Universitatea Transilvania din Brasovold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat... · REFERENŢI: Prof.dr.ing. Florin IORDACHE Universitatea Tehnică de Construcții București

1

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Partener:

Universitatea Transilvania din Brasov Scoala Doctorala Interdisciplinara

Departament: Design de Produs și Mediu

Ing. Alexandru COTORCEA

ADAPTAREA ȘI IMPLEMENTAREA SISTEMELOR DE

CONVERSIE A ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE TERMICĂ

PENTRU NAVELE COMERCIALE

ADAPTATION AND IMPLEMENTATION OF SOLAR ENERGY

CONVERSION SYSTEMS INTO THERMAL ENERGY FOR

MERCHANT VESSELS

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Ion VIȘA

BRASOV, 2017

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. ........ din ....................

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Codruța JALIU

Universitatea „Transilvania” din Brașov CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. Ion VIȘA

Universitatea „Transilvania” din Brașov REFERENŢI: Prof.dr.ing. Florin IORDACHE

Universitatea Tehnică de Construcții București Prof.dr.ing. Eugen RUSU

Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați Prof.dr.ing. Mircea NEAGOE

Universitatea „Transilvania” din Brașov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 15.09.2017, ora 1100, sala Căsuța Solară, Corp E, Colina Universității. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]. Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

3

CUPRINS Pg.

teză Pg.

rezumat Lista de abrevieri și notații 5 - INTRODUCERE 8 7 CAPITOLUL 1 SISTEME DE PRODUCERE A ENERGIEI LA BORDUL NAVELOR. SURSE REGENERABILE DE ENERGIE 13 10

1.1 Sisteme clasice de asigurare a energiei la bordul navelor comerciale 13 10 1.2 Stadiul actual al implementării sistemelor de energie regenerabilă la bordul navelor comerciale 15 10

1.2.1 Vele și sisteme tip ”zmeu” 16 10 1.2.2 Rotorul Flettner 17 11 1.2.3 Turbine eoliene 17 12 1.2.4 Sisteme fotovoltaice 18 12 1.2.5 Pile de combustie cu hidrogen 21 -

1.3 Concepte de nave prietenoase cu mediul înconjurător 21 13 1.4 Colectoare solar-termice implementate la bordul navelor 24 14 1.5 Concluzii 25 15 1.6 Obiectivele tezei 26 16 CAPITOLUL 2 PARTICULARITĂȚI DE OPERARE A SISTEMELOR SOLAR-TERMICE AMPLASATE PE USCAT ȘI PE NAVE 27 17

2.1 Sisteme solar – termice. Generalități 27 17 2.2 Poziționarea colectoarelor solare într-o locație dată 35 19 2.3 Radiația solară 45 25 2.4 Concluzii și contribuții 47 26 CAPITOLUL 3 MODELAREA RADIAȚIEI SOLARE 49 28 3.1 Metode de estimare a radiației solare pe uscat 49 28 3.2 Metode de estimare a radiației solare pe întinderile mari de apă 52 30 3.3 Alegerea modelului de estimare a radiației solare globale pentru întinderile mari de apă 55 30

3.4 Factorul de turbiditate specific întinderilor mari de apă 57 31 3.5 Modelarea analitică a factorului de turbiditate pe întinderi de apă 68 36 3.6 Concluzii și contribuții 78 39 CAPITOLUL 4 UNGHIUL OPTIM DE ÎNCLINARE A COLECTOARELOR ȘI INFLUENȚA MIȘCĂRILOR NAVEI ASUPRA RADIAȚIEI CAPTATE

81 40

4.1 Precizări privind unghiul optim de înclinare a colectoarelor solar-termice 81 40 4.2 Determinarea unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare pe întinderile mari de apă 82 40

4.3 Analiza influenței mișcărilor navei asupra captării radiației solare 90 46 4.3.1 Mișcările navei 90 46 4.3.2 Determinarea mărimii unghiurilor de ruliu și tangaj ale unei nave

în funcție de gradul de agitație al mării 93 47

4.4 Influența direcției de deplasare, a ruliului și a tangajului navei asupra energiei solare captate 98 50

4

Pg. teză

Pg. rezumat

4.5 Concluzii și contribuții 110 58 CAPITOLUL 5 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A INFLUENȚEI UNGHIULUI DE ÎNCLINARE A COLECTOARELOR SOLAR - TERMICE

111 59

5.1 Introducere 111 59 5.2 Prezentarea locației și designul sistemului experimental 111 59 5.3 Principalele instrumente de înregistrare a datelor în cadrul cercetărilor experimentale 115 61

5.4 Metodologia experimentală 118 61 5.5 Evaluarea experimentală a performanțelor colectoarelor solar-termice cu diferite unghiuri de înclinare 124 64

5.6 Concluzii și contribuții 132 68 CAPITOLUL 6 ANALIZA EFICIENȚEI IMPLEMENTĂRII SISTEMELOR SOLAR-TERMICE PE NAVE PRIN STUDII DE CAZ 133 69

6.1 Implementarea pe nave comerciale de transport marfă 133 69 6.2 Funcționalități ale energiei termice la bordul navei de transport marfă 135 69 6.3 Alegerea voiajului pentru care se realizează studiul de caz 135 70 6.4 Determinarea radiației solare disponibile pe timpul voiajului 137 70 6.5 Alegerea tipului de colector solar-termic 138 71 6.6 Analiza posibilităților de amplasare a colectoarelor solar-termice 139 71 6.7 Alegerea schemei de dispunerea a colectoarelor 140 72 6.8 Determinarea energiei termice obținute în sistemul solar-termic 141 73 6.9 Determinarea cantității de combustibil economisit prin utilizarea sistemului solar-termic 142 74

6.10 Posibile întrebuințări ale energiei termice obținute prin conversia solar-termică pentru nava de transport marfă

143 75

6.11 Analiza fezabilității sistemelor solar-termice instalate pe nave 144 76 6.12 Implementarea sistemului solar termic pe nava de transport marfă 146 77 6.13 Implementarea sistemelor solar-termice pe navele de pasageri 149 79 6.14 Concluzii și contribuții 152 82 CAPITOLUL 7 CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII ORIGINALE. DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

154 83

BIBLIOGRAFIE 159 87 ANEXE Anexa 1 Diferențele maxime și minime și variația lunară a factorului Linke la diverse latitudini A1 -

Anexa 2 Rezultate experimentale privind comportamentul colectoarelor solar-termice funcție de unghiul de înclinare și radiația solară A11 -

Anexa 3 Listă de lucrări A18 - Anexa 4 Rezumat A20 A1 Anexa 5 Curriculum Vitae A21 A2 Declarație de autenticitate -

5

SUMMARY Pg.

thesis Pg.

abstract List of abbreviations and notations 5 - INTRODUCTION 8 7 CHAPTER 1 ENERGY PRODUCTION SYSTEMS ON BOARD VESSELS. RENEWABLE ENERGY SOURCES 13 10

1.1 Classical power supply systems on board commercial vessels 13 10 1.2 The current state of implementation of renewable energy systems on board commercial vessels 15 10

1.2.1 Sails and kite systems 16 10 1.2.2 Flettner rotor 17 11 1.2.3 Wind turbines 17 12 1.2.4 Photovoltaic systems 18 12 1.2.5 Hydrogen fuel cells 21 -

1.3 Environmentally friendly vessel concepts 21 13 1.4 Solar-thermal collectors implemented on board vessels 24 14 1.5 Conclusions 25 15 1.6 Objectives of the thesis 26 16 CHAPTER 2 OPERATING PARTICULARITIES OF SOLAR-THERMAL SYSTEMS ON LAND AND ON VESSELS 27 17

2.1 Solar-thermal systems. Overview 27 17 2.2 Positioning of solar collectors at a given location 35 19 2.3 Solar radiation 45 25 2.4 Conclusions and contributions 47 26 CHAPTER 3 MODELING OF SOLAR RADIATION 49 28 3.1 Methods of estimating solar radiation on land 49 28 3.2 Methods of estimating solar radiation on sea 52 30 3.3 Choosing the model for estimating global solar radiation for sea 55 30 3.4 The turbidity factor specific to sea 57 31 3.5 Analytical modeling of the turbidity factor on sea 68 36 3.6 Conclusions and contributions 78 39 CHAPTER 4 OPTIMAL ANGLE OF TILT OF COLLECTORS AND INFLUENCE OF VESSEL MOVEMENTS ON RADIATION RECEIVED 81 40

4.1 Specification on the optimal angle of tilt of solar-thermal collectors 81 40 4.2 Determination of the optimal angle of tilt of solar collectors on sea 82 40 4.3 Analysis of the influence of vessel movements on the received solar radiation 90 46

4.3.1 Vessel movements 90 46 4.3.2 Determining the size of the roll and pitch angles of a vessel according

to the state of the sea 93 47

4.4 Influence of the vessel’s direction of movement, roll and pitch on the received solar energy 98 50

4.5 Conclusions and contributions 110 58

6

Pg. thesis

Pg. abstract

CHAPTER 5 EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE INFLUENCE OF TILT ANGLE OF SOLAR-THERMAL COLLECTORS 111 59

5.1 Introduction 111 59 5.2 Location presentation and design of the experimental system 111 59 5.3 The main data recording tools for experimental research 115 61 5.4 Experimental methodology 118 61 5.5 Experimental evaluation of the performance of solar-thermal collectors with different tilt angles 124 64

5.6 Conclusions and contributions 132 68 CHAPTER 6 ANALYSIS OF EFFICIENCY OF SOLAR-THERMAL SYSTEMS IMPLEMENTATION ON VESSELS BY CASE STUDIES 133 69

6.1 Implementation on cargo vessels 133 69 6.2 Functions of thermal energy on board cargo vessel 135 69 6.3 Choice of voyage for which the case study is conducted 135 70 6.4 Determination of the solar radiation available during the voyage 137 70 6.5 Choosing the type of solar-thermal collector 138 71 6.6 Analysis of the possibilities of placing of solar-thermal collectors 139 71 6.7 Choosing the layout scheme collectors 140 72 6.8 Determination of the thermal energy obtained in the solar-thermal system 141 73 6.9 Determination of the amount of fuel saved by using the solar-thermal system 142 74 6.10 Possible uses of thermal energy obtained by solar-thermal conversion for the cargo vessel 143 75

6.11 Feasibility analysis of solar-thermal systems installed on vessels 144 76 6.12 Implementation of the solar-thermal system on the cargo vessel 146 77 6.13 Implementation of the solar-thermal system on cruise vessels 149 79 6.14 Conclusions and contributions 152 82 CHAPTER 7 FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS. DISSEMINATION OF THE RESULTS. FUTURE RESEARCH DIRECTIONS

154 83

REFERENCES 159 87 ANNEXES Annex 1 Maximum and minimum differences and monthly variation of Linke factor at various latitudes A1 -

Annex 2 Experimental results on the behavior of solar-thermal collectors depending on the tilt angle and solar radiation A11 -

Annex 3 List of publications A18 - Annex 4 Abstract A20 A1 Annex 5 Curriculum Vitae A21 A2 Declaration of Authenticity -

7

INTRODUCERE

Dezvoltarea durabilă într-un climat în continuă schimbare a devenit în ultimii ani o problemă prioritară, asociată calității mediului înconjurător. Aceasta reprezintă o țintă strategică la nivel mondial, care nu poate fi ignorată. Evoluția recentă arată interesul manifestat prin politicile la nivel global, ca ecou asupra unei implicări mai active la nivelul populației.

Utilizarea pe scară largă a combustibililor fosili (clasici) ca sursă principală de energie a condus la diminuarea rezervelor și la efecte negative asupra mediului înconjurător și asupra populației. Eforturile internaționale de reducere a impactului schimbărilor climatice au demarat la Rio de Janeiro în 1992 (la Summitul Pământului), unde peste 150 de guverne au agreat un cadru pentru implementarea dezvoltării durabile. Această reuniune a fost urmată de adoptarea Protocolului de la Kyoto în 1997, care obliga națiunile semnatare la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră până în 2012 cu o medie de 5,2% sub nivelul din 1990. Cel mai recent summit dedicat acestei problematici a fost Conferința Națiunilor Unite asupra Schimbărilor Climatice 2015, cunoscută ca și COP21, desfășurată la Paris. Conferința s-a finalizat cu semnarea primului acord agreat de 195 de țări semnatare.

Utilizarea combustibililor fosili conduce la emisii de gaze cu efect de seră, între care cele mai mari cantități (și cel mai ridicat impact) sunt de CO2. În figura I.1 se evidențiază ponderea emisiilor de CO2 la nivel global, în funcție de sectorul care le generează. După cum se poate observa, ponderea cea mai mare (42%) provine din producerea de energie electrică și energie termică necesară încălzirii. Urmează sectorul transporturi, sub toate formele sale: rutier, aerian, căi ferate, maritim etc., cu o pondere de 23%. Un aport important îl are și industria (19%).

Figura I.1 Ponderea emisiilor de CO2 la nivel global în funcție de sector în 2013 (sursa: IEA, 2015)

În ceea ce privește sectorul transporturi, acesta prezintă o creștere semnificativă (peste 50%)

a cantității de CO2 emis în atmosferă, comparativ cu anul 1990, iar prognozele confirmă tendința de creștere pe fondul dezvoltării mobilității oamenilor și a mărfurilor pe glob (IEA, 2015).

Uniunea Europeană a implementat un cadru legal prin care își propune ca până în 2020 să asigure din resurse regenerabile 20% din consumul final de energie primară și 10% din carburanții utilizați în transporturi.

Producerea energiei termice prin conversia energiei solare a înregistrat o creștere de 7% în 2014, ajungându-se astfel la un total global estimat de 435 GWt (figura I.2); cu toate acestea sistemele solar-termice asigură mai puțin de 1% din necesarul de energie termică la nivel mondial (REN 21, 2016).

42%

23%

19%

6%3%

7%

Electricitate și încălzire

Transport

Industrie

RezidențialServicii

Altele

Introducere

8

Figura I.2 Capacitatea solar-termică la nivel global în perioada 2005-2015

(sursa: REN 21, 2016)

În transportul naval, parte integrantă a transportului internațional, International Maritime Organization (IMO) este principala organizație care se ocupă de reglementarea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES), conform articolului 2 alineatul (2) din Protocolul de la Kyoto. IMO utilizează aceste prerogative în cadrul Comitetului pentru Protecția Mediului Marin (MEPC). Cea mai semnificativă realizare este adoptarea de măsuri tehnice și operaționale, sub forma de modificări aduse anexei VI la Convenția Internațională pentru Prevenirea Poluării de către Nave (MARPOL 73/78), în 2011 și 2014.

Transportul maritim internațional asigură aproximativ 80% din comerțul mondial în volum și peste 70% din valoare. Ca o consecință a acestor activități, emisiile de CO2 generate de transportul maritim internațional au ajuns în 2007 la 870 de milioane de tone, reprezentând 2,7% din emisiile globale de CO2. În 2012 ponderea a scăzut la 2,2% ca urmare în principal a crizei economice mondiale, dar se estimează că emisiile de CO2 provenite din transportul maritim vor crește cu 50 - 250% până în 2050 ca urmare a creșterii consumului la nivel global (Yubing Shi, 2016).

O direcție principală de îmbunătățire a eficienței energetice și de reducere a emisiilor de CO2 și a gazelor cu efect de seră din transportul naval este utilizarea energiei din surse regenerabile (energie eoliană, solară etc.).

Organizația Maritimă Internațională estimează că necesitățile termice/electrice ale unei nave pot fi asigurate prin valorificarea resursei solare în proporție de 0,2% până la 3,75% (ICCT, 2011). În acest context, lucrarea de față răspunde reglementărilor IMO prin identificarea și analiza oportunității utilizării energiei obținute prin conversia energiei solare pentru navele comerciale.

Demersul științific inițiat în cadrul studiilor doctorale are ca scop identificarea unor noi oportunități și sisteme capabile să asigure, cel puțin parțial, nevoia de energie termică a unei nave. Un aspect important al cercetărilor este reprezentat de faptul că utilizarea sistemelor de conversie a energiei solare în energie termică, prin implementarea acestora pe navele comerciale, reprezintă un element cu grad avansat de noutate în domeniu; dacă implementarea sistemelor solar-termice în aplicații terestre este intens studiată, aplicațiile la nivelul navelor sunt încă limitate și majoritar descrise la nivel demonstrativ.

Subiectul acestei teze de doctorat a fost formulat în acord cu prioritățile naționale din Planul Național de Cercetare-Dezvoltare și Inovare II, domeniul de cercetare 7 - Materiale, procese și produse inovative, direcția de cercetare 7E - Produse și tehnologii inovative destinate transporturilor

050

100150200250300350400450500

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Cap

acita

te so

lar-

term

ică

[GW

t]

Anul

Introducere

9

și producției de automobile, tematica de cercetare 181 - Produse și tehnologii care sporesc eficiența energetică a mijloacelor de transport și reduc efectele poluante. Subiectul profund interdisciplinar se încadrează și în domeniul 2 – Energie, direcția de cercetare 2A - Sisteme și tehnologii energetice durabile; securitatea energetică; tematica de cercetare 77 - Creșterea securității în alimentarea cu energie și 80 - Promovarea tehnologiilor energetice curate, a măsurilor de protecție a mediului și a reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră. Actualitatea și relevanța subiectului sunt evidențiate de încadrarea în PNCDI III (2015 – 2020) în domeniul prioritar Energie, Mediu și Schimbări Climatice.

Teza de doctorat este structurată pe șapte capitole astfel: În Capitolul 1, intitulat „Sisteme de producere a energiei la bordul navelor. Surse regenerabile de

energie” se descriu sistemele actuale de producere a energiei la bordul navelor, stadiul actual privind sursele de energie regenerabilă utilizate (eoliană, solară, hidrogen) și tipurile de sisteme implementate. În finalul capitolului sunt precizate obiectivele tezei.

În Capitolul 2, intitulat „Particularități de operare a sistemelor solar-termice amplasate pe uscat și pe nave” se descriu aspectele funcționale ale sistemelor solar-termice instalate pe nave, generate de: caracteristicile mediului marin, deplasarea pe latitudini diferite și direcții diferite ale navei, mișcările de ruliu și tangaj ale navei, caracteristicile rutei de deplasare, influența latitudinii și a perioadei din an asupra poziționării și orientării colectoarelor solar-termice, radiația specifică întinderilor de apă.

Capitolul 3, „Modelarea radiației solare”, cuprinde o amănunțită analiză a modelelor de estimare a radiației solare pe uscat și pe mare și identificarea modelului (Bason) aplicabil pentru întinderile mari de apă, urmată de modelarea analitică prin funcții polinomiale, folosind baze de date existente, a factorului de turbiditate (Linke). Se obțin în final două funcții polinomiale de grad 5 prin care se calculează factorul de turbiditate TR pe apă pentru sezonul rece (octombrie-martie) și sezonul cald (aprilie-septembrie).

Capitolul 4, „Unghiul optim de înclinare a colectoarelor și influența mișcărilor navei asupra radiației captate”, conține determinarea analitică a unghiului optim de înclinare a colectoarelor funcție de latitudine și sezon (sezonul rece (octombrie-martie) și sezonul cald (aprilie-septembrie)), a amplitudinii unghiurilor de ruliu și tangaj în funcție de gradul de agitație al mării (prin simulare CFD cu programul OrcaFlex) și analiza influenței mișcărilor de deplasare a navei, de ruliu și de tangaj asupra radiației captate la unghiul optim de înclinare.

Capitolul 5, „Determinarea experimentală a unghiului optim de înclinare a colectoarelor solar-termice”, conține conceptul, infrastructura, metodologia de cercetare și rezultatele experimentale privind influența unghiurilor de înclinare ale colectoarelor solar-termice asupra comportamentului acestora (puterea utilă și eficiența) în trei zile reprezentative (însorită, intermediară, înnorată). Se validează astfel rezultatele obținute prin simulare în capitolul anterior.

Capitolul 6, „Analiza eficienței implementării sistemelor solar-termice pe nave prin studii de caz”, cuprinde studii de caz pentru o navă utilizată la transportul de mărfuri și o navă fluvială de pasageri. Pentru perioada voiajului se calculează, folosind rezultatele din capitolele 3 și 4, energia termică obținută și se dimensionează sistemele pentru asigurarea integrală a funcționalității de apă caldă menajeră. Se calculează cantitatea de combustibil fosil economisit (de la 0,2% până la 10%), reducerea poluării cu CO2, fezabilitatea implementării lor pe nave (cu recuperarea investiției de la 6 la 18 ani).

În Capitolul 7 sunt sintetizate concluziile finale și contribuțiile originale ale tezei, modul de diseminare a rezultatelor și direcțiile viitoare de cercetare în domeniu.

10

CAPITOLUL 1 SISTEME DE PRODUCERE A ENERGIEI LA BORDUL NAVELOR. SURSE

REGENERABILE DE ENERGIE 1.1 Sisteme clasice de asigurare a energiei la bordul navelor comerciale

Energia la bordul navelor este necesară pentru a asigura deplasarea navei, prin acționarea

sistemului de propulsie, sau pentru a permite desfășurarea în bune condiții a activităților de la bord prin asigurarea de energie electrică sau termică de către instalațiile și echipamentele navale.

Pe navele comerciale, cele mai des întâlnite sisteme de propulsie și sisteme de generare a energiei electrice sunt cele acționate de motoare cu ardere internă, care pot funcționa cu combustibil greu (păcură) sau cu combustibil ușor (motorină). Puterea acestor motoare depinde de dimensiunile și destinația navei și are valori care pot varia de la câțiva kW până la zeci de mii de kW.

Pentru producerea energiei termice sunt utilizate echipamente navale precum generatoarele de abur sau caldarinele.

Aproximativ 7% din energia gazelor de evacuare este în prezent recuperată; de aceea, literatura de specialitate prezintă variante de îmbunătățire a sistemelor existente și soluții inovative, vizând în special problematica valorizării la maxim a energiei din aceste gaze (Baldi F. et al., 2014).

Pe timpul staționării navei în port sau în radă, când consumul de energie termică este mic, se poate elimina (total sau parțial) utilizarea sistemelor convenționale de producere a energiei și înlocuirea lor cu sisteme solar-termice, deoarece: echipamentele convenționale funcționează cu sarcină foarte redusă, ceea ce reprezintă un regim impropriu de exploatare; utilizarea sistemelor solar-termice generează economii de combustibil fosil; se elimină emisiile de gaze cu efect de seră, care au un impact direct asupra comunităților aflate în vecinătatea porturilor (Corbett et al., 2007).

