Utilizarea Energiei Solare In Sistemele de Irigatie a Terenurilor Agricole

Una din problemele principale ale gospodariei agrare este irigarea terenurilor cultivate cu diverse culturi pe timp de vara in perioadele lipsei indelungate a ploilor.În ultimii ani această problemă a devenit deosebit de acută pentru țara noastră în legatura cu faptul că perioada de vegetație a multor culturi coincide cu perioada de secetă. Faptul că seceta este cauzată de radiația deosebit de intensivă a Soarelui în timp de vară care evaporă umiditate din sol, este favorabil în sensul că poate fi utilizată pentru reîntoarcerea apei în sol.

Utilizare energiei solare pentru pomparea apei din lacurile de acumulare în sistemele de irigație este o problemă oportună pentru economia națională a țării.

În acest scop este necesar de a concepe construcția unei motopompe solare adaptată pentru utilizarea în sistemul de irigație .

Acest capitol este dedicat soluționării problemei tehnice menționate mai sus, care ar economisi energia electrică sau combustibilii folosiți în motoarele de antrenare a pompelor tradiționale.

4.1 Conceperea construției motopompei solare

Ideea creării unui nou tip de motopompă care funcționează cu energie solară este materializată în schema din fig. 4.1.

Principiul doi al termodinamicii postulează condițiile posibilității efectuării unui ciclu termic, printre care principal este ca în acest scop să fie disponibile două surse de căldură: sursa caldă, care în cazul nostru este Soarele, și sursa rece, care este chiar apa pompată. Asfel, motopompa solară este constituită din captatorul de radiație solară 1, compus din sticla 2 și plita 3 din material cu conducție termică ridicată (cupru sau aluminiu). Suprafața A a plitei 3 iradiată de razele solare este vopsită în culoare neagră pentru folosirea principiului corpului negru de absorție ridicată a radiației incidente. În spațiul dintre sticla 2 și plita 3 se află un mediu transparent, de regulă aer, pentru a menține condițiile efectului de seră.

În corpul termoizolant 4 sub plita 3 sunt montate burdufurile 5 și 6 cuplate prin intermediul unor burdufuri cu diametru mai mic 7 și 8 cu un tub 9 în formă de U.

La capetele tubului 8 în interiorul burdufurilor 5,7 și 6,8 sunt montate injectoarele 10 și 11 sub formă de ajutaje conice avînd la ieșire executate orificiile 12 și 13. La capetele de racordare ale injectoarelor 10 și 11 cu tubul 9 sunt prevăzute orificiile de scurgere 14 și 15 în opoziție cu supapele lamelare 16 și 17.Burdufurile 5,7 sunt separate de burdufurile 6,8 prin peretele despărțitor 18.

Faza condensată 29 a fluidului de lucru este stocată în tubul 9, spațiul din tubul 9, injectoarele 10 și 11, burdufurile 5,6,7,8 deasupra fazei condensate 9,fiind ocupată de vapori ai fluidului de lucru .În calitate de fluid de lucru se utilizează un lichid volatil, cu temperatura de vaporizare-condensare situată în intervalul disponibil de temperaturi: între temperatura apei refulate și temperatura plitei 3.Un exemplu de astfel de lichid este acetona.

Motopompa solară 1 aspiră apă din lacul de acumulare 2 și o refulează în instalația de irigare 3. Pentru ridicarea temperaturii de fierbere a fluidului de lucru, iar implicit și a randamentului motopompei solare, aceastaeste cuplată prin ștuțurile 4 și 5 și conturul de circulație 6 la încălzitorul 7 amplasat în focarul concentratorului solar 8.

În circuitul 6 sub acțiunea gradientului de densitate creat de gradientul de temperatură în conducta ascensională a conturului circulă apă fierbinte sub presiune care cedă căldura plitei 3 la trecerea prin canalele 30 (vezi fig.4.1) sub formă de serpentină.

Concentratorul solar 8 este executat sub formă de paraboloid cu suprafață de reflecție a razelor solare și concentrare a acestora în focar, în care este situat încălzitorul 7. Concentratorul 8 este ghidat cu ajutorul unui mecanism special legat cu un sistem de urmărire a poziției Soarelui pe bolta cerului.

