprinsă între 0,7 și 1,0 R se numește zonă convectivă (se consideră că procesele termice convective sunt principale). Temperatura scade până la 5000 K, iar densitatea este foarte mică, de circa 5-10 kg/m3. Deoarece peste jumătate din masa solară este alcătuită din hidrogen, care urmează ca pe parcursul a 5*109 ani să se transforme în heliu, se estimează că activitatea soarelui se poate menține la nivelul actual încă 5.000.000.000 ani. După acest timp Soarele va evolua într-o gigantă roșie.[14]

2.1 Radiația solară pe suprafața Pământului

Radiația solară este radiația electromagnetică emisă de soare, având lungimi de undă din întreg spectrul undelor electromagnetice (0,28-2,5 µm), astfel 3% lumină ultravioletă (λ=0,28-0,38 µm), 42% lumină vizibilă (λ=0,38-0,78 µm) și 55% lumină infraroșie (λ=0,78-2,5 µm).

Cantitatea de energie care vine de la soare și cade în unitatea de timp pe o suprafață unitară dispusă perpendicular pe razele solare, la distanță de o unitate astronomică (149.450.000 km) de la centrul soarelui, se numește constantă solară (E0=1353 W/m2).

Din fluxul total de energie radiantă care vine de la soare spre pământ și care are valoarea constantei solare E0, în afara atmosferei terestre, pe pământ ajunge o cantitate E ce are valoare mai mică (în medie cca. 0,8-0,9 kW/m2). Această mărime nu are valoare constantă deoarece depinde de factori geofizici și meteorologici. Deci valoarea lui E depinde de următorii factori: latitudine, altitudine, sezon, zi, oră, cantitatea de praf și vapori din atmosferă.

Iradiația (iluminarea), se măsoară în W/m2 și reprezintă densitatea de putere instantanee a radiației solare. De exemplu, iradiația egală cu 1000 W/m2 înseamnă că în fiecare secundă pe un metru pătrat de suprafață cade un flux de energie egal cu 1000 J.

Iradierea (expunerea), se măsoară în MJ/m2 sau kWh/m2 și reprezintă densitatea de energie a radiației solare. Rezultă că iradierea este integrala iradiației pe o perioadă definită de timp; o oră, zi sau lună.

Radiația solară în Europa Centrală poate atinge valori de peste 7,5 kWh/m2 pe zi vara, în timp ce în unele zile de iarnă poate avea valori mult mai mici de 0,1 kWh/m2 pe zi. În Europa Sudică această radiație poate fi mai mare decât 1700 kWh/m2 pe an și înregiunile deșertice ale Ecuadorului cifra este de 2500 kWh/m2 pe an. În zona deșertică Sahara (cca.8,7 mil.km2), radiația anuală primită de la soare este de aproximativ 2350 kWh/m2 pe an, fiind mult mai mare decât necesarul de energie primară globală anuală.

Conform acestor date, rezultă că necesarul de energie globală primară ar putea fi furnizat prin colectarea energiei solare de pe o suprafață de 48.500 km2 din Sahara, deci cererea de energie globală ar putea fi furnizată doar din energia solară.

În figura următoare ( Fig 2.1.1) sunt prezentate componentele radiației solare pe o suprafață “A”:

Fig 2.1.1 Componente ale radiației solare

B – radiație directă; D – radiație difuză; R –radiație reflectată

Radiația directă „B” reprezintă radiația primită direct de la soare fără a fi imprăștiată de atmosferă.

Radiația difuză „D” reprezintă radiația primită de la soare, aceasta neavând o direcție definită, fiind difuzată în toate direcțiile. Este prezentă întotdeauna indiferent de condițiile meteorologice și constituie circa 10% din radiația totală.

Radiația reflectată „R” este reprezentată de reflexia dată de suprafața pământului după ce radiația atinge aceea suprafață inițial. De cele mai multe ori, această componentă nu se ia în considerare în calcule decât cu excepția panourilor fotovoltaice.

Radiația totală incidentă pe suprafața unui corp va fi egală cu suma radiaților precedente: directă, difuză.

G=B+D

2.1.1 Radiația solară pe suprafețe orizontale

Radiația totală pe suprafața orizontală a Pământului este numită și radiație globală Eg. Aceasta este formată din suma radiației directe Edir și radiației difuze Edif.

Eg=Edir + Edif

Majoritatea calculelor pentru sistemele de energie solară au nevoie de o separare între radiația directă și difuză. Valorile orare pentru radiația globală Eg, radiația extraterestră E0 și unghiul de înălțare solară Ys definesc factorul kT :

kT=

Radiația difuză Edif pe o suprafață orizontală poate fi calculată folosind radiația globală Eg pe o suprafață orizontală și unghiul de înălțare solară Ys:

Edif=Eg(1,020-0,254*kT+0,0123*sin Ys) ; dacă kT ≥ 0,3

Edif=Eg(1,400-1,749*kT+0,177*sin Ys) ; dacă 0,3< kT<0,78

Edif=Eg(0,486*kT+0,182*sin Ys) ; dacă kT> 0,78

2.1.2 Radiația solară pe suprafețe înclinate

Radiația totală pe o suprafață înclinată este compusă din suma radiației directe Edir.inclin , radiația difuză Edif.inclin și radiația reflectată Er. Aceasta din urmă nu există în cazul suprafețelor orizontale.

Eg.inclin= Edir.inclin + Edif.inclin + Er

Radiația directă pe o suprafață înclinată (Edir.s) poate fi calculată direct din radiația directă pe o suprafață orizontală (Edir.oriz):

Edir.s=

Unde Ɵinclin este unghiul de incidență al soarelui pe o suprafață înclinată.[15]

Radiația difuză pe o suprafață înclinată Edif.inclin se poate determina cu valori aproximative prin două metode: metoda izotopică și metoda neizotopică.

Metoda izotopică presupune că radiația difuză este constantă. Radiația izotopică difuză pe o suprafață înclinată este întotdeauna mai scăzută decât cea de pe o suprafață orizontală, deoarece receiverul nu vede radiația difuză din spatele suprafeței înclinate. Radiația difuză pe o suprafață înclinată cu unghiul yT poate fi estimată direct din radiația difuză pe o suprafață orizontală (Edif.oriz), conform modelului Perez (Perez și Stewart ,1986):

Edif.inclin =Edif.oriz[]

unde F1 si F2 sunt coeficienți ai luminozității solare și orizontale și pot fi estimați din tabele, iar a și b se determină astfel:

a= max(0 ; cosƟgen)

b=max(0,087 ;sin ys )

Reflexia terestră se determină doar cu ajutorul metodei aproximării izotopice.Cea neizotopica a prezentat doar îmbunătățiri nesemnificative. Folosind radiația globală pe o suprafață orizontală Eg.oriz și albedoul A, radiația terestră reflectată Er.inclin pe o suprafață înclinată cu unghiul yT devine :

Er.inclin =Eg.oriz* A * *(1-cos yT)

A= Albedo, înseamnă “alb” în latină și reprezintă o măsură a reflectivității unei suprafețe. Este o mărime fotometrică egală cu raportul dintre intensitatea radiației difuze ( reflectate ) de un corp și intensitatea radiației incidente pe acel corp. Valoarea lui diferă în funcție de materialul suprafeței și se ia din tabele. Pentru un corp care reflectă perfect A=1, pentru suprafețe necunoscute A=0,2 iar pentru un corp care absoarbe toată lumina A=0.

3. Centrale termosolare

3.1. Scurt istoric

Eforturile de a proiecta dispozitive pentru furnizarea de energie din surse regenerabile prin utilizarea radiației solare a început cu aproximativ 100 de ani înainte de criza prețurilor petrolului din anii 1970. Aceasta a declanșat dezvoltarea modernă a echipamentelor și instalațiilor de producere a energiei din surse regenerabile.

Experimentele au început în anii 1860, cu ajutorul motorului proiectat de Auguste Mouchout. Acest motor producea aburi într-un cazan de fier cu pereți de sticlă alimentat de energie solară. Abia în anii 1900, Aubrey Eneas a continuat cu dezvoltarea primelor motoare solare destinate comercializării.

În anul 1907 a fost acordat un brevet cercetătorului Dr.Maier de la Aalen și Remshardt din Stuttgart pentru un dispozitiv ce utiliza în mod direct radiația solară pentru producerea aburului. Acest lucru a fost bazat pe tehnologia solară cu jgheab parabolic.

În anul 1912, Frank Shuman a folosit această tehnologie pentru a construi o instalație de urmărire a soarelui de 45 kW situată în Meadi, Egypt.

Aceste modele incipente au format baza pentru dezvoltarea și cercetarea de la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, când au fost realizate primele proiecte termosolare în țări cu o industrie mai dezvoltată, dintre care: Statele Unite, Rusia, Japonia, Spania și Italia ( tabelul 3.1 ). Multe dintre aceste centrale, care acoperă întreg spectrul de tehnologii disponibile, nu au reușit să ajungă la nivelul de performanță așteptate, iar ulterior centrul de cercetare și dezvoltare a continuat să se concentreze pe îmbunătățirea tehnologiei și creșterea dimensiunii unităților.[18]

Tabelul 3.1 Primele Centrale Termosolare

Un progres major a venit la începutul anilor 1980, când compania Luz Internațional a comercializat întreaga tehnologie prin construirea unei serii de nouă stații solare generatoare de electricitate în deșertul Mojave din California. Aceste centrale SEGS variază de la 14 până la 50 MWe în capacitate și acumulează 354 MW capacitate pentru grila din California de Sud.

3.2 Generalități

Energia termosolară este o tehnologie relativ nouă, care a demonstrat deja promisiuni enorme. Cu o resursă masivă și puține efecte asupra mediului, aceasta oferă o oportunitate majoră pentru țările cele mai însorite ale lumii, comparabil cu energia oferită de fermele eoliene.

Acest tip de energie folosește lumina directă a soarelui, deci, centralele trebuie să fie amplasate în reziuni cu radiații solare directe ridicate. Printre cele mai multe zone promițătoare ale lumii sunt: Sud-Vestul Statelor Unite ale Americii, centrul și sudul Americii, Africa, Orientul Mijlociu, țările mediteraneene din Europa, Iran, Pakistan și regiunile de deșert din India, fosta Uniune Sovietică, China și Australia.

În multe regiuni ale lumii, un kilometru pătrat de teren este suficient pentru a genera în jur de 100-200 Gigawatti pe oră (GWh) de electricitate pe an, folosind tehnologia solar-termică. Acest lucru este echivalent cu producția anuală a 50 MW cu ajutorul cărbunelui convențional sau a gazelor naturale. La nivel global, exploatarea a mai puțin de 1 % din totalul potențialului termosolar ar fi suficient pentru a stabiliza clima mondială prin reduceri masive de CO2.