Desigur, sistemele solar-termice contribuie la sustenabilitatea transportului naval și în timpul deplasării navei. 1.2 Stadiul actual al implementării sistemelor de energie regenerabilă la bordul navelor comerciale

Soluțiile alternative, identificate în literatura de specialitate pentru reducerea sau înlocuirea

consumului de combustibili fosili la bordul unei nave și pentru reducerea impactului asupra mediului, constau în utilizarea de (Cotorcea A. et al., 2014b): vele clasice sau rigide, sisteme tip ”zmeu”, rotor Flettner, sisteme de energii regenerabile implementate la bordul navelor (turbine eoliene, module fotovoltaice) și pile de combustie cu hidrogen.

Aceste soluții pot fi folosite individual sau în combinație (ca sisteme hibride) pentru generarea de energie electrică și termică sau pentru asistarea propulsiei. În continuare este realizată o descriere succintă a acestor soluții.

1.2.1 Vele și sisteme tip ”zmeu” Unica utilizare a acestor soluții tehnologice este la asistarea propulsiei navei. Ambele sisteme,

prin folosirea energiei eoliene ca forță de tractare, asigură o reducere a combustibilului consumat de motorul principal.

Capitolul 1 Sisteme de producere a energiei la bordul navelor. Surse regenerabile de energie

11

În 1995, Departamentul de Mediu și Energie din Danemarca a finanțat un studiu realizat de firma de consultanță Knud E. Hansen A/S cu privire la utilizarea velelor în industria navală. Ca urmare, între 1995 și 1999 compania a dezvoltat un model de tanc petrolier de 200 m lungime și 50.000 tdw, cu propulsie asistată de vele (figura 1.1). Studiile de fezabilitate pentru acest proiect au condus la următoarele concluzii: costul de construcție al navei a crescut cu 10%; economia de combustibil a variat între 20% și 27% pentru anumite rute maritime, în funcție de viteza medie a navei și de alegerea rutelor de transport de la nord la sud, ținând cont astfel de curenții de aer la nivel global; segmentul de piață ideal pentru utilizarea velelor pe navele comerciale este transportul mărfurilor vrac pe distanțe lungi.

Figura 1.1 Model navă cu vele

(sursa: www.ibiblio.org) Figura 1.2 Nava Beluga SkySails

(sursa: www.skysails.info) Sistemele tip ”zmeu” sunt sisteme revoluționare în ceea ce privește propulsia navei și se

răspândesc din ce în ce mai mult. Eficiența lor se bazează pe o viteză a vântului mult mai mare la altitudinea ridicată la care operează (în zona curenților de forfecare), față de viteza vântului de la nivelul apei. Aria parașutelor de tip ”zmeu” variază între 150 și 600 m2. Ele sunt atașate la navă prin intermediul unui cablu printr-un punct de remorcare (situat în mod normal în prova navei) și manevrat cu ajutorul unui cabestan dispus pe punte. Un astfel de proiect este cel al navei Beluga SkySails (figura 1.2), intrată în exploatare în anul 2008. Aceasta dispune de un sistem tip zmeu utilizat ca sursă de propulsie adițională. Folosirea acestei inovații reduce consumul de combustibil cu aproximativ 15% și astfel diminuează semnificativ emisiile de gaze cu efect de seră. Firma producătoare a implementat acest sistem și pe nava Michael A, iar testele pilot au condus la realizarea unei economii de combustibil de până la 57% (www.skysails.info).

1.2.2 Rotorul Flettner O altă metodă de valorificare a energiei eoliene este utilizarea rotoarelor Flettner (Rehmatulla et

al., 2015). Această tehnologie, dezvoltată de inginerul german Anton Flettner în anii ‘20, constă în crearea de către rotoarele verticale a unei mișcări de ridicare sub efectul Magnus. Un avantaj al acestor rotoare constă în faptul că nu afectează operațiunile de la bord (în special cele legate de manevrarea mărfii). Prima navă pe care s-a implementat acest tip de sistem a fost nava Buckau (figura 1.3) în anul 1925.


12

Figura 1.3 Nava Buckau (www.oldsaltblog.com)

Figura 1.4 Nava E-SHIP 1 (www.marineinsight.com)

Un exemplu de navă ce folosește această tehnologie este E Ship 1 (figura 1.4). Nava are patru

piloni (coloane), cu un diametru de 4 metri și o înălțime de 27 de metri. Este deținută de al treilea cel mai mare constructor de turbine eoliene, Enercon GmbH, și este destinată transportului de componente pentru turbinele eoliene, în special, dar este prevăzută să transporte și vehicule. Cu ajutorul rotoarelor Flettner compania se așteaptă la o reducere cu 30-40% a costurilor cu combustibilul, la o viteză a navei de 16 noduri (viteza maximă fiind de 17,5 noduri).

1.2.3 Turbine eoliene Turbinele eoliene au cea mai semnificativă utilizare la bordul navelor ca parte a unui sistem hibrid

cu pile de combustie pe bază de hidrogen; energia electrică produsă de turbinele eoliene poate fi utilizată în cadrul procesului de generare a hidrogenului.

Cel mai des întâlnite turbine eoliene sunt cele cu ax orizontal (Horizontal Axis Wind Turbines - HAWT). Implementarea acestora pe navele comerciale este posibilă și recomandată având în vedere că forța vântului este mai mare în larg decât pe uscat, ceea ce conduce la performanțe bune. Fezabilitatea tehnică a instalației depinde de diametrul palelor, înălțimea la care este dispus axul de rotație, diametrul bazei și masa.

1.2.4 Sisteme fotovoltaice

Sistemele fotovoltaice au numeroase aplicații pe uscat. Instalarea acestor sisteme pe navele

comerciale este o modalitate eficientă de a minimiza costurile cu combustibilul și de a reduce emisiile de dioxid de carbon. Fezabilitatea instalării de module fotovoltaice pe nave are în vedere perioada de amortizare a investiției în raport cu economia de combustibil și reducerea poluării (Atodiresei et al., 2017). Parametrii importanți considerați pentru realizarea unei analize relevante sunt radiația solară disponibilă, costul investiției și costul combustibilului.

Cel mai cunoscut exemplu de implementare a modulelor fotovoltaice în domeniul naval este nava de tip catamaran PlanetSolar (figura 1.5). Nava dispune de 537 m2 de module fotovoltaice ce alimentează 6 blocuri de acumulatori litiu-ion.


13

Figura 1.5 Nava PlanetSolar (sursa: www.planetsolar.org)

Caracteristicile de construcție ale navei, în special cele legate de forma sa, completate cu

modulele fotovoltaice instalate permit navei să navigheze fără a utiliza sistemele clasice de propulsie, autonomia fiind practic infinită. 1.3 Concepte de nave prietenoase cu mediul înconjurător

Numeroase noi concepte sunt formulate în literatura de specialitate; acele concepte care vor

fi validate tehnologic pot fi implementate în următorii 10...30 de ani și au ca obiectiv nave independente energetic.

Sistemul elaborat de Aquarius MRE (figura 1.6) va utiliza sisteme cu vele rigide și module fotovoltaice pentru captarea energiei solare și a celei eoliene. Pe navele mari pot fi instalate până la douăzeci de astfel de vele rigide, în timp ce pe navele mai mici ar fi nevoie de una sau două vele. Sistemul nu este conceput pentru a fi principala sursă de energie electrică a navei (www.ecomarinepower.com). În funcție de numărul, mărimea, forma și configurația velelor rigide se estimează că sistemul va reduce cu circa 20% consumul anual de combustibil al navelor.

Figura 1.6 Model de navă cu vele solare rigide (sursa: www.ecomarinepower.com)

Alte concepte de nave care au un impact redus asupra mediului sunt: - nava de tip cargo cu vele (figura 1.7), dezvoltată de B9 Shipping; conceptul prevede ca nava

să obțină 60% din energia necesară cu ajutorul velelor și 40% cu ajutorul motoarelor auxiliare ce vor funcționa pe biogaz derivat din valorificarea deșeurilor;

- nava de pasageri STX Eoseas (figura 1.8), dezvoltată de STX Europe; nava va fi echipată cu un sistem de vele (cu o suprafață de aproximativ 12440 m2) care va asista propulsia și va utiliza gazul natural lichefiat în combinație cu dieselul pentru antrenarea a patru generatoare; de asemenea, este prevăzută și instalarea a 8300 m2 de celule fotovoltaice; proiectul își


14

propune reducerea cu 50% a consumului de putere și a emisiilor de CO2, precum și reducerea emisiilor de SO2 și NOx cu 100%, respectiv 90% (www.ship-technology.com).

Figura 1.7 Concept de navă cargo cu vele (www.b9energy.com)

Figura 1.8 Nava STX Eoseas (www.ship-technology.com)

1.4 Colectoare solar-termice implementate la bordul navelor

Dacă implementarea sistemelor fotovoltaice la bordul navelor este intens investigată, utilizarea sistemelor solar-termice (cu colectoare plan-plate sau cu tuburi vidate) este extrem de puțin abordată (Cotorcea A., Vișa I., 2014a; Cotorcea A. et al., 2013). Principial, utilizarea radiației solare este similară în cazul ambelor sisteme, cu un avantaj pentru sistemele solar-termice care pot utiliza în mai mare măsură și componenta infraroșu (IR) a spectrului solar.

Implementarea colectoarelor solar-termice pentru prepararea apei calde menajere necesară în activitățile curente și cu aport în asigurarea energiei termice reprezintă o soluție alternativă. Acesta devine un avantaj semnificativ pentru perioadele de staționare ale navelor în port, utilizarea energiei solare pentru producerea de energie termică necesară unei funcționări reduse poate conduce la eliminarea noxelor și emisiilor produse de combustibilii fosili.

Există până în prezent puține preocupări privind conversia solar-termică pe nave și ca atare puține referințe în literatură. Un exemplu de implementare pentru nave mici, de agrement (yachturi), este cel prezentat de firma Open Ocean, într-o combinație de două colectoare solar-termice și trei module fotovoltaice, figura 1.9.


15

Figura 1.9 Sistem de colectoare solar-termice și module fotovoltaice

(sursa:www.openoceanwatermakers.co.nz)

Figura 1.10 Sistem de colectoare solar-termice pentru desalinizarea apei și producerea de apă

potabilă (sursa:www.kysearo.com) O aplicație interesantă la bordul navelor este desalinizarea apei în sisteme cu colectoare solar-

termice plan-plate, pentru prepararea apei dulci. Această aplicație propusă inițial pentru platformele de foraj marin, a fost implementată pe nave de croazieră, pe nave comerciale și pe yachturi, cu capacități variind între 1...200 tone de apă/zi, figura 1.10.

1.5 Concluzii

Din parcurgerea literaturii de specialitate și a informației tehnologice și comerciale dedicate

transportului naval, a reieșit faptul că soluțiile tehnologice bazate pe utilizarea surselor de energii regenerabile reprezintă alternative pentru îmbunătățirea eficienței energetice a navelor comerciale prin reducerea dependenței de combustibilii fosili. Studiile efectuate până în prezent se axează pe valorificarea în principal a energiei eoliene. De asemenea, pe plan secund, este considerată oportună captarea energiei solare și transformarea ei în energie electrică.

De remarcat este faptul că problematica conversiei energiei solare în energie termică, bazată pe utilizarea colectoarelor solar-termice este încă în fază incipientă, având un potențial real, incomplet exploatat. De regulă în sistemele solar-termice existente (implementate) colectoarele sunt dispuse orizontal, ceea ce conduce la pierderi foarte mari de eficiență. În consecință, este necesar un studiu detaliat asupra particularităților și funcționalității sistemelor instalate pe nave și orientarea colectoarelor solar-termice pentru captarea optimă a radiației solare disponibile.

În acest context, în prezenta lucrare se abordează o perspectivă tehnico-științifică asupra oportunității adaptării și implementării sistemelor de conversie a energiei solare în energie termică la bordul navelor comerciale și se deschide o nouă direcție de cercetare privind implementarea și optimizarea acestora.


16

1.6 Obiectivele tezei Obiectivul general

Studiul adaptabilității și implementării pe nave a sistemelor de conversie a energiei solare în energie termică Obiectivele operaționale

1. Particularități funcționale ale sistemelor de conversie a energiei solare în energie termică pe nave

2. Modelarea radiației solare pe întinderile mari de apă 3. Studiul influenței mișcărilor navei asupra eficienței captării radiației solare 4. Optimizarea poziționării colectoarelor pe nave 5. Cercetări experimentale privind influența unghiului de înclinare asupra eficienței captării

radiației solare 6. Analiza eficienței implementării, prin studii de caz pentru nave de transport marfă și pentru

nave de pasageri

17

CAPITOLUL 2 PARTICULARITĂȚI DE OPERARE A SISTEMELOR SOLAR–TERMICE

AMPLASATE PE USCAT ȘI PE NAVE 2.1 Sisteme solar – termice. Generalități

Sistemele solar – termice realizează conversia energiei solare în energie termică, care poate fi

utilizată ca atare sau, prin conversie, poate fi utilizată pentru obținerea de energie electrică. Sistemele solar–termice (SST) sunt concepute să utilizeze radiația solară globală disponibilă.

Elementul activ al unui sistem solar – termic este convertorul, denumit colector solar-termic (CST). Celelalte elemente ale unui SST sunt similare sistemelor convenționale de încălzire sau răcire. Acest aspect crește gradul de acceptanță a SST, deoarece ele pot fi ușor cuplate sau adaptate la instalațiile existente. În zilele sau sezoanele în care radiația solară disponibilă nu oferă întreaga energie termică necesară, sistemele sunt prevăzute cu un tanc de stocare care poate fi încălzit de la o sursă complementară: pompe de căldură, gaz natural, energie electrică etc.

Randamentul global al unui SST este dat de raportul dintre căldura utilă (𝑄𝑢) și produsul dintre radiația globală (𝐺) și aria suprafeței (𝐴) pe care aceasta este incidentă (ecuația 2.1).

𝜂 =𝑄𝑢

𝐺∙𝐴 [%] (2.1)

Pentru a atinge temperatura (joasă sau medie) necesară au fost dezvoltate diferite tipuri de colectoare care valorifică radiația solară globală. În acest moment se utilizează pentru aplicații curente colectoare solare plan plate și colectoare solare cu tuburi vidate.

Colectoarele plan plate și cele cu tuburi vidate pot valorifica atât radiația directă, cât și radiația difuză; în cele mai multe cazuri, ele sunt fixe și înclinate optim, fiind cunoscute și sub denumirea de colectoare staționare. Pentru creșterea cantității de radiație solară incidentă pe colector și deci a căldurii utile generate, se poate alege varianta orientării suprafeței plane a modulului pentru a menține raza solară perpendiculară pe această suprafață. Orientarea se realizează de regulă prin sisteme mecanice de tip mecanisme (Vișa et al., 2015).

Eficiența unui colector plan plat poate fi descrisă în funcție de căldura utilă, astfel:

𝜂 =𝑄𝑢

𝐺𝑐∙𝐴𝑐=

�̇� ∙𝑐𝑝∙(𝑇𝑖𝑒ș−𝑇𝑖𝑛𝑡)

𝐺𝑐∙𝐴𝑐 (2.2)

unde: �̇� este debitul de fluid, 𝑐𝑝 este căldura specifică a fluidului, 𝑇𝑖𝑒ș și 𝑇𝑖𝑛𝑡 sunt temperaturile de la ieșirea, respectiv intrarea din/în colector, 𝐴𝑐 reprezintă aria suprafeței de apertură, iar 𝐺𝑐 este radiația solară globală în planul colectorului.

Eficiența experimentală depinde de eficiența de conversie a colectorului (eficiența nominală dată de producător 𝜂0) și de pierderile termice, (Duffie J.A., Beckman W.A., 2006):

𝜂 = 𝜂0 − 𝑎 ∙ 𝑇𝑚∗ (2.3)

unde: a este un parametru constructiv (specific fiecărui tip de colector), iar 𝑇𝑚∗ este temperatura

redusă, calculată ca raport între diferența dintre temperatura medie a fluidului (𝑇𝑚) și temperatura mediului ambiant (𝑇𝑎) și radiația globală G (Duffie J.A., Beckman W.A., 2006):

𝑇𝑚∗ =

𝑇𝑚−𝑇𝑎

𝐺 (2.4)

Căldura utilă produsă este mai mare cu cât radiația solară globală în planul colectorului plan plat este mai ridicată, iar acest lucru poate fi obținut prin înclinarea optimă a colectorului și orientarea colectorului cu ajutorul sistemelor de urmărire a Soarelui (Cotorcea A. et al., 2014).

Capitolul 2 Particularități de operare a sistemelor solar-termice amplasate pe uscat și pe nave

18

Particularități de operare a sistemelor solar-termice. În funcție de locația geografică și de condițiile climatice predominante, componentele colectoarelor solar–termice sunt supuse solicitărilor mecanice și climatice, precum temperaturi înalte, vânt, zăpadă, umiditate, salinitate sau atmosferă corozivă, aspecte care pot conduce la deteriorarea rapidă a acestor componente și, implicit, la scăderea eficienței sistemului (Kaltenbach T. et al., 2014).

Deși comportarea colectoarelor solar-termice nu a fost intens testată în largul mării, o analogie din acest punct de vedere poate fi făcută cu testările efectuate în zonele de litoral sau cu cele efectuate în simulatoare solare asociate cu o atmosferă salină (Slamova K. et al., 2016; Kaltenbach T. et al., 2014; Ciobanu D. et al., 2014).

Sistemele solar-termice amplasate pe uscat au o poziție fixă optimă. La amplasarea lor pe nave, una dintre problemele majore o constituie schimbarea continuă a poziției și direcției de înaintare a navei. Consecințele deplasării constau în modificarea permanentă a latitudinii și a orientării colectoarelor față de Soare. Ca urmare este necesară asigurarea orientării optime (spre direcția Sud dacă observatorul se află în emisfera nordică și spre Nord dacă observatorul este în emisfera sudică) a colectorului/sistemului de colectoare în vederea obținerii unei cantități de energie termică cât mai ridicate.

Poziția unei nave pe globul terestru se determină în raport cu cele două cercuri mari ale căror plane sunt reciproc perpendiculare: ecuatorul terestru și meridianul zero (Greenwich). Orice punct de pe suprafața sferei terestre se află la intersecția unui cerc paralel cu un cerc meridian, denumite paralela și, respectiv, meridianul locului. Paralela locației se identifică prin latitudine, iar meridianul prin longitudine. Astfel, cunoașterea celor două coordonate geografice oferă informații asupra poziției navei pe suprafața Pământului. În navigație, latitudinea se notează cu 𝜑 și ia valori între 0°(la ecuator) și 90° (la poli), considerându-se pozitivă în emisfera nordică și negativă în emisfera sudică. Longitudinea se notează cu 𝜆 și are valori cuprinse între 0° (pentru punctele situate pe meridianul Greenwich) și 180° (pentru punctele situate pe meridianul de 180°), considerându-se pozitivă în emisfera estică și negativă în emisfera vestică.

Drumul navei (numită și direcție de deplasare) este mărimea care oferă informațiile asupra poziției în raport cu direcția Nord și se determină cu ajutorul compasului. Convențional, când drumul navei este egal cu 0°, însemnă că nava este orientată și se deplasează către Nord. Considerându-se o mișcare în sensul acelor de ceasornic, un drum al navei egal cu 180° va conduce către direcția Sud. În general se recomandă ca drumul navei să fie astfel ales încât să respecte următoarele cerințe principale: să se afle pe o rută comercială; să corespundă distanței cele mai scurte (în linie dreaptă); să țină cont de starea vremii la momentul tranzitării de către navă a unei zone, realizându-se astfel importante economii de combustibil (Fang M-C, Lin Y-H, 2015).

Pentru a înțelege mai bine cu ce frecvență se schimbă direcția de deplasare a navei pe parcursul unui voiaj, în tabelul 2.1 sunt prezentate în extras caracteristicile principale ale voiajului (poziția și direcția navei, data și ora) pe o rută scurtă din Marea Neagră: Constanța – Poti (Georgia). Pe lângă schema traseului pe ruta prezentată anterior, în figura 2.1 a fost evidențiată încă o rută, care unește porturile Nos Kaliakra (Bulgaria) și Odessa (Ucraina).

Tabelul 2.1 Caracteristicile principale ale voiajului pe ruta Constanța - Poti

Punctul Latitudine Longitudine Drumul navei Data și ora 1 44° 08.884' N 028° 39.920' E - 6/19/2015 12:00 2 44° 03.299' N 028° 43.664' E 143.4° 6/19/2015 13:00 …………………………………………


19

Punctul Latitudine Longitudine Drumul navei Data și ora 5 43° 47.395' N 028° 53.512' E 090.5° 6/19/2015 16:00 6 43° 47.359' N 029° 03.177' E 090.5° 6/19/2015 17:00 …………………………………………

21 43° 46.718' N 031° 28.119' E 090.5° 6/20/2015 8:00 22 43° 44.254' N 031° 37.053' E 116.0° 6/20/2015 9:00

………………………………………… 35 43° 04.342' N 033° 29.117' E 116.0° 6/20/2015 22:00 36 43° 03.451' N 033° 38.561' E 093.3° 6/20/2015 23:00 37 43° 03.046' N 033° 48.093' E 093.3° 6/21/2015 0:00

………………………………………… 81 42° 45.228' N 040° 46.480' E 093.3° 6/22/2015 20:00

………………………………………… 88 42° 10.941' N 041° 31.998' E 148.2° 6/23/2015 3:00

CONSTANȚA

POTI-Georgia

41°N

44°N

45°N

117 Mm100 Mm

315 Mm

NOS KALIAKRA (Bulgaria)

84 Mm

36 Mm

TURCIA

UCRAINA

RUSIA

ODESA (Ucraina)

MAREA NEAGRĂ

Figura 2.1 Hartă cu descrierea a două rute comerciale din Marea Neagră

Din tabelul 2.1 și figura 2.1 se observă faptul că nu există mai mult de trei schimbări de direcție

pe perioada voiajului Constanța - Poti, iar din simularea voiajului cu o viteză a navei de 7 noduri, durata cea mai lungă în care nava păstrează același drum este de 45 de ore. Această perioadă, raportată la durata întregului voiaj care este de 88 de ore, reprezintă aproximativ 50%. Schimbările de drum sunt cu atât mai rare și apar la un interval mai mare în cazul traversadelor de oceane, caz în care nava păstrează aceeași direcție de înaintare o perioadă mai mare de timp. Viteza aleasă în cadrul simulării este în concordanță cu practica din domeniu și cu elementele identificate în literatura de specialitate (Psarafti H.N., Kontovas C.A, 2014). 2.2 Poziționarea colectoarelor solare într-o locație dată

Poziționarea unui colector solar în planul observatorului se face ținând seama de poziția unghiulară relativă Soare - Pământ și Soare - Planul observatorului.

