SPECIALIZAREA:MENAGEMENTUL ENERGIEI TERMICE [301455]

[anonimizat]:MENAGEMENTUL ENERGIEI TERMICE

PROIECT DE DISERTAȚIE

Absolvent: [anonimizat].Ioan Cornel FLOREA

2017

[anonimizat]:MENAGEMENTUL ENERGIEI TERMICE

PROIECT DE DISERTAȚIE

STUDIUL COMPARATIV PRIVIND EFICIENȚA DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE CU PANOURI FOTOVOLTAICE ȘI CICLUL RANKINE ORGANIC SOLAR

Conducător: Absolvent: [anonimizat]

2017

1.[anonimizat], în urma unor transformări care au la bază legea conservării energiei.

Mașina cea mai utilizată pentru obținerea energiei electrice poartă denumirea de generator electric.

[anonimizat], sunt bateriile electrice și acumulatoare electrice.

Generatoarele care transformă energia solară în energia electrică se numesc baterii electrice solare.

[anonimizat], asfel: [anonimizat].

Centralele în care energia hidraulică se transformă în energie electrică se numesc centrale hidroelectrice care pot fi: centrale pe firul apei și centrale cu lac de acumulare.

[anonimizat] a emite electroni atunci când sunt supuse unui flux luminos. Aparatele construite după acest principiu se numesc celule fotoelectrice. [anonimizat], formează o baterie electrică solară.

2 Panouri solare fotovoltaice

Transformă energia solară în energie electrică și sunt cel mai des întâlnite. [anonimizat], în funcție de tipul de celule componente. Sunt formate din celule solare pe bază de siliciu.

[anonimizat], [anonimizat] (siliciu) [anonimizat]. [anonimizat], amorfe, microcristaline sau cu strat subțire.

[anonimizat], amorfe și cu strat subțire.

[anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat], sunt cele mai durabile și majoritatea producătorilor oferăgaranții de peste 25 de ani pentru aceste produse.

Panou solar cu celule policristaline

Celule solare policristaline

Tind să aibă mai puțină rezistență la căldură decât panourile solare monocristaline, prin urmare sunt mai puțin eficiente la temperaturi crescute.

În același timp, sunt mai ieftine decât cele monocristaline, procesul de producție fiind mai simplu și mai puțin costisitor. Acest lucru, pe de altă parte, implică și o eficiență mai scăzută a acestui tip de panouri.

Acoperiș din celule fotovoltaice cu strat subțire

Celule solare cu strat subțire

Sunt la rândul lor clasificate în funcție de materialul fotovoltaiccare este depus pe substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule fotovoltaice organice.

Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline. Aspecul lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai largi, mai întinse.

Panou Solar hibrid, cu strat amorf

Panouri solare hibride

Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor monocristaline, iar stratul suplimentar amorfextrage mai multă energie de la lumina soarelui, în special în condiții de lumină slabă.

Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ reduse. Totuși, aceste panouri nu sunt recomandate suprafețelor mari de acoperiș și se vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice.

O sursă de orientare cu privire la panourile solare, poze și detaliile tehnice aferente acestora, este Wikipedia (atât varianta în limba română, cât și cea în limba engleză), precum și anumite site-uri de specialitate din afară, precum acesta.

Cum functioneaza panourile fotovoltaice?
Pentru a avea energie electrica de la soare, aveti nevoie de un panoul solar ce are o celula solara sau mai multe celule. Celula solara absoarbe o parte din particulele de lumina ce cad pe aceasta, numite si fotoni. Fiecare foton contine o cantitate mica de energie. Atunci cand un foton este absorbit, acesta elibereaza un electron din materialul celului solare. Deoarece fiecare parte a celulei solare este conectata la un cablu, un curent va trece prin acesta. Celula va produce electricitate ce poate fi folosita instantaneu sau inmagazinata in acumulatori.

Energia electrica este produsa atat timp cat panoul este expus la lumina. Materialele din care sunt fabricate celulele solare sunt semiconductoare si au o durata de viata de cel putin 20 de ani. Randamentul panourilor solare va scadea in timp. Ritmul de scadere in timp al randamentului este garantat de fiecare producator de panouri solare. Uzura panourilor este data de mediul inconjurator si modalitatea de montaj a acestora.

Celule solare

Celulele solare sunt de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, amorfe, film subtire, CIS (copper indium diselenide) si CdTe (cadmium telluride), CIGS, etc. Diferenta intre aceste celule consta in structura si modul cum sunt aranjati atomii. Acest lucru va da si un aspect specific fiecarei celule solare. Diferenta cea mai mare consta totusi in eficienta. Eficienta celulei se masoara in procentul de energie luminoasa transformata in energie electrica. Celulele solare monocristaline si policristaline au aproape aceasi eficienta fiind si cea mai mare din multitudinea de celule solare comerciale existente pe piata.

In ultimul timp, celulele solare CIS si CdTe au inceput sa fie disponibile pe piata in cantitati reprezentative.

Schema unei celule elementare.

Caracteristicile celulei fotovoltaice a – la variatia radiatiei solare; b – la variatia temperaturii

CARACTERISTICI ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca și în cazul bateriilor:

Tensiunea;

Intensitatea curentului electric;

Puterea electrică.

Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca și intensitatea curentului electric asigurat, depind

semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricație, ca și de dimensiunile acestor

celule. În figura 5.8 este reprezentată variația tensiunii și a intensității curentului electric asigurate de o

celulă fotovoltaică realizată din siliciu și având dimensiunile de 10x10cm.