Producerea de energie electrică din energia razelor solare este un proces relativ simplu. Radiația solară directă poate fi colectată și concentrată printr-o serie de tehnologii pentru a furniza căldură de la temperatură medie până la temperaturi foarte ridicate. Această tehnologie de captare și concentrare a energiei solare poartă denumirea de CSP(Concentrating Solar Power). Căldura furnizată este apoi utilizată pentru a opera un ciclu energetic convențional, de exemplu cu ajutorul unei turbine pe abur sau gaz, sau un motor Stirling. Căldura solară colectată pe parcursul zilei poate fi de asemenea stocată în formă lichidă, solidă sau în medii cu schimbare de fază cum ar fi săruri topite, ceramică, beton, sau în viitor, schimbarea de fază a unor amestecuri de sare. În timpul nopții, aceasta poate fi extrasă din mediul de stocare pentru a rula o turbină cu abur.

Centralele termosolare sunt proiectate astfel încât să satisfacă cererea de energie pe timpul zilei, dar cu ajutorul sistemelor de stocare funcționalitatea lor poate fi extinsă pentru a asigura cerințele de energie în mod continuu.

Electricitatea furnizată din energia termosolară devine tot mai ieftină de produs. Centralele operaționale din California au realizat deja reduceri impresionante de costuri, cu o medie de 10- 13 cenți/kWh. Cu toate acestea, pe viitor se așteaptă o scădere și mai mare a costurilor, de circa 5 cenți. Datorită unor factori precum tehnologia avansată, producția în masă, economia globală și reducerea costurilor operaționale, costul energiei termosolare va ajunge la un nivel competitiv cu centralele electrice cu combustibili fosili în următorii 10 până la 15 ani.

Patru elemente principale sunt necesare pentru a produce electricitate din energia termosolară: un concentrator, un receptor, o anumită formă de transport a căldurii (fluid ce poartă denumirea generică de HTF-Heat-Transfer-Fluid), un sistem de stocare și un echipament ce realizează conversia energiei la fel ca și pentru o instalație pe bază de combustibili fosili (Fig 3.2). Cele trei tehnologii termosolare cele mai promițătoare sunt: jgheaburile parabolice, receptorul central sau turnul solar și antena parabolică.

Fig 3.2. Schema de principiu a unui sistem cu două circuite termice

3.3 Captatoare cu concentrarea radiației

Captatoarele cu concentrator (sau cu focalizarea radiațiilor) utilizează sisteme optice bazate pe reflexie sau refracție pentru a mări densitatea fluxului de radiație care cade pe suprafața de captare a receptorului.

Odată cu creșterea densității fluxului de radiație solară care ajunge la receptor, scade suprafața necesară de recepție pentru o aceeași cantitate totală de energie captată, ceea ce determină în mod corespunzător scăderea pierderilor termice ale receptorului și conduce în final la obținerea unor temperaturi mai mari în fluidul de lucru. Acest tip de captatoare cu concentrare a radiațiilor funcționează numai pe baza componentei directe a radiației solare.

În funcție de construcția concentratorului și principiul de funcționare, se pot obține diverse valori pentru densitatea fluxului de radiație pe suprafețele absorbante ale receptorului: de la valori mici de 1,5-2 kW/m2 până la valori foarte mari de ordinul a 10.000 kW/m2. Odată cu creșterea densității fluxului de radiație, crește și temperatura la care este preluată cantitatea de căldură utilă. Deoarece creșterea densității fluxului de radiație atrage după sine necesitatea îndeplinirii unor exigențe sporite în ceea ce privește precizia sistemelor optice folosite pentru concentrare, se ajunge până la urmă la creșterea costului captatorului în ansamblu. În consecință, costul energiei furnizate de un sistem de captare cu focalizare este în funcție de temperatura la care se livrează această energie. Energia termică este cu atât mai valoroasă cu cât nivelul de temperatură la care este livrată este mai ridicat, deoarece, conform principiului II al termodinamicii (randamentul Carnot), convertirea căldurii în lucru mecanic se face cu un randament ce depinde direct de temperatura sursei calde și a celei reci.

Din punct de vedere al proiectării și exploatării captatoarelor cu concentrator, acestea prezintă câteva probleme suplimentare față de captatoarele plane. Toate sistemele de concentratoare necesită un sistem de orientare pentru urmărirea mișcării aparente diurne, lunare sau anotimpuale ale soarelui, astfel încât radiația directă să fie dirijată permanent către suprafața absorbantă a receptorului. Apar și unele cerințe specifice pentru întreținerea sistemelor optice, cu scopul de a păstra calitatea suprafețelor de reflexie sau refracție împotriva murdăririi, oxidării, deteriorării sau deformării.

Există o mare diversitate de tipuri de captatoare termosolare, începând cu cele mai simple de genul captatoarelor plane și sfârșind cu cele mai complicate de genul celor cu concentrator parabolic care necesită o urmărire continuă și precisă a soarelui.

Nu se poate vorbi de un anumit tip de captator solar ca fiind “cel mai bun”, deoarece aceștia sunt folosiți în funcție de temperatura de regim a fluidului de lucru care preia căldura în captator și de mulți alți factori cum ar fi: poziția geografică, dimensiunile și tipul instalației etc.

Orice captator termosolar are în general randamentul de captare în funcție de temperatura de lucru și de temperatura mediului ambiant. De cele mai multe ori puterea termică captată este proporțională cu următorii factori:

Densitatea de putere a radiației solare- depinzând de raportul de concentrare

Geometria captatorului- inclusiv orientarea acestuia și urmărirea Soarelui

Eficiența optică- legată de fracțiunea din radiația solară interceptată de captator care ajunge la suprafețele absorbante ale receptorului.

Puterea termică utilă a receptorului termosolar este reprezentată de diferența dintre puterea termică absorbită și pierderile termice în receptor ( prin conducție, convecție și radiație).

Odată cu creșterea factorului geometric de concentrare a radiației se reduce raportul între puterea termică pierdută și puterea termică absorbită; în schimb eficiența absorbției scade iar complexitatea sistemului crește (din cauza geometriei concentratorilor și din cauza sistemelor de mișcare și urmărire a Soarelui). În același timp cu creșterea complexității sistemului, crește și costul instalațiilor de captare. Totuși alegerea unui sistem de captare nu se poate face numai după cost, deoarece factorul cel mai important într-o instalație termosolară este temperatură agentului de lucru. Această temperatură nu poate fi atinsă întotdeauna cu orice sistem de captare.

Raportul de concentrare “C” este definit ca raportul între valoarea medie a densității fluxului de radiație colectate de către receptor și densitatea fluxului de radiație care cade pe concentrator. În figura următoare ( Fig 3.3) se prezintă domeniile de temperaturi care pot fi atinse în funcție de raportul de concentrare și de numărul și frecvența mișcărilor necesare pentru urmărirea Soarelui.

Fig 3.3.Temperaturi ce pot fi atinse în funcție de raportul de concentrare

Captatoarele cu concentrator se pot clasifica în funcție de raportul de concentrare “C” și de temperatura de lucru, astfel definim :

Prima clasă de concentratoare- acestea au un raport de concentrare variabil cu valori de la 1 până la aproximativ 3. Acestea nu necesită o urmărire a Soarelui, ceea ce oferă avantaj asupra construcției și funcționări, dar temperaturile de operare sunt relativ joase de până la 100 oC.

A doua clasă de concentratoare- de tip est-vest, cu un raport de concentrare de până la C=10, care, în timpul a câtorva ore în jurul amiezei nu necesită nici o urmărire a soarelui. Totuși, datorită variației înclinației soarelui, ele necesită o ajustare periodică a unghiului de poziționare față de planul orizontal prin rotire în jurul axei est-vest. Acestea, pot deveni în viitorul apropiat eficiente din punct de vedere al costului, pentru producerea aburului industrial, întrucât pot atinge temperaturi de lucru de până la circa 200 oC.

Clasa trei este reprezentată de captatoarele cu concentrator de tip focalizare liniară- Acestea ating un raport de concentrare cu valoarea C=100. Acestea necesită urmărirea soarelui, cu o mișcare în jurul unei axe care poate avea diverse orientări: orizontală E-V, orizontală N-S, înclinată în planul N-S, paralelă cu axa de rotație a Pământului și verticală. Datorită microneregularitaților și a macroneregularitaților geometrice ale concentratorilor, astfel de sisteme realizează raporturi de concentrare de circa 30-50, cu care se pot atinge temperaturi de lucru de până la circa 350 oC.

Ultima clasă de captatoare concentratoare- acestea pot atinge și chiar depăși raportul de concentrare de 1000. Ele sunt reprezentate de oglinzi având forma unor paraboloizi de revoluție cu mișcare în jurul a două axe pentru urmărirea continuă și precisă a soarelui, sau sisteme de concentrare mai complexe formate dintr-un grup de oglinzi plane cu o mișcare dirijată de un calculator de proces, astfel încât toate să dirijeze radiația solară incidentă asupra unui receptor plasat în vârful unui turn. Raportul de concentrare se limitează în general la circa 1000 din cauza posibilităților de rezistență termică a receptorului. Aceste sisteme pot produce temperaturi de lucru de peste 550 oC, motiv pentru care, ele reprezintă candidați serioși pentru viitoarele centrale termosolare.[17]

3.3.1 Jgheaburi parabolice

Sistemele de captatoare cu concentrator de tip cilindro-parabolic (denumit și jgheab parabolic.Fig. 3.3.1) sunt cele mai mature tehnologii de concentrare a radiației solare. Eficiența acestor sisteme a fost dovedită comercial pe parcursul timpului.

Fig 3.3.1.Schemă de principiu a concentratorului cilindro-parabolic

Colectorul cu jgheab parabolic este format din oglinzi mari curbate care concentrează razele solare cu un factor de 80 sau mai mult pe o linie focală. Colectoarele paralele formează un șir colector cu lungimi cuprinse între 300-600 de metri. Această multitudine de șiruri paralele formează câmpul colector solar. (Fig 3.3.2).

Fig 3.3.2. Câmp de colectoare solare

Acest tip de captatoare necesită mișcare numai în jurul unei singure axe pentru urmărirea soarelui și realizează niveluri de temperatură de ordinul a 400 oC. În linia focală a acestor jgheaburi se găsește un tub captator (Fig 3.3.1), care este de obicei încorporat într-un tub de sticlă vidat pentru a reduce pierderile de căldură. Un înveliș rezistent la temperaturi înalte ce acoperă tubul contribuie la reducerea suplimentară a pierderilor de căldură prin radiație [19](Fig 3.3.3). Un ulei termic special curge prin interiorul tuburilor absorbante. Aceste tuburi încălzesc uleiul la aproape 400 oC, iar prin intermediul unui schimbător de căldură are loc un transfer de energie termică de la ulei la un ciclu apă-abur (denumit și ciclu Rankine). Apa este convertită în abur, iar acest abur este utilizat pentru a antrena o turbină convențională ce angrenează un generator pentru a produce energie electrică (Fig 3.3.4).