Considerând mișcarea Soare – Pământ inversată (în care Pământul devine fix și Soarele în mișcare în jurul Pământului), dreapta care unește centrele celor două corpuri solare face cu axa polară a Pământului unghiul de 90° la echinocții, unghiul minim la solstițiul de vară și unghiul maxim la solstițiul de iarnă. Pentru a caracteriza acest unghi variabil se definește unghiul de declinație (figura


20

2.2), ca unghi dintre dreapta care unește centrul Soarelui cu centrul Pământului și Planul ecuatorial al Pământului. Valorile lui sunt zero la echinocții, maxim (pozitiv) la solstițiul de vară și minim (negativ) la solstițiul de iarnă.

δ

ω

N

S

χ

χ

χ

O

O

Planul orizontal al observatorului23°45'

Normala la planul ecliptic

φ

C

Figura 2.2 Unghiul declinației Soarelui δ, unghiul de înclinare al unei suprafețe colectoare χ și

unghiul orar ω Unghiul δ se calculează cu relația 2.5 (Cooper, P.I. 1969; Vișa et al., 2015).

𝛿 = 23,45 ∙ 𝑠𝑖𝑛 [360

365(284 + 𝑛)] ≈ 23,45 ∙ 𝑠𝑖𝑛 [

360

365(𝑛 − 80)] [°] (2.5)

Ca urmare, 𝛿 = 𝛿(𝑛) (2.6)

unde n este numărul zilei din an. Poziția unui observator O pe Pământ se definește prin: meridianul pe care se găsește, a cărui

poziție este dată de unghiul longitudinal λ, și latitudine, definită prin unghiul φ (figura 2.3). Deci pe Pământ poziția observatorului O este:

𝑂 → 𝑓(𝜆, 𝜑) (2.7) Prin convenție, pentru emisfera nordică unghiul latitudinii φ este pozitiv, în timp ce pentru

emisfera sudică el este negativ. În mișcarea zilnică de rotație proprie a Pământului, poziția curentă a observatorului O se

definește prin unghiul orar ω dintre poziția meridianului observatorului la amiază (când meridianul observatorului este conținut în planul determinat de axa polară N-S și dreapta CS care unește centrele celor două corpuri) și poziția lui curentă (figura 2.2). Unghiul este definit prin relația:

𝜔 = 15 ∙ (12 − 𝑇𝑠) (2.8) unde 𝑇𝑠 reprezintă timpul solar, egal cu 12 la amiază. Ca urmare, unghiul orar este pozitiv înainte de amiază (dimineața) și negativ după amiază (după amiază). Deci:

𝜔 = 𝜔(𝑇𝑠) (2.9) Planul orizontal al observatorului este perpendicular pe dreapta care unește centrul C al

Pământului cu poziția observatorului O (axa zenitală). Captarea maximă a radiației solare se realizează atunci când planul colectorului este perpendicular pe direcția razelor solare.

Unghiul dintre planul orizontal al observatorului și planul colectorului optim orientat, la amiază, se denumește unghi de înclinare și se notează cu χ (figura 2.2). Conform figurii, unghiul de înclinare este dat de relația:

𝜒 = |𝜑 − 𝛿| (2.10)


21

NMeridianul

observatorului

Meridianul zero

C

Planul ecuatorial

Emisfera nordică

Emisfera sudică

O

O

Axa de rotație a Pământului

Figura 2.3 Coordonatele geografice φ și λ ale unei locații

După cum a fost menționat anterior, unghiul φ este variabil funcție de poziția observatorului, iar unghiul δ este variabil funcție de ziua din an. Ca urmare:

𝜒 = 𝜒(𝜑, 𝛿) (2.11) Iar pentru un unghi φ dat:

𝜒 = 𝜒(𝛿(𝑛)) (2.12) Deci, la amiază, prin unghiul de înclinare χ se realizează captarea maximă a radiației solare.

Pentru a obține același lucru (captare maximă) pe toată perioada unei zile, suprafața colectorului trebuie orientată corespunzător prin mecanisme de orientare funcție de timpul solar Ts, captarea maximă a radiației solare realizându-se atunci când pe tot parcursul zilei suprafața colectorului este perpendiculară pe direcția razelor solare (Vișa et al., 2015).

În planul observatorului (planul orizontal al locului) se definesc direcțiile Nord – Sud (N – S) și Est – Vest (E – V) și în funcție de acestea, sistemul triortogonal drept OXYZ, la care axa OX are sensul pozitiv spre Est, axa OY cu sens pozitiv spre Nord și axa OZ spre zenitul locului (figura 2.4).

Poziția zilnică a Soarelui față de planul orizontal al observatorului se definește în sistemul OXYZ prin:

- unghiul azimutal ψ, măsurat în planul OXY, de la sensul negativ al axei OY, cu sens pozitiv trigonometric; la amiază ψ=0°, dimineața are valori pozitive, iar după amiaza valori negative;

- unghiul altitudinal α, definit ca unghiul dintre direcția razei solare (direcția care unește centrul Soarelui cu observatorul) și planul orizontal OXY; unghiul prezintă valori maxime la amiaza solară și minime egale cu zero la răsăritul și apusul Soarelui.

Complementul unghiului altitudinal α este unghiul zenital θ (θ=90-α). La 𝛼 = 𝛼𝑚𝑎𝑥 rezultă 𝜃 =

𝜃𝑚𝑖𝑛, iar la 𝛼 = 0° rezultă 𝜃 = 90°. Considerând matricele de rotație:

[𝑀𝜓] = [cos𝜓 − sin𝜓 0sin𝜓 cos𝜓 0

0 0 1

] și [𝑀𝜃] = [1 0 00 cos 𝜃 − sin 𝜃0 sin 𝜃 cos 𝜃

] (2.13)

Definite conform figurii 2.5 la care:

𝑂𝑋𝑌𝑍 𝛹 𝑂𝑋𝛹𝑌𝛹𝑍𝛹 𝜃 𝑂𝑋𝜃𝑌𝜃𝑍𝜃 (2.14)


22

Sud

Nord

Vest

Est

Zenit

ψ

α

θ

Z

X

Y

O

Figura 2.4 Unghiurile solare α și ψ din poziția observatorului aflat în emisfera nordică

ψ

O

X

Y

Z Zψ

ψ

ψ

Sud

Xψ -Yψ

ψ

SoareleZ Zψ

Yψ

Zθ Yθ

Xψ Xθ

O

θ θ

θ

b

Figura 2.5 Descrierea vectorului razei solare prin unghiurile 𝜓 și 𝜃 în planul local al observatorului Vectorul direcției razei solare �⃗� în sistemul OXYZ al planului observatorului este:

[𝑏] = [𝑀𝜓] ∙ [𝑀𝜃] ∙ [001] = [

sin𝜓 ∙ sin 𝜃− cos𝜓 ∙ sin 𝜃

cos 𝜃

] = [sin𝜓 ∙ cos 𝛼

− cos𝜓 ∙ cos 𝛼sin 𝛼

] (2.15)

La amiaza solară, 𝜓 = 0 și implicit:

[𝑏]𝑇𝑠=12 = [0

−𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃

] = [0

−𝑐𝑜𝑠𝛼sin 𝛼

] (2.16)

Notând cu �⃗� normala la planul colectorului și cu ν unghiul de incidență dintre normala la plan

și direcția razei solare (figura 2.6), pentru captarea radiației solare maxime 𝜈 = 0. La amiaza solară, unghiul de înclinare optim se stabilește din condiția ca direcția normalei la

planul colectorului să coincidă cu direcția razei solare, adică 𝜈 = 0. Pentru un colector fixat la unghiul de înclinare χ, în orice alt moment al zilei 𝜈 ≠ 0. Numai prin orientare (folosind mecanisme de urmărire) se poate menține 𝜈 = 0 (la orientare continuă) sau 𝜈 foarte mic la orientarea în pași (Vișa et al., 2015).

Considerând cazul general al unui sistem azimutal de orientare:

[𝑛] = [

sin𝜓𝑛 ∙ sin 𝜃𝑛

−cos𝜓𝑛 ∙ sin 𝜃𝑛

cos 𝜃𝑛

] = [sin𝜓𝑛 ∙ cos 𝛼 𝑛

−cos𝜓𝑛 ∙ cos 𝛼𝑛

sin 𝛼𝑛

] (2.17)

unghiul de incidență 𝜈 se obține din:


23

�⃗� ∙ �⃗� = 𝑏 ∙ 𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜈 (2.18) adică

𝜈 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠(𝑐𝑜𝑠𝛼 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜓 − 𝜓𝑛) + 𝑠𝑖𝑛𝛼 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑛) [°] (2.19)

Sud

Nord

Vest

Est

ψ

χ

ν

α

n

O

X

Y

Figura 2.6 Normala la planul colectorului �⃗� și unghiul de incidență ν

Pentru un anumit moment al unei zile n, unghiurile azimutal ψ și altitudinal α se obțin ca

funcții de δ, ω și φ și sunt date de relațiile (Vișa et al., 2015): 𝛼 = arcsin (𝑐𝑜𝑠𝛿 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜔 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑠𝑖𝑛𝛿 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜑) (2.20)

𝜓 = 𝑠𝑔𝑛𝜔 ∙ 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (𝑐𝑜𝑠𝛿∙𝑐𝑜𝑠𝜔∙𝑠𝑖𝑛𝜑−𝑠𝑖𝑛𝛿∙𝑐𝑜𝑠𝜑

𝑐𝑜𝑠𝛼) (2.21)

În concluzie, poziționarea colectoarelor solare într-o locație fixă, definită prin latitudinea φ,

depinde de: ziua din an n, unghiul de declinație δ și unghiul orar ω. În funcție de aceste variabile se determină (alege) unghiul de înclinare χ și algoritmul de orientare

în pași pentru captare suficient de mare a radiației solare. La poziționarea pe navă, latitudinea φ devine variabilă funcție de traseul și emisfera de deplasare

a navei; orientarea inițială pe navă (la unghiul de înclinare χ) spre Sud a colectorului (considerând nava inițial pe direcția N – S cu deplasare spre Nord) este afectată esențial de direcția și sensul de deplasare a navei; planul orizontal al locației devine și el mobil prin unghiurile de ruliu și tangaj ale navei; orientarea prin mecanisme (urmărirea) devine dependentă de parametrii prezentați: latitudine, direcția și sensul deplasării navei, unghiurile de ruliu și tangaj ale navei (Vișa et al., 2016a).

Pe lângă sistemul azimutal de orientare definit prin unghiurile ψ și α uzual mai sunt utilizate sistemul pseudo-azimutal definit prin unghiurile ρ și ε, sistemul ecuatorial definit prin unghiurile δ și ω și sistemul pseudo-ecuatorial definit prin unghiurile γ și β. Perechile de unghiuri caracteristice celor trei sisteme și corelația acestora cu unghiurile sistemului azimutal sunt (Vișa et al., 2015):

➢ sistemul pseudo-ecuatorial: 𝛾 = arcsin (

cos𝛼∙cos𝜓

cos𝛽) , 𝛽 = arcsin(cos 𝛼 ∙ sin𝜓) (2.22)

iar unghiul de incidență este definit prin: 𝑐𝑜𝑠𝜈 = 𝑐𝑜𝑠𝛽 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛾 − 𝛾𝑛) + 𝑠𝑖𝑛𝛽 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑛 [°] (2.23)

➢ sistemul pseudo-azimutal:


24

𝜌 = arcsin (cos 𝛼 ∙ cos𝜓), 휀 = 𝑠𝑔𝑛 𝜓 ∙ arccos (sin𝛼

cos𝜌) (2.24)

iar unghiul de incidență este definit prin: 𝑐𝑜𝑠𝜈 = 𝑐𝑜𝑠𝜌 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜌𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠(휀 − 휀𝑛) + 𝑠𝑖𝑛𝜌 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜌𝑛 [°] (2.25)

➢ sistemul ecuatorial (unghiurile δ și ω – definite anterior), iar unghiul de incidență este definit prin:

𝑐𝑜𝑠𝜈 = 𝑐𝑜𝑠𝛿 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔 − 𝜔𝑛) + 𝑠𝑖𝑛𝛿 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿𝑛 [°] (2.26)

Valorile celor patru perechi de unghiuri sunt esențial influențate de latitudinea și emisfera în care se deplasează nava. Studiul acestora a fost dezvoltat în prezenta lucrare pentru cele două emisfere (din 15° în 15°, începând de la Ecuator până la poli) și evenimentele astronomice importante (solstiții și echinocții). În funcție de aceste unghiuri și de sistemul de orientare adoptat se determină și cursele maxime pentru sistemele de orientare. Rezultatele obținute sunt centralizate în funcție de latitudine și sistem de orientare în tabelul 2.2., și, spre exemplificare, ilustrate grafic în figura 2.7 pentru sistemul pseudo-ecuatorial la latitudinile 30°N și 30°S.

Tabelul 2.2 Valorile maxime ale unghiurilor de orientare în funcție de latitudine

Latitudinea Azimutal Pseudo-azimutal Pseudo-ecuatorial Ecuatorial

α ψ ρ ε γ β δ ω 90°N ≈25° 240° ≈95° ≈135° ≈120° ≈135° ≈25° 240° 75°N ≈25° ≈250° ≈110° 180° ≈140° 180° ≈25° 240° 60°N ≈50° ≈260° ≈120° 180° 170° 180° ≈50° 240° 45°N ≈70° ≈250° ≈105° 180° 180° 180° ≈50° ≈235° 30°N ≈85° ≈240° ≈85° 180° 180° 180° ≈50° ≈210° 15°N ≈85° ≈200° ≈65° 180° 180° 180° ≈50° ≈200°

0° 90° 360° ≈50° 180° 180° 180° ≈50° 180° 15°S ≈85° 360° ≈65° 180° 180° 180° ≈50° ≈200° 30°S ≈85° 360° ≈85° 180° 180° 180° ≈50° ≈210° 45°S ≈70° 360° ≈105° 180° 180° 180° ≈50° ≈235° 60°S ≈50° 360° ≈120° 180° ≈170° 180° ≈50° 240° 75°S ≈25° 360° ≈110° 180° ≈140° 180° ≈25° 240° 90°S ≈25° 360° ≈95° ≈135° ≈120° ≈135° ≈25° 240°

Valoarea maximă 90° 360° 120° 180° 180° 180° 50° 240°

În figura 2.7 si reprezintă solstițiul de iarnă, sv este solstițiul de vara, iar ec reprezintă

echinocțiile. Pe baza datelor din tabelul 2.2 se pot extrage următoarele concluzii:

- Pentru sistemul de orientare azimutal este nevoie de o cursă de 360° pentru mișcarea diurnă descrisă prin unghiul ψ și de 90° pentru mișcarea de elevație corespunzătoare unghiului α;

- Pentru sistemul de orientare pseudo-azimutal este nevoie de o cursă de 180° în cazul mișcării diurne (unghiul ε) și de 120° pentru mișcarea de elevație descrisă prin unghiul ρ;

- Pentru sistemul pseudo-ecuatorial unghiul mișcării diurne β și unghiul altitudinal γ descriu o cursă de 180°;


25

- Sistemul de orientare ecuatorial necesită o cursă de 240° pentru mișcarea diurnă descrisă prin unghiul ω și o cursă de ≈50° pentru mișcarea de elevație descrisă prin unghiul δ;

30°N

30°S

Figura 2.7 Variația unghiurilor γ și β la diferite latitudini

Potrivit tabelului 2.2 cele mai mici curse unghiulare pentru mișcarea diurnă sunt de 180° în cazul sistemelor de urmărire pseudo-azimutal și pseudo-ecuatorial (unghiurile ε și β). Celelalte două sisteme prezintă unghiuri mai mari și implicit mecanisme de acționare mai complexe. Pe de altă parte, unghiul de elevație prezintă cele mai mici valori în cazul sistemului ecuatorial, iar variația zilnică a acestuia nu este necesară. 2.3 Radiația solară

Radiația solară disponibilă oferită de Soare, a cărei putere specifică se exprimă în W/m2, ajunge într-o anumită proporție pe suprafața colectorului funcție de orientarea suprafeței colectorului față de radiația directă (unghiul de incidență 𝜈).

Pentru un unghi de incidență egal cu zero, radiația directă captată este egală cu cea disponibilă. La colectoarele cu orientare fixă la unghiul de înclinare optim, numai la amiaza solară radiația disponibilă este egală cu cea captată. În orice alt moment al zilei radiația captată diferă de cea disponibilă. Dacă unghiul de înclinare este diferit de cel optim pentru ziua respectivă, atunci nici la amiaza solară radiația captată nu este egală cu cea disponibilă. La colectoarele orientabile prin mecanisme de urmărire, numai la orientarea continuă se poate asigura ca radiația captată să fie egală cu cea disponibilă, printr-un algoritm de orientare la care în fiecare moment să se asigure 𝜓𝑛 = 𝜓 și 𝛼𝑛 = 𝛼 (unghiurile razei solare față de planul orizontal să fie egale cu unghiurile de orientare ale colectorului solar). În realitate, orientarea este în pași și ca urmare există un unghi variabil de incidență, cu valori maxime invers proporționale cu numărul de pași din orientare.


26

Pentru colectoarele montate într-o locație fixă radiația disponibilă depinde de ziua din an, de oră, de altitudine, de calitatea zilei (zi senină, înnorată parțial sau total) și de calitatea atmosferei (umiditate, poluare etc.).

Radiația disponibilă se poate determina fie utilizând modele empirice de estimare, fie utilizând baze de date sau software specializat (ex. Meteonorm), fie prin măsurători la fața locului. În capitolul 3 al tezei sunt detaliate aceste aspecte.

Pierderile de radiație la traversarea stratului atmosferic în condiții de cer senin se estimează prin factorul de turbiditate (Linke), iar gradul de acoperire a cerului prin nebulozitate. Factorul de turbiditate mediu apare în modelele empirice de estimare a radiației solare în condiții de cer senin, iar nebulozitatea se ia în calcul printr-un coeficient 𝐹𝑐𝑐 - Factor of Clouds Crossing (Diaconescu et al., 2009) cu care radiația directă care ajunge pe Pământ. Radiația solară directă în condiții de cer real se determină în funcție de radiația directă de deasupra norilor, prin:

𝐵𝑃ă𝑚â𝑛𝑡 = 𝐹𝑐𝑐 ∙ 𝐵 (2.27) La deplasarea pe mare, unde altitudinea este zero, radiația disponibilă este variabilă și în

funcție de locația (latitudine și longitudine) la care se găsește nava. În literatură există baze de date (ex. www.soda-pro.com) în care este dat factorul de turbiditate pentru întinderi mari de apă funcție de poziția geografică și modele empirice determinate prin măsurători ale radiației solare din sateliți. Pe baza acestora, în teză se modelează analitic funcții care permit cu suficientă precizie determinarea factorului Linke în funcție de latitudine, cu care se determină apoi, folosind modelele empirice existente, variația radiației solare disponibile în ziua respectivă.

În funcție de radiația solară disponibilă și de unghiul de incidență se calculează radiația captată de colectoarele solar-termice, energia solară disponibilă (zilnic, lunar, anual) și energia solară captată (zilnic, lunar, anual).

Pentru creșterea gradului de captare a radiației solare trebuie eliminate efectele deplasării pe diferite latitudini din cele două emisfere asupra unghiului de înclinare optim, efectele direcției și sensului de deplasare a navei asupra poziționării colectorului și adoptarea orientării zilnice la unghiuri maxime de orientare cerute de latitudine pentru mecanismul de orientare azimutal, pseudo–azimutal, ecuatorial sau pseudo–ecuatorial utilizat. 2.4 Concluzii și contribuții

Principalele concluzii sunt: - în construcția sistemelor solar-termice amplasate pe nave se recomandă utilizarea

colectoarelor solare plan plate; - modificarea zilnică a latitudinii la deplasarea pe apă, ținând seama de viteza de deplasare a

navei (10 -35 km/h) nu poate depăși 3°; ca urmare, în studiul poziționării colectoarelor solar-termice unghiul de înclinare χ se poate considera constant pentru o zi;

- direcția de deplasare (măsurată față de N) și sensul de deplasare influențează major unghiul de incidență dintre normala la planul colectorului și direcția razei solare;

- latitudinea influențează sensibil amplitudinea mișcărilor de orientare pentru cele patru tipuri de orientări analizate;

- radiația pe întinderile mari de apă este variabilă la deplasarea navei și funcție de poziția geografică a navei (latitudine și longitudine), pentru care se determină factorul Linke folosind baze de date existente;


27

- creșterea gradului de captare a radiației solare se face prin eliminarea efectului deplasării navei pe direcții diferite (orientând colectorul spre Sud), poziționarea colectorului la unghiul de înclinare optim dat de latitudine și perioada din an și orientare zilnică în pași.

Principalele contribuții sunt:

- analiza influenței deplasării navei asupra modificării zilnice a latitudinii și poziționării, exemplificate prin considerarea unor rute caracteristice;

- analiza influenței deplasării pe apă asupra unghiurilor de poziționare a colectoarelor pe o latitudine dată;

- analiza influenței latitudinii asupra amplitudinii unghiurilor de orientare a colectoarelor solar-termice pentru tipurile de orientări analizate (azimutală, pseudo-azimutală, ecuatorială, pseudo-ecuatorială)

- analiza factorilor care determină radiația disponibilă la deplasarea pe apă; - analiza variației radiației solare captate funcție de radiația disponibilă la deplasarea pe apă,

poziționarea colectorului și orientarea acestuia în pași.