Fig. 5.8. Tensiunea și intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din Si, la diferite intensități ale radiației solare

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice rtealizate din

acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată, depinde

foarte puțin de intensitatea radiației solare, dar valoarea intensității curentului electric, depinde sensibil

de acest parametru, prezentând o variație între 0,4A în cazul unei radiații solare de 200W/m2 și 2,2A în

cazul unei radiații solare de 1000W/m2.

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U și

intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu.

P=U·I

Considerând că tensiunea este de U=0,5V și intensitatea curentului electric este I=2A, se poate

calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W. Această valoare redusă a puterii,

arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie, pentru a se obține

panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din acest motiv și

dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din 10×10 celule

fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi 100x100cm=1m2, iar acest

panou va putea să asigure o putere de 10×10=100W.

Pornind de la curbele de variație a intensității curentului electric, cu intensitatea radiației

solare, reprezentate în figura 5.8, și calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune și intensitate,

se pot trasa curbe de variație a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei din figura 5.9.

Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obține în punctul în care

intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de pe curba

de variație a intensității curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar puterea

maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM. Se observă că

și în condițiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A, ceea ce corespunde

unei intensități foarte mari a radiației solare și unei construcții foarte performante a celulei

fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este de cca. 1,35W, ceea ce

sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în vedrea obținerii unor panouri

fotovoltaice, ca cel din figura 4.10, asemenea panouri fiind capabile să asigure puteri de cca.

10…250W.

Parametrii celulei fotovoltaice

Randamentul energetic al unei celule este raportul dintre puterea electrica maxima si puterea

incidenta:

ᶯ=

in care:

• E – iluminarea [W/m2];

• S – suprafata activa a panourilor [m2].

• Pm – puterea maxima masurata in conditiile STC (Standard Test Conditions), respectiv in

spectrul AM1.5, la o temperatura de 25°C si iluminare de 1000 W/m2.

AMx desemneaza conditiile atmosferice in care se desfasoara determinarile, in functie de

grosimea straturilor traversate de razele soarelui, constitutia lor etc.

Panourile Solare

Panourile solare sunt alcatuite din celule solare. Deoarece o celula fotovoltaica nu produce suficienta energie ca sa poata fi folosita eficient, este nevoie ca mai multe celule, acestea fiind legate in serie – paralel, formand astfel un panou fotovoltaic.

Panourile solare fotovoltaice sunt produse in diferite dimensiuni avand puteri variate. Cele mai folosite panouri in gama rezidentiala sunt cele de 50 si 75 W, iar pentru centrale fotovoltaice de puteri mari, panouri solare de 220W.

Suprafata unui panou solar cristalin de 50W este de aproximativ 0,5 m2. 
Panourile solare se pot conecta si ele la randul lor in serie – paralel formand sisteme de puteri mai mari.
Un sistem solar ce va fi contectat la un singur charger trebuie sa aiba panouri solare de acelasi tip, acelasi producator, aceasi orientare si inclinare si sa nu fie umbrit partial. Daca acest lucru nu este posibil, se vor folosi mai multe chargere.
Panourile solare disponibile comercial au o eficienta cuprinsa intre 5 – 15%. Acest lucru inseamna ca 5-15% din energia luminoasa va fi transformata in energie electrica. 
Laboratoare din toata lumea dezvolta tehnologii de panouri solare cu randament mult mai mare (aproape 30%). Dezavantajul acestor panouri solare cu eficienta foarte mare este costul de productie ridicat. Acest lucru a dus la dezvoltarea panourilor thin film (film subtire) ce au un randament mai scazut, dar costul lor este mic.

Radiatia Solara

Soarele emite in mod continuu cantitati uriase de energie. O parte din aceasta radiatie ajunge pe Pamant. Cantitatea de energie ce ajunge pe Pamant intr-o zi este mai mare decat intregul consum al Pamantului pe durata unui an intreg. Totusi, nu toata energie Soarelui ajunge pe solul Pamantului. O parte este absorbita de atmosfera sau reflectata inapoi in spatiu.

Intensitatea luminii ce ajunge pe Pamant variaza in functie de perioada zilei, locatia si conditiile meteorologice. Radiatia solara ce ajunge pe Pamant se masoara in Wh/m2 pe zi sau KWh/m2 pe an. Pentru a simplifica calculele si a avea o baza comuna de calcul, s-a decis ca standard o putere de 1000Wh/m2 timp de o ora pentru o zi insorita. Aceasta putere se regaseste intr-o zi de vara pe o suprafata de un metru patrat unde Soarele este perpendicular pe aceasta.

Radiatia solara ce cade pe sol variaza atat cu perioada zilei, dar poate varia considerabil in functie de locatie, mai ales in zone de munte. Iradiatia solara variaza intre 1000KWh/m2 pe an in tarile din Europa de Nord si 2000 – 2500 KWh/m2 pe an in zonele cu desert. Aceste variatii intre locatii sunt date de diferentele de latitudine si conditiile meteorologice.

Orientarea

Raza luminoasa parcurge o linie dreapta de la Soare spre Pamant. La intrarea in atmosfera Pamantului, o parte din lumina se imprastie iar o parte ajuge la sol intr-o linie dreapta. O alta parte a luminii este absorbita de atmosfera. Lumina ce s-a imprastiat in atmosfera este ceea ce noi numim lumina difuza sau radiatie difuza. Raza de lumina ce ajunge pe suprafata solului fara sa fie imprastiala este denumita radiatie directa. Radiatia solara directa este cea mai cunoscuta si simtita in mod direct de catre oameni.