Fig 3.3.3.Schema de construcție a tubului captator.

Mai mult de 95% din centralele termosolare comerciale folosesc captatori cilindro-parabolici. Cercetătorii lucrează în continuare pentru reducerea costurilor prin modificarea formei colectorului și automatizarea operațiilor de funcționare și întreținere. Cu scopul de a înlocui uleiul termal folosit ca fluid de transfer, se fac cercetări asupra altor substanțe, cum ar fi: vapori de apă și săruri topite.

Fig 3.3.4. Schema de principiu a unei centrale termosolare cu jgheaburi parabolice concentratoare, fără sistem de stocare.

Turnul de răcire cu scopul de a condensa aburul înapoi în stadiul de apă, închide circuitul prin pompa de alimentare cu apă. Este posibil să se producă abur direct de la colectoarele solare, fapt ce ar duce la reducerea costurilor și ar face uleiul termic și schimbătorul de căldură inutil. Cu toate acestea, generarea directă de abur este în stadiul de prototip.

Eficiența unei centrale termosolare ce folosește concentratori cilindro-parabolici este dată de mai mulți factori : eficiența colectorului, eficiența câmpului și eficiența ciclului Rankine. Eficiența colectorului depinde de unghiul de incidență a radiației Solare și de temperatura din interiorul tubului, și poate atinge valori de până la 75 %. Pierderile datorate ericienței câmpului au de obicei valori sub 10%. În total, centralele termosolare cu jgheaburi parabolice pot atinge randamente anuale de aproximativ 15%; randamentul ciclului abur de circa 35 %, are influența cea mai semnificativă.[20]

În California de Sud este acoperită o suprafață de peste 2 milioane de metri pătrați cu colectori cilindro-parabolici ce furnizează o valoare de 800 de milioane kWh la un cost de generare de aproximativ 10 până la 12 centi/kWh. Sistemele cu captator central, cum ar fi centralele termosolare cu turn central pot atinge temperaturi mult mai mari, prin urmare și randamente mai ridicate.

Proiectul Andasol, localizat în Andaluzia este o centrală termosolară de 150 MW fiind prima centrală din Europa ce utilizează jgheaburi parabolice (Fig 3.3.5). Aceasta folosește rezervoare de sare topită pentru stocarea energiei termice. Proiectul Andasol este format din trei centrale: Andasol 1 (finalizat in 2008), Andasol 2 (finalizat in 2009) si Andasol 3 (finalizat in 2011), cu o energie electrică brută generată de aproximativ 525 GWh pe an si o suprafața de colectoare combinate de 1,5 milioane de m2. Fiecare centrală are o putere instalată de 50 MW, prevăzute cu sisteme de stocare termică.

Acestea sunt proiectate pentru a optimiza schimbul de căldură între fluidul de transfer de căldură ce circulă în câmpul solar, mediul de stocare cu săruri topite și ciclul apă-abur. Cu rezervoarele termice încărcate, turbinele pot rula aproximativ șapte ore și jumătate la sarcină maximă chiar și pe vreme ploioasă sau după ce soarele a apus. Bazinele de acumulare a căldurii sunt reprezentate de două rezervoare cu o înălțime de 14 metri și 36 metri în diametru, ce conțin săruri în stare lichidă. Aceste săruri lichide sunt un amestec de 60% nitrat de sodiu si 40% nitrat de potasiu. Fiecare centrală termosolară furnizează energie electrică pentru aproximativ 200.000 de oameni și salvează anual circa 149.000 tone de emisii de CO2, comparativ cu o centrală electrică pe carbune modernă.

Fig 3.3.5.Proiectul Andasol Spania.

În figura următoare (Fig 3.3.6) este prezentată schema de principiu a proiectului Andasol.

Fig 3.3.6. Schema de principiu Andasol- Spania-

3.3.2 Receptor central

Concentrând lumina solară de până la 600 de ori, tehnologia cu receptor central (Fig 3.3.7) are avantajul potențial de a oferi temperaturi mult mai ridicate față de jgheaburile parabolice, temperaturi ce pot atinge 500 oC pentru ciclurile turbinelor cu abur și 1000 oC pentru turbinele cu gaz sau centralele electrice combinate.

Fig 3.3.7. Schema de principiu a tehnologiei cu turn solar

Tehnologia cu receptor central folosește heliostate (reflectoare care se rotesc în jurul a două axe) pentru a reflecta lumina Soarelui (Fig 3.3.8). Lumina reflectată este concentrată asupra părții superioare a turnului.

Fig 3.3.8. Schema de principiu a unui heliostat.

Un turn de putere mare necesită de la câteva mii la mai mult de o sută de mii de heliostate, fiecare sub control computerizat. Deoarece acestea constituie în mod obișnuit aproximativ 50 % din costul centralei, este foarte important să se optimizeze designul heliostatului. Mărimea acestora, greutatea și performanțele sunt cele mai importante date referitoare la acest aspect, iar dezvoltatorii au ales abordări diferite pentru a minimiza costurile. Unele tehnologii de heliostate pot fi instalate pe terenuri relativ inegale, cu grad de înclinație de 5 % sau mai mult. În figura următoare ( Fig 3.3.9 ) este ilustrat un exemplu de câmp cu heliostate și receptor central.

Fig 3.3.9. Câmp de heliostate si receptor central.

Cele două concepte principale de tehnologie care sunt urmărite de dezvoltatori sunt definite de fluidul de transfer (HTF- Heat Transfer Fluid) din receptor: abur sau săruri topite. Ambele concepte au caracteristici de funcționare unice. Acestea sunt detaliate mai jos.

În generarea directă de abur, heliostatele reflectă radiația solară pe un receptor situat în partea superioară a turnului solar, care este asemănător cu un cazan într-o centrală electrică convențională pe bază de cărbune. Apa de alimentare, pompată din blocul de alimentare se evaporă și este supraîncălzita în receptor pentru a produce aburul care alimentează o turbină cu generator pentru a producerea de energie electrică. [22]

În condițiile curente ale tehnologiei , cu ajutorul turnului solar se pot produce două tipuri de abur cu temperaturi diferite:

Abur saturat- temperaturi de circa 250 oC

Abur supraîncălzit – temperaturi de peste 550 oC

La fel ca multe alte tehnologii de concentrare a radiației solare, captatoarele centrale pot fi hibridizate cu gaz natural pentru a oferi o flexibilitate operațională suplimentară. În figura următoare sunt prezentate două exemple de receptoare centrale (Fig 3.3.10).

Fig 3.3.10.Receptoare centrale.

Mai multe caracteristici ale utilizării captatoarelor centrale pentru producerea de abur direct le fac atractive : designul lor simplu, utilizarea tehnologiei convenționale de centrale termice, materialele și tehnicile de fabricație însoțite de eficiența termodinamică ridicată.

Într-un turn solar prevăzut cu instalație de săruri topite, acestea sunt pompate dintr-un rezervor de stocare rece având temperatura de 290 oC, la receptor, unde radiația solară concentrată provenită de la câmpul de heliostate încălzesc fluidul de transfer (HTF) la o temperatură de aproximativ 565 oC. De obicei sarea este formată dintr-un amestec de nitrat de sodiu și potasiu, substanțe care sunt comercializate în mod uzual ca îngrășământ.

Sarea fierbinte este stocată într-un rezervor, iar atunci când este necesară producerea de energie electrică, aceasta este pompată la generatorul de abur care produce abur de înaltă presiune în condiții nominale de 100-150 bari și până la 540 oC. (Fig 3.3.11)

Fig 3.3.11. Schemă de principiu centrală termosolară cu turn solar, prevăzută cu sistem de stocare

Sarea, la ieșirea din generatorul de abur ( Fig 3.3.12 ) este returnată în rezervorul de stocare rece pentru a completa ciclul. Datorită presiunii neglijate a vaporilor de sare, ambele rezervoare sunt la presiune atmosferică. Aburul este destins într-o turbină convențională ce antrenează un generator pentru producerea de energie electrică. Prin plasarea rezervoarelor între receptorul solar și generatorul de abur, colectarea energiei solare este decuplată de la generatorul de energie electrică. Astfel în cazul în care apar condiții atmosferice care ar putea să reducă temporar coeficientul radiației solare să nu afecteze eficiența turbinei.

Fig 3.3.12. Schema de construcție a generatorului de abur.

Combinația dintre densitatea sării, căldura specifică și diferența de temperatură dintre cele două rezervoare, permite capacitatea de stocare economică de până la 15 ore și o funcționare a turbinei la capacitate maximă fără oprire. O astfel de centrală termosolară ar putea rula 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână în timpul verii și parțial în timpul iernii (Fig 3.3.13), pentru a asigura funcționarea la o capacitate de 70 % anuală. Centrala GEMASOLAR din Spania este proiectată pentru o astfel de performanță. ( Fig 3.3.14).

Cu o capacitate de 20 MW , Gemasolar poate furniza 110 GWh pe an. Aceasta poate produce electricitate aproximativ 6.500 de ore pe an cu un factor de capacitate de 75%. Centrala oferă energie curată în condiții de siguranță pentru 25.000 de case și reduce emisiile de CO2 cu mai mult de 30.000 de tone pe parcursul unui an întreg. Sistemul de stocare cu săruri lichide, permite generarea electricității independent timp de până la 15 ore fără nici un fel de alimentare solară. În vara anului 2013, centrala a funcționat 24 de ore pe zi timp de 36 de zile consecutive, un rezultat pe care nici o altă instalație termosolară nu l-a atins până în prezent.

Fig 3.3.13.Grafic de functionare Gemasolar-Spania-.

Turnul captator central are o înălțime de 140 de metri. Receptorul din partea superioară a turnului este ca un radiator, care este încălzit la o temperatură de aproximativ 565 oC de lumina reflectată a 2.650 de heliostate cu o suprafață de reflexie de aproximativ 300.000 m2.( Fig 3.3.14)

Fig 3.3.14. Centrala termosolară Gemasolar din Spania

Fezabilitatea tehnică a tehnologiei cu turn solar a fost dovedită prima dată în anii 1980, prin operarea a șase centrale termosolare de cercetare, cu capacitate cuprinsă între 1 și 5 MWe, și o instalație de demonstrație cu un receptor apă-abur conectat la rețeaua din California de Sud. Capacitatea totală a centralelor a fost de 21,5 MWe, iar suprafața câmpului de heliostate a ocupat circa 160.000 m2.