28

CAPITOLUL 3 MODELAREA RADIAȚIEI SOLARE

În capitolul de față sunt analizate principalele metode de estimare a radiației solare pentru

uscat și întinderile de apă și este verificată compatibilitatea între aceste modele empirice în vederea stabilirii modelului care va fi utilizat în continuare. Capitolul conține un studiu detaliat asupra factorului de turbiditate (Linke) specific întinderilor mari de apă, utilizat ca mărime de intrare în modele de estimare a radiației. 3.1 Metode de estimare a radiației solare pe uscat

În literatura de specialitate sunt descrise diferite metode de modelare a componentelor

radiației solare (globală, directă și difuză), bazate pe modele parametrice și de descompunere (Pandey C.K., Katiyar A.K., 2013). De asemenea, mai sunt utilizate metode empirice (Pandey C.K., Katiyar A.K., 2009 a,b) și metode bazate pe rețele neuronale artificiale. Acestea din urmă constituie o abordare nouă, larg acceptată, oferind o modalitate alternativă de a sintetiza probleme complexe (Sözen A. et al., 2004; Soares J. et al., 2004). Cel mai des utilizat parametru pentru estimarea radiației solare globale este durata de strălucire a Soarelui, în modelul Angström - Prescott (Prescott J.A., 1940):

𝐻

𝐻0= 𝑎 + 𝑏 (

𝑆

𝑆0) (3.1)

unde S reprezintă durata medie zilnică, iar S0 este durata maximă posibilă de strălucire a Soarelui. Un model de estimare a radiației solare pe uscat, model al școlii germane, testat și validat și în

cadrul Institutului de Cercetare Dezvoltare Inovare al Universității Transilvania din Brașov, este modelul Meliss (Meliss M., 1997). Conform acestui model radiația la intrarea în atmosferă este definită de relația:

𝐵0 = 1367 ∙ [1 + 0,0334 ∙ cos(0,9856° ∙ 𝑛 − 2,72°)] [𝑊 𝑚2⁄ ] (3.2) unde 𝑛 reprezintă ziua din an. Radiația solară directă disponibilă în condiții de cer senin se determină conform relației:

𝐵 = 𝐵0 ∙ 𝑒−

𝑇𝑅0,9+9,4∙𝑠𝑖𝑛𝛼[𝑊 𝑚2⁄ ] (3.3)

unde 𝑇𝑅 este factorul de turbiditate (Linke), iar 𝛼 este unghiul altitudinal definit prin relația (2.20). Radiația solară directă în planul suprafeței colectoare va fi egală cu: 𝐵𝑛 = 𝐵 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜈 [𝑊 𝑚2⁄ ] (3.4)

În care, unghiul de incidență 𝜈, se determină conform ecuației (2.19). Radiația solară difuză în planul suprafeței colectoare este definită de relația (Vătășescu M. et

al., 2011): 𝐷𝑛 = 𝐷𝐻 ∙

1+𝑠𝑖𝑛𝛼𝑛

2 [𝑊 𝑚2⁄ ] (3.5)

unde 𝐷𝐻 reprezintă radiația solară difuză în plan orizontal și este egală cu: 𝐷𝐻 =

1

3∙ (𝐵0 − 𝐵) ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼[𝑊 𝑚2⁄ ] (3.6)

Având radiația solară directă și radiația solară difuză în planul suprafeței colectoare, se obține radiația solară globală:

𝐺𝑛 = 𝐵𝑛 + 𝐷𝑛[𝑊 𝑚2⁄ ] (3.7) Utilizarea datelor despre radiația solară, provenite de la sateliți, împreună cu seturile de date

despre radiația solară și alți parametrii meteorologici înregistrate la sol, a devenit o metodă eficientă de evaluare și analiză a resursei solare. În mod specific, sateliții geostaționari generează informații despre atmosfera Pământului și acoperirea cu nori cu o rezoluție spațială și temporală mare.

Capitolul 3 Modelarea radiației solare

29

Modele au fost dezvoltate în ultimii zeci de ani pentru estimarea radiației solare la nivelul Pământului pe baza imaginilor satelitare (Renne D. et al., 1999; Pinker R.T. et al., 1995). Aceste modele pot fi grupate în modele fizice și în modele statistice (empirice). Modelele statistice sunt considerate a fi mai simple, deoarece nu necesită prea multe informații legate de atmosferă, și se bazează în principal pe prelucrarea datelor satelitare și a măsurătorilor de la nivelul solului. Exemple de astfel de metode de determinare a radiației solare sunt modelul Perez (Perez et al., 2002) și modelul Heliosat dezvoltat pentru sateliții Meteosat (Rigollier C. et al., 2004; Rigollier C. et al., 2000).

Conform modelului Rigollier, dezvoltat în cadrul programului ESRA (European Solar Radiation Atlas), radiația solară directă în plan orizontal este:

𝐵𝐻 = 𝐼0 ∙ 휀 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼 ∙ exp(−0.8662 ∙ 𝑇𝑅 ∙ 𝑚 ∙ 𝛿𝑅) (3.8) unde: 𝐼0 = 1367[

𝑊

𝑚2] este constanta solară, 휀 (ecuația 3.9) reprezintă corecția distanței Soare-Pământ

(sensibil egală cu termenul 1 + 0,0334 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑛 ∙ 0,9856 − 2.72) din modelul Meliss), 𝛼 este unghiul

altitudinal, m reprezintă masa optică relativă a aerului, fiind m0 la nivelul mării (ecuațiile 3.10 și 3.11),

iar 𝛿𝑅 este transparența optică (ecuația 3.12).

휀 = 1 + 0,0334 ∙ cos(𝑛 ∙2𝜋

365,25− 0,048869) (3.9)

𝑚 =𝑝

𝑝0∙

1

𝑠𝑖𝑛𝛼+0,50572∙(57,29578∙𝛼+6,07995)−1,6364 (3.10)

𝑚0 =1

𝑠𝑖𝑛𝛼+0,50572∙(57,29578∙𝛼+6,07995)−1,6364 (3.11)

𝛿𝑅 = [𝑝𝑐 ∙ (6,625928 + 1,92969 ∙ 𝑚0 − 0,170073 ∙ 𝑚0

2 + 0,011517 ∙ 𝑚03 − 0,000285 ∙ 𝑚0

4)]−1 (3.12)

În ecuația (3.10) p reprezintă presiunea atmosferică a locației analizate iar p0 presiunea

atmosferică la nivelul mării, iar interdependența dintre ele este dată de relația: 𝑝

𝑝0= exp(−

𝑧

8435,2) (3.13)

unde z este altitudinea locului considerată în metri. Când 𝑝 = 𝑝0 (cazul studiilor de față) raportul

lor va fi egal cu 1, simplificând aparatul matematic utilizat.

Radiația solară difuză în plan orizontal este definită de relația: 𝐷𝐻 = 𝐼0 ∙ 휀 ∙ 𝑇𝑟𝑑 ∙ 𝐹𝑑 (3.14)

unde Trd este transmitanța difuză când Soarele este la zenit (ecuația 3.15), iar Fd reprezintă funcția unghiulară difuză calculată cu relația (3.16).

𝑇𝑟𝑑 = −0,015843 + 0,030543 ∙ 𝑇𝑅 + 0,0003797 ∙ 𝑇𝑅2 (3.15)

𝐹𝑑 = 𝐴0 + 𝐴1 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝐴2 ∙ 𝑠𝑖𝑛2𝛼 (3.16)

În ecuația (3.16) termenii A0, A1 și A2 sunt dependenți de factorul Linke și se calculează cu ajutorul relațiilor:

𝐴0 = 0,26463 − 0,0615811 ∙ 𝑇𝑅 + 0,0031408 ∙ 𝑇𝑅2 (3.17)

𝐴1 = 2,0402 + 0,018945 ∙ 𝑇𝑅 − 0,011161 ∙ 𝑇𝑅2 (3.18)

𝐴2 = −1,3025 + 0,0392311 ∙ 𝑇𝑅 + 0,00850791 ∙ 𝑇𝑅2 (3.19)

Cunoscând radiația solară directă și radiația solară difuză în plan orizontal se poate determina radiația solară globală în planul suprafeței colectoare, obținându-se astfel mărimea de intrare necesară în calculul energiei termice. Totuși, utilizarea acestui model necesită o atenție deosebită a modului


30

de alegere a factorului Linke. În acest scop, se pot utiliza datele provenite de la sateliți și disponibile la adresa http://www.soda-pro.com/web-services/atmosphere/turbidity-linke-2003. 3.2 Metode de estimare a radiației solare pe întinderile mari de apă

Rradiația solară pe întinderile mari de apă poate fi determinată cu ajutorul metodelor empirice

(Cotorcea A., Vișa I., 2014c). Majoritatea metodelor empirice au fost dezvoltate și validate pentru oceanele Pacific și Atlantic (Reed R.K., 1977; Beriland T.G., 1960; Tabata S., 1964; Atwater M.A., Ball J.T., 1981). De asemenea, studii bazate pe date obținute prin satelit au fost efectuate de Gautier pentru determinarea fluxului de energie în oceanul Indian (Gautier C., 1986).

Variațiile mari în estimarea radiației solare se datorează norilor, iar factorul de acoperire cu nori este utilizat pentru a obține valoarea radiației în condiții de cer real pornind de la condiția de cer senin. Factorul de acoperire al norilor poate fi determinat prin multe alte metode, dintre care cele mai numeroase sunt corelații exponențiale: Kimball (1928) 𝐵𝑅 𝐵 = 1 − 0,71𝐶⁄ Berliand (1960) 𝐵𝑅 𝐵 = 1 − 𝛼𝐶 + 0,38𝐶2⁄ Laevastu (1960) 𝐵𝑅 𝐵 = 1 − 0,60𝐶3⁄ Tabata (1964) 𝐵𝑅 𝐵 = 1 − 0,716𝐶 + 0,00252𝛼⁄ Lumb (1964) Opt formule pentru diferite tipuri de nori

Un model recent de estimare a radiației solare globale pe întinderile mari de apă a fost

dezvoltat de Frank Bason și testat pe timpul expediției Danish Galathea III, expediție desfășurată între august 2006 și aprilie 2007 (Bason F., 2004 și 2007). Conform modelului, radiația solară directă în plan orizontal la nivelul mării este:

𝐵H = 𝐵0 ∙ sinα ∙ e−0,8662∙𝑇𝑅∙m∙𝛿𝑅 (3.20)

iar radiația solară difuză în plan orizontal este: 𝐷H = (49,04 ∙ 𝑇R − 42,32) ∙ (1 − e0,1∙𝑇𝑅−0,0908𝛼) (3.21)

𝛿𝑅 este transparența optică și se calculează cu relația: 𝛿𝑅 = [(6,6296 + 1,7513 ∙ 𝑚 − 0,1202 ∙ 𝑚2 + 0,0065 ∙ 𝑚3 − 0,00013 ∙ 𝑚4)]−1 (3.22)

Masa optică relativă a aerului m se poate determina pe baza ecuației: 𝑚 =

1,002432∙𝑠𝑖𝑛2𝛼+0,148386∙𝑠𝑖𝑛𝛼+0,0096467

𝑠𝑖𝑛3𝛼+0,149864∙𝑠𝑖𝑛2𝛼+0,0102963∙𝑠𝑖𝑛𝛼+0,000303978 (3.23)

sau 𝑚 =1

𝑠𝑖𝑛𝛼 pentru α > 25°.

Pe baza radiației solare directe și difuze în plan orizontal se determină radiația globală în planul suprafeței colectoare, cu observația că, asemenea modelului Rigollier, factorul de turbiditate TR trebuie adoptat pe baza resurselor online disponibile. 3.3 Alegerea modelului de estimare a radiației solare globale pentru întinderile mari de apă

O analiză comparativă a modelelor Meliss, Rigollier și Bason (figura 3.1) arată că modelul

Meliss are tendința de a supraestima radiația solară globală comparativ cu celelalte două modele atât în ianuarie, cât și în iunie. Pe de altă parte, modelele Rigollier și Bason generează valori sensibil egale.

Deoarece modelul Bason a fost testat și pentru întinderile mari de apă, acest model va fi utilizat în continuare în cadrul cercetărilor.


31

a

b

Figura 3.1 Variația radiației solare globale în plan orizontal pentru o locație din marea Neagră în lunile a – ianuarie și b – iunie

Indiferent de modelul folosit, unul dintre parametrii importanți este factorul de turbiditate, iar

alegerea corectă a acestuia are impact asupra radiației solare estimate. Drept urmare, în continuare se impune o analiză a factorului de turbiditate specific întinderilor mari de apă.

3.4 Factorul de turbiditate specific întinderilor mari de apă

Pentru relevanța alegerii factorului 𝑇𝑅 ca valoare de intrare în determinarea radiației solare

pentru locații specifice întinderilor de apă, a fost realizată o analiză a acestui factor în funcție de latitudine (din 15 în 15 grade, de la 75°N la 75°S), longitudine (din 15 în 15 grade, de la 180°V la 180°E) și luna din an (figura 3.2 – punctele evidențiate cu roșu).

Generarea datelor a fost realizată cu ajutorul resurselor online, disponibile la adresa www.soda-pro.com și recomandate în literatura de specialitate (Diabate L. et al., 2003; Hove T., Manyumbu E., 2013). Această resursă online este rezultatul proiectului ”Integration and exploitation of networked Solar radiation Databases for environment monitoring” (SoDa), realizat pe perioadă de 36 de luni începând cu 01.01.2000 de un consorțiu constituit din 11 entități (institute, universități, dezvoltatori privați). În prezent, platforma online este deținută de către Meteotest (Elveția), dezvoltator cunoscut mai ales pentru softul Meteonorm. Meteotest utilizează datele provenite de la 8325 de stații meteo și 5 sateliți geostaționari cu acoperire globală (Meteosat – 7, -8, -9, -10, -11)


32

pentru a răspunde nevoilor industriei și cercetărilor în domeniul resursei solare și valorificării acesteia. Meteosat – 10 este satelitul principal și realizează o scanare completă a Pământului la fiecare 30 de minute. Meteosat – 7 operează deasupra Oceanului Indian și se estimează că va fi scos din uz în anul 2017, urmând ca zona de responsabilitate să fie preluată de Meteosat – 8. Meteosat – 9 realizează imagini la fiecare 5 minute în Europa, Africa și mările adiacente.

Figura 3.2 Proiecția globului Pământesc cu evidențierea punctelor analizate

Datele despre factorul Linke au acoperire globală, pentru orice locație, orice lună din an și

orice altitudine. Aceste date sunt generate pe baza informațiilor preluate de la sateliți, precum radiația globală în condiții de cer senin, conținutul de vapori de apă etc., dar și informații înregistrate la stațiile meteo.

Pe baza datelor pentru fiecare locație, a fost realizat un centralizator al acestora în funcție de latitudine și longitudine. În tabelele 3.1…3.2 sunt prezentate spre exemplificare rezultatele obținute pentru anumite latitudini. De asemenea, au fost analizate și locații continentale pentru a evidenția diferențele majore de valori ale factorului de turbiditate specific celor două medii (apă și uscat). De menționat este faptul că pe întinderile de apă de mici dimensiuni factorul Linke nu suferă modificări majore comparativ cu factorul specific întinderilor de uscat care le încadrează. Acest aspect este important în cazul în care se dorește utilizarea modelelor de estimare a radiației pentru locații precum lacuri, mări închise, râuri.

Tabelul 3.1 Variația 𝑇𝑅 în funcție de longitudine la latitudinea 45°N – întinderi de apă și uscat (cu roșu)

Luna -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 BV 60 90 120 150 180 Medie apă

Medie uscat

Medie total

1 2,1 2,2 2,4 2,6 3,2 2,2 3,1 1,9 2 1,8 1,8 2 2,1 2,2 2,3 2,25

2 2,1 2,2 2,6 2,5 3,2 2,2 3,4 2,1 2,1 1,8 1,8 2 2,1 2,2 2,4 2,3

3 2,3 2,5 2,8 2,8 3,1 2,4 3,4 2,4 2,6 1,8 1,8 2 2,3 2,4 2,6 2,5

4 2,7 2,6 3,1 3,1 3,7 2,8 3,7 2,5 4,1 2,2 2,8 2,5 2,7 2,7 3,1 2,9

5 2,9 3 2,4 3,3 3,8 3,1 4 2,9 5,3 2,8 3,2 3,2 2,9 3,1 3,5 3,3

6 3 3,2 2,3 3,3 3,8 3,3 4,2 2,9 5,4 3,5 3,4 3,2 3 3,2 3,6 3,4

7 3,4 3,4 2,3 3,5 4,3 3,4 4 3,4 6,1 4,1 3,7 3,5 3,4 3,4 3,8 3,6

8 3,3 3,2 2,4 3,3 3,7 3,3 4 3,2 5,5 4,1 3,5 3,4 3,2 3,3 3,6 3,45

9 3 3 2,3 3,1 3,8 3,1 3,8 3,3 4,8 3,4 2,9 3 3 3,1 3,4 3,25

10 2,4 2,7 2,2 2,7 3,5 2,7 3,7 2,5 4 2,8 2,4 2,3 2,4 2,6 2,8 2,7


33

Luna -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 BV 60 90 120 150 180 Medie apă

Medie uscat

Medie total

11 2,2 2,2 1,6 2,6 3,1 2,4 3,3 2,3 3,3 1,9 1,8 2,1 2,2 2,3 2,4 2,35

12 2,1 2,2 2,1 2,4 3,1 2,2 2,8 2,0 2,1 1,8 1,8 2 2,1 2,2 2,3 2,25 Medie

an 2,6 2,7 2,3 2,9 3,5 2,7 3,6 2,6 3,9 2,6 2,5 2,6 2,6 2,7 3,0 2,85

Tabelul 3.2 Variația 𝑇𝑅 în funcție de longitudine la latitudinea 45°S

Luna -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Medie lunară

1 3,1 3,1 3,1 3 3,1 3,1 3,1 3 3 3 3,1 - 3,1 3,0 2 3 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,8 2,9 2,9 2,9 2,9 - 3 2,9 3 2,6 2,5 2,3 2,4 2,4 2,3 2,3 2,4 2,3 2,2 2,2 - 2,5 2,4 4 2,6 2,6 2,7 2,6 2,6 2,7 2,4 2,4 2,6 2,5 2,6 - 2,7 2,6 5 2,2 2,2 2,3 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,3 - 2,3 2,2 6 2,1 2,2 2,2 2,2 2,1 2,1 2,1 2,2 2,2 2,2 2,2 - 2,1 2,2 7 2,2 2,1 2,2 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,2 2,1 - 2,2 2,1 8 2,3 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 - 2,2 2,1 9 2,4 2,5 2,6 2,5 2,6 2,6 2,5 2,7 2,7 2,6 2,6 - 2,5 2,6 10 2,7 2,7 2,6 2,5 2,5 2,5 2,5 2,6 2,6 2,6 2,8 - 2,8 2,6 11 2,7 3 2,8 3 3 2,9 3 3 2,8 2,9 2,9 - 3 2,9 12 3 3 3 2,9 3 2,9 3 2,9 2,9 3 3 - 3 3,0

Medie an 2,6 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 - 2,6 2,5

Analiza valorilor prezentate în tabelele 3.1…3.2 arată diferențe între coeficienții medii lunari la diverse longitudini. Aceste diferențe sunt prezentate în tabelul 3.3 și evidențiate grafic în figura 3.3 pentru latitudinea de 45°N.

Tabelul 3.3 Diferențele maxime și minime între valorile 𝑇𝑅 la latitudinea de 45°N (întinderi de apă)

Luna Medie lunară

Valoarea maximă

Valoarea minimă

Valoarea medie lunară – Valoarea

maximă

Valoarea medie lunară – Valoarea

minimă

Ianuarie 2,2 2,6 2 -0,4 0,2 Februarie 2,2 2,7 2 -0,5 0,2 Martie 2,4 2,8 2,2 -0,4 0,2 Aprilie 2,7 3,1 2,5 -0,4 0,2 Mai 3,1 3,3 2,9 -0,2 0,2 Iunie 3,2 3,5 3 -0,3 0,2 Iulie 3,4 3,5 3,3 -0,1 0,1 August 3,3 3,4 3,2 -0,1 0,1 Septembrie 3,1 3,3 3 -0,2 0,1 Octombrie 2,6 2,9 2,4 -0,3 0,2 Noiembrie 2,3 2,6 2,1 -0,3 0,2 Decembrie 2,2 2,5 2,1 -0,3 0,1 Medie an 2,7 3 2,6 -0,3 0,1


34

Figura 3.3 Variația lunară a factorului Linke față de medie la latitudinea de 45°N (întinderi de apă)

Din analiza tabelului 3.3, figurii 3.3 și a anexei 1 se poate observa că, pentru o latitudine dată, factorul de turbiditate prezintă variații de până la ±0,5 față de media lunară. De asemenea, din analiza efectuată detaliat în teză se constată că diferențele sunt cu atât mai mici cu cât latitudinile sunt mai depărtate de ecuator. De exemplu, la latitudinile de 30°S, 45°S, 60°S și 75°S diferențele sunt de ±0,2, cu excepția lunilor noiembrie și decembrie. În ceea ce privește emisfera nordică, variațiile nu oferă aceeași predictibilitate precum în emisfera sudică, lucru datorat cel mai probabil influenței suprafețelor continentale mai întinse.

Pentru a identifica influența valorilor maxime și minime ale factorului de turbiditate în funcție de latitudine, a fost realizată o analiză a radiației solare globale în condiții de cer senin pentru latitudinea de 45°N (întinderi de apă). Au fost considerate 12 zile din an, câte una din fiecare lună a anului. Zilele au fost alese astfel încât să fie la jumătatea lunii. Evaluarea radiației solare globale a ținut cont de valorile maxime, minime și medie lunară a factorului Linke și a fost determinată prin modelul Bason, ecuațiile (3.20) ... (3.23), timpul solar fiind considerat între 4 și 20 la interval de 30 de minute.

Pe baza datelor de generare a radiației directe în funcție de factorii de turbiditate maxim, mediu și minim, în tabelul 3.4 este centralizată energia zilnică în cele trei cazuri analizate, și este evidențiată diferența procentuală între cea ce oferă considerarea factorului mediu și ceea ce oferă valorile maxime și minime ale acestuia.

Tabelul 3.4 Energia zilnică în funcției de valorile 𝑇𝑅 la latitudinea de 45°N (întinderi de apă)

Luna E-TR maxim

[Wh/m2] E-TR minim

[Wh/m2] E-TR mediu

[Wh/m2]

𝑬𝑻𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒖−𝑬𝑻𝒓𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎

𝑬𝑻𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒖∙ 𝟏𝟎𝟎

[%]

𝑬𝑻𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒖−𝑬𝑻𝒓𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎


[%] Ianuarie 5461,4 6499,3 6130,4 10,9 -6,0 Februarie 6872,4 8214,3 7798,8 11,9 -5,3 Martie 8826,3 9996,4 9583,5 7,9 -4,3 Aprilie 9626,9 10751,2 10357,3 7,1 -3,8 Mai 10398,1 11125,2 10753,4 3,3 -3,5 Iunie 10543,5 11453,8 11077,2 4,8 -3,4 Iulie 10283,2 10629,6 10454,4 1,6 -1,7 August 9507,3 9836,3 9670,0 1,7 -1,7 Septembrie 7655,2 8124,1 7963,9 3,9 -2,0


35

Luna E-TR maxim [Wh/m2]

E-TR minim [Wh/m2]

E-TR mediu [Wh/m2]

𝑬𝑻𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒖−𝑬𝑻𝒓𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎


[%]

𝑬𝑻𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒖−𝑬𝑻𝒓𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎


[%] Octombrie 6888,7 7748,1 7389,3 6,8 -4,9 Noiembrie 5796,8 6703,1 6321,1 8,3 -6,0 Decembrie 5163,2 5860,9 5676,8 9,0 -3,2

Tabelul 3.4 pune în evidență faptul că diferențele relativ mici între factorii de turbiditate nu

influențează semnificativ aportul de energie disponibilă. Diferențele cele mai mari, de până în 12%, se înregistrează în lunile ianuarie, februarie, noiembrie și decembrie. Un alt aspect important care trebuie avut în vedere este faptul că în lunile mai – septembrie (când aportul de radiație este mai ridicat) diferențele sunt neglijabile, situându-se sub 5%. De asemenea, considerarea unui factor de turbiditate minim asigură obținerea unor diferențe mai mici comparativ cu considerarea unui factor maxim.

