Modulul 3: Energia solară termincă - ro-bul-ret.eu · Modulul 3: Energia solară termică 62 diferite straturi. Sistemele active de conversie a energiei solare sunt dotate cu colectoare

Modulul 3: Energia solară termică

60

Modulul 3

ENERGIA SOLARĂ TERMICĂ

Cuprins

Obiective…………………………………………………………………….…...............60

Unitatea de învăţare 7. Energia solară termică. Introducere. Tehnici de

extracţie…………………………………………………………………….………….....61

Unitatea de învăţare 8. Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu.Metode

şi sisteme de creştere a eficienţei de utilizare a energiei……………………………...….72

Teste de autoevaluare…………………………………..……………..........................70;80

Lucrare de verificare……..…………………………………………….......................71;81

OBIECTIVELE MODULULUI 3

- să explice funcţionarea colectorului solar

- să indice elementele componente ale colectorului solar;

- să enumere şi să definească parametrii de bază care caracterizează un concentrator

solar


61

Unitatea de învăţare 7

ENERGIA SOLARĂ TERMICĂ. INTRODUCERE, TEHNICI DE EXTRACŢIE

Unitatea de studiu 7.1

Energia solară termică. Introducere, tehnici de extracţie

Cuprins

7.1. Obiective

7.2. Test de autoevaluare

7.3. Lucrare de verificare

7.1 OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU

- să explice funcţionarea colectorului solar

- să indice elementele componente ale colectorului solar;

- să enumere şi să definească parametrii de bază care caracterizează un concentrator solar

- să definească energia geotermală şi biomasa;

- să indice tipurile de centrale geotermale;

- să definească şi să enumere părţile componente ale unui sistem solar de încălzire a apei;

-să clasifice sistemele solare de încălzire a apei.

Energia solară termică. Introducere, tehnici de extracţie.

La originea tuturor tipurilor (cu excepţia a două - geotermală şi a mareelor) de surse

regenerabile este soarele.

Orice suprafaţă neagră expusă razelor, numită suprafaţă absorbantă, transformă

energia solară în căldură. Această suprafaţă absorbantă prezintă cel mai simplu exemplu de

convertor direct a radiaţiei solare în energie termică, numit colector solar plan,. Conversia

termică a energie solare cuprinde mai multe tehnologii: încălzirea apei cu colectoare plane

sau vidate, uscarea produselor agricole şi plantelor medicinale, semifabricatelor în procesarea

lemnului, refrigerarea solară, distilarea apei, producerea energiei electrice folosind procesul

termodinamic, etc. În prezentul capitol accentul se pune pe trei tehnologii - producerea apei

calde, uscarea produselor şi încălzirea spatiilor .Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi

fotovoltaice.

Instalaţiile termice ajută la economisirea gazului metan, în proporţie de circa 75% pe

an.

Instalaţiile fotovoltaice produc energie electrică gratis (cu lumina soarelui).

Panourile solare fotovoltaice produc energie electrică 4h/zi. Aceste panouri solare

produc energie electrică şi în acelaşi timp înmagazinează energie în baterii, pentru a fi

folosită dealungul nopţii fără legatură la reţeaua electrică natională.Pereţii clădirilor sunt

acumulatoare de energie termică, iar ferestrele şi camerele colectoare solare de căldură, care

permit pătrunderea radiaţiei solare în banda vizibilă (unde scurte) în interior şi nu permit

radiaţiei infraroşii (unde lungi) să părăsească încăperea. Această tehnologie şi respectiv

sistemele folosite pentru realizarea ei, mau târziu, au fost denumite sisteme pasive de utilizare

a energiei solare. Sistemele pasive se deosebesc prin următoarele două particularităţi

distincte:- Procesele de colectare, stocare şi folosire a energiei sunt integrate în structura

clădirii. Razele solare încălzesc nemijlocit consumatorul de căldură;- Sistemele pasive nu

necesită energie mecanică pentru transportul energiei termice către consumator sau rezervorul

pentru stocare. Mişcarea fluxurilor de aer are loc în virtutea diferenţelor de temperatură între


62

diferite straturi. Sistemele active de conversie a energiei solare sunt dotate cu colectoare

solare speciale, în care radiaţia solară este transformată în căldură, apoi prin intermediul unui

caloportor (de obicei apă sau aer) este transportată la locul de consum sau stocată în rezervor.