Pentru operarea unei turbine cu gaz, aerul ce se impune a fi încălzit trebuie să treacă mai întâi printr-un receptor solar presurizat prevăzut cu un geam solar. Centralele termosolare combinate care utilizează tehnologia receptorului central, vor necesita cu 30% mai mică suprafața de colectare decât centralele echivalente cu ciclu apă-abur. În prezent, un prototip construit pentru a demonstra acest concept, este construit ca parte a proiectului European SOLGATE, prevăzut cu trei unități receptoare cuplate la o turbină cu gaz de 250 kW.[21]

Diverse medii de transfer a căldurii au fost investigate, inclusiv apă-abur, sodiu lichid, săruri topite și aerul înconjurător. Centrala demonstrativă Solar One cu o capacitate de 10 MWe, a operat în California între anii 1982-1988, folosind ca mediu de transfer aburi. Aceasta a fost reconstruită cu o capatitate de 10 MWe, denumită Solar Two, operând cu succes între anii 1997-1999 folosind săruri topite ca lichid de transfer și un sistem de stocare a căldurii cu două rezervoare, acumulând câteva mii de ore de funcționare continuă, furnizând energie la rețea în mod constant.

Cu toate că centralele termosolare prevăzute cu instalație de captator central sunt considerate a fi departe de comercializare față de instalațiile cu jgheaburi, turnurile solare au o perspectivă bună pe termen lung și o eficiență ridicată de conversie. Pentru a fi demonstrat acest aspect, sunt necesare multe proiecte demonstrative la scară mare.

Costurile capitale de instalare a captatorilor centrali sunt încă prea mari. Pentru contrucția centralelor cu captatori centrali se poate lua credit, pentru utilizarea potențială a acestora cu sisteme de stocare a energiei la temperaturi ridicate. Acest lucru va duce la creșterea capacității și implicit la creșterea performanțelor fără a implica măriri a prețului de electricitate generată. Promoterii de proiecte, pentru o centrală cum ar fi 10 MW PS-10 din Spania, au indicat că costurile de capital ar fi de aproximativ 2.700 €, pentru o turbină cu ciclu Rankine și un sistem mic de stocare a căldurii , precum și costurile totale estimate de generare a energiei electrice cu valori cuprinse între 14-20 € centi / KWh.

Costul de capital total pentru centrala Solar Tres de 15 MW, cu 16 ore de depozitare, este estimat la 84 milioane €, cu costuri anuale de funcționare de aproximativ 2 milioane €. Pentru instalarea câmpului de heliostate, costurile estimate variază de la 180 € până la 250 €/m2 pentru serii mici de producție în SUA și de la 140 € până la 220 €/m2 în Europa. O reducere de 15 % la nivel european poate fi preconizată pentru țările în curs de dezvoltare din cauza costurilor forței de muncă mai mici. Costurile pentru instalarea heliostatelor sunt de așteptat să scadă sub 100 €/m2.

Pe viitor, centralele cu captator central vor beneficia de reduceri ale costurilor față de centralele cu sisteme parabolice. Evoluția preconizată a costurilor totale de energie , potrivit Băncii Mondiale, este că va scădea până la valoarea de 8-7 € centi/ KWh pe termen mediu (100 MWe centrală cu ciclu Rankine prevăzută cu stocare), și până la 5 € cenți/KWh pe termen lung (200 MWe centrală cu ciclu Rankine prevăzută cu stocare) pentru regiuni în care radiația solară trece de 2,700 kWh/m2.

3.3.3 Reflector liniar Fresnel

Sistemele Fresnel (Fig 3.3.15) reprezintă o alternativă a tehnologiei jgheaburilor parabolice, care operează în prezent cu o capacitate la nivel mondial de aproximativ 45,5 MW. Costurile de producție sunt mai mici decât cele pentru jgheaburi parabolice. Concentrația radiației solare este mult mai slabă față de jgheaburile parabolice, ceea ce înseamnă că colectoarele Fresnel au pierderi optice mai mari, fapt ce reduce eficiența.

Fig 3.3.15. Schemă de principiu a concentratorului Fresnel

Colectoarele Fresnel sunt sisteme liniar-concentratoare cu receptori, care, în contrast cu centralele cu jgheaburi parabolice, nu urmăresc soarele. În schimb, sistemul de oglinzi primare se înclină în jurul axei nord-sud în cursul zilei și concentrează radiația solară pe receptoarele fixe de deasupra lor. În funcție de design, oglinzile primare sunt plate sau ușor curbate și urmăresc cu precizie soarele cu ajutorul unui motor de antrenare sau a unui cablu de acționare.

Reflectoare sunt confecționare în mod normal din oglinzi de sticlă. Acestea sunt fixate pe o structură metalică. Receptorul este situat de-a lungul liniei focale și adesea constă dintr-un tub de metal care se extinde de-a lungul întregului șir colector. Tubul este acoperit cu un strat absorbant selectiv, care menține pierderile de conversie la un nivel cât mai scăzut posibil.

Un reflector secundar este fixat deasupra tubului absorbant. Acesta reflectă înapoi radiația care nu lovește în mod direct captatorul. Pentru a reduce pierderile de căldură la minim, receptorul este de obicei închis cu un geam de sticlă montat sub el, astfel încât radiația emisă de oglinzile primare pot trece nestingherit permițând în același timp ca captatorul să nu fie afectat de influențele de vânt.

Colectorii Fresnel pot fi fabricați mult mai ieftin decât colectorii parabolici, deoarece oglinzile primare sunt fixate aproape de sol, acestea fiind mai ușor accesibile pentru reparații și curățenie, și nu necesită o structură mecanică complexă. În plus, mulțimea de colectoare poate avea mai multe piese modulare și deloc sau o mică curbură pe suprafața oglinzilor. De asemenea, fundația nu trebuie să suporte greutăți mari și în funcție de dimensiunea panourilor solare, poate fi înlocuită cu ancore la sol mult mai ieftine. Receptorul de deasupra oglinzilor poate fi susținut cu profile simple din tablă de oțel și fixate pe poziție cu ajutorul unor bare de susținere.

Utilizarea unui reflector secundar face posibilă implementarea mai ieftină a unor receptoare care nu necesită evacuare. Deoarece receptorul este staționar, sunt necesare un număr mic de coturi de expansiune și puncte de conexiune flexibile. Structura mai compactă înseamnă că utiliarea specifică a terenurilor este mai mică, care, pe lângă costurile mici de suprafață, reduce și activitățile de pregătire de la sol. Cu toate acestea, structura mai simplă și ieftină are și dezavantaje în raport cu colectoarele parabolice de aceleași dimensiuni (Fig 3.3.16).

Fig 3.3.16.Structura oglinzilor și a captatorului Fresnel.

Randamentul anual al unui colector Fresnel este considerabil de mic, fiind de aproximativ 71 % față de un colector cu jgheab parabolic de aceleași dimensiuni. Cele mai mari pierderi apar din cauza umbririi în timpul dimineții și seara, alimentarea cu energie electrică devenind neregulată, din cauza perioadelor de sarcină parțială frecvente ale turbinei. Acest lucru se datorează faptului că segmentele de oglindă se umbresc parțial unele față de celalalte atunci când soarele este la un unghi mai mic, ceea ce înseamnă că mai puține raze sunt reflectate pe receptor. În plus, cu colectorii cu jgheab parabolic, planul axial principal coincide cu planul poziției soarelui și a receptorului, în timp ce la colectorii Fresnel axa principală a fiecărei oglinzi primare în parte este întotdeauna unghiul bisectoarei poziției soarelui și orientarea receptorului. Din cauza aceasta apar pierderi destul de mari. În plus, pierderi suplimentare sunt cauzate de lungimile focale mai lungi și de absorbția și împrăștierea reflectorului secundar.

Colectorii Fresnel nu trebuie să depășească aproximativ 70% din costurile specifice ale colectorilor parabilici cu jgheaburi pentru a rămâne competitivi, în ciuda randamentelor scăzute. Acest lucru este posibil datorită structurii potențial mai ieftine.

Ca urmare a dezvoltării și testelor pe prototipuri, primele centrale mai mari cu scop demonstrativ sunt deja construite sau chiar în funcțiune. Sistemele Fresnel pot utiliza, în principiu același lichid de transfer de căldură ca sistemele cu jgheab parabolic și turn solar. Cu toate acestea, în prezent, dezvoltatorii se bazează în general pe generarea directă a aburului (Fig 3.3.17) din apă pentru turbina de operare sau pe apa de alimentare pre-încălzită în centralele electrice cu combustibili fosili cum ar fi lignit sau centralele electrice pe bază de cărbune.

Fig 3.3.17.Schemă de principiu centrală cu captator Fresnel

În plus, pentru fabricarea rentabilă a centralelor termosolare cu captatori liniari Fresnel, cele mai mari provocări tehnice constau în furnizarea constantă a parametrilor aburului și în controlul temperaturilor ridicate de aproximativ 500 oC în zona tubului captator (Fig 3.3.18).

Fig 3.3.18. Distribuția temperaturii în receptor

Calitatea aburului la orificiile de evacuare ale tuburilor captatoare poate fi asigurată prin așa-numitul concept de control al debitului masei de abur “o singură trecere”, care, prin reglarea debitului este în măsură să țină seama de fluctuațiile radiației sau eficiența colectorului cauzate de schimbarea poziției soarelui. Apă suplimentară poate fi de asemenea injectata la capătul fierbinte al rețelei solare pentru a controla parametrii aburului.

De asemenea, este posibilă stabilizarea parametrilor prin utilizarea de sisteme de stocare a aburului pe termen scurt sau cu ajutorul hibridizării, adică sisteme combinate ce se folosesc și de combustibili fosili. În plus față de conceptul precizat anterior, în care încălzirea, evaporarea și supraîncălzirea au loc într-un singur șir, de asemenea, este posibil reglajul și cu o matrice solară divizată, în care încălzirea și evaporarea apei are loc în prima secțiune iar porțiunile lichide și aburul saturat sunt separate apoi într-un separator de abur. În timp ce porțiunea lichidă recirculă, porțiunea de abur este alimentată în a doua secțiune, supraîncălzitorul.

În prezent nu există sisteme comerciale de stocare disponibile pentru stocarea directă a aburului pentru a putea fi folosit în perioade cu radiație solară scăzută. Pentru perioade în care cererea de energie este ridicată dar soarele nu mai strălucește, în prezent sunt în curs de dezvoltare așa-numitele sisteme de stocare cu schimbare de fază.

Datorită temperaturilor de proces de până la 500 oC și presiunii de până la 100 bari la turbină, grosimea peretelui tubului absorbant trebuie să fie corespunzătoare. Deoarece diferența de temperatură dintre exteriorul și interiorul suprafeței crește în raport cu grosimea pereților tubului, stratul absorbant selectiv este suplimentar accentuat. Cu toate acestea, tubul este de asemenea radiat mai uniform în jurul circumferinței sale, fapt ce compensează pierderile de căldură. Al doilea reflector ce este situat deasupra tubului captator, nu este prevăzut cu nici un fel de răcire suplimentară și trebuie să fie capabil să reziste la temperaturi de circa 200 oC în mod permanent.