4.2. Principiul de funcționare a motopompei solare

Pentru punerea în funcțiune a motopompei solare prezentate în fig.4.1 asupra fluidului de lucru 29 din tubul 9, din partea ramurii din stînga a tubului, spre exemplu se aplică un impuls inițial de presiune prin încălzirea ramurii respective. Fluidul volatil din această ramură sub acțiunea căldurii se evaporă creînd impulsul de presiune care împinge coloana de fluid 2 spre ramura dreaptă. În acest caz supapele lamelare 16 închid orificiile de scurgere 14 și fluidul de lucru 29 prin ajutajul injectorului 10 și orificiile 12 ale acestuia este pulverizat uniform pe suprafața interioară a plitei 3 limitată de burduful 5. Avînd temperatura ridicată în rezultatul căldurii acumulate de la Soare de către captatorul 1 și concentratorul solar 8, transmisă apei sub presiune din circuitul 6, pelicula de fluid de lucru pulverizată se evaporă rapid producînd un impuls de presiune orientat în sens opus impulsului inițial. Sub acțiunea acestuia burduful 5 se dilată, burduful 7 se contractă, fluidul de lucru 29 se mișcă în sens invers de la ramura dreaptă a tubului 9 spre cea stîngă, supapele lamelare 17 se închid. În rezultat fluidul de lucru este pulverizat pe suprafața interioară a plitei 3 limitată de burduful 6. Concomitent, la dilatarea burdufului 5 asupra apei din camera de lucru 23 este exercitată presiunea de refulare, sub acțiunea căreia supapa de aspirație 21 se închide iar supapa de refulare 25 se deschide. Apa este refulată în colectorul de refulare 27, care prin ștuțul 28 alimentează instalația de irigație 3 .Totodată la dilatarea burdufului 5 vaporii de fluid de lucru sunt răciți prin pereții burdufurilor 5 si 7 și a ramurii drepte a tubului 9 de către apa pompată și condensează, condensul scurgîndu-se prin orificile 14 în tubul 9. Burduful 5 se contractă, burduful 7 se dilată, supapa de aspirație 21 se deschide și supapa de refulare 25 se închide, în camera de de lucru 23 aspirîndu-se o nouă cantitate de apă.

În acest moment se evaporă pelicula de fluid de lucru pulverizată pe suprafața plitei 3 din burduful 6 și ciclul se repetă.

Astfel, refularea și aspirația apei în camerele de lucru 23 și 24 se produce în contrafază, motopompa solară asigurînd un regim permanent de refulare și aspirație.

Motopompa funcționează în regim autooscilant cu frecvența determinată de diferența de tempertură dintre temperatura plitei 3 și a apei refulate, de rezistența hidraulică a conturului de circulație a fluidului de lucru și a apei, și de intensitatea produselor de schimb de căldură.

Celula descrisă a pompei poate fi înseriată sau cuplată în paralel, formând blocuri de pompare pentru diverse debite și înălțimi de refulare a apei.

Instalația este economică în exploatare si nu are impact negativ asupra mediului ambiant.

REZUMAT

În baza analizei soluțiilor de conversie termică a energiei solare și a unor idei proprii, originale, în această lucrare este abordată problema căutării unor noi posibilități de utrilizare a radiației solare în condițiile climatice ale României.

Obiectivul teoretic al acestei lucrări este studiul și stabilirea caracteristicilor și particularităților radiației solare pentru zona Moldovei în baza observațiilor, inclusiv și celor actinometrice, asupra radiației solare pe anii 1954…1980 în trei orașe reprezentative: Suceava (nord), Bacău (centru), Galați (sud).

Obiectivul practic al lucrării este analiza soluțiilor moderne de conversie termică a radiației solare și conceperea construcției unei motopompe solare adaptate pentru încadrarea în sistemul de irigație al Moldovei.

Studiul efectuat s-a soldat cu rezultate teoretice și practice, care au permis atingerea obiectivelor menționate.

48 pagini, 28 figuri grafice, 10 tabele, 9 referințe bibliografice.

CONCLUZII

Principalele rezultate care se desprind din această lucrare sunt următoarele:

1. În condițiile Romăniei, în general, și a zonei Moldovei, în particular, există condiții favorabile de utilizare a energiei solare prin conversia termică a acesteia.