Cele mai răspândite tipuri de colectoare solare sunt: colectorul plan solar fără concentrarea

radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de maximum 1500C şi colectorul solar cu

concentrarea radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de sute de grade.Colectorul

solar diferă de majoritatea schimbătoarelor de căldură convenţionale în care transferul de

căldură prin radiaţie joacă un rol nesemnificativ. În colectorul solar, transferul de energie

către lichid sau gaz se realizează la distanta prin intermediul radiaţiei solare cu lungimea de

undă cuprinsă între 0,3 şi 3 µm şi densitatea de putere de maximul 1000-1100

W/m2.Colectorul solar de formă plană poate fi proiectat pentru a furniza apă caldă la

temperaturi medii, de circa 40-150 oC. El foloseşte ambele componente ale radiaţiei solare -

directă şi difuză, nu necesită urmărirea soarelui pe bolta cerească, generează mici cheltuieli în

exploatare şi are o construcţie mult mai simplă în comparare cu colectoarele cu concentrarea

radiaţiei solare. Acest tip de colector este parte componentă a oricărui sistem pentru

încălzirea apei, spatiilor locative, uscătoriilor solare şi sistemelor de refrigerare. Are un grad

avansat de perfecţiune tehnică şi tehnologică.Schema constructiv a colectorului solar pentru

încălzirea apei este prezentată în figura 1. Principalele părţi componente sunt: lada neagră- 5

cu izolaţie termică- 4 a trei pereţi, acoperită din partea frontală cu suprafaţa transparentă-3.

Schimbătorul de căldură este de tip placă metalică-ţeavă, respectiv suprafaţa absorbantă-1 şi

ţevile 2. În cazul colectorului cu aer, schimbătorul de căldură este de tip placă metalică -

canal pentru aer.

Fig. 7.1 Schema constructivă a colectorului solar


63

Fig.7.2 Schimbătoare de căldură utilizate în colectoarele solare

Funcţionarea colectorului solar se bazează pe două fenomene fizice: absorbţia de către

un corp negru a radiaţiei solare realizate pe suprafaţa absorbantă şi efectul de seră realizată pe

suprafaţa transparentă. În cazul colectorului solar, se realizează un efect de seră artificial. O

suprafaţa este transparentă pentru razele solare şi opacă pentru radiaţia infraroşie.

Temperatura suprafeţei absorbante creşte şi căldura este transmisă apei care circulă prin ţevile

2. Schimbătorul de căldură de tip placă–ţeavă este principalul element al colectorului. Există

diferite soluţii tehnice de îmbinare a plăcii 1 cu ţevile 2. Cele mai optime soluţii sunt

prezentate în figura 2: serpentină (a), cu ţevi paralele (b), cu canale formate din două plăci

metalice sudate prin metoda de contact (c) sau canale formate în interiorul unei plăci din

masă plastică (d). Cu scopul de-a micşora pierderile termice prin spaţiul dintre suprafaţa

absorbantă şi cea transparentă, schimbătorul de căldură tip placă-ţeavă se montează într-un

cilindru (tub) de sticlă din care se scoate aerul. Astfel, scade considerabil transferul de

căldură prin convecţie dintre cele două suprafeţe şi creşte randamentul colectorului. În figura

3 sunt prezentate două scheme constructive de colectoare vidate. În tubul de sticlă 1 sunt

amplasate etanş suprafaţele absorbante 2 şi ţeava 3. Între aceste două scheme există o

diferenţă esenţială. În schema a) apa rece intră prin ştuţul 5 se încălzeşte şi prin ştuţul 4 este

transportată în rezervorul de acumulare. Ambele ştuţuri trebuie să fie montate etanş cu tubul

de sticlă. Tubul 1 şi ţeava 3 se dilată diferit, ceia ce provocă pierderea etanşului ştuţ-tubul de

sticlă. În schema a doua există o singură conexiune etanş - a capătului 6 a ţevii 3. Transferul

de căldură se realizează în schimbătorul de căldură 8, unde sunt montate capătului ţevii 6,

care joacă rolul de condensator şi ţeava 7 prin care circulă apa. Ţeava 3 este umplută parţial

cu un lichid cu o temperatură relativ joasă de evaporare. Sub acţiunea căldurii absorbită de

placa 2, lichidul se evaporează, presiunea create şi vaporii se mişcă spre condensator - capătul

6 a ţevii. Aici, vaporii se condensează, cedând căldura apei care circulă prin ţeava 7. Lichidul

din condensator se scurge în direcţie opusă în ţeava 3. Colectorul solar cu tuburi vidate

conţine câteva tuburi unite în paralel şi montate într-o carcasă comună, formând un registru.


64

Dezavantajele colectoarelor solare cu vid: sunt mai scumpe; au o masă mai mare; există

pericolul deteriorării conexiunilor etanşate şi nu pot fi reparate în condiţii de exploatare.

Schema constructivă a colectorului solar pentru încălzirea aerului are următoarele

componente(figura 4): suprafaţa absorbantă 1, suprafaţa transparentă 2, izolaţia termică 3 şi

carcasa 4. Transferul de căldură are loc între suprafaţa absorbantă şi fluxul de aer care circulă

prin canalul dintre cele două suprafeţe sau suprafaţa absorbantă şi stratul de izolaţie termică.