Puerto Errado 2 (PE2), care a fost construită de producătorul Novatec Solar, este prima centrală termosolară comercială bazată pe tehnologia Fresnel. Aceasta a funcționat începând din august 2012 (Fig 3.3.19).

Fig 3.3.19. Centrala termosolară Puerto Errado 2 din Spania

Ea este alcătuită din două centrale electrice separate de 15 MWe, fiecare cu propria turbină, sursă de alimentare cu apă, pompe și sisteme de răcire prevăzute cu condensator. Dacă este necesar, este posibil ca ambele centrale să fie cuplate împreună pentru a controla o singură turbină. În timpul iernii sau când radiațiile solare sunt mai scăzute, acest lucru permite operatorului centralei să alimenteze o turbină la capacitate maximă în locul a două turbine în funcțiune cu sarcină parțială. Principiul de bază din spatele centralei PE2 se poate observa în diagrama schematică ( Fig 3.3.20).

Apa este pompată în câmpul solar cu ajutorul unei pompe. Aceasta este încălzită și apoi se evaporă. Deoarece centrala PE2 utilizează un sistem cu abur saturat, nu există nici o supraîncălzire. La o temperatură de aproximativ 270 oC și o presiune de 55 bari, aburul saturat curge împreună cu apa reziduală prin orificiul de evacuare a câmpului solar într-un tambur de abur. Prin intermediul unui separator de abur, aburul saturat uscat este apoi alimentat în turbină. Acolo aburul se dilată, iar energia termică este transformată în energie cinetică, care, la rândul ei, este transformată în energie electrică prin intermediul unui generator. Aburul expandat este condensat într-un condensator răcit cu aer și apoi colectat într-un rezervor de retur. După aceea apa este introdusă înapoi în circuit printr-un aerisitor. Partea lichidă a aburului saturat este îndepărtat cu o pompă de recirculare în tamburul de abur și este reintrodusă în câmpul solar.

Fig 3.3.20. Schema de funcționare a centralei Puerto Errado 2 din Spania

3.3.4 Oglinzi parabolice discoidale Stirling

Sistemele de oglinzi parabolice discoidale, denumite și captatoare Stirling, transformă energia termică din captarea radiației solare în energie mecanică iar apoi în energie electrică în mare parte asemănător cu o centrală electrică convențional pe bază de combustibili fosili.

După cum se vede în figura următoare (Fig 3.3.21), sistemele Stirling utilizează oglinzi pentru a reflecta și concentra radiația solară asupra unui captator pentru a atinge temperaturile necesare transformării căldurii în lucru mecanic [23]. Acest lucru presupune ca sistemul de oglinzi să fie echipat cu un sistem de urmărire a soarelui în două axe. Radiația solară concentrată este absorbită de către receptor și transferată unui motor.

Aceste sisteme sunt caracterizate prin eficiență ridicată, modularitate, funcționalitate autonomă, precum și de o capacitate de a fi hibridizate inerentă (capacitate de a opera fie pe energia solară fie pe un combustibil fosil, sau ambele).

Fig 3.3.21. Sistem de oglinzi discoidale Stirling

Dintre toate tehnologiile solare enumerate anterior, sistemele oglinzilor parabolice discoidale au demonstrat cea mai mare eficiență de conversie solară-electrică (aproximativ 29,4 %), prin urmare, au potențialul de a deveni una dintre cele mai puțin costisitoare surse de energie regenerabilă.

Modularitatea acestor sisteme le permite să fie utilizate în mod individual pentru aplicații de la distanță sau grupate împreună pentru a asigura furnizarea de energie electrică pentru consumatori izolați ( sate, zone montane cu radiație solară mare, etc). Această tehnologie este în stadiul de dezvoltare și provocările tehnice constau în ceea ce privește componentele solare și disponibilitatea comercială a unor motoare solare.

O suprafață reflectorizantă, sticlă metalizată sau plastic, reflectă radiațiile solare incidente într-o mică regiune numită focalizator. Dimensiunea concentratorului solar pentru aceste sisteme este determinată de motor. La o insolație directă nominală de 1000 W/m, pentru un sistem de 25 kW, diametrul concentratorului ajunge la aproximativ 10 metri.

Concentratorii folosesc o suprafață de aluminiu sau argint, depus pe sticlă sau plastic. Cele mai durabile suprafețe reflectorizante sunt oglinzile de argint și sticlă. Pentru că concentratoarele au lungimi focale scurte, oglinzile relativ subțiri (grosime de aproximativ 1 mm) trebuie să se adapteze curburilor necesare. În plus, sticla are un conținut scăzut de fier și este de dorit să se îmbunătățească coeficientul de reflexie. În funcție de grosime și de conținutul de fier, oglinzile solare argintate au valori de reflexie solară cuprinsă în intervalul de 90-94 %.

Forma ideală a concentratorului este un paraboloid de revoluție. Unele concentratoare solare aproximează această formă cu ajutorul mai multor oglinzi de formă sferică susținute cu o structură de grindă cu zăbrele .O inovație în designul concentratorului solar este folosirea unei membrane foarte bine întinse, în care o membrană subțire reflectorizantă este lățită pe un suport sub formă de cerc. A doua membrană este folosită pentru a închide spațiul din spate. Un vid parțial este desemnat în acest spațiu aducând membrana reflectorizantă într-o formă aproximativ sferică. Figura următoare ( Fig 3.3.22) reprezintă un sistem Stirling care utilizează acest concept.

Fig 3.3.22.Concentrator Stirling.

Designul și precizia optică a concentratorului determină raportul de concentrare. Coeficientul de concentrare este definit ca fluxul mediu solar prin deschiderea receptorului, împărțit la insolația solară directă normală. Acesta este de obicei peste 2000.

Urmărirea radiației solare în două axe se realizează într-una dintre cele două moduri :

de urmărire a azimutului- elevație

de urmărire polară

În urmărirea azimutului, vasul se rotește într-un plan paralel cu pământul (azimut) și într-un alt plan perpendicular pe acesta ( altitudine ). Acest lucru conferă colectorului rotații în stânga, dreapta, sus și în jos. Cele mai multe dintre sistemele mari de concentratoare folosesc această metodă de urmărire.

În metoda urmării polare, colectorulul se rotește în jurul unei axe palalele cu axa Pământului de rotație. Colectorul se rotește cu o viteză constantă de 15 o/oră pentru a se potrivi cu viteza de rotație a Pământului. Cealaltă axă de rotație, axa declinației, este perpendiculară pe axa polară. Mișcarea în jurul acestei axe se produce lent și variază în funcție de +/- 23 o pe parcursul unui an. Majoritatea sistemelor mici de paraboloizi folosesc această metodă de urmărire.

Receptorul absoarbe energia reflectată de concentrator și o transferă la fluidul de lucru al motorului. Suprafața absorbantă este de obicei plasată în spatele punctului de focalizare al concentratorului pentru a reduce intensitatea fluxului incident pe suprafața sa. O deschidere este plasată în punctul de focalizare pentru a reduce pierderile de căldură prin convecție și radiație.

Există două tipuri generale de receptoare Stirling: receptoare directe de iluminare ( DRI ) și receptoare indirecte care utilizează un fluid de transfer termic intermediar. Receptoarele directe au tuburi de căldură adaptate motorului pentru captarea radiației solare. Datorită capacității mari de transfer de căldură, receptoarele directe sunt capabile să absoarbă niveluri mai ridicate de flux solar (aproximativ 75 W/cm2). Cu toate acestea, echilibrarea temperaturii între cilindrii motorului Stirling este o problemă de integrare.

Într-un receptor de căldură prevăzut cu țevi, sodiul lichid este evaporizat pe suprafața absorbantă și condensat în tuburile incalzitoare ale motorului Stirling ( Fig 3.3.23). Aceasta are ca rezultat o temperatură uniformă pe tuburile încălzitorului, permițând astfel o temperatură mai mare de lucru a motorului pentru un anumit material și, prin urmare, eficiența mai mare a motorului. Tehnologia captatorului cu țevi de căldură a demonstrat îmbunătățiri semnificative ale performanței la modulele cu motor Stirling. Receptoarele Stirling sunt eficiente în transferul de energie de către concentrator la motor în proporție de 90 %.

Fig 3.3.23.Schemă de operare receptor cu țevi de căldură.

Motorul, într-un sistem parabolic discoidal, transformă căldura în putere mecanică într-un mod similar cu motoarele convenționale, adică prin comprimarea unui fluid când este rece, încălzirea acestuia când este comprimat, iar apoi extinderea lui într-o turbină sau cu ajutorul unui piston pentru a produce lucru mecanic. Puterea mecanică este transformată în energie electrică de un generator sau alternator. O serie de cicluri termodinamice au fost luate în considerare pentru sistemele cu oglinzi parabolice discoidale. Acestea includ:

Cicluri Rankine- folosind apă sau un fluid de lucru organic

Brayton

Cicluri Stirling

Motoarele termice cele mai folosite utilizează ciclul Stirling și Brayton. Sistemele aflate deja în stare de funcționare au capacități cuprinse între 25 kWe și 30 kWe pentru ciclurile Stirling. Au fost demonstrate și sisteme mai mici de 5 până la 10 kWe.

Motoarele termice bazate pe ciclul Stirling sunt proiectate pentru a rezista și a lucra cu temperaturi ridicate și presiuni înalte ( aproximativ 700 oC). Acestea utilizează hidrogen sau heliu ca gaz de transfer. În ciclul Stirling, gazul de lucru este alternativ încălzit și răcit la volum constant. Motoarele Stirling încorporează, de obicei, un regenerator de creștere al eficienței, care, captează căldura în timpul răcirii la volum constant și o înlocuiește când gazul este încălzit la volum constant. Figura următoare (Fig 3.3.24) prezintă cele patru procese de bază ale unui motor cu ciclu Stirling.

Fig 3.3.24. Schema de operare a unui motor Stirling.

Există o serie de configurații mecanice care implementează aceste temperaturi constante și procese de volum constant. Cele mai mult implică utilizarea de pistoane și cilindri. Unele folosesc un piston auxiliar pentru transferul gazului de lucru înainte și înapoi din zona fierbinte spre cea rece a motorului. Cele mai bune motoare Stirling obțin o eficiență de conversie termic-electrică de circa 40%[23].

Motoarele termice Brayton, numite de asemenea și turbine cu combustie sau turbine cu gaz, sunt motoare cu ardere internă, care produc energie prin arderea controlată a combustibilului (Fig 3.3.25). La astfel de motoare, aerul este comprimat, se adaugă combustibil, iar amestecul este ars. În sistemele oglinzilor parabolice discoidale, căldura solară este utilizată pentru a înlocui combustibilul. Gazul fierbinte rezultat este extins rapid și utilizat pentru a produce energie electrică. Într-o turbină cu gaz, arderea este continuă și gazul în expansiune este utilizat pentru a antrena o turbină și un alternator.