Numai o mica parte a radiatie solare ajunge cu adevarat pe solul Pamantului.

Un panou solar produce energie electrica chiar si cand nu exista radiatie directa. Asadar, chiar daca este innorat afara, un sistem solar va produce energie electrica. Totusi, cele mai bune conditii de obtinere a energiei electrice sunt in zilele insorite, iar panoul indreptat direct spre Soare. Daca nu se opteaza pentru siteme de orientare automata in functie de soare, se va face un compromis in asezarea panourilor. Pentru zonele ce se afla in emisfera nodica, panourile se vor orienta spre sud iar pentru cele din emisfera sudica, se vor orienta spre nord.

O mica deviatie de la orientare oprima nu va avea un efect simnificativ in productia de energie electrica anuala.

Unghiul de inclinare

Soarele traverseaza cerul de la est la vest. Panourile solare au un randament mai mare daca sunt orientare perpendicular cu Soarele la mijlocul zilei, cand intensitatea luminoasa este cea mai mare. Majoritatea sistemelor solare sunt montate pe acoperis pe un cadru metalic avand o pozitie fixa neputand sa urmareasca Soarele pe durata zilei. Unghiul dintre planul orizontal si panoul solar este numit unghi de inclinare.

Deoarece Pamantul se roteste in jurul Soarelui exista variatii si in functie de anotimpuri. Soarele nu va ajunge in acelasi unghi solul ca iarna si vara. Pozita panourilor pe timp de vara este mai ,,orizontala" decat pe timp de iarna. Acesta pozitie ar dezavantaja productia de energie pe timpul iernii, asa ca se va face un compromis intre cele doua situatii. Pentru fiecare latitudine exista un unghi de inclinatie optim. Numai in zonele foarte apropiate de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinatie aproape de zero.

Deviatii de 5 grade de la unghiul optim au un efect minor asupra productiei de energie electrica. Diferentele datorate conditiilor meteorologie au un efect mai important asupra sistemului fotovoltaic. Pentru sistemele independente, unghiul de inclinare se poate alege in functie de necesarul de energie electrica dintr-o anumita luna.

Constructia sistemelor fotovoltaice

Un astfel de sistem este compus din:

– panouri fotovoltaice pentru conectare la retea

– invertor pentru divertare in retea

-contor electric pentru a masura cantitatea de energie produsa si livrata in retea;

1.Panourile solare

2.Panou de sigurante, ofera protectie impotriva supratensiunii, de exemplu din cauza fulgerului.

3.Transformatorii sau invertorii

4.Panou de sigurante, ofera protectie impotriva supratensiunii

5.Contorul inteligent cu dubla directie.

6.Reteaua electrica publica.

7.Consumatorii benefeciarului instalatiei solare fotovoltaic

Energie termica solara si ciclul ORC

Generarea distribuita, vazuta ca o generare neplanificata intr-un mod centralizat si de o entitate cuprinsa in cativa kVA, care intotdeauna se va raspandi si va aduce contributii deloc neglijabile la sistemul electric precum si datorita liberalizarii pietii energiei electrice si a progreselor tehnologice, impreuna cu o puternica sensibilitate privind problemele de mediu. Generarea distribuita poate fi implementata in diferite forme, fiind capabila sa cuprinda ambele tehnologii conventionale, cum ar fi generatoarele diesel, turbine cu gaz, microturbine precum si tehnologii avansate cum ar fi celulele de combustibil, sisteme care utilizeaza surse regenerabile (energie solara, eoliana, hidro, biomasa si deseuri) si de stocare a sistemelor (electrochimic, electromagnetice, hidraulice).

O posibilă solutie: sistemul bazat pe ciclul Rankine OrganicUtilizarea de sisteme de generare a energiei electrice prin ciclu Rankine cu fluid de lucru organic (ORC acronimul de la “ Organic Rankine Cycle” ) este de interes deosebit pentru conversia energiei solare in temperatura medie-scazuta a energiei electrice. Sistemele bazate pe ciclul Rankine Organico pentru utilajele de micro cogenerare care va produce beneficii semnificative in termeni de performanta, fiabilitate, usurinta de intretinere si a costurilor de investitii. Toate acestea sunt posibile datorita flexibilitatii unor astfel de sisteme de operare cu diferite fluide de lucru, in scopul de a adapta caracterisiticile fluidului la puterea termica precum si a temperaturilor si presiunilor implicate. In plus, sistemele ORC prezinta o uzura redusa a eroziunilor fluido dinamice, cu posibilitatea de operare la temperatura moderata, lipsa de cicluri termice rapide (cum ar fi cea care apare la masinile Stirling) precum vibratii si zgomotele emisilor reduse care fac aceste masini adecvate pentru instalarea intr-o instalatie rezidentiala.

Multumita ajutorului financiar prevazut de decretul lege din 13 Mai 2011, nr. 70, transpusa in legea din 12 Iulie 2011, nr. 106, o bine-cunoscuta companie italiana a decis sa dezvolte cu ajutorul unei organizatii de cercetare, proiectul OL.COM. care a avut scopul de a modela, proiecta si dezvolta sisteme cu ciclul Rankine cu fluid organic de talie mica alimentat de la o sursa

solara si care ofera o putere mica de varf de 1kW si cu un efect termic reutilizabil in aplicatii de cogenerare. Aceste studii au aratat ca este posibil sa se utilizeze alte surse de caldura de temperatura scazuta pentru productia combinata de apa calda si curent electric.