Densitatea aerului este de circa 900 ori mai mică decât a apei şi va fi nevoie de o circulaţie cu

mult mai intensă a aerului. În acest scop se foloseşte ventilatorul 5 pentru a transporta aerul

rece spre suprafaţa absorbantă şi mai departe la consumator. Conductivitatea termică a

aerului este de circa 25 ori mai mică decât a apei şi va trebui să mărim substanţial suprafaţa

de contact dintre suprafaţa transparentă şi fluxul de aer pentru a obţine acelaşi transfer de

căldură.

Fig.7.3 Scheme constructive de colectoare vidate

Fig.7.4 Colector solar pentru încălzirea aerului


65

Variantele constructive ale suprafaţei transparente au ca scop mărirea suprafeţei de

contact dintre aer şi suprafaţa absorbantă, crearea circulaţiei turbulente a aerului şi majorarea

eficienţei transferului de căldură-fig. 5:

a) Suprafaţă ondulată, fluxul de aer circulă prin ambele canale;

b) Fluxul de aer circulă prin canale dreptunghiulare formate din plăci metalice sudate

pe partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru;

c) Fluxul de aer circulă prin canale triunghiulare formate din plăci metalice sudate pe

partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru;

d) Suprafaţa absorbantă este formată din plasă metalică sau plasă metalică umplută

cu material granulat prin care circulă fluxul de aer.

Fig.7.5 Colectoare solare pentru încălzirea aerului: scheme constructive ale suprafeţelor absorbante

Funcţionarea concentratoarelor solare se bazează pe două fenomene: reflecţia şi

refracţia luminii. Cele mai răspândite tipuri de concentratoare a energiei solare folosite în

conversia termică sunt: cilindro-parabolice, paraboloidale şi cu heliostate. Toate au în

componenţa sa trei elemente principale: reflectorul care recepţionează radiaţia solară şi o

direcţionează în focar; receptorul amplasat în focar şi care transformă radiaţia solară în

căldură; sistemul de urmărire a traiectoriei soarelui. Parametrii de bază, care caracterizează

un concentrator solar sunt coeficienţii de concentrare care reprezintă:

- raportul dintre aria suprafeţei deschise razelor solare, Aa şi aria suprafeţei

receptorului, Ar- cel geometric :

r

ag

A

AC (7.1)

- raportul dintre densitatea de putere a radiaţiei directe pe suprafaţa receptorului, Br şi

densitatea de putere a radiaţiei directe pe apertură, Ba- cel optic:

a

rr

I

IC (7.2)

Pentru un concentrator ideal Cg=Cr, în realitate C<Gg. Luând în consideraţie distanţa

dintre pământ şi soare, diametrul discului solar , coeficientul de concentrare geometric nu

poate fi mai mare decât:


66

45000D

L2G

s

g

(7.3)

Concentratorul( fig.6 ) cuprinde: oglinda cilindro-parabolică reflectoare - 1, receptorul

de radiaţie solară - 2 care prezintă o conductă prin care circulă lichidul caloportor(apă).

Receptorul 2 este montat în focarul cilindrului parabolic.

O particularitate importantă a concentratorului cilindro-parabolic constă în urmărirea

doar a unei coordonate a traiectoriei soarelui - unghiul de înălţare as.

În construcţia din figură se urmăreşte rotirea oglinzilor 1 în jurul axei 3. Temperatura

receptorului atinge valori de 400 - 5000C şi permite obţinerea aburului şi generarea energiei

electrice.

Fig.7.6 Concentrator cilindro-parabolic

Pentru estimarea temperaturii receptorului apelăm la figura 7, unde se prezintă schema

simplificată a concentratorului cu oglindă parabolică: 1- este o oglindă cilindro-parabolică

sau paraboloidală; 2 - receptorul amplasat în focarul parabolei sau paraboloidului; 3 - ecranul

receptorului. Oglinda cilindro-parabolică are lungimea l şi deschiderea D, iar în cazul oglinzii

paraboloidale - diametrul deschiderii este egal cu D. Receptorul concentratorului cilindro-

parabolic prezintă o ţeavă cu diametrul d şi lungimea l sau este de formă sferică cu diametrul

d pentru concentratorul paraboloidal. Dimensiunea unghiulară a discului solar este egală cu

s2 , unde L/R ss (vezi figura 2.4).

Fig.7.7 Schema simplificată a concentratorului parabolic


67

Puterea radiaţiei solare absorbită de receptor este:

lDBP cabs (7.4)

unde:

c - reflecţia suprafeţei oglinzii;

- absorbţia receptorului;

B - radiaţia solară directă.

l – lungimea oglinzii

D- deschiderea oglinzii

Receptorul, având temperatura TR, emite în spaţiu puterea radiantă, care se determina

cu expresia:

/1dlTP 4

Rrad (7.5)

unde:

- emisivitatea receptorului;

- coeficientul lui Ştefan-Boltzman;

- factorul de ecranare a receptorului, ( 3/2 );

d - diametrul receptorului

În regim staţionar termic puterea absorbită este egală cu puterea radiată (alte pierderi de

putere a receptorului sunt neglijate), de unde determinăm temperatura maximală a

receptorului:

4

s

cR

BT

(7.6)

Pentru B=600 W/m2, / =1, c =0,8, =5,67 W m

2 K

-4, s =0,00465 Rad, obţinem

temperatura maximală de 11620K sau 889

0C. În sistemele uzuale cu concentratoare cilindro-

parabolice se obţin temperaturi de până la 7000C. Micşorarea temperaturii se explică prin

abaterea suprafeţei oglinzii de la forma ideală parabolică şi prin faptul că caloportorul lichid,

care circulă prin receptor conduce la micşorarea Prad.