Fig 3.3.25. Schema de operare a unui motor Brayton

La fel ca motorul Stirling, recuperarea căldurii reziduale este esențială pentru obținerea unei eficiențe mai mari. Prin urmare, căldura reziduală epuizată de la turbină este utilizată pentru preincălzirea aerului din compresor. Turbinele pe gaz, care lucrează la o temperatură de aproximativ 850 oC sunt candidați foarte buni pentru motoarele Stirling. Eficiența conversiei termo-electrice a sistemelor Brayton sunt de peste 30 %.

Generatoarele de inducție, folosite la motoarele Stirling sunt legate la o rețea electrică de utilități. Acestea sunt sincronizate cu rețeaua și pot furniza electricitate pe una sau trei faze, fie de 230 volți, fie de 460 volți. Eficiența conversiei mecanic-electrică este de aproximativ 94 %.

3.4 Moduri de stocarea a energiei termosolare

Stocarea energiei termice a devenit foarte importantă în ultimile decenii. La ora actuală producția de energie prin aceste metode este în continuă creștere și astfel, stocarea acesteia devine mai recunoscută. Sistemul de stocare termică are ca scop principal, înmagazinarea căldurii produse de câmpurile de colectare a energiei solare, pentru folosirea ulterioară, când colectarea energiei nu mai este posibilă. Pentru o centrală ce produce energie electrică cu ajutorul unui câmp de colectare solar, variația perioadelor din zi și ale anotimpurilor, duc la variații în producția energiei electrice. Pentru a acoperi și perioada în care nu este disponibilă energia solară, se poate folosi un sistem de stocare a energiei termice, care în timpul perioadei cu energie solară maximă, aceasta este produsă în exces, și folosită apoi pentru păstrarea în funcțiune a centralei. Se elimină astfel pierderile de energie la pornirea turbinei și crește eficiența centralei.

Un număr mare de studii făcute pentru dezvoltarea centralelor solare, arată că adăugarea unui sistem de stocare a energiei termice, duce la o creștere a eficienței centralei. Spre exemplu, la o centrală termică solară ce folosește pentru antrenarea turbinei abur, adăugarea unui sistem de stocare termică (SST), îi poate imbunătăti performanța de la 12,4% pană la 13,2%, deși reduce eficiența aburului de la 37,9% la 37,5%.

Energia termică poate fi stocată în moduri diferite: sub formă de căldură sensibilă, sub formă de căldură latentă (prin schimbare de fază) și stocare termochimică (reacții chimice reversibile endoterme și exoterme). Mai departe vom vedea mai detaliat care sunt principalele avantaje și dezavantaje ale stocării sub formă de căldură sensibilă și sub formă de căldură latentă, acestea fiind cele mai folosite în prezent în centralele termosolare.

3.4.1 Stocare sub formă de căldură sensibilă

În prezent, majoritatea sistemelor de stocare funcționează în centrale electrice solare pe principiul stocării căldurii sensibile. Aceste sisteme folosesc un sistem cu două rezervoare de stocare a căldurii, iar ca material de stocare folosesc săruri lichide.

Un model de centrală ce folosește un sistem de stocare a energiei termice ce folosește căldura sensibilă, cu două rezervoare, este prezentat în fig. 3.4.1. Acest sistem este un sistem indirect-activ.

Fig 3.4.1.Schema unei centrale solare cu câmp solar parabolic și sistem de stocare a energiei termice cu două rezervoare.

Pentru colectarea radiațiilor solare, centrala folosește un câmp solar parabolic, cu agent de lucru normal, iar pentru stocarea energiei termice, sistemul cu două rezervoare. Unitatea de stocare termică se încarcă de la uleiul fierbinte ce acționează ca agent de lucru, încălzit la o temperatură nominală de 393 °C, primită de la câmpul solar și trece prin schimbătoarele de căldură ulei-sare. Sarea topită la 292 °C este luată din rezervorul rece și trece împotriva curentului prin schimbătoarele de căldură pentru a obține stocarea la temperatura maximă de 385 °C. Lichidul încălzit este stocat în rezervorul fierbinte. Când se dorește recuperarea energiei stocate, sistemul funcționează în mod invers, încălzind agentul de lucru, care generează abur necesar pentru funcționarea centralei. În această etapă, temperatura de operare a sistemului de stocare se află între 292 °C și 385 °C, iar sistemul de stocare se bazează pe convecție forțată pentru a transfera căldura dintre agentul de lucru și mediul de stocare lichid. Lichidul de stocare trebuie să aibă o temperatură de solidificare cu mult sub temperatura de lucru a sistemului de stocare și o temperatură de descompunere mult peste temperatura maximă la care lucrează sistemul de stocare. Mărimea câmpului solar trebuie să fie crescută pentru ca el să poată încărca sistemul de stocare și totodată să producă energie termică pentru blocul de putere. Numărul de ore pentru care sistemul de stocare poate descărca energie depinde de intervalul de temperatură în care lucrează sistemul, cantitatea de material existentă în sistemul de stocare cât și proprietățile termice ale materialului, precum și de energia necesară unității de putere

3.4.2 Stocare sub formă de căldură latentă

Sistemele de stocare a energiei termice sub formă de căldură latentă, se bazează pe cantitatea de căldură pe care un material o absoarbe sau o degajă în timpul procesului de schimbare de fază. Schimbările de fază pot fi de la solid la solid, solid la lichid, de la lichid la gaz sau invers.

În figura următoare ( Fig 3.4.2 ) este exemplificată schema unei centrale termosolare cu o putere electrică de 50 MW, ce folosește colectoare solare de ultimă generație. Sistemul de stocare al căldurii are o capacitate de 1000 MWh, care poate produce abur timp de 8 ore pentru a ține turbina în funcțiune la capacitate maximă.

Fig. 3.4.2. Schema unei centrale termice solare, cu generare directă de aburi ce folosește un sistem de stocare cu materiale cu schimbare de fază pentru evaporare și un sistem de stocare cu trei rezervoare pentru preîncălzire și supraîncălzire

Câmpul solar a fost proiectat pentru a produce abur supraîncălzit la o temperatură de 550 °C. Presiunea aburului la încărcarea sistemului va depinde de punctul de topire al materialului cu schimbare de fază și de diferența de temperatură dintre condensare și evaporare. Pentru sistemele de stocare considerate în lucrare, se consideră o temperatură de topire a nitratului de sodiu de 306 °C. Se ia în calcul o diferență de temperatură de 10 Kelvin pentru rezervorul cu material de stocare cu schimbare de fază ce corespunde parametrilor de condensare de 316 °C și 107 bari și parametri de evaporare de 296 °C la 81 bari. Pentru schimbătoarele de căldură sensibilă pentru rezervoarele cu sare topită, se va considera o diferență de temperatură de 7 K.

In figura de mai jos ( Fig 3.4.3 ), pentru încărcarea sistemului, abur fierbinte intră prin partea din dreapta la o temperatură de 550 °C și un debit de 56 kg/s. Datorită faptului că rezervorul de stocare cu material cu schimbare de fază nu rezistă la temperatura aceasta, apa condensată este recirculată, acest sistem de recirculare fiind folosit și pentru controlul temperaturii la intrarea în rezervorul cu material cu schimbare de fază. Aburul din rezervorul de stocare a energiei termice cu schimbare de fază, condensează în timpul procesului de încărcare cu o diferență a transferului de temperatură de 10 K, la 316 °C și o presiune de 107 bari. Apa saturată la ieșirea din rezervor, este apoi subrăcită de un alt schimbător de căldură, pentru ca apoi să se întoarcă la câmpul solar la o temperatură de 285 °C.

Fig. 3.4.3. Modul de poziționare a rezervoarelor în sistemul de referință

Pentru stocarea căldurii sensibile se folosește un sistem cu trei rezervoare cu sare lichidă. Din cauză că sarea lichidă are temperatura de solidificare la 238 °C, s-a luat o marjă de eroare de 32 K, față de punctul de solidificare, stabilindu-se astfel temperatura minimă rezervorului rece ca fiind 270 °C. Pentru rezervorul intermediar s-a dedus o temperatură de 309 °C din temperatura de staturație a aburului încălzit de 316 °C și diferența de temperatură de 7 K din schimbătorul de căldură. Din cauză că apa și aburul au capacități termice diferite, aburul supraîncălzit ducând sarea lichidă la o temperatură de 510 °C, trebuie să difere și debitul de sare lichidă care curge prin schimbătoarele de căldură, ceea ce conduce la necesitatea unui al treilea rezervor intermediar, care să colecteze sarea lichidă când aceasta nu mai ajunge în rezervorul fierbinte.

Procesul de descărcare are loc, atunci când curgerea este în sens invers procesului de încărcare. Astfel, în timpul descărcării, apa pornește de la temperatura de 262 °C, din blocul de putere și este preîncălzită la temperatura de saturație de 296 °C și adusă la o presiune de 81 bari. Procesul de evaporare care are loc în rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază, are loc la temperatură constantă, iar apoi aburul este supraîncălzit la o temperatură de 477 °C, astfel, sarea lichidă din rezervorul fierbinte, ajunge în rezervorul intermediar la o temperatură de 309 °C, iar de acolo sarea este trimisă în rezervorul rece.

Pentru proiectarea unui sistem de stocare a energiei termice cu capacitatea de 1000 MWh, care să funcționeze 8 ore, sunt necesare 4900 tone de sare lichidă. Rezervorul pentru sare lichidă rece trebuie construit astfel încât să poată ține toate cele 4900 tone de sare, în timp ce rezervorul intermediar și cel fierbinte poate să aibă dimensiuni mai mici, de 3200 tone și respectiv 1700 tone. Rezervorul care funcționează cu material cu schimbare de fază, trebuie să poată conține 13500 tone de nitrat de sodiu.

De asemenea un aspect important îl are și blocul de putere, căruia, prin folosirea sistemului de stocare cu material cu schimbare de fază, îi scade eficiența ciclului Rankine de la 42,3% la 40,3%.

Sistemul de stocare adaptat, cu sare, prezentat în fig. 3.4.4, conține de asemenea trei rezervoare, în schimb diferența constă în amplasarea rezervorului intermediar, care în acest caz, este pus imediat după rezervorul fierbinte. Modelul prezentat are o capacitate termică mai mare la nivelul rezervoarelor cu sare, la nivelul de supraîncălzire. Acest lucru duce la folosirea unei temperaturi mai ridicate, de aproximativ 400 °C, în loc să fie imediat sub procesul de evaporare/condensare. Sistemul permite o temperatură de 543 °C în rezervorul fierbinte și o temperatură a aburului la intrarea în rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază de 330 °C. Totodată, datorită debitului mai scăzut față de sistemul de referință, în secțiunea supraîncălzită, cantitatea de sare lichidă necesară scade la 4000 tone, iar cantitatea de material din rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază, poate fi scăzută la 12600 tone, fapt ce conduce și la scăderea costului total al instalației de stocare a energiei termice. Față de sistemul de referință, crește și eficiența blocului de putere, la 41,5%.