Din analiza datelor pentru fiecare latitudine, a rezultat faptul că schimbarea longitudinii nu are un efect semnificativ asupra valorilor factorului de turbiditate specific întinderilor de apă, acesta rămânând aproximativ constant pe latitudine, dar dependent de luna din an. Astfel, media lunară a valorilor corespunzătoare la diferite valori ale longitudinii pentru o latitudine fixată poate fi considerată ca o constantă pentru latitudinea analizată. În tabelul 3.5 este realizată o centralizare a valorilor 𝑇𝑅 în funcție de latitudine.

Tabelul 3.5 Centralizator factor 𝑇𝑅 în funcție de latitudine și media pe longitudine

Luna\Latitudinea 75°S 60°S 45°S 30°S 15°S 0° 15°N 30°N 45°N 60°N 75°N

Ianuarie 2,2 2,5 3,0 3,6 3,8 3,7 3,0 2,5 2,2 2,0 2,0 Februarie 2,0 2,3 2,9 3,5 3,9 3,9 3,2 2,7 2,2 2,0 2,0 Martie 2,0 2,1 2,4 3,2 3,6 4,1 3,5 3,1 2,4 2,0 2,0 Aprilie 2,0 2,1 2,6 3,1 3,4 3,9 3,8 3,3 2,7 2,2 2,0 Mai 1,9 2,1 2,2 2,7 3,1 3,6 3,9 3,6 3,1 2,5 2,1 Iunie 1,9 2,1 2,2 2,7 3,3 3,7 3,9 3,6 3,2 2,7 2,4 Iulie 1,9 2,1 2,1 2,6 3,0 3,5 3,9 3,7 3,4 3,0 2,4 August 1,9 2,0 2,1 2,4 2,9 3,5 4,1 3,7 3,3 2,7 2,2 Septembrie 1,9 2,1 2,6 3,0 3,4 3,9 3,9 3,6 3,1 2,3 2,2 Octombrie 1,9 2,1 2,6 3,2 3,7 3,9 3,5 3,3 2,6 2,2 2,1 Noiembrie 2,0 2,3 2,9 3,5 3,8 3,7 3,2 2,9 2,3 2,1 2,0 Decembrie 2,1 2,4 3,0 3,5 3,8 3,8 3,4 2,8 2,2 2,0 2,0 Medie pe latitudine 2,0 2,2 2,6 3,1 3,5 3,8 3,6 3,2 2,7 2,3 2,1

În continuare, pe baza rezultatelor obținute, au fost generate curbe de variație a factorului de

turbiditate specific întinderilor de apă pentru fiecare lună a anului corelat cu latitudinea; cu minus sunt simbolizate latitudinile din emisfera sudică (figura 3.4 - extras). Din tabelul 3.5 și figura 3.4 se pot extrage următoarele concluzii:

- factorul de turbiditate variază semnificativ cu latitudinea, fiind chiar și de două ori mai mare între latitudinile extreme analizate (75°N și 75°S) și ecuator;


36

- utilizarea valorilor medii lunare, indiferent de latitudine, poate conduce la sub-estimarea sau supra-estimarea factorului Linke cu până la 50%;

- factorul de turbiditate variază puțin cu longitudinea (pentru o latitudinea dată) în cazul întinderilor de apă.

Figura 3.4 Variația 𝑇𝑅 în funcție de luna din an și latitudine (întinderi de apă) - extras

Ca urmare se poate concluziona că, în lipsa datelor relevante obținute prin monitorizare

directă, mediile realizate pentru o latitudine dată pot fi utilizate fără a genera erori mari.

3.5 Modelarea analitică a factorului de turbiditate pe întinderi de apă

Pe baza rezultatelor obținute, pot fi identificate funcții de variație ale factorului Linke cu latitudinea (Cotorcea A. et al., 2016). Variația nefiind una liniară, s-a ajuns la concluzia că aceasta este cel mai bine descrisă prin intermediul unor funcții polinomiale de ordinul 5, tabelul 3.6.

Tabelul 3.6 Centralizator al funcțiilor polinomiale lunare și al coeficienților de corelație Luna Funcția polinomială de ordinul 5 rezultată pe baza valorilor lunare 𝑹𝟐

Ianuarie 𝑦 = −1 ∙ 10−9 ∙ 𝑥5 + 6 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 + 1 ∙ 10−5 ∙ 𝑥3 − 0,0006 ∙ 𝑥2 − 0,0273 ∙ 𝑥 + 3,5953 0,9900 Februarie 𝑦 = −7 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 8 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 + 8 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0007 ∙ 𝑥2 − 0,021 ∙ 𝑥 + 3,7510 0,9910 Martie 𝑦 = −4 ∙ 10−11 ∙ 𝑥5 + 1 ∙ 10−7 ∙ 𝑥4 + 5 ∙ 10−7 ∙ 𝑥3 − 0,0009 ∙ 𝑥2 − 0,0018 ∙ 𝑥 + 3,8597 0,9795 Aprilie 𝑦 = 4 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 7 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 3 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0007 ∙ 𝑥2 + 0,0074 ∙ 𝑥 + 3,8023 0,9909 Mai 𝑦 = 9 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 5 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 9 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0005 ∙ 𝑥2 + 0,0242 ∙ 𝑥 + 3,6009 0,9948 Iunie 𝑦 = 6 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 5 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 7 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0006 ∙ 𝑥2 + 0,0225 ∙ 𝑥 + 3,6893 0,9950 Iulie 𝑦 = 5 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 2 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 7 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,004 ∙ 𝑥2 + 0,0268 ∙ 𝑥 + 3,5329 0,9908 August 𝑦 = 1 ∙ 10−9 ∙ 𝑥5 + 4 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 1 ∙ 10−5 ∙ 𝑥3 − 0,0005 ∙ 𝑥2 + 0,0355 ∙ 𝑥 + 3,5450 0,9906 Septembrie 𝑦 = 7 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 6 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 − 7 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0007 ∙ 𝑥2 + 0,0155 ∙ 𝑥 + 3,8408 0,9961 Octombrie 𝑦 = −8 ∙ 10−11 ∙ 𝑥5 + 7 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 + 9 ∙ 10−7 ∙ 𝑥3 − 0,0007 ∙ 𝑥2 − 0,0013 ∙ 𝑥 + 3,8186 0,9919 Noiembrie 𝑦 = −7 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 6 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 + 7 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0006 ∙ 𝑥2 − 0,0184 ∙ 𝑥 + 3,6995 0,9923 Decembrie 𝑦 = −3 ∙ 10−10 ∙ 𝑥5 + 7 ∙ 10−8 ∙ 𝑥4 + 4 ∙ 10−6 ∙ 𝑥3 − 0,0007 ∙ 𝑥2 − 0,0158 ∙ 𝑥 + 3,7510 0,9970

În tabelul 3.6 cu x este notată latitudinea și cu y factorul Linke. Utilizarea acestor ecuații

polinomiale lunare are un aspect practic, permițând determinarea facilă a factorului Linke pentru orice latitudine (cu valori pozitive pentru latitudini din emisfera nordică și valori negative pentru latitudini din emisfera sudică). În continuare, în tabelul 3.7, s-a realizat o centralizare a coeficienților necunoscutei (latitudine) în funcțiile prezentate anterior. Ca notație s-a utilizat 𝑎1 pentru coeficientul lui 𝑥5 și cu 𝑎6 termenul liber din ecuație.


37

Tabelul 3.7 Valorile coeficienților funcțiilor polinomiale de ordinul 5 Luna 𝒂𝟏 𝒂𝟐 𝒂𝟑 𝒂𝟒 𝒂𝟓 𝒂𝟔

Ianuarie −1 ∙ 10−9 6 ∙ 10−8 1 ∙ 10−5 −0,0006 −0,0273 3,5953 Februarie −7 ∙ 10−10 8 ∙ 10−8 8 ∙ 10−6 −0,0007 −0,0210 3,7510 Martie −4 ∙ 10−11 1 ∙ 10−7 5 ∙ 10−7 −0,0009 −0,0018 3,8597 Aprilie 4 ∙ 10−10 7 ∙ 10−8 −3 ∙ 10−6 −0,0007 0,0074 3,8023 Mai 9 ∙ 10−10 5 ∙ 10−8 −9 ∙ 10−6 −0,0005 0,0242 3,6009 Iunie 6 ∙ 10−10 5 ∙ 10−8 −7 ∙ 10−6 −0,0006 0,0225 3,6893 Iulie 5 ∙ 10−10 2 ∙ 10−8 −7 ∙ 10−6 −0,0040 0,0268 3,5329 August 1 ∙ 10−9 4 ∙ 10−8 −1 ∙ 10−5 −0,0005 0,0355 3,5450 Septembrie 7 ∙ 10−10 6 ∙ 10−8 −7 ∙ 10−6 −0,0007 0,0155 3,8408 Octombrie −8 ∙ 10−11 7 ∙ 10−8 9 ∙ 10−7 −0,0007 −0,0013 3,8186 Noiembrie −7 ∙ 10−10 6 ∙ 10−8 7 ∙ 10−6 −0,0006 −0,0184 3,6995 Decembrie −3 ∙ 10−10 7 ∙ 10−8 4 ∙ 10−6 −0,0007 −0,0158 3,7510

Tabelele 3.6 și 3.7 arată valori ale parametrilor extrem de diferite (acoperind câteva ordine de

mărime), ceea ce poate genera erori. De aceea, s-au reformulat relațiile prin normalizare, corelând latitudinea relativă 𝑥𝑟𝑒𝑙 (raportul dintre latitudine și valoarea maximă a acesteia, 90°) cu factorul de turbiditate relativ 𝑦𝑟𝑒𝑙 (factorul curent împărțit la 5, această din urmă valoare fiind considerată valoarea maximă pe care o poate atinge factorul pe întinderile mari de apă). În tabelul 3.8 sunt prezentate funcțiile polinomiale lunare care descriu corelațiile între factorul de turbiditate relativ și latitudinea relativă.

Tabelul 3.8 Centralizator al funcțiilor polinomiale lunare

Luna Funcția polinomială de ordinul 5 rezultată pe baza valorilor lunare Ianuarie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −1,2711 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,7628 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 + 1,5335 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 0,9694 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 − 0,4906 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7191

Februarie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,8723 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,9969 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 + 1,1483 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 1,1908 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 − 0,3778 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7502 Martie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,0498 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 1,3066 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 + 0,0799 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 + 1,4352 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 − 0,0328 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7719

Aprilie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,4237 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,9214 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 − 0,4818 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 1,1576 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 + 0,1326 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7605 Mai 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 1,0218 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,5966 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 − 1,3025 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 0,8717 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 + 0,4361 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7202

Iunie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,7477 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,6495 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 − 1,0353 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 0,9025 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 + 0,4058 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7379 Iulie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,6231 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,3172 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 − 1,0583 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 0,6256 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 + 0,4825 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7066

August 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 1,4705 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,5136 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 − 1,8859 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 0,7838 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 + 0,6391 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7090 Septembrie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,8225 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,7099 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 − 0,95 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 1,0267 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 + 0,2876 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7677

Octombrie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,0997 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,9592 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 + 0,1372 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 1,188 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 − 0,0239 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7637 Noiembrie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,8474 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,8006 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 + 1,0643 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 1,0435 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 − 0,3314 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7399

Decembrie 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,3738 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,929 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 + 0,6536 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 1,131 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 − 0,2843 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7502

După cum se poate observa, coeficienții funcțiilor polinomiale obținuți în urma considerării latitudinii relative și a factorului de turbiditate relativ sunt mai simplu de utilizat în practică. Din medierea coeficienților lunari, ecuația rezultată este de forma: 𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,1329 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,7886 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 − 0,1748 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 1,0272 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 + 0,0702 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7414 (3.24)

Această ecuație poate fi utilizată pentru calculul mediei anuale a factorului de turbiditate relativ 𝑦𝑟𝑒𝑙 pentru o anumită locație aflată pe apă, identificată prin latitudinea relativă 𝑥𝑟𝑒𝑙.

În continuare, pe baza coeficienților funcțiilor polinomiale din tabelul 3.9, au fost obținute, prin încercări succesive de grupare a lunilor, două ecuații care estimează suficient de bine factorul de


38

turbiditate din punct de vedere al sezonului (Cotorcea A. et al., 2016). Astfel, este considerat sezonul rece intervalul octombrie-martie și sezonul cald intervalul aprilie-septembrie. Pentru sezonul rece, ecuația devine: 𝑦𝑟𝑒𝑙 = −0,5857 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

5 + 0,9592 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙4 + 0,7695 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

3 − 1,1597 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙2 − 0,2568 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7492 (3.25)

Iar pentru sezonul cald ecuația este de forma:

𝑦𝑟𝑒𝑙 = 0,8516 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙5 + 0,6180 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

4 − 1,1190 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙3 − 0,8947 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙

2 + 0,3973 ∙ 𝑥𝑟𝑒𝑙 + 0,7337 (3.26) În tabelul 3.9 sunt prezentate valorile factorului de turbiditate în funcție de latitudine obținute prin utilizarea ecuațiilor (3.25) și (3.26) și valorile funcție de sezon din baza de date, precum și diferențele care apar între cele două situații analizate.

Tabelul 3.9 Centralizator factor 𝑇𝑅 în funcție de latitudine și sezon

Sezonul\Latitudinea 75°S 60°S 45°S 30°S 15°S 0° 15°N 30°N 45°N 60°N 75°N

Octombrie-Martie 2,05 2,22 2,85 3,46 3,79 3,75 3,39 2,86 2,34 2,01 2,01 Baza de date 2,03 2,28 2,80 3,42 3,80 3,85 3,30 2,88 2,32 2,05 2,00 Diferența Sezon – Baza de date -0,02 -0,06 -0,05 0,04 -0,01 -0,10 0,09 -0,02 0,02 -0,04 0,01

Aprilie-Septembrie 1,92 2,06 2,32 2,74 3,24 3,67 3,85 3,68 3,17 2,52 2,18 Baza de date 1,92 2,08 2,30 2,75 3,20 3,68 3,92 3,63 3,13 2,57 2,17 Diferența Sezon – Baza de date 0,00 -0,02 0,02 -0,01 0,04 -0,01 -0,07 0,05 0,04 -0,05 0,01

După cum se poate observa diferențele care apar la nivel de sezon sunt neglijabile și sesizabile doar în momentul considerării celei de a doua zecimală. Acest aspect conduce la concluzia că ecuațiile obținute pot fi utilizate pentru calculul factorului Linke fără a genera erori semnificative.

Pe baza celor două noi relații, a fost reanalizată cantitatea de energie zilnică în funcție de factorul Linke relativ reconsiderat sezonier, iar rezultatele sunt prezentate în tabelul 3.10.

Tabelul 3.10 Energia zilnică în funcției de valorile 𝑇𝑅 relativ sezonier la latitudinea de 45°N

Luna/Energia disponibilă

E-𝑻𝑹 lunar [Wh/m2]

E-𝑻𝑹 sezon [Wh/m2]

𝑬𝑻𝑹𝒔𝒆𝒛𝒐𝒏 − 𝑬𝑻𝑹𝒍𝒖𝒏𝒂𝒓𝑬𝑻𝑹𝒔𝒆𝒛𝒐𝒏

∙ 𝟏𝟎𝟎

[%] Ianuarie 5886,3 6202,3 -5,4 Februarie 7524,1 7778,8 -3,4 Martie 9704,8 9523,6 1,9 Aprilie 9506,3 10280,9 -8,1 Mai 10627,2 10699,1 -0,7 Iunie 11132,6 10985,7 1,3 Iulie 10863,4 10300,2 5,2 August 9886,9 9555,8 3,3 Septembrie 7854,1 8075,6 -2,8 Octombrie 7859,9 7320,0 6,9 Noiembrie 6247,9 6229,8 0,3 Decembrie 5430,1 5551,9 -2,2

Spre deosebire de diferențele obținute anterior, cele din tabelul 3,10 sunt mult mai mici, iar

estimarea în lunile cu cea mai mare importanță din punct de vedere al aportului de radiație solară


39

(iunie-august) este foarte bună, abaterile relative fiind de maxim 5,2%, Drept urmare, formulele de calcul adoptate în funcție de sezon sunt recomandate, 3,6 Concluzii și contribuții

Studiul efectuat permite emiterea următoarelor concluzii și recomandări: - determinarea radiației solare pentru întinderile mari de apă, în lipsa punctelor de monitorizare

directă, se poate realiza cu ajutorul metodelor empirice sau datelor provenite de la sateliți; - valorile factorului de turbiditate din zonele de litoral sunt influențate de întinderile

continentale și nu pot fi considerate ca mărimi de intrare general valabile; - factorul de turbiditate specific întinderilor de apă variază în funcție de latitudine și de luna din

an, oferind astfel predictibilitate în determinarea acestuia; pe de altă parte, variația factorului Linke pentru întinderile continentale este mult mai imprevizibilă și dependentă de caracteristicile locațiilor;

- longitudinea nu reprezintă o variabilă cu influență majoră în estimarea energiei disponibile pe mări și oceane, aceasta putând fi neglijată;

- diferențele din punct de vedere a energiei disponibile sunt relativ mici (de până în 10%), în cazul considerării valorii minime sau maxime a factorului Linke în funcție de latitudine; alegerea valorii medii lunare oferă rezultate foarte bune mai ales în perioada în care aportul de radiație solară este ridicat (perioada de vară);

- utilizarea funcțiilor polinomiale generate pe baza datelor obținute permite determinarea factorului de turbiditate pentru orice latitudine în funcție de luna din an;

- utilizarea de valori relative ale factorului de turbiditate și ale latitudinii simplifică aparatul de calcul al factorului de turbiditate și devine astfel mai ușor de utilizat în practică;

- utilizarea valorilor factorului de turbiditate sezonier în locul celui lunar conduce la diferențe mici în estimarea energiei,

Principalele contribuții ale cercetărilor privind modelarea radiației solare constau în: - analiza celor mai uzuale metode de estimare a radiației solare pe uscat și pe întinderile mari

de apă; - identificarea modelului de estimare a radiației solare pentru întinderile mari de apă care va fi

utilizat în continuare pentru determinarea câștigului energetic a sistemelor solar-termice; - analiza factorului de turbiditate pentru întinderile mari de apă și obținerea unor funcții care

permit estimarea acestuia în funcție de sezon și de latitudine,

40

CAPITOLUL 4

UNGHIUL OPTIM DE ÎNCLINARE A COLECTOARELOR ȘI INFLUENȚA MIȘCĂRILOR NAVEI ASUPRA RADIAȚIEI CAPTATE

4.1 Precizări privind unghiul optim de înclinare a colectoarelor solar-termice

Optimizarea unghiului de înclinare a colectoarelor are ca scop maximizarea energiei solare

captate, permițând astfel reducerea suprafeței solar-termice active cu menținerea constantă a cantității de energie termică produse, generând costuri mai mici de investiție, instalare, mentenanță etc.

În literatura de specialitate sunt prezentate o serie de modele de alegere a unghiului optim de înclinare. Cea mai importantă variabilă considerată este latitudinea 𝜑, variabilă care intervine în stabilirea radiației globale incidentă în condiții de cer senin. Alte variabile sunt declinația 𝛿 și durata de strălucire a Soarelui (în ore) raportată la întreaga zi.

În practică sunt utilizate diverse metode de considerare și de schimbare a unghiului de înclinare. Astfel, plecând de la instalațiile care rămân fixe de-a lungul anului, mai există variații sezoniere, variații lunare sau variații intermediare realizate manual sau cu ajutorul orientării (Neagoe M. et al., 2014). În ceea ce privește variațiile unghiului de înclinare, acestea pot fi alese (determinate) cel mai bine prin observații și prin cercetări specifice fiecărei zone în parte.

Maximizarea performanțelor colectoarelor solar-termice se realizează, pe lângă optimizarea unghiurilor de înclinare, și prin orientarea acestora. Uzual orientarea se face către Sud în emisfera nordică și către Nord în emisfera sudică. Pot exista însă situații, pentru latitudini cuprinse între 23,5°𝑁 și 23,5°𝑆, în care orientarea să se realizeze diferențiat în funcție de momentul din an (Soulayman S., 2015). 4.2 Determinarea unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare pe întinderile mari de apă

Cunoașterea unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare și adoptarea acestuia în aplicații

offshore (spre exemplu în cazul navelor comerciale) are un rol important în obținerea unei cantități de energie termică cât mai mare. Drept urmare, în continuare s-a realizat o analiză a unghiului optim de înclinare pentru latitudini cuprinse între 75°N și 75°S, analiză care consideră factorul de turbiditate specific întinderilor mari de apă, precum și de energia maximă captată. Determinarea unghiului optim de înclinare s-a realizat după următoarea metodologie:

a) au fost considerate inițial șase latitudini din emisfera nordică, și anume: 0°, 15°N, 30°N, 45°N, 60°N și 75°N;

b) au fost considerate 12 zile din an (ziua 15 din fiecare lună), și anume: n=15 / 46 / 74 / 105 / 135 / 136 / 196 / 227 / 258 / 288 / 319 / 349;

c) au fost determinate valorile factorului de turbiditate specifice întinderilor de apă în funcție de latitudine și luna din an; au fost utilizate ecuațiile polinomiale funcție de sezon obținute în capitolul 3;

d) a fost determinat unghiul de înclinare corespunzător energiei zilnice maxim captate în condiții de cer senin, rezultând astfel unghiul optim de înclinare; pentru obținerea energiei captate (𝐸 = (𝐺𝑛 + 𝐺𝑛−1) ∙ (𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1) 2⁄ ) au fost utilizate valorile radiației globale în planul

Capitolul 4 Unghiul de înclinare a colectoarelor și influența mișcărilor navei asupra radiației captate

41

colectorului determinate prin modelul Bason prezentat detaliat în capitolul 3 (ecuațiile 3.20 ... 3.23), iar intervalul de timp considerat a fost 𝑇𝑠 = 4…20, din 15 în 15 minute;

e) au fost trasate grafice de variație ale unghiului optim de înclinare pentru fiecare zi considerată în funcție de latitudine;

f) au fost generate ecuații liniare pentru fiecare zi analizată care permit determinarea unghiului optim de înclinare pentru orice latitudine din intervalul 0° ... 75°N;

g) au fost comparate din punct de vedere al energiei zilnice captate unghiurile de înclinare lunare, anuale și funcție de sezon;

h) au fost considerate șase latitudini din emisfera sudică, și anume: 0°, 15°S, 30°S, 45°S, 60°S și 75°S, și au fost parcurși pașii b) ... f) pentru obținerea unghiului optim de înclinare pentru latitudini cuprinse în intervalul 0° ... 75°S. Unghiul optim de înclinare a fost obținut prin evaluarea ecuației care descrie variația energiei

funcție de unghi. Pentru exemplificare, în figura 4.1 este prezentată curba de variație pentru latitudinea de 0°.