Conversia căldurii în energie electrică prin ciclul Rankine organic (ORC)

Principiul de funcționare

Conversia în energie electrică a căldurii provenite din surse regenerabile sau a căldurii reziduale provenite din diverse procese, reprezintă o soluție de valorificare eficientă a unor forme de energie disponibile în cantități mari și cu puține alte utilizări practice.

Dacă energia regenerabilă sau reziduală prezintă un potențial suficient de ridicat din punct de vedere al temperaturii, dar și al puterii termice, respectiv dacă energia termică este disponibilă la temperaturi suficient de ridicate și la puteri mari, o soluție posibilă de conversie a căldurii în energie electrică este utilizarea unui ciclu Rankine clasic cu abur, pentru producerea de energie electrică.

Dacă temperatura sursei regenerabile sau reziduale de energie este redusă, se poate utiliza eficient un ciclu Rankine cu fluide organice ca agenți de lucru, acest ciclu fiind denumit și ciclul Rankine organic. Acest ciclu poate fi utilizat pentru un domeniu foarte larg de puteri: mici, medii și mari.

În instalațiile care funcționează după ciclul Rankine, se pot utiliza ca fluide organice siloxani, (substanțe cu legături chimice Si–O–Si), hidrocarburi, sau agenți frigorifici.

Ciclul Rankine a fost propus de inginerul, fizicianul și matematicianul scoțian William John Macquorn Rankine (1820-1872), unul dintre fondatorii termodinamicii. Agentul termodinamic al acestui ciclu a fost apa. Ulterior au fost utilizați și alți agenți termodinamici, astfel Frank Ofeldt a realizat în anul 1883 o instalație de propulsie pentru bărci, cu naftalină, compus petrolier care are punctul de fierbere mai coborât decât al apei între (30…90)°C, pentru naftalina ușoară și între (90…200)°C pentru naftalina grea (http://www.turboden.eu/en/rankine/rankine-history.php).

Ciclurile Rankine pot să funcționeze cu apă / abur (Steam Rankine Cycle) (SRC) sau cu fluide organice (Organic Rankine Cycle) (ORC).

Schema de principiu a unui instalații cu funcționare după ciclul ORC pentru producerea energiei electrice, este prezentată în figura alăturată.

Considerații privind agenții de lucru

Agenții de lucru din instalațiile care funcționează după ciclul Rankine, prezintă proprietăți termodinamice diferite, care influențează atât condițiile de lucru, în principal presiuni și temperaturi, cât și performanțele energetice, în special randamentul termodinamic (sau termic, sau mecanic) (ηm) definit prin raportul dintre energia mecanică produsă sau lucrul mecanic util produs (Lu) și căldura consumată (Qa), respectiv randamentul electric (sau global) (ηe) definit prin raportul dintre energia electrică produsă (Ee) și căldura consumată (Qa) (Angelino et. all, 1984).

Relațiile matematice de definiție a celor două randamente sunt:

; au m QL η  a e QEe η 

În figurile alăturate sunt prezentate diagramele termodinamice temperatură (T) – entropie (s), pentru apă, pentru freonii R134a și R245fa, respectiv pentru siloxanul MDM. Diagramele au fost realizate cu ajutorul mediului de programare Engineering Equation Solver (EES), pentru care Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca deține licență academică (Klein, 2011).

Apa R134a

R245fa MDM

Diagrame T-s pentru apă și câteva fluide organice

Procesul termodinamic prin care se produce lucru mecanic respectiv energie electrică, este destinderea teoretic adiabatică a vaporilor. Acest proces se reprezintă în diagramele T-s prin drepte verticale. Procesul de destindere trebuie să se desfășoare în domeniul vaporilor supraîncălziți și nu este admisă apariția lichidului în timpul procesului, deoarece acesta interacționează cu organele de mașini aflate în mișcare ale detentoarelor și determină distrugerea acestora.

Datorită proprietăților termodinamice și chimice diferite, fluidele organice și apa prezintă diverse avantaje și dezavantaje. În tabelul alăturat sunt prezentate avantajele ciclurilor Rankine cu fluide organice (ORC), respectiv ale ciclurilor Rankine cu apă / abur (ORS).

Randamentul detentoarelor cu fluide organice este de cca. (65…95)%, iar randamentul global al instalției se situează în intervalul (18…24)% sau mai mult, fiind cu atât mai ridicat cu cât temperatura sursei de căldură este mai ridicată. Pe de altă parte, dacă temperaturile sursei de căldură scad sub 100°C, randamentul global scade la cca. (7…8)%, sau chiar mai puțin

În figura alăturată este prezentat domeniul de utilizare a agenților termici pentru transportul căldurii de la sursa de căldură la instalația ORC, în funcție de temperaturile de lucru.

Apă (10…….…120)°C

Uleiuri minerale (-50…………………………….310)°C

Uleiuri sintetice (fără presiune) (-50………………..340)°C

Uleiuri sintetice (sub presiune) (10…………………410)°C

Săruri topite (NaNO3; KNO3) (140…500)°C

Na lichid (100………………………………………………….650)°C

-500C 00C 500C 1000C 2000C 3000C 4000C 5000C 6000C

Domeniul de utilizare a agenților termici în funcție de temperaturile de lucru

Utilizarea energiei solare

Instalațiile solare care funcționează după un ciclul Rankine cu abur, se bazează pe concentrarea radiției solare, în vederea creșterii cantității de energie disponibile pe suprafața absorbantă.