Pentru aceiaşi valoare a radiaţiei solare directe obţinem TR=34800K sau 3208

0C. În

instalaţiile reale pot fi obţinute temperaturi de până la 30000C.

Caracteristicile termice şi constructive ale colectorului plan solar

În figura 7.8 se prezintă bilanţul energetic simplificat al unui colector plan standard.


68

Fig.7.8 Bilanţul energetic simplificat al colectorului plan solar

Din radiaţia solară totală incidentă(G) de unde scurte, directă(B) şi difuză (D) şi

reflectată (R) pe suprafaţa transparentă, o parte importantă, G, determinată de coeficientul

de transparenţă , ajunge pe suprafaţa absorbantă unde se transformă în căldură. Suprafaţa

transparentă reflectă în spaţiu radiaţia G şi absoarbe T G. O parte din radiaţia G

incidentă pe suprafaţa absorbantă este reflectată, iar cea mai mare parte se transformă în

căldură. Pentru suprafaţa transparentă suma coeficienţilor este unitară.

1T (7.7)

Suprafaţa absorbantă primeşte radiaţia solară şi temperatura Tp creşte până 40-1000C .

Eficienţa transformării radiaţiei solare în căldură este determinată de coeficientul de

absorbţie a suprafeţei absorbante. În căldură se va transforma doar o parte din radiaţia

solară incidentă, G, determinată de proprietăţile materialelor suprafeţei transparente şi celei

absorbante.Puterea suprafeţei absorbante este:

GPSA (7.8)

Puterea PSA trebuie să acopere pierderile de energie de pe suprafaţa transparentă, care

au loc prin transfer convectiv şi pierderile prin carcasă. Aceste pierderi sunt proporţionale cu

diferenţa de temperaturi Tp a suprafeţei absorbante şi a mediului ambiant Ta:

app TTUP (7.9)

unde UP este coeficientul pierderilor globale, [W/m2·0C], (UP =1- 30 W/m

2·0C).

Puterea utilă generată de colectorul solar se determină cu expresia, numită Hottel-

Whillier-Bliss:

appU TTUGP (7.10)

şi randamentul termic:

G

TTU

G

P ap

pU

(7.11)


69

Din expresia (7.11) rezultă:

În condiţia UP=constant şi ()=constant, randamentul descreşte liniar în

dependenţă de (TP-Ta)/G;

Randamentul este maximal dacă TP=Ta şi depinde numai de proprietăţile optice

ale materialului ST şi SA;

Micşorarea radiaţiei globale G conduce la micşorarea randamentului.

Factorul (), care caracterizează proprietăţile optice ale ansamblului suprafaţa

transparentă - suprafaţa absorbantă, ne furnizează o clasificare a colectoarelor solare sub

aspectul randamentului şi a coeficientului pierderilor globale UP.

Proprietăţile optice ale materialelor folosite pentru suprafeţele transparentă şi

absorbantă

Randamentul maxim al colectorului solar sau factorul () depinde doar de

proprietăţile materialelor folosite pentru suprafaţa sau placa absorbantă, respectiv suprafaţa

transparentă.

Coeficientul spectral de absorbţie este raportul dintre radiaţia cu lungimea de undă

absorbită şi radiaţia incidentă de aceiaşi lungime de undă. Coeficientul a, prezintă o

proprietate a materiei şi nu depinde de proprietatea radiaţiei. El ne arată ce parte va fi

absorbită la interacţiunea radiaţiei electromagnetice respective cu materia (în cazul

instalaţiilor solare - suprafaţa absorbantă).

Introducem: coeficientul spectral de transmisie şi coeficientul spectral de reflecţie

.

Legea conservării energiei impune ca suma acestor coeficienţi să fie egală cu unu:

1 (7.12)

Valorile acestor coeficienţi sunt aproximativ constante în gama de variaţie a unghiului

de incidenţă cuprins între 0 şi 600 şi se micşorează brusc pentru unghiuri mai mari de 70

0.

Dat fiind faptul, că radiaţia solară prezintă un spectru larg de unde electromagnetice, în

scopuri practice se folosesc noţiunile de mai jos, care reflectă interacţiunea materiei şi

radiaţiei electromagnetice în tot spectrul acesteia.