Figura 4.1 Variația energiei și ecuația care o descrie pentru latitudinea de 0° și n=15 În ecuație, termenul “y” reprezintă energia captată zilnic, iar termenul “x” unghiul de

înclinare. Unghiul optim de înclinare, corespunzător energiei maxime, corespunde maximului funcției.

În figura 4.2 sunt prezentate spre exemplificare rezultatele pentru n=166, unde L reprezintă latitudinea, UO este unghiul optim și E este energia captată.

L UO E

0 -26 7568.4

15 -14 8114.0

30 -3 8525.3

45 8 8832.0

60 20 9041.3

75 31 8840.9

Figura 4.2 Unghiul optim de înclinare în funcție de latitudine pentru n=166


42

În tabelul 4.1 sunt prezentate centralizat unghiurile optime de înclinare în funcție de latitudine și luna/ziua din an, precum și unghiul mediu anual obținut prin media aritmetică a celor 12 valori lunare, iar în figura 4.3 sunt ilustrate grafic aceste rezultate.

Tabelul 4.1 Centralizator al unghiului optim de înclinare în funcție de latitudine și luna/ziua din an

(emisfera nordică)

Luna Ziua Unghiul optim de înclinare în funcție de latitudine și lună/ziua din an [°] 0° 15°N 30°N 45°N 60°N 75°N

Ianuarie 15 25 39 54 68 82 - Februarie 46 16 30 44 60 74 88 Martie 74 3 17 31 46 62 77 Aprilie 105 -11 1 15 29 44 58 Mai 135 -22 -10 3 15 28 42 Iunie 166 -26 -14 -3 8 20 31 Iulie 196 -25 -12 0 11 24 37 August 227 -17 -3 10 23 37 51 Septembrie 258 -2 11 25 39 55 70 Octombrie 288 12 26 40 55 70 85 Noiembrie 319 23 37 51 66 80 - Decembrie 349 28 41 56 70 84 - Unghiul mediu anual 0 14 27 41 55 60

Semnul minus care apare în dreptul unghiului de înclinare pentru latitudini de până în 30°N

corespunde unei orientări a colectorului către Nord. Ecuațiile liniare ce descriu cel mai bine variația unghiului optim de înclinare în funcție de latitudine, precum și valorile coeficienților de corelație (determinare) sunt prezentate centralizat în tabelul 4.2. În cadrul ecuațiilor termenul “y” reprezintă unghiul de înclinare, iar termenul “x” reprezintă latitudinea pentru care este calculat unghiul.

Figura 4.3 Variația unghiului optim de înclinare în funcție de latitudine și lună (emisfera nordică)

Tabelul 4.2 Centralizator al ecuațiilor de variație a unghiului optim de înclinare pentru emisfera

nordică

Luna Ziua Ecuația ce descrie variația unghiului optim de înclinare 𝑹𝟐

Ianuarie 15 𝑦 = 0,9533 ∙ 𝑥 + 25 0,9999 Februarie 46 𝑦 = 0,9676 ∙ 𝑥 + 15,714 0,9996 Martie 74 𝑦 = 0,9905𝑥 + 2,1905 0,9994


43

Luna Ziua Ecuația ce descrie variația unghiului optim de înclinare 𝑹𝟐

Aprilie 105 𝑦 = 0,9295 ∙ 𝑥 − 12,19 0,999 Mai 135 𝑦 = 0,8495 ∙ 𝑥 − 22,524 0,9994 Iunie 166 𝑦 = 0,7581 ∙ 𝑥 − 25,762 0,9998 Iulie 196 𝑦 = 0,8171 ∙ 𝑥 − 24,81 0,9994 August 227 𝑦 = 0,901 ∙ 𝑥 − 16,952 0,9998 Septembrie 258 𝑦 = 0,9638𝑥 − 3,1429 0,9988 Octombrie 288 𝑦 = 0,9752 ∙ 𝑥 + 11,429 0,9997 Noiembrie 319 𝑦 = 0,9533 ∙ 𝑥 + 22,8 0,9999 Decembrie 349 𝑦 = 0,94 ∙ 𝑥 + 27,6 0,9996

ANUAL 𝑦 = 0,9165 ∙ 𝑥 − 0,054

Aparatul matematic dezvoltat permite obținerea cu precizie a acestui unghi optim pe întreaga perioadă a anului. De asemenea, diagrama din figura 4.3 poate fi utilizată în aproximarea unghiului optim de înclinare în funcție de latitudine și luna din an.

Pentru evidențierea diferențelor în ceea ce privește energia în planul suprafeței colectoare între adoptarea unghiului optim pentru fiecare lună și adoptarea unghiului mediu anual – tabelul 4.1, în continuare s-a realizat o analiză comparativă pentru latitudinea de 45°N. Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 4.3.

Tabelul 4.3 Diferențele de energie în funcție de unghiurile optim lunar și mediu anual la latitudinea

de 45°N

Ziua Unghiul optim lunar

Energia la unghiul optim lunar

𝐸𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚 [kWh/m2]

Unghiul optim anual

Energia la unghiul optim anual

𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢 [kWh/m2]

𝐸𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚 − 𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢

𝐸𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚

∙ 100

n=15 68 5.9 41 5.3 10.7 n=46 60 6.8 41 6.5 5.0 n=74 46 7.4 41 7.3 0.4 n=105 29 7.9 41 7.8 2.1 n=135 15 8.5 41 7.7 8.9 n=166 8 8.8 41 7.7 13.4 n=196 11 8.5 41 7.6 11.1 n=227 23 7.8 41 7.5 4.4 n=258 39 7.1 41 7.1 0.0 n=288 55 6.5 41 6.3 2.8 n=319 66 5.9 41 5.3 9.1 n=349 70 5.4 41 4.7 12.2

TOTAL 86.5 80.7 6.7

După cum se poate observa în tabelul 4.3 există diferențe și de peste 10% între energia captată prin considerarea unghiului optim și energia captată prin considerarea unghiului mediu anual. La nivel anual această diferență este de aproape 7%. Totuși, chiar dacă valoarea anuală nu este una semnificativă, problemele apar în cazul lunilor cu un aport ridicat de radiație solară mai, iunie și iulie (corespunzătoare lui n= 135/166/196), când aceste diferențe trec de 13%.

Pentru identificarea unui aparat matematic simplificat și îmbunătățirea estimării, cele douăsprezece ecuații lunare din tabelul 4.2 pot fi reduse la două, dacă se consideră cele două sezoane: cel rece și cel cald. Ecuațiile au fost obținute prin realizarea mediei aritmetice între termenii liberi ai ecuațiilor lunare. Astfel, ecuația pentru perioada octombrie – martie va fi de forma:

𝑦 = 0,9633 ∙ 𝑥 + 17,456 (4.1)


44

iar pentru perioada aprilie – septembrie ecuația este de forma:

𝑦 = 0,8698 ∙ 𝑥 − 17,563 (4.2) În tabelul 4.4 sunt prezentate unghiurile de înclinare obținute prin considerarea sezonului.

Tabelul 4.4 Unghiul optim de înclinare în funcție de latitudine și sezon în emisfera nordică

Luna Unghiul optim de înclinare în funcție de latitudine și sezon [°] 0° 15°N 30°N 45°N 60°N 75°N

Octombrie - Martie 17 32 46 61 75 90 Aprilie - Septembrie -18 -5 9 22 35 48

În continuare au fost utilizate unghiurile optime de înclinare în funcție de sezon pentru

determinarea energiei captate și stabilirea diferențelor față de energia obținută prin adoptarea unghiurilor optime lunare. Determinarea s-a realizat pentru latitudinea de 45°N iar rezultatele sunt centralizate în tabelul de mai jos.

Tabelul 4.5 Diferențele de energie în funcție de unghiurile optim lunar și sezonier la latitudinea de

45°N




Unghiul optim sezon

Energia la unghiul optim sezon

𝐸𝑠𝑒𝑧𝑜𝑛 [kWh/m2]

𝐸𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚 − 𝐸𝑠𝑒𝑧𝑜𝑛


∙ 100

n=15 68 5.9 61 5.8 0.8 n=46 60 6.8 61 6.8 0.0 n=74 46 7.4 61 7.1 3.2 n=105 29 7.9 22 7.9 0.7 n=135 15 8.5 22 8.4 0.7 n=166 8 8.8 22 8.6 2.4 n=196 11 8.5 22 8.4 1.4 n=227 23 7.8 22 7.8 0.0 n=258 39 7.1 22 6.8 4.3 n=288 55 6.5 61 6.5 0.5 n=319 66 5.9 61 5.8 0.4 n=349 70 5.4 61 5.3 1.2

TOTAL 86.5 85.3 1.3

Rezultatele din tabelul 4.5 indică faptul că adoptarea unor unghiuri de înclinare care țin seama de sezon conduc la o diferență anuală de numai 1,3% din punct de vedere al energiei care poate fi captată, comparativ cu 6,7% în cazul unghiului de înclinare mediu anual. Drept urmare, alegerea în funcție de sezon a unghiului optim de înclinare este varianta care oferă cele mai bune rezultate, iar utilizarea ei în practică poate fi considerată atâta timp cât nu sunt folosite metode precum orientarea permanentă sau cea lunară.

În continuare a fost realizată o analiză a unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare pentru emisfera sudică, pașii urmați fiind similari celor prezentați anterior.

Considerându-se cele două sezoane, ecuația pentru perioada octombrie – martie va fi de forma:

𝑦 = 0,86 ∙ 𝑥 + 18,333 (4.3) iar pentru perioada aprilie – septembrie ecuația este de forma:

𝑦 = 0,9768 ∙ 𝑥 − 16,4413 (4.4)


45

Pe baza ecuațiilor 4.1...4.4, se pot obține alte ecuații ce pot deveni un instrument facil de utilizat în practică. Astfel, din ecuațiile 4.1 și 4.3 va rezulta o ecuație, ecuație care descrie unghiul optim de înclinare în perioada octombrie – martie pentru ambele emisfere, de forma:

𝜒𝑜𝑝𝑡 = 0,916 ∙ 𝜑 + 17,894 (4.5) Similar, pentru perioada aprilie – septembrie, pe baza ecuațiilor 4.2 și 4.4, se obține:

𝜒𝑜𝑝𝑡 = 0,923 ∙ 𝜑 − 17,002 (4.6) Din ecuațiile 4.5 și 4.6 va rezulta ecuația ce permite determinarea unghiului optim de înclinare

în funcție de latitudine și sezon, unghi valabil indiferent de emisferă. 𝜒𝑜𝑝𝑡 = 0,919 ∙ 𝜑 ± 17,448 (4.7) În ecuația 4.7 semnul ”+” va fi adoptat în perioada octombrie – martie, iar semnul ”–” în

perioada aprilie – septembrie. Pentru validarea ecuației obținute în tabelul 4.6 este realizată o comparație între energia

captată prin adoptarea unghiului optim lunar și energia captată prin adoptarea unghiului funcție de latitudine și sezon.

Tabelul 4.6 Diferențele de energie în funcție de unghiurile optim lunar și anual la latitudinea de 45°N




Unghiul optim anual

Energia la unghiul optim anual

𝐸𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [kWh/m2]

𝐸𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚 − 𝐸𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙


∙ 100

n=15 68 5.9 59 5.8 1.2 n=46 60 6.8 59 6.8 0.0 n=74 46 7.4 59 7.2 2.4 n=105 29 7.9 24 7.9 0.3 n=135 15 8.5 24 8.4 1.1 n=166 8 8.8 24 8.6 3.2 n=196 11 8.5 24 8.3 2.0 n=227 23 7.8 24 7.8 0.0 n=258 39 7.1 24 6.9 3.4 n=288 55 6.5 59 6.5 0.2 n=319 66 5.9 59 5.8 0.7 n=349 70 5.4 59 5.3 1.8

TOTAL 86.5 85.3 1.3 Pe baza rezultatelor obținute se pot emite următoarele concluzii și observații: - utilizarea unghiurilor optime lunare permite o bună estimare a cantității de energie solară care

poate fi maxim captată; - adoptarea unghiului mediu anual conduce la o pierdere de 6,7% din energia solară maxim

captabilă comparativ cu adoptarea unghiului optim de înclinare lunar; - utilizarea unghiurilor de înclinare în funcție de sezon, obținute pe baza a două ecuații identificate

în urma analizării variațiilor lunare, conduce la o pierdere nesemnificativă (1,3%) față de utilizarea unghiurilor optime lunare; aceleași rezultate sunt obținute și prin adoptarea unghiului calculat funcție de sezon și latitudine, dar care este valabil indiferent de emisferă; de asemenea, ecuația (4.7) este mai ușor de utilizat în practică;

- în aplicațiile practice, unde unghiul de înclinare este dificil de variat, se recomandă orientarea în funcție de sezon.

Unghiul optim de înclinare a colectorului și poziționarea lui optimă la care unghiul azimutal ψ este zero la 𝑇𝑠 = 12, sunt influențate de mișcările navei: direcția de deplasare, sensul de deplasare, unghiul de ruliu și unghiul de tangaj. Mărimea influenței acestora este analizată în continuare, influențele sensibile urmând a fi preluate prin mecanisme de poziționare și înclinare adecvate.


46

4.3 Analiza influenței mișcărilor navei asupra captării radiației solare 4.3.1 Mișcările navei Nava, considerată ca un corp rigid în mișcare pe mare calmă sau agitată, are teoretic șase grade de libertate (asemenea mișcării unui automobil față de sol): trei translații și trei rotații. Cele trei translații definesc deplasarea de înaintare a navei (dată de direcția longitudinală a navei – axa Oy), deplasarea laterală (după direcția Ox) și deplasarea pe verticală (după axa Oz), figura 4.4. Cele trei rotații în jurul axelor sistemului atașat navei reprezintă rotația de ruliu (în jurul axei longitudinale Oy), rotația de tangaj (în jurul axei transversale Ox) și rotația proprie (în jurul axei verticale). Din cele șase mișcări posibile interesează în studiul captării radiației solare prin colectoare solar-termice direcția și sensul de deplasare la înaintare a navei (care determină și rotația proprie a navei), rotațiile de ruliu și de tangaj, care pot influența esențial mărimea radiației solare captate.

În planul orizontal al observatorului, direcția de deplasare se definește prin unghiul dintre axa OY și axa longitudinală Oy a navei, cu sens pozitiv trigonometric, iar unghiurile de ruliu și tangaj prin rotațiile navei în jurul axei longitudinale Oy (unghiul de ruliu), respectiv în jurul axei transversale Ox (unghiul de tangaj), cu sens pozitiv trigonometric, figura 4.5.

y

O

Ruliu

Deplasare de înaintare

Rotație în jurul axei verticale

Tangaj

Deplasare pe verticală

Deplasare laterală

xz

Figura 4.4 Mișcările navei

Plan orizontal

φzy

Z

XEstVest

Nord

Sud

O

φz Y

φzy

z

EstVest

Nord

Sud

O

φzY

X

a)


47

yz

zφyxφy

x

φy

φyO

yzzφx

yφx

x

φx

O

φx

φx

b) c)

Figura 4.5 Definirea unghiurilor: a) direcția de deplasare a navei, b) ruliul navei, c) tangajul navei

Factorul cu cea mai mare influență asupra corpului navei este bineînțeles apa. Gradul de agitație

a mării (gradul mării) depinde de forța, durata și distanța de acțiune a vântului, precum și de dimensiunile suprafeței apei și de adâncimea ei și se determină funcție de adâncimea valurilor celor mai mari. Raportul dintre înălțimea valurilor și gradul mării este redat într-o scară cu 10 grade denumită “Scara gradului mării” sau Scara Douglas (tabelul 4.7).

Tabelul 4.7 Scara gradului mării (https://en.wikipedia.org/wiki/Douglas_sea_scale) - extras Gradul mării Înălțimea valului [𝒎] Starea mării

0 0 Calmă 1 0 – 0,1 Calmă (cu ondulații) 2 0,1 – 0,5 Liniștită (ușor vălurită) 3 0,5 – 1,25 Ușor agitată

................................................................................................................. 9 Peste 14 Fenomenală

4.3.2 Determinarea mărimii unghiurilor de ruliu și tangaj ale unei nave în funcție de gradul de agitație al mării

Pentru determinarea unghiurilor de ruliu și tangaj specifice unei nave comerciale a fost utilizat programul OrcaFlex, versiunea 9.8a, cccesul la program fiind facilitat de către Marine & Offshore Consultants SRL, Constanța.

Un aspect important considerat în cadrul simulărilor este corelația între direcția de înaintare a navei și direcția valurilor. În figura 4.6 sunt prezentate direcțiile de acțiune ale valului asupra navei, 0° fiind considerat valul pe direcția de deplasare a navei, iar 180° valul ce se opune mișcării. Valorile intermediare ale direcției de acțiune a valurilor au fost considerate din 45° în 45° pentru un singur bord, rezultatele fiind identice în bordul opus.


48

Direcția de deplasare a navei0°

45°

90° 135°

180°

Figura 4.6 Direcțiile de acțiune ale valului asupra navei

Ca și model de navă în cadrul simulărilor a fost considerată o navă comercială cu o capacitate

de transport de 8700 tone și un deplasament total de 12350 tone. Pe timpul simulărilor, gradul mării a fost considerat în funcție de scara Douglas. Astfel, pentru fiecare dintre cele 5 stări alese (de la gradul 1 la gradul 5), înălțimile valurilor au corespuns valorilor maxime din tabelul 4.7 (0,1; 0,5; 1,25; 2,5; și 4,0 metri). De asemenea, s-a avut în vedere faptul că un grad al mării mai mare de 5 nu face obiectul prezentei lucrării deoarece condițiile atmosferice nu ar favoriza aportul de radiație solară. Rezultatele obținute în urma simulărilor realizate în OrcaFlex, sunt prezentate centralizat în tabelele 4.8 (pentru ruliu) și 4.9 (pentru tangaj).

Tabelul 4.8 Unghiurile maxime ale ruliului navei în funcție de gradul mării și direcția valului

Direcția valului

Unghiul de ruliu maxim [°] Gradul 1 Gradul 2 Gradul 3 Gradul 4 Gradul 5

0º 0,00° 0,00° 0,00° 0,00° 0,00°

45º 0,15° 0,75° 1,87° 3,75° 5,99° 90º 0,33° 1,66° 4,16° 8,32° 13,31° 135º 0,15° 0,76° 1,90° 3,80° 6,07° 180º 0,00° 0,00° 0,00° 0,00° 0,00°

Tabelul 4.9 Unghiurile maxime ale tangajului navei în funcție de gradul mării și direcția valului Direcția valului

Unghiul de tangaj maxim [°] Gradul 1 Gradul 2 Gradul 3 Gradul 4 Gradul 5

0º 0,12° 0,60° 1,48° 2,95° 4,72° 45º 0,12° 0,60° 1,52° 3,04° 4,86° 90º 0,02° 0,08° 0,20° 0,40° 0,65° 135º 0,10° 0,50° 1,25° 2,50° 4,00° 180º 0,13° 0,66° 1,64° 3,28° 5,25°

Din valorile centralizate în tabelele 4.8 și 4.9 se pot extrage următoarele concluzii referitoare la

influența gradului de agitație al mării și direcției de acțiune a valurilor asupra corpului navei analizate (Cotorcea A. et al., 2015): ➢ indiferent de gradul mării, pentru o direcție de acțiune a valurilor dinspre pupa (0°) sau dinspre

prova (180°), unghiul de ruliu are valoarea de 0°; pe de altă parte, în aceleași condiții, unghiul de tangaj crește de la 0,12° (pentru mare de gradul 1) la o valoare maximă de 5,25° (pentru mare gradul 5 și o direcție a valului ce se opune direcției de înaintare a navei, 180°);


49

➢ valorile corespunzătoare unui val care acționează la travers (90°) sunt cele mai defavorabile din punct de vedere al ruliului (ajungând până la 13,31°) și cele mai bune din perspectiva mișcării de tangaj (cu un maxim de 0,65°); totuși, se recomandă evitarea acestei situații deoarece mișcarea de ruliu este cea care influențează negativ stabilitatea navei;

➢ până la un grad al mării egal cu 3, inclusiv, valorile unghiurilor de ruliu și tangaj sunt neglijabile; astfel, influența mișcărilor navei asupra instalațiilor și sistemelor instalate la bord se poate considera nesemnificativă;

➢ pentru un grad al mării mai mare de 4, situațiile cele mai favorabile (cu unghiuri de ruliu și tangaj intermediare) sunt cele în care valurile acționează din 45° și 135°; având în vedere faptul că, valul din 135° se opune parțial mișcării navei (ceea ce conduce la creșterea consumului de combustibil), iar valul din 45° ajută deplasarea navei, rezultă că cea din urmă este varianta optimă.

În continuare, în figurile 4.7 și 4.8 sunt reprezentate câteva diagrame reprezentative generate

în cadrul simulării. Astfel, figura 4.7 corespunde mișcării de ruliu pentru mare de gradul 5. Asemănător, în figura 4.8 sunt reprezentate rezultatele specifice mișcării de tangaj.

a)

b)

Figura 4.7 Variația unghiului de ruliu în condiții de mare gradul 5 și direcții ale valurilor din: a) 45°, b) 90°


50

a)

b)

Figura 4.8 Variația unghiului de tangaj în condiții de mare gradul 5 și direcții ale valurilor din: a) 0°, b) 45°

Cercetările privind influența gradului de agitație al mării asupra unghiurilor de ruliu și tangaj au

fost realizate în vederea identificării condițiilor care ar putea influența eficiența colectoarelor solar-termice ce se doresc a fi implementate pe navele comerciale. A fost considerat un grad al mării de maxim 5 (corespunzător unei înălțimi a valurilor de 4 metri), deoarece peste această limită condițiile atmosferice (cantități moderate de apă purtate de vânt, vizibilitate redusă, vânt puternic) influențează negativ aportul de radiație solară, și implicit eficiența colectoarelor solar-termice. În urma analizei efectuate, pentru determinarea influenței unghiurilor de ruliu și tangaj asupra radiației solare captate se vor considera ca valori maxime ±15° pentru ruliu și ±5° pentru mișcarea de tangaj.