2. Valorile fluxurilor de radiație directă și difuză pe un plan perpendicular razei solare în condiții de cer senin se caracterizează cu următorele mărimi: valorile maxime ale intensității globale în condiții de cer senin constituie 0,99 kW/m2, iar la nebulozitate medie – 0,76 kW/m2. Nebulozitatea micșorează radiația directă de peste 2 ori, mărind-o, totodată, pe cea difuză cu 20. . .45%, dar peste 70% din zilele fără soare revin lunilor noiembrie-februarie. Radiației difuze îi revin 35% din radiația globală anuală.

3. Deoarece cantitatea maximă de energie se realizează in lunile de vară, radiația solară se poate folosi cu o eficiență satisfăcătoare și în timpul toamnei dar și al iernii. În nordul Moldovei numărul zilelor de lucru efectiv al instalațiilor solare ajunge la 260, iar la sud – 320 pe an.

4. În practică se folosesc atât captatoare mobile cât și fixe. Unghiul de înclinație variază în timpul anului, având pentru Moldova (coordonatele: latitudine 470 și longitudine 280) următoarele valori medii:

• pentru instalații cu funcționare numai în lunile de vară – 270;

• pentru sezonul aprilie – octombrie – 360;

• pentru lunile reci ale anului (noiembrie-februarie) – 660

• pentru tot anul – 470.

5. Principalele etape de conversie a radiației solare sunt: captarea radiației solare; concentrarea ei; conversia în alte tipuri de energie; stocarea și transportul la distanță; consumarea acesteia.

6. Formele de energie secundară în care are loc conversia energiei solare sunt: căldura, energia chimică, electrică, biologică și mecanică;

7. Domeniile principale de utilizare a energiei solare sunt următoarele: utilizări casnice și personale, agricultura, industria, cosmosul.

8. În urma analizei soluțiilor de conversie termică a energiei solare au fost prezentate principalele tendințe în dezvoltarea instalațiilor energetice solare, punându-se accentul pe elementele constructive și caracteristicile acestora (colectorilor și captatorilor solari, schimbătoarelor de căldură, izolației termice etc.), pe sistemele heliotermice pasive de încălzire și climatizare, uscătorii, distilerii și bucătării solare, sisteme solare de încălzire a apei, sisteme cu concentratori de radiație solară, centrale termoelectrice și instalații frigorifice solare, elevatoare solare de apă, soluții tehnice privind stocarea energiei solare.

9. În baza analizei soluțiilor de conversie termică a energiei solare a fost evidențiată o nouă motopompă solară, destinată pentru refularea apei în sistemele de irigație a terenurilor agricole.

BIBLIOGRAFIE

[1] [NUME_REDACTAT] C., Borheas M., Munteanu A., Bazele fizice ale conversiei energiei solare. Ed.Fada. Timișoara, 1982;

[2] Bogard J., Conversion d’energie. Machines solares, [NUME_REDACTAT] de Mons-Belgique;

[3] [NUME_REDACTAT]., Bucurenciu S., [NUME_REDACTAT]., Utilizarea energiei solare, Ed. Tehnică, București, 1980;

[4] Naucino-pricladnoi spravocinic po climatu SSSR, Seria 3, Mnogoletnie dannâe, Vâpusc 11 – Moldavscaia SSR, Leningrad, 1990;

[5] Guide de l’energie solaire, Le solaire thermique au service du developement durable, Sous la dir. de A. Benallou et J. Bougard, [NUME_REDACTAT] d’[NUME_REDACTAT], Imprime en Belgique;

[6] Demeyer A., Jacob F., Jay M., Menguy G., Perrien J., La conversion bioenergetique du rayonnement solaire et les biotehnologies, Tecnique & documentation – Lavoisier, Paris, Cedex 08-1982;

[7] Harcenko N. V., Individulinîe solnecinîe ustanovki, Moskva, 1991;

[8] Burtea O., [NUME_REDACTAT]., Cricoveanu R., Folosirea energiei solare

la deshidratarea fructe1or și legumelor, Ed. Ceres, București, 1981;

[9] Beckman G., Gilli P. V., Thermal energy storage, Springer-Verlag,

Wien – New-York, 1984.