Pentru asigurarea energiei termice necesare funcționării ciclului Rankine cu abur, pot fi utilizate următoarele tipuri de colectori cu concentratori:

– Colectori cu concentratori parabolici;

– Colectori cu concentratori liniari;

– Turn solar și oglinzi heliostate.

Instalație termoenergetică solară cu concentratori parabolici

http://yes2renewables.files.wordpress.com/2012/08/solar-trough-farm.jpg

În figura alăturată este prezentată o imagine a celei mai mari instalații termoenergetice solare cu concetratori liniari (Fresnel), amplasată lîngă localitatea Puerto Errado din provincia Murcia, din Spania, având puterea electrică instalată de 1.4 MW.

Instalația termoenergetică solară cu concetratori liniari, de lîngă localitatea Puerto Errado (Spania)

http://www.csp-world.com/sites/default/files/image/novatec_solar_puerto_errado_2_aerial_view_website.jpeg

Instalația din imagine, a fost prima cu acest tip de concentratori, conectată la o rețeaua electrică națională, în 2009.

. 2.3 Centrale solare termo-electrice

După cum este menționat în paragraful 2.1, energia radiației luminoase concentrate asupra unui schimbător de căldură este transferată unui fluid, ulterior aplicându-se de obicei un ciclu Clausius-Rankine11 de producție a energiei (vapori supraîncălziti – turbină – generator curent). În literatura de specialitate fluidul este cunoscut sub denumirea generică HTF (Heat-Transfer Fluid). Se obține un sistem de producție a energiei electrice cu concentrarea energiei solare – CSP (Concentrating Solar Power). Aceste sisteme pot utiliza radiația solară directă cu un randament care poate fi mai bun decât cel al panourilor fotovoltaice, însă nu pot valorifică radiația difuză. O centrală CSP poate funcționa independent, sau poate lucra în tandem cu o centrală convențională pentru a realiza economii în ceea ce privește combustibilii fosili.

Fig. 2.11 – Schema de principiu a unui sistem cu două circuite termice

O primă clasificare a sistemelor CSP se poate face dupa tehnologia de producție:

– Centrale în care lichidul care preia energia solară este apa, care trece în faza de vapori supraîncălziți, putând fi atinse temperaturi de până la 500°C și presiuni de 11 Mpa [25]. Se numesc centrale cu generare directă de aburi. Aceștia alimentează o turbină cuplată la un generator electric. Au avantajul unui randament mai ridicat datorită temperaturilor mai mari la care poate ajunge aburul supraîncălzit. De asemenea, această tehnologie elimină necesitatea unui schimbător de căldură și presupune consumuri mai reduse de energie necesară pentru pomparea unui agent termic intermediar (HTF).

– Centrale cu două circuite termice, respectiv două cicluri de schimbare de căldura. În circuitul primar, energia solară este preluată de o sare topită sau de un ulei sintetic, fiind transferată apoi, printr-un schimbător de căldură, către un al doilea fluid (de obicei apă) din circuitul secundar care antreneaza ansamblul turbină-generator (figura 2.11). Datorită capacității ridicate a sărurilor topite sau a uleiurilor utilizate de a înmagazina căldură, sistemele din această categorie pot fi dimensionate pentru a livra energie și pe parcursul nopții sau al perioadelor înnorate.

Deși este uzuală folosirea uleiurilor, în comparație cu acestea sărurile prezintă avantaje din punct de vedere al proprietăților termofizice și anume: temperaturi mai ridicate de fierbere și de degradare, presiune scăzută de vapori, căldură specifică mare, valoare ridicată a conductivității termice, densitate mare la temperaturi scăzute [26] și costuri mai reduse. Toate acestea se traduc printr-o capacitate crescută de stocare a energiei termice într-un volum mai mic, ceea ce înseamnă o masă semnificativ mai redusă de fluid HTF. De asemenea, temperaturile mai mari la care pot ajunge sărurile (550°C, [27]) cresc randamentul global al centralelor solare. Primele semne de cristalizare încep la 238°C, iar solidificarea se manifestă la 120°C [28]. Aceste valori relativ ridicate presupun existența unor sisteme și măsuri de siguranță pentru menținerea sărurilor în stare lichidă pe întregul circuit. Datorită corozivității ridicate a sărurilor, structurile metalice cu care iau contact sunt confecționate din anumite oțeluri inoxidabile. Aceste dezavantaje atrag după sine costuri mai ridicate privind investiția initiala și întreținerea. Prin urmare, la proiectarea unei centrale funcționând pe acest principiu, se va urmări optimizarea tehnologică astfel încât reducerea de costuri aferentă avantajelor menționate să aibă o pondere superioară costurilor mai ridicate atrase de dezavantajele enumerate anterior. Cele mai utilizate săruri sunt amestecurile de azotat de sodiu (40%) și de potasiu (60%), însă sunt promițătoare și amestecurile de azotat de potasiu (53%), nitrit de sodiu (40%) și azotat de sodiu (7%) [29], sau amestecuri de azotat de calciu și de litiu (care are punctul de topire la temperaturi mai mici de 100 °C).

Din punct de vedere al modului de aranjare al colectoarelor solare, sistemele CSP se încadrează în două categorii:

– Cu focalizare liniară, aici putând fi utilizate jgheaburi parabolice (v. paragraful 1.6) sau reflectoare liniare Fresnel (oglinzi liniare înclinate, cu reflectarea radiației solare spre colector – figura 2.12 a). Se pot atinge coeficienți de concentrare de până la 100. Este necesar un sistem de orientare după o singură axă.