În continuare este realizată o evaluare a cantității de energie solară captată în planul colectorului în condițiile prezentate anterior, ținând seama și de direcția de deplasare a navei. 4.4 Influența direcției de deplasare, a ruliului și a tangajului navei asupra energiei solare captate

Poziția instantanee a unei nave în raport cu Soarele este dependentă în principal de direcția de

deplasare (determinată de ruta de navigație și de voiajul planificat), mișcarea de ruliu și mișcarea de tangaj (ambele determinate de starea mării). Influența mișcărilor navei asupra eficienței captării radiației solare este dată de unghiul de incidență Soare – colector. Pentru determinarea acestui unghi în cazul colectoarelor dispuse pe nave, se consideră suprafața plană a unui convertor solar cu vectorul normal n , înclinată cu un unghi fix χ față de puntea unei nave supusă mișcărilor de tangaj, ruliu și rotație în jurul axei verticale (figura 4.9). Față de originea O (poziția observatorului) sunt definite două sisteme de coordonate: un sistem de referință fix XYZ, unde XY este planul orizontal al locului


51

în care se află nava cu axa X spre Est și axa Y spre Nord, și sistemul mobil xyz atașat navei cu axa Oy orientată pozitiv spre bordul navei.

Plan orizontal

O X E

Z,z

Y N

x

y

φy (ruliu)

φz (rotație)

χ

nφx (tangaj)

b

ν

Figura 4.9 Parametrizarea mișcărilor unei nave cu colectoare solare

De la sistemul OXYZ la sistemul Oxyz al navei se ajunge prin următoarele trei rotații succesive

(Vișa et al., 2016b): - rotația în jurul axei verticale 𝑂𝑍 ≡ 𝑂𝑧, cu unghiul de rotație proprie 𝜑𝑧 a navei (figura 4.10a)

și matricea de rotație din relația (4.8); - rotația în jurul axei 𝑂𝑌1 (axa longitudinală a navei) cu unghiul de ruliu 𝜑𝑦 (figura 4.10b) și

matricea de rotație din relația (4.9); - rotația în jurul axei 𝑂𝑋2 (axa transversală a navei) cu unghiul de tangaj 𝜑𝑥 (figura 4.10c) și

matricea de rotație din relația (4.10).

[𝑀𝜑𝑧] = [

cos𝜑𝑧 −sin𝜑𝑧 0sin𝜑𝑧 cos𝜑𝑧 0

0 0 1] (4.8)

[𝑀𝜑𝑦] = [

cos𝜑𝑦 0 sin 𝜑𝑦

0 1 0− sin𝜑𝑦 0 cos𝜑𝑦

] (4.9)

[𝑀𝜑𝑥] = [

1 0 00 cos𝜑𝑥 −sin𝜑𝑥

0 sin𝜑𝑥 cos𝜑𝑥

] (4.10)

Colectorul solar este dispus la unghiul de înclinare χ dintre planul orizontal al navei și planul colectorului, paralel cu axa transversală Ox a navei. Ca urmare, normala la planul colectorului, în raport cu sistemul Oxyz al navei are componentele date de matricea coloană:

[𝑛𝜒] = [0

−sin 𝜒cos 𝜒

] (4.11)


52

OX

Z; Z1

Y

X1

Y1

φz

φz

φz

a)

O

Z2

X1

Y1, Y2

φy

φy

φy

X2

Z1

b)

O

zZ2

X2; x

y

Y2

φx

φx

φx

c)

Figura 4.10 Mișcările de rotație ale navei în jurul axei: a) verticale, b) longitudinale, c) transversale Orientarea vectorului �⃗� al normalei la planul colectorului față de planul orizontal al locului în care

se află nava este funcție de rotațiile 𝜑𝑧, 𝜑𝑦, 𝜑𝑥 și poziționarea prin unghiul de înclinare a colectorului χ pe navă și dată de relația:

[𝑛] = [𝑀𝜑𝑧] ∙ [𝑀𝜑𝑦

] ∙ [𝑀𝜑𝑥] ∙ [𝑛𝜒] (4.12)

Vectorul �⃗� al radiației solare față de planul orizontal al observatorului este dat de relația:

[𝑏] = [sin𝜓 ∙ cos 𝛼

− cos𝜓 ∙ cos 𝛼sin 𝛼

] (4.13)

Unghiul de incidență a razelor solare ν la suprafața colectorului solar dispus pe o navă este definit

prin relația:


53

cos 𝜈 = [𝑏]𝑇 ∙ [𝑛] = [(−sin𝜑𝑧∙ cos𝜑

𝑥+ cos𝜑

𝑧∙ sin 𝜑

𝑦∙ sin 𝜑

𝑥) ∙ (−sin𝜒) + (sin𝜑

𝑧∙ sin 𝜑

𝑥+ cos𝜑

𝑧∙

sin 𝜑𝑦∙ cos𝜑

𝑥) ∙ cos𝜒] ∙ sin𝜓 ∙ cos𝛼 + [(cos𝜑

𝑧∙ cos𝜑

𝑥+ sin𝜑

𝑧∙ sin 𝜑

𝑦∙ sin 𝜑

𝑥) ∙ (−sin𝜒) + (−cos𝜑

𝑧∙

sin 𝜑𝑥+ sin𝜑

𝑧∙ sin 𝜑

𝑦∙ cos𝜑

𝑥) ∙ cos 𝜒] ∙(−cos𝜓 ∙ cos 𝛼)+[− cos𝜑

𝑦∙ sin 𝜑

𝑥∙ sin𝜒 + cos𝜑

𝑦∙ cos𝜑

𝑥∙

cos𝜒] ∙ sin𝛼 (4.14)

În continuare este determinată influența mișcărilor principale ale navei asupra energiei captate în planul colectorului solar prin considerarea unghiurilor de ruliu (ϕy), tangaj (ϕx) și direcției de deplasare (ϕz) în modelul Bason de estimare a radiației. Pentru o percepție mai bună a unghiurilor utilizate s-au utilizat următoarele notații: unghiul de ruliu devine 𝜌𝑣; unghiul de tangaj devine 𝜏𝑣; unghiul direcției de deplasare devine 𝜓𝑣. Indicele 𝑣 a fost ales ca prescurtare pentru termenul vas în limba română și vessel în limba engleză. Stabilirea influenței mișcărilor navei asupra energiei captate a fost realizată după următoarea metodologie:

a) nava se află la latitudinea de 𝜑 = 45°𝑁; b) unghiul de înclinare al suprafeței colectoare este 𝜒 = 45°; c) au fost alese zilele reprezentative din an, corespunzătoare fenomenelor astronomice

importante (echinocții și solstiții); în aceste condiții numărul zilei din an are valorile n=80/172/266/355;

d) a fost determinat factorul de turbiditate în funcție de latitudine și de luna din an pe baza ecuațiilor (3.25) și (3.26); valorile obținute și utilizate în cadrul analizei au fost 𝑇𝑅 =

2,43/3,25/3,03/2,27; e) pentru fiecare zi a fost determinată energia solară captată, în condiții standard considerate ca

fiind: direcția de deplasare a navei 𝜓𝑣 = 0° (ceea ce reprezintă o orientare a colectoarelor spre sud), iar unghiurile de ruliu 𝜌𝑣 și tangaj ale navei 𝜏𝑣 au fost considerate ca fiind egale cu 0° (acesta fiind cazul ideal de mare calmă); energia solară captată (𝐸 = (𝐺𝑛 + 𝐺𝑛−1) ∙

(𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1) 2⁄ ) a fost determinată prin considerarea valorilor radiației globale în planul colectorului calculate prin modelul Bason (ecuațiile 3.20 ... 3.23), iar intervalul de timp considerat a fost 𝑇𝑠 = 4…20, din 30 în 30 de minute;

f) au fost variate unghiurile specifice mișcării navei, astfel: unghiul descris de direcția de deplasare 𝜓𝑣 în intervalul ±180°, din 30° în 30°, interval ce descrie întreaga mișcare a navei și este în concordanță cu aparatura de orientare de la bord (corespondența între unghiul 𝜓𝑣 și drumul navei 𝐷𝑛 este prezentată în tabelul 4.10); pentru unghiurile de ruliu 𝜌𝑣 și tangaj 𝜏𝑣 au fost considerate valorile extreme obținute în urma simulărilor (tabelele 4.8 și 4.9), și anume ±15°, respectiv ±5°;

g) pentru determinarea pierderii/câștigului energetic față de condițiile considerate standard și emiterea de concluzii, au fost comparate rezultatele obținute la punctul e) cu cele de la punctul f).

Tabelul 4.10 Corespondența între unghiul 𝜓𝑣 și direcția de deplasare a navei 𝐷𝑛

Direcția de deplasare a navei conform indicațiilor de la bord

𝐷𝑛 [°]

Direcția de deplasare a navei conform modelului adoptat

𝜓𝑣 [°] 𝐷𝑛 = 0 ÷ 180 𝜓𝑣 = −𝐷𝑛

𝐷𝑛 = 181 ÷ 360 𝜓𝑣 = 360 − 𝐷𝑛


54

Pentru cazul standard (punctul e) din metodologie), în care toate cele trei unghiuri sunt egale cu 0° (nava fiind orientată spre nord, suprafețele colectoare spre sud și nu există ruliu și tangaj), rezultatele obținute în cele patru zile sunt sintetizate în tabelul 4.11.

Tabelul 4.11 Energia zilnică maxim captată în condiții standard

Ziua Energia maximă captată [Wh/m2]

n=80 6888,4 n=172 6206,2 n=266 6045,5 n=355 4356,6

În continuare este evidențiată influența celor trei unghiuri, conform punctului f) din

metodologia adoptată, prin raportarea la cazul standard. Pentru determinarea influenței direcției de deplasare a navei asupra energiei captate s-a ținut cont

de întregul interval de mișcare considerat la bord, și anume 0° ÷ 360°, valoare instantanee indicată în permanență de girocompasul magnetic. Acest interval, transpus din punct de vedere al orientării E-V, a fost ales și utilizat în continuare de forma −180° ÷ +180°. Astfel, unghiul 𝜓𝑣 a fost variat în acest interval și a luat valori de 0, ±15°, ±30°, ±60°, ±90°, ±120°, ±150° și ±180°. Unghiurile de ruliu și tangaj au fost considerate ca fiind 0°. Un extras cu rezultatele obținute în urma simulărilor este prezentat în tabelul 4.12.

Tabelul 4.12 Energia maximă captată în funcție de valoarea unghiului 𝜓𝑣 Energia zilnică maxim captată în planul colectorului [Wh/m2]

Ziua 𝝍𝒗 𝟎° ±𝟑𝟎° ±𝟔𝟎° ±𝟗𝟎° ±𝟏𝟖𝟎°

n=80 6888.4 6510.4 5559.0 4225.4 0.0 n=172 6206.2 6285.1 6269.7 5918.3 4371.4 n=266 6045.5 5671.6 4761.0 3531.7 0.0 n=355 4356.6 3916.7 2776.2 1467.4 0.0 Din analiza rezultatelor se pot extrage următoarele concluzii:

- la unghiuri egale în valoare absolută, energia solară zilnică care poate fi maxim captată pe suprafața colectorului este aceeași; totuși, valorile orare sunt diferite, câștigul energetic fiind mai ridicat în prima parte a zilei pentru colectoarele orientate spre Est și mai ridicat în a doua parte a zilei pentru cele orientate spre Vest;

- în trei din cele patru zile considerate valoarea energiei solare incidente la planul suprafeței colectoare scade pe măsură ce este variat unghiul specific direcției de deplasare, valoarea minimă fiind înregistrată pentru 𝜓𝑣 = ±180° - poziție în care colectorul este orientat către Nord;

- pentru n=172 (echinocțiu de vară) se observă o ușoară creștere a energiei solare incidente la suprafața colectorului până în jurul valorii de 𝜓𝑣 = ±60°. Se poate concluziona că adoptarea unui unghi 𝜓𝑣 = 0° reprezintă varianta optimă de orientare a

suprafeței colectoare, ceea ce este în concordanță cu aspectele cunoscute pentru uscat. De asemenea, considerarea și compensarea după caz a direcției de deplasare a navei este esențială în estimarea corectă a energiei solare captate în planul colectoarelor solare.


55

În ceea ce privește determinarea influenței mișcării de ruliu a navei asupra energiei solare care poate fi maxim captată, au fost considerate cazurile limită corespunzătoare unghiului maxim de ruliu (15°) determinat anterior pentru o mare de gradul 5. Rezultatele obținute sunt prezentate și comparate cu cele standard (corespunzătoare 𝜌𝑣 = 0) în tabelul 4.13. Prin utilizarea semnelor +/- pentru valoarea unghiului maxim, se realizează diferența între înclinarea în bordul babord și cel în bordul tribord.

Tabelul 4.13 Energia maxim captată în funcție de valoarea unghiului 𝜌𝑣 Energia zilnică maxim captată [Wh/m2]

Ziua 𝝆𝒗 𝟏𝟓° 𝟎° −𝟏𝟓°

n=80 6788.74 6888.4 6788.74 n=172 6103.15 6206.2 6103.15 n=266 5951.20 6045.5 5951.20 n=355 4319.97 4356.6 4319.97

În tabelul 4.14 sunt prezentate rezultatele obținute în cazul analizării influenței tangajului navei.

Ca și în cazul precedent, a fost utilizat unghiul maxim de tangaj obținut în urma simulărilor (5°), iar semnele +/- indică înclinarea navei spre pupa sau spre prova. De asemenea, în figurile 4.11 și 4.12 sunt ilustrate grafic spre exemplificare influența direcției navei, a ruliului și tangajului navei asupra energiei captate în planul colectorului pentru n=172.

Tabelul 4.14 Energia maxim captată în funcție de valoarea unghiului 𝜏𝑣 Energia zilnică maxim captată [Wh/m2]

Ziua 𝝉𝒗 𝟓° 𝟎° −𝟓°

n=80 6862.15 6888.4 6862.15 n=172 5845.93 6206.2 6537.62 n=266 6039.19 6045.5 6005.76 n=355 4532.51 4356.6 4147.45

Pentru evidențierea influenței unghiurilor de tangaj și ruliu din punct de vedere al energiei

captate, în tabele 4.15 și 4.16 sunt prezentate abaterile relative între valoarea standard și valorile specifice cazurilor extreme.

Tabelul 4.15 Abaterile relative între valoarea standard și valorile specifice unghiurilor maxime de ruliu

Ziua Abaterea relativă față de valoarea standard [%]

𝐸𝜌𝑣=0 − 𝐸𝜌𝑣=15

𝐸𝜌𝑣=0∙ 100

𝐸𝜌𝑣=0 − 𝐸𝜌𝑣=−15

𝐸𝜌𝑣=0∙ 100

n=80 1,4 1,4 n=172 1,7 1,7 n=266 1,6 1,6 n=355 0,8 0,8


56

Tabelul 4.16 Abaterile relative între valoarea standard și valorile specifice unghiurilor maxime de tangaj

Ziua Abaterea relativă față de valoarea standard [%]

𝐸𝜏𝑣=0 − 𝐸𝜏𝑣=5

𝐸𝜏𝑣=0∙ 100

𝐸𝜏𝑣=0 − 𝐸𝜏𝑣=−5

𝐸𝜏𝑣=0∙ 100

n=80 0,4 0,4 n=172 5,8 -5,3 n=266 0,1 0,7 n=355 -4,0 4,8

Din tabelele 4.15 și 4.16 se pot extrage următoarele concluzii:

- la valori maxime ale unghiului de ruliu, indiferent de ziua din an și bordul spre care se înclină nava, diferența este aceeași și nu depășește 1,7%;

- varierea unghiului de tangaj conduce la diferențe de maxim 5,8%, înregistrate pentru n=172; Pe baza diferențelor mici obținute în cazul ruliului și tangajului navei, precum și ținând cont de

faptul că mișcările sunt periodice de tip sinusoidal, ajungând astfel să se compenseze parțial, se poate concluziona că ignorarea acestora în modelele de estimare a energiei solare incidente pe colector nu conduce la erori semnificative față de variantele standard în care unghiurile sunt considerate ca fiind egale cu zero.

n=172

a) b)

Figura 4.11 Influența unghiurilor 𝜌𝑣 și 𝜏𝑣 asupra energiei captate în ziua n=172 a) 𝜌𝑣 = 0°/15°/−15°; b) 𝜏𝑣 = 0°/5°/−5°


57

n=172

a) b)

c) d)

e) f)

g)

Figura 4.12 Influența unghiului 𝜓𝑣 asupra energiei captate în ziua n=172 a) 𝜓𝑣 = 0°/15°/−15°; b) 𝜓𝑣 = 0°/30°/−30°; c) 𝜓𝑣 = 0°/60°/−60°; d) 𝜓𝑣 = 0°/90°/−90°;

e) 𝜓𝑣 = 0°/120°/−120°; f) 𝜓𝑣 = 0°/150°/−150°; g) 𝜓𝑣 = 0°/180°/−180°


58

4.5 Concluzii și contribuții Principalele concluzii ale acestui capitol sunt:

- adoptarea unui unghi optim de înclinare al colectoarelor solare în funcție de sezon (aprilie – septembrie sau octombrie - martie) generează valori ale energiei captate nesemnificativ mai mici decât considerarea unghiurilor optime lunare;

- unghiurile de ruliu și tangaj ale unei nave comerciale nu depășesc valorile de 15°, respectiv 6° pentru o mare de gradul 5;

- ruliul și tangajul navei nu influențează energia captată de colectoare (diferența fiind de sub 6% în poziție extremă, și mult mai mică în practică datorită compensării mișcărilor); aceste mărimi pot fi ignorate în modelele de estimare a radiației solare;

- direcția de deplasare a navei influențează semnificativ energia captată; drept urmare, în momentul schimbării direcției de deplasare se impune reorientarea colectoarelor prin compensarea diferențelor care apar între orientarea optimă față de Soare și noul drum.

Contribuțiile autorului în cadrul acestui capitol constau în: - analiza și identificarea unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare specific aplicațiilor

offshore pentru latitudini cuprinse între 75°N și 75°S; - obținerea de ecuații care permit determinarea unghiului optim de înclinare în funcție de sezon

și latitudine; - determinarea unghiurilor de ruliu și tangaj, prin simulare CFD, pentru o navă comercială și

un grad de agitație al mării cuprins între 1 și 5 pe scara Douglas; - stabilirea influenței direcției de deplasare, a ruliului și a tangajului navei asupra energiei

captate.

59

CAPITOLUL 5 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A INFLUENȚEI UNGHIULUI DE

ÎNCLINARE A COLECTOARELOR SOLAR-TERMICE 5.1 Introducere

Cercetările experimentale au fost efectuate într-o zonă de uscat în scopul de a confirma

influența majoră a înclinării colectoarelor funcție de latitudine și perioada din an, și a valida rezultatele teoretice obținute anterior. 5.2 Prezentarea locației și designul sistemului experimental

Cercetările experimentale s-au efectuat la Institutul de Cercetare Dezvoltare Inovare (ICDT) din cadrul Universității Transilvania din Brașov, centrul Sisteme de Energii Regenerabile și Reciclare (RESREC). Coordonatele geografice ale locației sunt 45,65°N și 25,59°E, iar altitudinea este de 600 m. Clima este temperat continentală, cu ierni friguroase (temperaturi de până la -28°C) și veri călduroase cu temperaturi maxime de 32°C (Neagoe M. et.al, 2014).

Principalele elemente componente ale sistemelor solar-termice utilizate în cadrul cercetărilor experimentale sunt reprezentate în figura 5.1. Sistemul este format din:

A. Elementele active în conversia solar-termică, instalate pe acoperiș, sunt: - 2 colectoare solar termice identice (plan plate sau cu tuburi vidate), legate în paralel; - 1 debitmetru, pentru măsurarea cantității de fluid solar ce trece prin colectoare; - 4 senzori de temperatură, ce măsoară temperaturile de intrare și ieșire de pe fiecare colector; - 1 senzor de temperatură la ieșirea din sistemul de colectoare, ce transmite valorile către tabloul

de automatizare; - 2 aerisitoare, câte unul pe fiecare colector; - 1 tablou de monitorizare, pentru colectarea și retransmiterea datelor preluate de la debitmetru și

de la senzorii de temperatură. B. Instalațiile de circulație a fluidului termic, de control și de stocare a energiei termice precum

și sursa de backup sunt: - 1 tanc de stocare Multival ERR 500 pentru prepararea și stocarea apei calde menajere; - 1 centrală termică Hoval UltraGas 70, utilizată ca sistem suplimentar de încălzire a apei; - 1 tablou de automatizare Buderus, cu rol de control a temperaturii din tancul de stocare și de

comandă a grupului de pompare; - 1 pompă de recirculare a apei calde menajere, dispusă pe circuitul consumatorilor; - 1 pompă de circulație între centrala termică și tancul de stocare; - 1 grup de pompare Buderus, pentru vehicularea lichidului solar în instalație.

Capitolul 5 Determinarea experimentală a influenței unghiului de înclinare a colectoarelor solar-termice

60

Tanc de stocare Multival ERR 500

Apă caldă menajeră

Intrare apă rece

Tur CST

Retur CST

Tur CT

Retur CT

Consumatori etaj

Pompă recirculare WiloStar Z25/6

Centrală termică Hoval UltraGas 70

Pompă WiloStar RS25/7Senzor temperatură

tanc

Consumatori parter

T1

Tablou monitorizare

TC

T2

T3T4

D

Senzor temperatură intrare CST 1

Debitmetru

Aeris itor

TC Senzor temperatură SST

Senzor temperatură intrare CST 2

Senzor temperatură ieșire CST 2

Senzor temperatură ieșire CST 1

Robinet cu sferă

Computer stocare date

D

Consumatori demisol

T1

T2

T3

T4

AS

VE

VE Vas expansiune

AS Automatizare sistem

VE

Alimentare gaz de la rețea

C1

C2

C3

C1 Circuitul 1 - rezervă pentru conectare consumatori

C2 Circuitul 2 - încălzire pardoseală

C3 Circuitul 3 - încălzire calorifere

LEGENDĂ

Figura 5.1 Schema standului experimental


61

5.3 Principalele instrumente de înregistrare a datelor în cadrul cercetărilor experimentale Înregistrarea parametrilor meteorologici necesari în cadrul cercetărilor s-a realizat cu ajutorul

echipamentelor instalate în cadrul centrului RESREC, după cum urmează: Stația meteorologică WS-HP1 (Delta-T, figura 5.2) a furnizat datele de temperatură ambientală și de viteză a vântului.