1. Absorbţia se defineşte ca raportul dintre puterea radiaţiei solare absorbite şi

celei incidente:

G

G a (7.13)

2. Transmisia se defineşte ca raportul dintre puterea radiantă transmisă prin

materia respectivă şi cea incidentă:

G

G (7.14)

3. Reflecţia se defineşte ca raportul dintre puterea radiantă reflectată şi cea

incidentă:

G

G (7.15)


70

Formula (7.13) se scrie:

0

0

a

dG

dG

(7.16)

Analog se calculează coeficienţii şi .

Coeficienţii , şi caracterizează comportarea suprafeţei transparente sau

absorbante la acţiunea radiaţiei solare care prezintă un spectru de unde scurte cuprins între

0,3 şi 3 µm.

Conform legii lui Kirchhhoff, pentru orice lungime de undă şi temperatură T se

respectă următoarea relaţie:

(7.17)

Rezultă: un corp cu temperatura T absoarbe şi emite aceiaşi cantitate de radiaţie

electromagnetică cu lungimea de undă .

Coeficientul spectral de emisie pentru întreg spectrul radiaţiei se determina cu relaţia:

n

0

n

0

W

W

dW

dW

(7.18)

unde nW,W sunt: fluxul de putere emis de corpul real cu temperatura T şi fluxul de putere

emis de corpul absolut negru la aceiaşi temperatură.

Un corp absolut negru cu aria A va emite un flux de putere egal cu 4

n TAW şi

deci fluxul pierderilor radiative va fi:

4TAW (7.19)

7.2 TEST DE AUTOEVALUARE

1.Parametrii de bază care caracterizează un concentrator solar sunt:

a) raportul dintre aria suprafeţei deschise razelor solare şi aria suprafeţei

receptorului;

b) raportul dintre fluxul de aer care circulă prin canale şi suprafaţa absorbantă;

c) c.raportul dintre densitatea de putere a radiaţiei directe pe suprafaţa receptorului şi

densitatea de putere a radiaţiei directe pe aparatură.

2.Randamentul maxim al colectorului solar depinde:


71

a) de diametrul canalelor;

b) de proprietăţile materialului plăcii absorbante şi a celei transparente;

c) de suprafaţa ondulată.

3.Funcţionarea concentratoarelor solare se bazează pe două fenomene:

a) reflecţia şi refracţia luminii;

b) reflecţia şi incidenţa luminii;

c) incidenţa şi refracţia luminii.


1. Explicaţi rolul, schema constructivă şi funcţionarea unui colector solar.

2. Explicaţi bilanţul energetic simplificat al colectorului plan solar.

3. Care sunt proprietăţile optice ale materialelor folosite pentru suprafeţele transparentă şi

absorbantă?

RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE

1. A, C; 2. B; 3. A.


72

Unitatea de învăţare 8

UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE, GEOTERMICE ŞI ASPECTE DE MEDIU.

METODE ŞI SISTEME DE CREŞTERE A EFICIENŢEI DE UTILIZARE A

ENERGIEI

Unitatea de studiu 8.1

Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu. Metode şi sisteme de creştere a

eficienţei de utilizare a energiei.

Cuprins

8.1. Obiective

8.2. Test de autoevaluare


8.1. OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU

- să definească energia geotermală şi biomasa;

- să indice tipurile de centrale geotermale;

- să definească şi să enumere părţile componente ale unui sistem solar de încălzire a apei;

-să clasifice sistemele solare de încălzire a apei.

Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu. Metode şi sisteme de creştere

a eficienţei de utilizare a energiei

Energia geotermică este o formă de energie obţinută din căldura aflată în interiorul

Pamântului. Apa fierbinte şi aburii, captaţi în zonele cu activitate vulcanică şi tectonică, sunt

utilizaţi pentru încălzirea locuinţelor şi pentru producerea electricităţii. Este o formă de

energie regenerabilă. Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată

pe glob pentru transformarea puterii apei geotermala în electricitate: 'uscat'; 'flash' si 'binar',

depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau dupa temperatura acestuia.

Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din

izvorul geotermal.

Fig. 8. 1 "Centrala Geotermală Uscată"

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil%C4%83


73

Centralele 'Flash' sunt cele mai raspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la

temperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la

suprafaţă.

Fig.8.2 "Centrala Geotermală 'Flash'"

Centralele cu ciclu binar diferă faţă de primele doua, prin faptul că apa sau aburul din

izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa

folosită atinge temperaturi de pană la 400° F(200°C).

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din

agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precum

şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane. (Definiţie cuprinsă în Hotărârea nr.

1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanţilor şi a altor carburanţi regenerabili

pentru transport).Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă.

Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale

organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea

focului.

Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din

urmă, reprezintă procesul chimic de ardere (transformare chimică în prezenţa oxigenului

molecular, proces prin excelentă exergonic).

Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanţi):

Arderea directă cu generare de energie termică.

Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).

Fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH)- în cazul

fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în

amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool şi

generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) şi glicerol. În etapa următoare,

biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Ardere&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Biocarburan%C5%A3i


74

Degradarea enzimatică a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate

fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivaţi glucidici, care pot fi ulterior

fermentaţi la etanol.

Sisteme solare pentru încălzirea apei

La sistemele solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală diferenţa de temperatură

a apei la intrarea şi ieşirea colectorului este de aproximativ 100C şi rămâne constantă pe

parcursul zilei , figura 3. Debitul specific al apei este de 50-60 l/m2 h.Cele mai răspândite

sisteme solare pentru încălzirea apei sunt prezentate în figura 4 şi cuprind: colectorul plan

solar, acumulatorul (rezervorul de apă), schimbătorul de căldură, pompa de circulaţie, sursa

auxiliară de energie. Diferenţa dintre schemele prezentate constă în interconexiunea şi

aranjamentul acestor elemente.

Fig.8.3 Variaţia temperaturii apei pe parcursul zilei: 1 - la ieşire; 2 - la intrare

Sisteme solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală (figura 8.4.a.) Pentru a

asigura o circulaţie sigură a apei acumulatorul trebuie să fie amplasat mai sus decât

colectorul. Atât în colector, cât şi în rezervor se stabileşte o diferenţă de temperaturi dintre

partea superioară, respectiv partea inferioară, astfel că se creează o diferenţă de densitate între

straturile de apă caldă şi rece astfel că această diferenţă de presiune asigură circulaţia apei.

Diferenţa de presiune depinde de diferenţa de temperaturi, astfel fluxul de apă în sistem

depinde de puterea utilă captată de colector, care şi provoacă această diferenţă de temperaturi.

Sistemele solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală sunt autoreglabile - creşterea

puterii captate conduce la creşterea fluxului de apă care circulă în sistem.


75

Fig. 8.4 Scheme uzuale ale sistemelor solare pentru încălzirea apei:

a – cu circulaţie naturală; b – cu circulaţie forţată; c – cu două contururi

Sistemul solar pentru încălzirea apei cu circulaţie forţată este prezentat în figura

8.4. b. Pompa de circulaţie este comandată în funcţie de diferenţa dintre temperatura T2 în

partea de sus a colectorului şi temperatura T1 în partea de jos a rezervorului. Temperatura este

controlată de un releu diferenţial. Pompa va funcţiona doar atunci când diferenţa de

temperaturi depăşeşte valoarea predeterminată. Pentru a exclude circulaţia inversă a apei este

prevăzută o valvă unidirecţională.

În figura 8. 4, se prezintă schema cu circulaţie forţată cu două contururi. Primul

contur cuprinde colectorul, pompa de circulaţie şi schimbătorul de căldură şi se umple cu


76

lichid antigel. Al doilea contur prezintă circuitul propriu zis de apă caldă. Transferul de

căldură dintre primul şi al doilea contur se efectuează prin intermediul unui schimbător de

căldură lichid - lichid (serpentina din acumulator).

Mentenanţa sistemelor solare pentru încălzirea apei

Suprafaţa transparentă şi placa absorbantă depind de caracteristicile optice ale

materialelor folosite. Proprietăţile coeficientului spectral de absorbţie şi ale coeficientului

spectral de transmisie( ) şi ale coeficientului spectral de emisie (ε) afectează direct

performanţele termice ale colectorului solar. Degradarea acestor proprietăţi pot afecta

performanţele pe termen lung, materialele selectate trebuie să aibă proprietăţi stabile în timp.

Suprafaţa plăcii absorbante trebuie să reziste la temperaturi maximale posibile în

perioada de exploatare. Aceasta poate fi uşor determinate în condiţia în care puterea utilă

GQu este egală cu zero (circulaţia apei nu are loc). Temperatura fluidului Tm va fi egală

cu temperatura plăcii. Materialul selectiv şi vopseaua utilizată trebuie să reziste la aceste

temperaturi.

Îmbinarea sticlei cu carcasa trebuie făcută fără muchii sau nervuri.

Izolarea termică. Rolul de izolaţie termică în partea frontală a colectorului îl joacă

suprafaţa transparentă (sticla) şi pătura de aer formată între suprafaţa absorbantă şi suprafaţa

transparentă. Spaţiul de aer trebuie să fie cuprins între 25 şi 40 mm. Se consideră ca optimă

grosimea să fie de 28 mm. Celelalte părţi ale colectorului - spatele şi pe părţile laterale

trebuie să fie izolate cu un strat de 5-10 cm de vată de sticlă sau alt material izolator cu

caracteristici termice asemănătoare. Vata din sticlă are următoarele avantaje:

Este relativ ieftină;

Proprietăţi izolatoare foarte bune (1=0,05-0,06 W/m·K);

Rezistă la temperaturi de peste 100 oC;

Greutate specifică mică ( =150-200 kg/m3).

Dezavantaje: îşi pierde calităţile izolante dacă se umezeşte.