Fig. 3.4.4. Schema sistemului de stocare, adaptat cu sare

Configurația a treia, fig. 3.4.5, are ca scop costuri reduse, dar și o supraîncălzire a aburului la parametri ideali pentru turbină. Pentru că rezervorul intermediar a fost eliminat, cantitatea de sare lichidă necesară pentru stocarea căldurii este mai mică, iar sarea poate fi folosită pe întregul interval de temperaturi în care lucrează sistemul de stocare. Acest sistem are nevoie de 3000 tone de sare lichidă pentru sistemul de stocare a căldurii cu căldură sensibilă și de 13300 tone de nitrat de sodiu pentru sistemul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază.

Fig. 3.4.5. Schema sistemului de stocare, adaptat cu aburi

Sistemul de stocare cu presiune adaptată, fig. 3.4.6, conține de asemenea două rezervoare pentru stocarea căldurii sensibile. În acest model, este folosită dependența presiunii de capacitatea calorică specifică a aburului, presiunea fiind astfel redusă continuu în linia de aburi pentru a menține capacitatea termică specifică a aburului în toată zona de supraîncălzire. Pentru funcționarea acestui sistem, presiunea aburului la ieșirea din câmpul solar ar trebui să fie de 135 bari, iar temperatura de 550 °C. Acești parametri nu pot fi obținuți folosind un câmp solar cu colectoare solare cu oglinzi, dar o variantă ar putea fi folosirea unui turn solar cu lentile Fresnel. Cantitatea necesară de sare lichidă pentru rezervoare este de 3200 tone , iar cantitatea de nitrat de sodiu pentru rezervorul cu material cu schimbare de fază de 12900 tone. Eficiența blocului de putere este și în acest caz scăzută, din cauza procesului de descărcare, moment în care turbina ar funcționa la 60% din capacitate. Din acest motiv eficiența ciclului ajunge la 41,7%.

Fig. 3.4.6. Schema sistemului de stocare, cu presiune adaptată

Analizând fiecare sistem separat, putem observa că sistemul de referință are cele mai mari pierderi din cauza recirculării apei saturate, acest lucru ducând și la o construcție mai complexă.

În sistemul de stocare adaptat cu sare, s-a luat în calcul modificarea poziției rezervorului intermediar, acest lucru conducând la o eficiență mai ridicată decât cea a sistemului de referință, material de stocare a energiei termice mai puțin, dar și o complexitate mai scăzută.

Între sistemul de stocare adaptat cu aburi și sistemul de stocare adaptat cu sare, nu sunt diferențe din punct de vedere al performanțelor, dar faptul că a fost eliminat un rezervor și cantitatea de material cu schimbare de fază mai scăzută față de sistemul de referință, conduc la un cost de producție mai mic al sistemului de stocare.

Am ales descrierea acestui sistem deoarece acesta prezintă cum diferite sisteme de stocare a energiei termice pot fi folosite împreună pentru a crește eficiența stocării și eficiența totală a centralei termosolare.

4. Dimensionarea unei centrale termosolare

4.1 Date inițiale ale centralei termosolare.

4.2 Dimensionarea suprafeței câmpului de oglinzi reflectorizante

Se consideră că centrala funcționează 90% din durata unui an. Se consideră că randamentul termic al instalației termoelectrice care funcționează după ciclul Rankine este de 35 %.

Schema de principiu a funcționării unei instalații cu ciclu Rankine cu abur alimentată cu energie solară, cu turn solar, este reprezentată în figura următoare (Fig 4.2.1).

Fig. 4.2.1. Schema de principiu a unei instalații solare cu turn solar si ciclu Rankine

Agentul intermediar este reprezentat de săruri topite sau ulei diatermic, iar acumulatorul de căldură și “câmpul” de oglinzi reflectorizante trebuie dimensionat astfel încât să permită pe timpul zilei acumularea unei cantități suficiente de energie termică, astfel încât să fie asigurată funcționarea instalației și în absența radiației solare (pe timpul nopții). Agentul termic din circuitul intermediar atinge temperaturi de 500…1000 °C, astfel încât agentul termic este reprezentat de săruri topite (40% nitrat de potasiu – KNO3, 60% nitrat de sodiu – NaNO3) sau sodiu (Na) lichid.

În figura următoare ( Fig 4.4.2) este reprezentată o instalație termosolară cu turn solar.

Fig. 4.4.2.Centrală termosolară cu turn solar

Se consideră că intensitatea medie a radiației solare în timpul anului, în locația aleasă pentru amplasarea centralei termosolare globale (cu valoare ridicată a intensității radiației solare), este Ig = 400 W/m2 în plan orizontal, respectiv în planul înclinat optim al oglinzilor care concentrază radiația solară în vârful turnului solar, Igi = 500 W/m2.

Se consideră că durata medie de disponibilitate a radiației solare directe este:

𝜏= 8 h/zi

Căldura medie disponibilă zilnic din radiația solară, în planul înclinat optim al oglinzilor care concentrază radiația solară (Qsol,i) este:

Qsol,i= Igi * 𝜏

Qsol,i= 500 * 8 Wh/m2/zi = 4000 Wh/m2/zi = 4 kWh/m2/zi

Se consideră că randamentul mediu de conversie a căldurii disponibile zilnic din radiația solară (ηq), în căldura transferată în agentul intermediar este ηq = 50%.

Relația de definiție a randamentul mediu de conversie a căldurii disponibile zilnic din radiația solară (ηq) este:

ηq= Q = ηq * Qsol,i

In exemplul nostru:

Q = 0,5 * 4 = 2 kWh/m2/zi

Conform aplicațiilor anterioare, se poate calcula energia electrică produsă de 1m2 de oglinzi reflectorizante (Eel,1), dacă se consideră randamentul ciclului Rankine (ηt):

ηt= Eel,1= ηt* Q

Eel,1 = ηt* ηq * Igi* 𝜏

Energia electrică produsă de toate oglinzile reflectorizante (Eel), având suprafața totală (S ), se determină cu relația evidentă:

Eel= S * Eel,1 = ηt* ηq* Igi* 𝜏 * S

Energia electrică produsă de instalație se poate determina în funcție de putere (Pel) și timpul zilnic de funcționare (𝜏):

Eel = Pel* 𝜏

Egalând cele două expresii ale energiei electrice se obține:

Pel*𝜏 = ηt* ηq* Igi*𝜏 * S

Din această relație se poate determina suprafața necesară de oglinzi reflectorizante (S):

S =

În exemplul nostru :

S = = 285714,28m2 = 285,7 km2

Se consideră că randamentul de dispunere a oglinzilor reflectorizante pe sol este ηs = 50% astfel încât pentru ca oglinzile să nu se umbrească reciproc este nevoie pentru amplasarea oglinzilor pe o suprafață de sol (Ssol) egală cu dublul suprafeței totale a acestora:

Ssol = S / ηs

În exemplul nostru :

Ssol = 285,7 / 0,5 = 571,4 km2= 57,14 ha

Pentru funcționarea centralei termosolare este nevoie de o suprafață de aproximativ 572 km2 (58 ha), pentru dispunerea oglinzilor reflectorizante.

4.3 Alegerea schemei termice de principiu

Schema termică a centralei termosolare alese cu putere instalată de 25 MW se alege în funcție de datele inițiale : parametrii aburului viu ( la ieșirea din generatorul de abur ), presiunea la supraîncălzirea intermediară, temperatura după supraîncălzirea intermediară, presiunea la condensator, numărul de preîncălzitoare regenerative.

Fig. 4.3.1. Schema termică de principiu

4.4 Stabilirea presiunii în condensator

Întrucât la ieșirea din turbină aburul se află în domeniul umed, între presiunea de condensare pc și temperatura de condensare tc avem urmatoarea relație : pc=f(tc).

Nivelul temperaturii de condensare depinde de temperatura de intrare în condensator a apei de răcite tr1. Pentru a determina valoarea ei se va lua în considerare diagrama t – S a condensatorului ( Fig 4.4.1 ).

Fig. 4.4.1.Diagrama t-S a condensatorului

Deoarece răcirea este în circuit închis rezultă că :

Dr = Dturn si tr1 = tturn= 16 °C

Din diagrama t – S rezultă că :

tr2=tr1+Δt

tc=tr2+δt=tr1+ Δt+ δt

Pentru diferențele de temperatură se adoptă valorile :

δt =3-5 °C ; 4 °C în cazul nostru

Δt=9-11 °C ; 9 °C în cazul nostru.

Din tabelele de abur și apă la saturație rezultă : pc=f(tc) și entalpia h3 a condensatului extras din condensator, h3 = f(tc).

Deci :

tr2= 16 + 9 = 25°C

tc= 25 + 4 = 29 °C

Din tabelele de abur și apă la saturație rezultă :

Pc=f(tc)=f(29 °C)=0.04 bar

h3=f(29°C)=121,53 kJ/kg

4.5 Determinarea entalpiei apei de alimentare

Entalpia apei de alimentare se determină din tabelele de abur-abur supraîncălzit, cu ajutorul relației de mai jos :

hal = f( tal , pal)

Temperatura apei de alimentare tal se citeste din următoarea diagramă ( Fig 4.5.1) în funcție de numărul de preîncălzitoare regenerative.

Fig. 4.5.1.Temperatura apei de alimentare în funcție de “z”.

Presiunea apei de alimentare pal se va alege astfel:

-pal = (1,2 – 1,25)p0

În cazul nostru:

z = 5 deci rezultă tal= 190 – 240 °C

p0 = 100

pal= ( 1,2 – 1,25) * 100 = 120- 125 bar

Se aleg tal= 210 °C

pal= 120 bar

Din tabelele de apă-abur supraîncălzit rezultă:

hal= f( 210 °C, 120 bar) = 901,8

4.6 Determinarea entalpiilor apei de alimentare între preîncălzitoarele regenerative

Se parcurg următoarele etape de calcul :

În funcție de presiunea de degazare pd se citește entalpia apei degazate had din tabelele de apă-abur la saturație:

had = f( pd saturatie) = f(6 bar,saturație) = 670,5

Se determină creșterile de entalpie ale apei de alimentare pe preîncălzitoare,care,în ipoteza optimului termodinamic sunt:

hpip =

hpjp =

În aceste relații : npip = numărul de PIP

npjp = numărul de PJP

Δhpr= creșterea reală de entalpie în pompa de alimentare, care se determină astfel:

-se aproximează presiunea de refulare a pompei ( Fig 4.6.a)

Pr=pal

-se reprezintă procesul de comprimare a apei în pompa de alimentare în diagram h-s (Fig.4.6.b)

Fig. 4.6.