– Cu focalizare punctuală, unde se pot folosi oglinzi parabolice discoidale (v. paragraful 1.6) sau turnuri solare (câmp de oglinzi denumite heliostate, cu focalizare asupra unui focar așezat într-un turn – figura 2.12 b). Coeficienții de focalizare pot fi de ordinul miilor, în funcție de numărul oglinzilor sau al heliostatelor. Este necesar un sistem de orientare după două axe.

Randamentele maxime și cele medii anuale pe care le pot atinge centralele CSP care utilizează diverse tipuri de concentratoare solare sunt prezentate în figura 2.13 [30].

Fig. 2.12 – (a) Concentratoare liniare Fresnel pentru proiectul demonstrativ FRESDEMO [31]; (b) Turn solar – proiectul SOLUCAR PS10 [32]

Pentru producerea energiei electrice se folosesc tehnologii convenționale, specifice termocentralelor, adaptate sistemelor solare de generare a căldurii. Pentru aplicațiile comerciale turbinele cu abur reprezintă cea mai comună alegere. Se pretează pentru capacități de peste 10

MWel și temperaturi de până la , energia termică putând proveni de la parcuri de jgheaburi parabolice sau reflectoare liniare Fresnel. Pentru puteri mai mici, de maxim 10 kWel, motoarele Stirling sunt mai potrivite, în ansamblu cu oglinzi parabolice discoidale.

Fig. 2.13 – Randamente atinse de centralele CSP, în funcție de tipul concentratoarelor solare: (a) randamente maxime în condiții climatice optime; (b) randamente medii anuale;

Deși nu există încă aplicații comerciale în care să fie implementate ciclurile de funcționare ale turbinelor cu gaz, s-a dovedit experimental că acestea pot fi de asemenea adaptate, având potențialul de a lucra la temperaturi de până la 1200 °C și acoperind o plaja larga de puteri (de la câțiva kWel la câteva zeci de MWel). De asemenea s-a demonstrat că, pentru capacități de producție de ordinul megawaților electrici, dacă se combină ciclurile specifice turbinelor cu abur și celor cu gaz, se pot atinge randamente sporite, obținandu-se aceeași putere pe baza energiei livrate de colectoarele de pe o suprafață cu 25% mai mică. Tabelul 2.2 prezintă capacitățile de producție de energie electrică la care se pretează diversele tipuri de concentratoare solare, precum și suprafața specifică de teren necesară parcului de colectoare solare. Valorile sunt parțial demonstrate prin stații pilot, parțial estimate în baza cercetărilor experimentale.

Tabelul 2.2 – Capacități de producție și suprafața specifică de teren [30]

Graficul din figura 2.14 arată evoluția capacităților CSP instalate la nivel mondial în ultima perioadă [33]. Dintre acestea 75% colectează radiația solară utilizând jgheaburi parabolice, aceasta fiind o dovadă a maturității comerciale a acestei tehnologii. În fruntea clasamentului țărilor care implementează tehnologia CSP se află Spania, urmată de SUA.

Fig. 2.14 – Evoluția capacităților CSP instalate la nivel mondial [33]

2.3.1 CENTRALE SOLARE CU SISTEME DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE

Pentru stocarea energiei termice în vederea producerii de energie electrică pe timpul nopții sau în perioadele înnorate, se utilizează două rezervoare în care mediul de stocare este constituit dintr-un amestec eutectic12 de azotat de sodiu și azotat de potasiu, proporțiile fiind 60%, respectiv 40%

12 Amestec eutectic: amestec de substante pentru care temperatura de schimbare a starii (topire sau solidificare) este mai mică decât temperaturile de schimbare a starii corespunzatoare oricareia dintre substantele constituente.

(figura 2.15). Uleiul HTF cedează acestui amestec excesul de căldura produs în perioadele însorite prin intermediul unui schimbător de căldură, respectiv primește căldură de la rezervoarele de stocare în perioadele nefavorabile prin intermediul aceluiași schimbător. Temperatura atinsă de HTF în etapa de preluare a căldurii de la sistemul de stocare este cu aproximativ 10°C mai mică decât în cazul utilizării directe a radiației solare, ceea ce are ca efect și un randament total al centralei ușor mai redus.

Sistemele de stocare, indiferent de tipul lor, aduc beneficii nu doar prin prelungirea perioadei de producție a energiei electrice în condiții climatice nefavorabile, ci și prin egalizarea producției indiferent de variațiile radiației solare pe parcursul zilei. Deși pierderile de căldura ale acestor sisteme sunt inevitabile, ele au totuși valori reduse, cuprinse în intervalul 1-3% în cazul unui sistem cu stocare pentru o perioadă de 15 ore, investiția fiind de 20 de ori mai mică decât în cazul variantei în care energia electrică produsă în surplus ar fi stocată în baterii pentru livrare ulterioara în rețea [34].

Fig. 2.15 – Schema de principiu a unei centrale solare cu stocare de energie termică

2.3.2 CENTRALE SOLARE CU JGHEABURI PARABOLICE

Dintre toate soluțiile CSP, aceste sisteme sunt cele mai comercializate la scară industrială. Radiația solară este captată de rânduri paralele de colectoare cu jgheaburi parabolice, orientate de obicei după direcția nord-sud (figura 2.16 a). Fiecare rând are lungimi cuprinse între 20 și 150m. Ca mediu de transfer de căldura se pot utiliza uleiuri minerale, săruri topite, abur, sau gaze (aer, CO2, N2 etc.), în primele două cazuri fiind necesară existența unui schimbător de căldură pentru a transfera energia termică spre un al doilea circuit termic și a produce vapori.