Se recomandă a folosi panouri din vată de sticlă, astfel se evită tasarea la plasarea

înclinată a colectorului solar.

O soluţie rezonabilă din punctul de vedere cost-calitate poate fi izolaţia termică

combinată formată dintr-un panou de vată de sticlă cu grosimea de 4 cm şi unul de 3 cm din

polistiren expandat. Vata de sticlă, fiind mai rezistentă la temperaturi mari, se amplasează

imediat după placa absorbantă, iar polistirenul - după panoul din vată de sticlă. La rândul, său

polistirenul este mai rezistent la umiditate.

Pentru a îmbunătăţi izolaţia termică a unui colector se recomandă introducerea unei

folii subţiri de aluminiu între izolaţie şi placa absorbantă. Folia va servi ca ecran pentru

radiaţia infraroşie care va fi reflectată spre placa absorbantă. Între placa absorbantă şi folie se

lasă un spaţiu de aer ce va avea un rol de izolator termic suplimentar.

Etanşarea colectorului. Pentru a preveni pătrunderea apei şi prafului în interiorul

colectorului este necesară etanşarea acestuia. În condiţii de cer noros vaporii de apă se vor

condensa pe suprafaţa internă a sticlei ce va conduce la micşorarea transparenţei şi a

randamentului. La pornirea următoare a colectorului, condensul va exista până ce sticla va fi

suficient de caldă pentru ca el să se evaporeze. Astfel, un colector al cărui aer interior este

umed va porni mai târziu şi se va opri mai devreme. Dacă colectorul nu este etanş, praful va

pătrunde în interior şi se va depozita atât pe suprafaţa interioară a sticlei, cât şi pe placa

transparentă.

Carcasa are funcţia de a menţine ansamblul şi de a asigura etanşarea colectorului. Cel

mai indicat material este cornierul din aluminiu şi folii din oţel zincat. Carcasa nu trebuie să

aibă o rezistenta mecanică mare.

Montarea colectoarelor se va efectua în serie sau în paralel. La conectarea în serie,

apă trece succesiv prin colectoare încălzindu-se din ce în ce mai mult. Colectoarele vor lucra


77

la temperaturi diferite, având randamentul de la intrare spre ieşire în scădere. Vom lua în

considerate că rezistenţa hidraulică create. Din acest motiv se recomandă pentru sisteme cu

circulaţia forţată a apei.

Dimensionarea unui sistem solar pentru încălzirea apei

S-a constatat că eficienţa unui sistem solar pentru încălzirea apei scade odată cu

creşterea diferenţei de temperaturi dintre suprafaţa absorbantă şi a mediului ambiant. Este

important să dimensionăm corect suprafaţa colectorului solar şi volumul rezervorului de apă

în funcţie de:

Radiaţia globală disponibilă pe suprafaţa colectorului;

Consumul diurn de apă caldă şi temperatura acesteia;

Repartiţia consumului de apă pe parcursul zilei.

În cazul schemei sistemului solar pentru încălzirea apei cu un singur contur şi circulaţie

naturală, calculele de dimensionare se referă la următoarele mărimi:

Unghiul de înclinaţie optimal al colectoarelor solare pe perioada de interes:

martie-octombrie;

Radiaţia medie globală pe perioadă de interes incidentă pe suprafaţa colectorului

şi radiaţia medie globală lunară;

Consumul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 ore;

Suprafaţa colectorului solar;

Volumul rezervorului de acumulare a apei calde;

Temperatura minimă a apei în luna cu cea mai mică radiaţie solară.

Unghiul de înclinaţie optimal al colectorului solar se alege astfel încât să cadă pe

suprafaţa colectorului o cantitate de energie cât mai mare. Pentru aceasta selectăm valoarea

unghiului pentru care raportul Rb dintre radiaţia solară directă pe planul înclinat şi cel

orizontal sunt maximale.

Radiaţia medie globală incidentă pe planul colectorului, neglijând componenta

reflectată este:

Dcos12

1BRG b (8.1)

Consumul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 ore.

Necesarul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 de ore depinde într-o

mare măsură de caracteristica specifică a consumatorului.

Suprafaţa colectorului. Calculăm energia necesară pentru a încălzi volumul zilnic de

apă:

zi/MJ39,334010173,4200ttcCE 3

rececaldaapeiz.nec (8.2)

unde capei = 4,173·103 J/

0C·kg reprezintă căldura specifică a apei.

Suprafaţa de captare a colectorului solar este:

medcol

neccol

G

ES

(8.3)

unde col este randamentul mediu al colectorului pe perioada de funcţionare, medG - radiaţia

solară globală zilnică determinată ca media pe perioada martie-octombrie.


78

Volumul rezervorului de acumulare a apei calde va fi:

21 VVVa (8.4)

Temperatura apei calde este:

apeiz

colcol

III

rececaldacC

SCtt

(8.5)

Cantitatea de energie termică produsă se determină cu expresia:

colcolmedzXIII SGNE (8.6)

Motoare şi centrale solare termice

Conversia energiei solare termice în energie mecanică sau electrică este obiectivul

cercetărilor experimentale dar au un dezavantaj foarte important - eficienţa redusă.