– din tabelele apă-abur la saturație se citește entropia apei degazate sad:

sad = f(6 bar, saturație) = 1,931

-din tabelele de apă-abur supraîncălzit se citește

hrt = f(120 bar; 1,931 ) = 628,4

Cu aceste mărimi se calculează :

Δhpr=

Unde 𝝶p este randamentul pompei, căruia i se admit următoarele valori :

𝝶p = 0,65 – 0,77 pentru unități mici

𝝶p= 0,5 – 0,83 pentru unități mari

Valoarea aleasă pentru calculele noastre este :

𝝶p= 0,77

Δhpr = = 15,5

hpip= = 107,8

hpjp= = 183

Se calculează entalpia apei de alimentare între preîncalzitoarele regenerative :

Pentru treapta “i” ( i = nr. de preîncalzitoare numerotate de la generatorul de abur spre condensator) rezultă:

hai = hal – ( i – 1) * hpip pentru 1< i ≤ npip +1

hai = had – ( i -npip- 1) *hpjp pentru npip +1 < i ≤ z

În final se vor face verificările :

h3 = hai pentru i = z +1

h’a = ha – Δhpr= had

În cazul nostru:

ha1 = hal = 901,5

ha2 = ha1 – ( 2 – 1 ) * hpip = 901,5 – 107,8 = 793,7

ha3 = ha1 – ( 3 – 1 ) * hpip = 901,5 – 2 * 107,8 = 685,9

verificare: h’a3 = ha3 – Δhpr= 685,9 – 15,5 = 670,4 ≈ had = 670,5

Pentru 3 < i ≤ 5 :

ha4 = had – ( 4 – 2 – 1 ) * hpjp = 670,5 – 183 = 487,5

ha5 = 670,5 – ( 5 – 2 – 1 ) * 183 = 304,5

verificare: ha6 = 670,5 – ( 6 – 2 – 1 ) * 183 = 121,5 ≈ h3 = 121,53

4.7 Determinarea presiunilor la prize

Presiunea aburului la prizele regenerative ale turbinei rezultă din diagramele de schimb de căldură ale preîncălzitoarelor. Presiunea “ i ” se citește din tabelele apă-abur la saturație:

pi = f(ts,i)

ts,i = tai + Δ t

în care Δ t este diferența dintre temperatura de saturație a aburului și temperatura de ieșire a apei din preîncălzitor, tai și are valorile indicate în figura următoare ( Fig 4.7.1 ).

Fig. 4.7.1. Tipul preîncălzitorului și temperatura la ieșire

Se stabilește presiunea la prize în funcție de entalpia apei la saturație hs,i :

hs,i = hai + cp * Δ t

în care valoarea căldurii specifice a apei se aproximează cu : c ≈ 4,181

Din tabelele de apă-abur la saturație se citește pi = f(hs,i), iar cu entalpiile hai determinate anterior și alegând valoarea Δ t conform schemei termice, rezultă valorile din tabelul 4.7.2

Tabelul 4.7.2

4.8 Trasarea procesului de destindere al aburului în turbină

Pentru reprezentarea procesului real de destindere, se va considera următorul randament intern al corpurilor turbinei : 𝝶i = 0,82. La ciclurile fără supraîncălzire intermediară, procesul de destindere al aburului are forma din figura următoare ( Fig 4.8.1)

Fig. 4.8.1. Diagrama h-s a aburului

Parametrii aburului se vor centraliza într-un tabel.( Tabelul 4.8.2 )

Tabelul 4.8.2

Mărimile din tabelul anterior au fost determinate astfel:

p1 = 100 – ( 0,05~ 0,07 ) * 100 = 94 bar

x = = = 0,765

h2t = h’2t + xr = 121,42 + 0,765 *2433 =1982,7 kJ/kg

h2 = h1 – 𝝶i* ( h1 – h2t ) =3346 – 0,82 * ( 3346 – 1982,7 ) = 2228 kJ/kg

x2 = = 0,866

s2 = 0,4225 + 0,866 * ( 8,473 – 0,4225 ) = 7,394 kJ/kg

4.9 Determinarea entalpiilor aburului la prizele regenerative

Entalpiile aburului la prizele regenerative hpi rezultă din intersecția procesului de destindere a aburului în turbină cu izobara pi a prizei “i”. În continuare voi folosi metoda de determinare a entalpiilor prin calcul, cu ajutorul formulei :

hpi= h1 – 𝝶i* ( h1 – hpi )

Priza 1

p1 = 23 bar ; s1 = 6,58 [kJ/kg*K] ( conform tabelului 4.8.2 )

h1 = 3341 [kJ/kg]

hp1t = f(23 bar; 6,58 kJ/kg*K) = 2962 [kJ/kg]

hp1 = 3341 – 0,82 * ( 3341 – 2962 ) = 3030 [kJ/kg*K]

Priza 2

p2 = 14,5 bar ; hp3t = f(6 bar; 6,58 kJ/kg*K) = 2853 [kJ/kg]

hp2 = 3341 – 0,82 * ( 3341 – 2853 ) = 2941 [kJ/kg*K]

Priza 3

p3 = 6 bar ; hp3t = f(6 bar; 6,58 kJ/kg*K) din domeniul aburului umed

s’ = 1,931 [kJ/kg*K] ; s” = 6,761 [kJ/kg*K]

h’ = 511,4 [kJ.kg*K] ; r = 2086 [kJ/kg*K]

x = = 0,963

hp3t = 670,5 + 0,963 * 2086 = 2678 [kJ/kg*K]

hp3 = 3341 – 0,82 * ( 3341 – 2678 ) = 2797 [kJ/kg*K]

Priza 4

p4 = 2,1 bar; din domeniul aburului umed , deci din tabele rezultă :

s’ = 1,547 [kJ/kg*K] ; s” = 7,111 [kJ/kg*K]

h’ = 511,4 [kJ/kg*K] ; r = 2198 [kJ/kg*K]

x = = 0,905

hp4t = 511,4 + 0,905 * 2198 = 2499,6 [kJ/kg*K]

hp4 = 3341 – 0,82 * ( 3341 – 2499,6 ) = 2651 [kJ/kg*K]

Priza 5

p5 = 0,45 bar ; deci din tabele rezultă :

s’ = 1,06 [kJ/kg*K] ; s” = 7,629 [kJ/kg*K]

h’ = 329,6 [kJ/kg*K] ; r = 2311 [kJ/kg*K]

x = = 0,84

hp5t = 329,6 + 0,84 * 2311 = 2271,55 [kJ/kg*K]

hp5 = 3341 – 0,82 * ( 3341 – 2271,55 ) = 2464 [kJ/kg*K]

Rezultatele se vor centraliza în tabelul 4.9.1

Tabelul 4.9.1

4.10 Stabilirea schemei termice echivalente

În cazul ciclului nostru, fără supraîncălzire intermediară există un singur preîncălzitor echivalent conform schemei următoare ( Fig 4.10.1)

Fig. 4.10.1.Schema termică echivalentă

Valorile entalpiei apei de alimentare sunt cunoscute, fiind calculate anterior. Entalpia echivalentă hpm a aburului se calculează cu relația :

hpm2 =

În cazul nostru :

hpm2= = 2777

Concluzii

Datorită creșterii necesarului global de energie electrică, epuizarea resurselor de combustibili fosili și îngrijorările față de schimbările climatice, tehnologia termosolară de producere a electricității devine tot mai atractivă.

Adoptarea acestei tehnologii este determinată de mai mulți factori: tehnologia este competitivă din punct de vedere al costurilor de investiție, punerea în funcțiune este destul de rapidă și impactul economic local destul de ridicat. Ea permite producerea de energie electrică atunci când este nevoie, la prețuri mici față de folosirea combustibililor fosili ce au un impact ridicat asupra mediului. Avantajul major în folosirea acestei tehnologii constă în faptul că nu este necesară utilizarea combustibililor fosili, deci nu există emisii de CO2.

Alt avantaj major constă în fabricarea componentelor centralelor. Acestea se pot confecționa pe plan local și necesită o cantitate de forță de muncă ridicată. Astfel se creează oportunitatea de a creea locuri de muncă pe plan local precum și utilizarea ce resurse naturale locale.

Pe plan mondial, în viitor, utilizarea centralelor termosolare va juca un rol foarte important în producerea de energie electrică.

Bibliografie

1.http://dpue.energ.pub.ro/files/carte/peet_curs.pdf

2.https://ro.wikipedia.org/wiki/Surs%C4%83_de_energie

3.https://ro.wikipedia.org/wiki/C%C4%83rbune

4.http://scientia.ro/univers/terra/2619-combustibili-fosili-scurta-prezentare.html

5.https://ro.wikipedia.org/wiki/Gaz_natural

6.https://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil%C4%83

7.http://www.europarl.europa.eu/atyourservice/ro/displayFtu.html?ftuId=FTU_5.7.4.html

8.Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966.

9.http://ames.ro/hidroenergia/

10.http://optibioma.agro-bucuresti.ro/

11.Adevărul, Forța vântului câștigă teren pe piața energiei regenerabile, autor Laura Toma, 23 august 2007

12.https://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_eolian%C4%83

13.http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/3_1.pdf

14.http://www.ro-bul-ret.eu/images/stories/results/ret/modulul-2.pdf

15.Cercetări teoretice și experimentale privind posibilitățile de valorificare a energiei solare ca sursă nepoluantă, autor :ing.Diana Silaghi 2008

16.http://dpue.energ.pub.ro/files/carte/peet_curs.pdf

17.Utilizarea energiei solare, autori: Prof.dr.ing. Alexandru Danescu, Sef lucr.dr.ing.Sorin Bucurenciu, Conf. Dr.ing. Stoian Petrescu, Editura tehnica Bucuresti -1980-

18.http://www.greenpeace.org/international/en/publications/reports/solar-thermal-power-2020/

19.http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals2/index_e.php

20.http://www.greenpeace.org/international/Global/international/publications/climate/2016/Solar-Thermal-Electricity-Global-Outlook-2016.pdf

21.http://www.greenpeace.org/international/PageFiles/24870/SolarThermalPower.pdf

22.http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/47927_chapter5.pdf

23.http://www.atomic.physics.lu.se/fileadmin/atomfysik/Education/Mandatory_cources/FAFA35_Fysik_-_termodynamik_och_atomfysik/solar_dish.pdf

24.Adrian Badea, Horia Necula, Surse regenerabile de energie, Ed. AGIR, Bucureṣti, 2014.

25.Athanasovici V.. ṣ.a., Tratat de inginerie termică. Alimentări cu căldură. Cogenerare. Ed. AGIR, București, 2010.

27.Roman Adinberg, Simulation analysis of thermal storage for concentrating solar power, Applied Thermal Engineering, 1 (2011), p.3588-3594.