Utilizarea unui gaz cu rol de HTF este favorabilă din punct de vedere al temperaturii maxime care se poate atinge (figura 2.16 b), însă prezintă dezavantajul un volumelor mari de gaz care trebuie vehiculate.

a

b

Fig. 2.16 – (a) Colectoare cu jgheaburi aparținând complexului de centrale solare SEGS13; amplasare: deșertul Mojave, California; capacitate: 354 MW; suprafața ocupată: 647,5 ha; (b) Stație pilot pentru testarea utilizării CO2 ca agent termic (Centrul de testare “Plataforma Solar de Almeria”)14; temperatură și presiune gaz: 515°C, 100 bar

În varianta comercială, fluidul termic care circulă prin tubul absorbant amplasat în linia focală este un ulei (amestec de oxid de difenil și bifenil) care suportă temperaturi de până la 400°C, motiv pentru care funcționarea sistemului este limitată la această valoare. În varianta cu săruri topite temperaturile de funcționare pot atinge 500°C. Sistemul de urmărire a traiectoriei solare cu o axă este mai simplu decât sistemele cu două axe, însă nu are capacitatea de a maximiza coeficientul de concentrare. De asemenea, datorită faptului că este necesară orientarea întregului ansamblu jgheab – tuburi colectoare, se impune existența unor cuplaje flexibile între tuburile colectoarelor individuale, ceea ce generează dificultăți tehnice atunci când se utilizează săruri topite sau gaze la presiune înalta.

În comparație cu alte soluții CSP, jgheaburile parabolice reprezintă o varianta mai simpla din punct de vedere constructiv, permițând transformarea radiației solare în energie termică la prețuri mai reduse. De asemenea, această tehnologie poate fi combinată și cu stocarea de energie termică. Dezavantajul pe care îl prezintă cu deosebire în comparație cu turnurile solare, constă în faptul că nu pot fi atinse temperaturi mai ridicate, ceea ce conduce la un randament al ciclului termodinamic motor teoretic mai redus, precum și la necesitatea unor capacități mai mari de stocare a energiei.

2.3.3 CENTRALE SOLARE CU REFLECTOARE LINIARE FRESNEL

Reflectoarele liniare Fresnel (figura 2.12 a) utilizează fâșii de oglinzi lungi și înguste, plane sau ușor curbate, care se pot roti în jurul axei longitudinale pentru a focaliza lumina asupra unuia sau mai multor tuburi absorbante. În aplicațiile comerciale, un rând de oglinzi poate avea lungimea de 400-1000 m, lățimea de până la 20 m, iar lungimea focală poate ajunge până la 30 m [35]. O variantă avansată constă în amplasarea în spatele tubului absorbant a unei oglinzi liniare care concentrează fascicolele primite de la oglinzi pe tub, într-o suprafață liniară cât mai îngustă.

Principalul avantaj constă în posibilitatea utilizării unor oglinzi cu preț scăzut care eventual pot fi curbate elastic datorită razei foarte mari de curbură. De asemenea, spre deosebire de tehnologia jgheaburilor parabolice, tuburile colectoare sunt fixe ceea ce elimină necesitatea cuplajelor flexibile, din acest motiv fiind preferate pentru tehnologii în care fluidul HTF lucrează la presiuni și temperaturi înalte (abur la temperatura de 500°C – valoare atinsa în stații pilot [36]). Din punct de vedere al pierderilor optice însă au o performanță anuală mai redusă cu 20-30%, având randamente scăzute în special în perioadele de răsărit și apus. Cu toate acestea, investiția inițiala mai mică constituie un atu important al acestei tehnologii. În prezent centralele cu reflectoare Fresnel utilizează tehnologia cu generare directă de abur în colector, în aplicațiile existente lucrându-se cu presiuni de aproximativ 55 bar.

2.3.4 CENTRALE CU TURN SOLAR

În figura 2.12 b este prezentat sistemul cu turn solar (numit și cu receptor central) de colectare a energiei solare. Oglinzile cu orientare după două axe, numite și heliostate, sunt în număr de sute sau mii și reflectă radiația solară asupra unui receptor amplasat în partea superioară a turnului. Câmpul de oglinzi, care au suprafețe de 20-200 m2 fiecare, poate fi amplasat în fața turnului sau îl poate înconjura. În cazul centralelor cu capacități de producție de aproximativ 10 MWel, distanța de la cea mai îndepărtată oglindă la receptor poate depăși cu ușurinta 1 km.

Receptorul este un schimbător de căldură care utilizează ca agent termic, aer sau săruri topite, ori apă dacă se implementează tehnologia generării directe de abur. În cazul sărurilor topite, receptorul este un schimbător de căldură cu tuburi cu o construcție similară celor din termocentralele convenționale. Fluidul fierbinte este pompat la rezervoare de stocare a căldurii sau direct la schimbătoarele de căldură care livrează energie termică ciclului termodinamic motor. Receptoarele pot fi amplasate în exterior sau într-o nișă pentru a reduce pierderile de energie termică. În prima variantă tuburile se află la deasupra unei suprafețe (de ex. o suprafață cilindrică, dacă turnul este inconjurat de heliostate). La acest tip, fluxul termic solar pe receptor este de până la 1 MW/m2. În cel de al doilea caz tuburile sunt așezate pe pereții interiori ai nișei. Deși în spațiul “ferestrei” de intrare în nișă fluxul termic solar are valori similare celei menționate anterior, radiația se distribuie pe întreaga suprafață interioară a nișei astfel încât valoarea fluxului termic pe receptor este mai redusă decât la amplasarea exterioară.