Energia termică sau căldura nu poate fi transformată în totalitate în alte forme de

energie ( mecanică sau electrică). Randamentul unui motor termic, fie cu piston sau cu

turbină, depinde de temperatura sursei calde (temperatura la intrare )Tin şi temperatura sursei

reci (a condensatorului), Tieş, între care se produce schimbul de căldură. Randamentul

maximal al ciclului Carnot nu poate depăşi valoarea dată de expresia:

in

ies

CT

T1 (8.7)

Randamentul real, datorită pierderilor de energie, va fi de circa 25%.

Pentru a obţine vapori de apă este necesară o temperatură de cel puţin 1000C. Dacă

temperatura obţinută de la colectorul solar este mai mică, atunci poate fi folosit un motor

termic care funcţionează conform ciclului Rankine. Aici, în calitate de fluid caloportor se

folosesc substanţe organice cu temperatura de fierbere mai mică de o 1000C de tipul celor

folosite în frigidere sau pompe termice. Un astfel de motor termic va avea un randament şi

mai mic. De exemplu, eficienţa unui motor termic care funcţionează cu vapori de 850C,

obţinuţi de la un colector solar plan şi temperatura la condensare de 300C, nu va depăşi 15%.

Ca realizări prezentăm schema motorului solar termic –figura 5 şi sistemul de pompare

solară-figura 6

Fig. 8.5 Schema motorului solar termic realizat de Augustin Mouchot şi Abel Pifre în anul 1872


79

Fig. 8.6 Sistemul de pompare solară realizat de G. Alexander în anul 1979

Procesul de conversie a energiei solare termice în energie electrică este similar cu cel

tradiţional bazat pe combustibili fosili unde energia stocată în combustibil este eliberată prin

ardere, se transformă în energie potenţială a aburului comprimat şi încălzit până la 500-

6000C. În turbină aburul se dilată, energia potenţială se transformă în energie cinetică şi apoi

la rândul său se transformă în energie electrică. În sistemele solare combustibilul fosil este

înlocuit cu radiaţia solară, focarul cazanului - cu un colector solar cu concentrare, iar celelalte

elemente ale centralei solare termice rămân aceleaşi ca şi la o centrală termică tradiţională.


80

Fig. 8.7 Schema funcţională a unei centrale solare termice

Principalele componente ale centralei solare termice sunt prezentate în schema din

figura 7. Câmpul de colectoare solare este format din concentratoare cilindro-parabolice cu o

suprafaţă totală de circa 1,75x106 m

2. Partea activă a concentratorului - reflectorul este format

din sticlă cu conţinut mic de fier şi acoperită din spate cu argint. Sticla este montată pe o

structură metalică secţionată permiţând formarea colectoarelor de diferite lungimi.

Colectoarele se montează în rânduri paralele în direcţia sud-nord. Pentru urmărirea soarelui

se folosesc acţionări hidraulice. Receptorul de radiaţie solară cuprinde o ţeavă de oţel cu

diametrul de 70 mm acoperită cu un strat de material selectiv. Pentru a micşora pierderile de

energie receptorul este amplasat într-un tub de sticlă vidat. La temperatura de 3500C,

suprafaţa receptorului are o absorbţie egală cu 0,96% şi o emitere de 0,19%.

8.2.TEST DE AUTOEVALUARE

1. Performanţele materialelor folosite pentru realizarea suprafeţei transparente şi a plăcii

absorbante a unui sistem solar pentru încălzirea apei depind de:

a) coeficientul spectral de absorbţie;

b) coeficientul spectral de emisie;

c) coeficientul spectral de transmisie;


81

2. Rolul de izolaţie termică în partea frontală a colectorului solar îl joacă:

a) suprafaţa transparentă şi pătura de aer formată între suprafaţa absorbantă şi cea

transparentă;

b) grosimea de vată de sticlă folosită;

c) temperatura fluidului, a materialului folosit în echipament şi vopseaua utilizată.

3. Dimensionarea unui sistem solar se face în funcţie de:

a) radiaţia globală disponibilă pe suprafaţa colectorului;

b) consumul diurn de apă caldă şi temperatura acesteia

c) materialele folosite şi caracteristicile acestora

8.3. LUCRARE DE VERIFICARE

1. Ce este energia geotermală şi care sunt tipurile de centrale geotermale folosite pe glob?

2. Care sunt formele de valorificare energetică a biomasei?

3. Explicaţi funcţionarea sistemelor solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală şi

forţată.

RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE

1. A, B, C ; 2. A ; 3. A, B.

Documents

Modulul 3: Energia solară termincă - ro-bul-ret.eu · Modulul 3: Energia solară termică 62 diferite straturi. Sistemele active de conversie a energiei solare sunt dotate cu colectoare