Atunci când se utilizează aerul, acesta este absorbit din mediul înconjurător printr-o structură tip fagure, formată din elemente metalice sau din elemente ceramice poroase (figura 2.17) asupra cărora este concentrată radiația solară. Sub influența unui sistem de ventilatoare, fluxul de aer traversează structura poroasă de la care primește căldura, este evacuat cu o temperatură de 650-850°C și ajunge într-un schimbător de căldură unde produce vaporizarea apei din circuitul termodinamic motor al grupului generator.

Pentru o funcționare continuă, neinfluențată de fluctuațiile de intensitate a radiației solare, circuitul termic al aerului poate include, imediat după receptor, un arzător suplimentar pe bază de gaze și/sau un acumulator de căldură care să asigure o temperatură optimă permanentă a aerului. În figura 2.17 b se observă faptul că suprafețele exterioare și intermediare ale componentelor receptorului sunt răcite de un flux de aer secundar care este ulterior amestecat cu aer proaspăt și absorbit prin elementele poroase. Se reduc astfel semnificativ pierderile prin radierea căldurii de către suprafețele libere ale receptorului.

În prezent sunt date în folosință câteva centrale cu turn solar în scop demonstrativ dar și comercial, iar altele sunt în construcție sau planificate a fi construite, în țări precum Spania, Germania, SUA, Australia, Emiratele Arabe Unite s.a. Se remarcă Ivanpah Solar Electric Generating System, o centrală cu trei turnuri solare a cărei construcție a început în 2010 în deșertul Mojave din California, fiind finalizată în februarie 2014. Pentru a atinge capacitatea de 392 MW (377 MW net), pe o suprafață de 1420 ha sunt instalate 173.500 heliostate, fiecare cu câte două oglinzi. Suprafața reflectorizantă a unei oglinzi este de 7,02 m2, ceea ce înseamnă o suprafață reflectorizantă totală de 2.437.144 m2. Producția anuala este de 1000 GWh, iar costurile totale de construcție se ridica la 2,2 miliarde dolari. Tehnologia utilizată constă în generarea directă de abur în receptoarele turnurilor solare.

Un concept nou presupune utilizarea aerului presurizat la 15 bar. Receptorul este amplasat într-o nișă în care radiația solară pătrunde printr-o fereastră transparentă de cuarț. Aerul poate atinge temperaturi de 1100°C, îmbunătățind randamentul ciclului termodinamic motor. În figura 2.18 se prezintă schema de principiu a unei centrale cu ciclu combinat abur-gaz, în care receptorul este presurizat iar turbina pe gaz funcționează de fapt cu aerul supraîncălzit provenit de la receptor.

Fig. 2.17 – Tehnologia SolAir dezvoltata de Stobbe Tech15: (a) Focar în construcție cu elemente ceramice poroase pe bază de carbură de siliciu; (b) circulația fluxului de aer prin receptor

Turbina este conectată la compresorul care asigură presiunea de 15 bar și la generatorul de energie electrică. Aerul fierbinte rezidual de la turbină ajunge într-un schimbător de căldură complex, cedând căldura în circuitul turbinei cu abur. Eficiența ciclului termodinamic motor combinat poate atinge 50%, în comparație cu o eficiență de doar 35% în cazul ciclurilor cu o singură turbină, pe abur. Prin urmare, randamentul total al centralei cu ciclu mixt, care include și eficiența turnului solar, poate ajunge la 20%.

BIBLIOGRAFIE

http://docplayer.net/35841086-Edmond-maican-sisteme-de-energii-regenerabile.html

http://energie-verde.ro/panouri-fotovoltaice

http://documentslide.com/documents/tehnologii-curate-578ba67ad98e1.html

http://my-energy.ro.composesite.com/

http://documents.tips/documents/sisteme-eoliene-panouri-fotovoltaice.html

http://documents.tips/documents/sisteme-hibride-fotovoltaic-alex.html

http://documentslide.com/documents/sisteme-eoliene-panouri-fotovoltaice.html

http://documentslide.com/documents/sisteme-hibride-fotovoltaic-alex.html

http://tcsolutions.ro/old/energieverde/principiul_foto.html

https://www.verificari-electrice.ro/sisteme-fotovoltaice.php

http://docslide.net/documents/utilizarea-energiei-solare-pentru-producerea-de-energie-electrica.html

http://documents.tips/documents/panouri-fotovoltaice-proiect.html

http://documentslide.com/documents/utilizarea-energiei-solare-pentru-producerea-de-energie-electrica.html

http://documentslide.com/documents/utilizarea-energiei-soarelui.html

http://documentslide.com/documents/capitolul-1docx.html

http://docslide.net/documents/utilizarea-energiei-soarelui.html

http://toppanourisolare.ro/panouri-solare/tipuri-de-panouri-solare.html

http://documents.tips/documents/catia-project-567931f0736e5.html

http://panousolar.wgz.ro/$1356544

http://documentslide.com/documents/efectul-fotovoltaic-fise-de-laborator.html

http://documents.tips/documents/tehnologii-fotovoltaice.html

https://biblioteca.regielive.ro/referate/energetica/energia-fotovoltaica-209911.html

http://documents.tips/documents/transportul-si-distributia-energiei-electricee-blujdea.html

https://www.instalatiisolare.com/articol-sisteme-fotovoltaice

http://energonatur.ro/

http://documents.tips/documents/pila-fotovoltaica-5607d7e92362a.html

https://prezi.com/rwltgs-lbvvc/panouri-solare/