Figura 5.2 Stația meteo WS-HP1 Figura 5.3 Sistemul de urmărire solară SOLYS 2 Sistemul de măsurare și monitorizare a radiației solare directe, difuze și globale (automatic sun tracker SOLYS 2, Kipp&Zonnen, figura 5.3). Sistemul este complet automatizat, are receptor GPS integrat și poate fi alimentat atât în curent alternativ, cât și în curent continuu. 5.4 Metodologia experimentală

În vederea evaluării performanțelor sistemelor solar – termice la diferite unghiuri de înclinare, s-

au parcurs următoarele etape: a) Stabilirea tipului de colectoare evaluate și poziționarea acestora; b) Identificarea proprietăților caracteristice pentru fluidul termic (antigel solar): căldura

specifică și densitatea; c) Selectarea perioadelor relevante pentru care se analizează datele; d) Înregistrarea parametrilor specifici fluidului termic: temperaturile de intrare și ieșire în/din

colector, temperatura medie, diferența de temperatură, debitul; e) Calculul puterii termice utile pentru fiecare colector; f) Calculul eficienței colectoarelor.

a) Stabilirea tipului de colectoare evaluate și poziționarea acestora

În cadrul analizei au fost orientate un număr de 6 sisteme de colectoare plan plate Buderus Logasol SKS 4.0 cu unghiuri de 0°, 30°, 35°, 40°, 45° și 90° față de orizontală (figura 5.4 - extras).


62

L8 – sistem colectoare plan plate 𝜒 = 0°

L6– sistem colectoare plan plate 𝜒 = 45°

L3– sistem colectoare plan plate 𝜒 = 90°

Figura 5.4 Sistemele de colectoare plan plate - extras De asemenea, au fost utilizate și 2 sisteme de colectoare cu tuburi vidate Buderus Logasol

SKR 12.1 orientate cu unghiuri 𝜒 de 0° și 45° (figura 5.5).

L9– sistem colectoare cu tuburi vidate 𝜒 = 0°


63

L5– sistem colectoare cu tuburi vidate 𝜒 = 45°

Figura 5.5 Sistemele de colectoare cu tuburi vidate cu 𝜒 = 0° ș𝑖 45° b) Identificarea proprietăților caracteristice pentru fluidul termic (antigel solar)

Fluidul termic utilizat este o antigel solar soluție pe bază de propilenglicol (Glycoxol Termocool). În funcție de temperatură și concentrație, căldura specifică (𝑐𝑝) a lichidului solar este cuprinsă

între 3,31 și 3,81 𝐽 𝑔 ∙ 𝐾⁄ . Concentrația rămânând constantă, singura variabilă va fi temperatura lichidului pe timpul procesului. Aceasta este considerată ca media temperaturilor de intrare, respectiv ieșire ale agentului în și din colector. Astfel, pentru determinarea căldurii specifice s-a utilizat relația:

𝑐𝑝 = 3,31 + (𝑇𝑚 − 𝑇𝑚𝑖𝑛) ∙ (3,81 − 3,31) 120⁄ (5.1) unde 𝑇𝑚 este temperatura medie a fluidului, iar 𝑇𝑚𝑖𝑛 reprezintă temperatura minimă de funcționare (−20℃ în cazul de față).

Densitatea fluidului solar utilizat este cuprinsă între 0,974 și 1,075 𝑔 𝑚3⁄ . Pentru determinarea densității lichidului solar a fost utilizată relația:

𝜌 = 1,075 − (𝑇𝑚 − 𝑇𝑚𝑖𝑛) ∙ (1,075 − 0,974) 150⁄ (5.2) unde 𝑡𝑚 este temperatura medie a fluidului, iar 𝑡𝑚𝑖𝑛 reprezintă temperatura minimă de funcționare (−30℃ în cazul de față). c) Selectarea perioadelor relevante pentru care se analizează datele

Zilele pentru care au fost realizate determinările sunt 11 august , 16 august și 23 septembrie 2014. Relevanța alegerii celor trei zile a ținut cont de variația radiației solare globale, măsurată în plan orizontal, după cum urmează: 11 august 2014 – zi însorită, 16 august 2014– zi intermediară și 23 septembrie 2014– zi noroasă. d) Înregistrarea/determinarea parametrilor specifici lichidului termic

Informațiile referitoare la temperaturile de intrare (𝑇𝑖𝑛𝑡), respectiv ieșire (𝑇𝑖𝑒ș) în/din colectoare,

înregistrate de senzori sunt stocate într-o bază de date și analizate în format Excel cu ajutorul softului de înregistrare și achiziție a datelor. Din aceste date s-au calculat sau au fost folosite următoarele:

- temperatura medie a fluidului termic la trecerea prin colector: 𝑇𝑚 =𝑇𝑖𝑛𝑡+𝑇𝑖𝑒ș

2

- diferența de temperatură la ieșirea și intrarea în colector a acestuia: ∆𝑇 = 𝑇𝑖𝑒ș − 𝑇𝑖𝑛𝑡 - debitul prin sistemul de colectoare (menținut constant pe timpul cercetărilor experimentale):

�̇� = 0,100 𝐿/𝑠.


64

e) Calculul puterii termice utile Pentru evaluarea puterii termice colectate de colectoarele solar-termice au fost înregistrați sau

determinați următorii parametri: temperaturile de intrare și ieșire ale fluidului în și din colector și debitul. În baza acestor date experimentale și a valorilor calculate pentru căldura specifică și densitatea fluidului, relația de calcul a puterii termice utile este:

𝑝 =�̇�∙𝑐𝑝∙𝛥𝑇

2∙𝐴𝑎𝑏𝑠 [

𝑊

𝑚2] (5.3)

unde 𝐴𝑎𝑏𝑠 reprezintă aria absorberului (2,1 m2 pentru colectoarele plan plate, respectiv 2,58 m2 pentru colectoarele cu tuburi vidate). Termenul 2 de la numitor apare deoarece fiecare sistem este compus din două colectoare identice. f) Calculul eficienței colectoarelor

Determinarea eficienței instantanee a colectoarelor s-a realizat utilizând următoarea relație: 𝜂 =

𝑝

𝐺𝑛 (5.4)

și relațiile 3.4 ... 3.7 De la sistemul Solys au fost utilizate ca date de intrare radiația directă (B) și radiația difuză în

plan orizontal (DH). 5.5 Evaluarea experimentală a performanțelor colectoarelor solar-termice cu diferite unghiuri de înclinare

În funcție de radiația globală în planul colectoarelor s-a calculat energia corespunzătoare la

intervale de 10 minute pentru cele trei zile caracteristice: însorită (11.08.2014), intermediară (16.08.2014) și înnorată (23.09.2014).

În figura 5.6 este reprezentată energia colectată de sisteme și variația acesteia în funcție de unghiul de înclinare, tipul zilei și tipul de colector solar-termic.

Figura 5.6 Variația energiei colectate în funcție de tipul zilei și înclinarea colectoarelor

Din analiza figurii 5.6 se constată variații majore ale energiei captate funcție de înclinarea colectoarelor în toate cele trei tipuri de zile analizate (valoarea maximă ≈1,8 ∙ valoarea minimă). În figura 5.7 sunt prezentate diagramele de variație ale radiației globale în planul colectoarelor, puterii utile și eficienței acestora pe timpul determinărilor în ziua însorită, 11.08.2014.


65

Pe baza valorilor și graficelor de variație obținute se pot extrage următoarele concluzii:

➢ poziționarea colectoarelor la orizontală (𝜒 = 0°) reprezintă cazul cel mai defavorabil; în toate cele trei zile analizate, pentru ambele tipuri de colectoare solar-termice considerate, energia colectată a prezentat cele mai mici valori; în aceste condiții, deși au randament al conversiei mai mic, colectoarele cu tuburi vidate au produs mai multă energie decât cele plan plate, iar diferențele sunt cu atât mai mari cu cât radiația globală rămâne constantă (cazul zilelor senine sau înnorate);

➢ pe măsură ce unghiul de înclinare crește, energia colectată crește de asemenea, atingând maximul pentru 𝜒 = 40°, corelația păstrându-se indiferent de tipul zilei; valori apropiate se înregistrează și în cazul 𝜒 = 30° și 𝜒 = 35°, fapt care confirmă astfel recomandările de alegere a unghiului optim de înclinare a colectoarelor solare funcție de latitudine;

➢ la un unghi de înclinare 𝜒 = 45°, colectoarele plan plate generează mai multă energie comparativ cu cele cu tuburi vidate; în acest caz, criteriul care face diferența este eficiența conversiei specifică fiecărui tip de colector în parte;

➢ sistemul de colectoare plan plate dispus orizontal generează o energie superioară sistemului vertical (𝜒 = 90°), cu aproximativ 20% în zilele însorită și intermediară; în ziua înnorată valorile sunt sensibil egale;

➢ pentru diferențe de 5° ale înclinării colectoarelor se constată următoarele, din punct de vedere al puterii utile: ✓ între 30° și 35°, energia colectată este aproximativ egală în zilele însorită și intermediară și crește

cu 12% în ziua înnorată în cazul sistemului înclinat la 35°; ✓ între 35° și 40°, energia crește cu 8% în ziua însorită în cazul sistemului înclinat la 40°; valorile pentru zilele intermediară și înnorată sunt aproape identice; ✓ între 40° și 45°, energia scade cu 8% în ziua însorită și cu 3-4% în zilele intermediară și înnorată în cazul sistemului înclinat la 45°; se observă că la un unghi 𝜒 = 45° în toate cele trei zile, colectoarele se comportă aproximativ la fel ca și în cazul celor înclinate cu un unghi 𝜒 = 35°.


66

PP - 0°

PP - 30°

PP - 35°

PP - 40°

Figura 5.11 Variația radiației solare globale, puterii utile și eficienței pentru sistemul de colectoare în data de 11.08.2014 (1-radiația solară globală în planul colectorului; 2-puterea utilă; 3-eficiența)


67

PP - 45°

PP - 90°

TV - 0°

TV - 45°

Figura 5.11 Continuare (1-radiația solară globală în planul colectorului; 2-puterea utilă; 3-eficiența)


68

5.6 Concluzii și contribuții Principalele concluzii ale cercetărilor experimentale sunt:

➢ pozițiile extreme de înclinare a colectoarelor, având unghiuri 𝜒 = 0° sau 𝜒 = 90°, se recomandă a fi evitate, deoarece conduc la rezultatele cele mai slabe din punct de vedere al energiei livrate; excepție de la aceste considerente fac colectoarele cu tuburi vidate dispuse la orizontală, colectoarele obținând rezultate sensibil egale cu cele înclinate cu un unghi egal cu latitudinea de implementare (𝜒 = 45°) în special în zilele intermediară și înnorată;

➢ o diferență de până la 10°-15° între unghiurile de înclinare nu influențează semnificativ energia captată, aspect evidențiat în toate cele trei tipuri de zile analizate;

➢ se evidențiază influența majoră a unghiului de înclinare asupra puterii utile (între 2000 și 3800 Wh/m2) și a eficienței într-o zi senină (între 60% și 80%);

➢ în zilele intermediare (parțial însorite) puterea utilă și eficiența urmăresc variația accentuată a radiației solare, puterea utilă fiind mult mai mică decât în cazul zilei însorite, iar eficiența variabilă într-o plajă mult mai mare;

➢ în zilele înnorate puterea termică este foarte mică și aproximativ constantă, în timp ce eficiența variază de asemenea într-o plajă foarte mare.

Ca și concluzie finală se poate afirma că adoptarea unghiului optim de înclinare pentru o latitudine

dată este o necesitate, pentru a evita pierderi sensibile ale puterii utile și a eficienței colectoarelor solar-termice. Latitudinea, perioada din an, calitatea radiației captate influențează esențial unghiul optim de înclinare. Contribuțiile autorului în prezentul capitol constau în:

➢ conceperea și designul standului experimental; ➢ dezvoltarea sistemului de achiziție de date; ➢ extragerea, prelucrarea și interpretarea datelor provenite de la cele opt sisteme solar-termice

(șase cu colectoare plan plate și două cu colectoare cu tuburi vidate); ➢ validarea pe cale experimentală a aspectelor teoretice privind unghiul optim de înclinare a

colectoarelor solar-termice.

69

CAPITOLUL 6

ANALIZA EFICIENȚEI IMPLEMENTĂRII SISTEMELOR SOLAR-TERMICE PE NAVE PRIN STUDII DE CAZ

6.1 Implementarea pe nave comerciale de transport marfă

Ca navă de transport marfă, în studiul de caz a fost aleasă nava Albatros din dotarea Forțelor

Navale ale României. Nava este destinată transportului de mărfuri generale, mărfuri în vrac (cu excepția minereurilor), cherestea sub punte sau pe punte și containere. În figura 6.1 sunt ilustrate principalele dimensiuni și suprafețe ale navei.

Capac magazieS=136 mp

Capac magazieS=136 mp

Capac magazieS=136 mpCapac magazie

S=10,2 mp

Bm

ax=17,7 m

Puntea pupaS=96 mp

Punt

ea e

talo

nS=

105,

24 m

p

Figura 6.1 Reprezentare a navei Albatros cu identificarea principalelor dimensiuni și suprafețe

Nava dispune de un motor diesel reversibil în 2 timpi, motor ce funcționează cu combustibil

greu (păcură) pe timp de marș și cu combustibil ușor (motorină) în timpul manevrelor de intrare și ieșire din port, precum și în zonele cu risc ridicat de pericol. Motorul principal este de tip SULZER 5RD68 cu o putere efectivă 𝑃𝑒 = 6100 𝐶𝑃 = 4550 𝑘𝑊 și un consum specific efectiv de combustibil 𝑐𝑒 = 0,165 [

𝑘𝑔

𝑘𝑊ℎ] (sursa: documentație tehnică a motorului SULZER 5RD68). Combustibilul utilizat

are puterea calorifică inferioară 𝑄𝑖 = 42700 [𝑘𝐽

𝑘𝑔].

6.2 Funcționalități ale energiei termice la bordul navei de transport marfă

Pentru obținerea energiei termice nava Albatros este dotată cu o caldarină navală de tip

CAVNO. Acest tip de caldarină este destinată producerii aburului saturat la presiunea maximă de 7 bar și funcționează cu combustibil lichid (păcură sau motorină) și are un debit nominal de abur de 1000 kg/h (sursa: documentație tehnică caldarină CAVNO 1000). Nava Albatros poate ambarca o cantitate de 604 tone de combustibil marin greu, iar conform legislației în vigoare trebuie ca în permanență 10% din această cantitate să îndeplinească condițiile utilizării imediate (combustibilul greu să fie la temperatura adecvată, temperatură realizată prin încălzire cu ajutorul aburului). Nava consumă, la o viteză economică de 7 noduri, o cantitate de combustibil de 500 𝑘𝑔/ℎ (Cotorcea A., Vișa I., 2014a).

Capitolul 6 Analiza eficienței implementării sistemelor solar-termice pe nave prin studii de caz

70

6.3 Alegerea voiajului pentru care se realizează studiul de caz Pentru studiul efectuat s-a ales o rută lungă, acoperind cele două emisfere, ruta Constanța

(România) – Rio de Janeiro (Brazilia), a cărei hartă generală este prezentată în figura 6.2. Trasarea drumului a fost realizată în programul Transas Navi-Sailor ECDIS, software utilizat

pe majoritatea navelor comerciale, cu sprijinul personalului specializat de la Simulatorul Integrat de Conducerea Navei din cadrul Academiei Navale “Mircea cel Bătrân” din Constanța.

Ruta are o lungime de 6482 mile marine, iar durata voiajului este de 926 de ore; pe această rută latitudinea variază între 44,08°N și 22,51°S. Viteza navei a fost considerată constantă, de 7 noduri (ceea ce reprezintă 7 mile marine pe oră, aproximativ 13 km/h), aceasta fiind o viteză economică care respectă tendințele actuale în domeniu.

Simularea marșului, din punct de vedere al perioadei de desfășurare, a fost realizată prin considerarea a două variante relevante, corespunzătoare la fenomene astronomice total opuse:

- Varianta 1 a avut în vedere ca în timpul solstițiului de vară în emisfera nordică (respectiv solstițiului de iarnă în emisfera sudică), 21 iunie, nava să se afle la jumătatea marșului. Astfel, marșul se desfășoară în perioada 2 iunie (𝑛 = 153) orele 08.00 și 10 iulie (𝑛 = 191) orele 22.00;

- Varianta 2 a fost aleasă astfel încât în timpul solstițiului de iarnă în emisfera nordică (respectiv solstițiului de vară în emisfera sudică), 21 decembrie (𝑛 = 355), nava să se afle ca și în cazul precedent la jumătatea marșului. Astfel, voiajul se desfășoară în perioada 2 decembrie (𝑛 = 336) orele 08.00 și 9 ianuarie (𝑛 = 9) orele 22.00.

Figura 6.2 Schița voiajului pe ruta Constanța – Rio de Janeiro (vedere generală)

6.4 Determinarea radiației solare disponibile pe timpul voiajului

Determinarea radiației solare globale în planul colectoarelor solar-termice s-a realizat cu ajutorul modelului Bason, model prezentat în capitolul 3. Factorul de turbiditate a fost generat pe baza ecuațiilor polinomiale deduse în capitolul 3 pentru sezonul rece, respectiv cald.


71

Adoptarea unui unghi optim de înclinare a colectoarelor, dependent de sezon și latitudine s-a realizat utilizând ecuațiile determinate în capitolul 4 (ecuațiile 4.5 și 4.6). Un extras cu rezultatele obținute este prezentat în tabelul 6.1.

Tabelul 6.1 Unghiul de înclinare optim în funcție de latitudinea medie zilnică și ziua din an (extras)

Latitudinea medie zilnică [°]

Varianta 1 Varianta 2

Ziua din an Unghiul optim de înclinare [°] Ziua din an Unghiul optim

de înclinare [°] 43.05 153 8 336 70 35.75 158 2 341 63 37.06 163 3 346 64 31.63 168 -2 351 59 23.80 172 -9 355 52 13.86 176 -17 359 43 0.45 181 -29 364 31

-12.79 186 -40 4 16 -23.03 191 -49 9 7

Valorile negative ale unghiului optim de înclinare din tabelul 6.1 indică orientarea către nord

a colectoarelor solare (în emisfera sudică). 6.5 Alegerea tipului de colector solar-termic

Pentru conversia energiei solare în energie termică și utilizarea acesteia ca aport la sistemele

clasice de producere ale energiei termice, s-a considerat un colector plan plat de tipul TitanPower-ALDH29 ale cărui specificații tehnice sunt date în tabelul 6.2 (www.siliconsolar.com).

Tabelul 6.2 Principalele specificații tehnice ale colectorului TitanPower-ALDH 29

Suprafață absorber 2,57 m² Eficiență colector 82,0 % Suprafață totală 2,72 m² Presiune maximă de lucru 11 bar Lungime 2160 mm Factor absorbție 95 % Lățime 1260 mm Factor emisie 5 % Adâncime 105 mm Temperatura de stagnare 200 °C Masă 55,2 kg Preț bucată 599 $

Cunoscând eficiența colectoarelor pe baza caracteristicilor emise de producător (82%),

eficiența întregului sistem solar-termic, având în vedere pierderile de căldură de pe instalație (aproximativ 40%), va fi de ≈50%. 6.6 Analiza posibilităților de amplasare a colectoarelor solar-termice

În cadrul analizei de față pentru nava de transport marfă au fost considerate următoarele zone în

analiza inițială ca fiind disponibile pentru amplasarea colectoarelor solar-termice (figura 6.3): - capac de magazie cu o suprafață de 136 m2; - puntea etalon cu o suprafață de 105,24 m2; - puntea pupa cu o suprafață de 96 m2.


72

a) b)

c)

Figura 6.3 Suprafețele identificate inițial pentru instalarea colectoarelor solar-termice a) capac magazie; b) puntea etalon; c) puntea pupa

În urma aspectelor identificate în cadrul analizei zonelor în care se pretează instalarea de

colectoare solar-termice se poate concluziona că puntea etalon este cea mai potrivită și, în consecință, această zonă va fi considerată în continuare. 6.7 Alegerea schemei de dispunerea a colectoarelor

Aspectul urmărit este utilizarea la maxim a spațiului disponibil și modalitatea de dispunere a

colectoarelor (orizontal sau înclinat). Având în vedere zona identificată anterior pentru instalarea colectoarelor, în figura 6.4 sunt prezentate principalele dimensiuni și distanțe între colectoarele solar-termice care pot fi instalate pe putea etalon.

După cum se poate observa din figura 6.4 pe suprafața punții etalon pot fi instalate 23 de colectoare solar-termice de tipul celui descris la punctul 6.5, ceea ce reprezintă din punct de vedere al suprafeței de absorber un total de 59,11 m2.

Pentru evaluarea variantei optime (în care energia termică obținută de sistem are valoarea cea mai mare) au fost considerate trei scenarii, și anume:

- Scenariul 1: colectoarele sunt dispuse orizontal; - Scenariul 2: colectoarele sunt înclinate cu unghiul optim în funcție de sezon și latitudine și

orientate în permanență către Sud/Nord; - Scenariul 3: colectoarele sunt înclinate cu unghiul optim și urmăresc în permanență Soarele

(mișcare diurnă în pași).


73

Figura 6.4 Principalele dimensiuni și distanțe între colectoarele solar-termice pe puntea etalon

În continuare, cele trei scenarii sunt comparate din punct de vedere al energiei termice produse

pe timpul celor două voiaje. În urma analizei va fi determinată varianta optimă de dispunere a colectoarelor solar-termice la bordul navei de transport marfă. 6.8 Determinarea energiei termice obținute în sistemul solar-termic

Determinarea energiei termice produsă de sistemul solar-termic pe timpul voiajelor pe ruta

Constanța – Rio de Janeiro s-a realizat considerând: - poziția navei din oră în oră; - radiația solară globală estimată orar, prin modelul Bason (ecuațiile 3.20 ... 3.23); - eficiența colectoarelor solar-termice de 82% și o eficiență globală a sistemului de 𝜂 = 50%.

Energia termică rezultată în urma conversiei energiei solare a fost determinată pe baza relației: 𝐸𝐶𝑆𝑇 = 𝐸 ∙ 𝐴𝑎𝑏𝑠 ∙ 𝜂 (6.1)

unde 𝐸 este energia solară (Wh/m2), iar 𝐴𝑎𝑏𝑠 este suprafața care captează energia radiației solare (m2).

Centralizarea energiei termice produse în cele trei scenarii este prezentată în tabelul 6.3. După cum se poate observa energia maximă corespunde scenariului 3 (colectoare înclinate cu unghiul optim și orientate diurn în pași), iar cea minimă corespunde scenariului 1 (colectoare dispuse orizontal). De asemenea, în tabelul 6.3 este prezentată și media pe timpul celor două perioade. Această medie, având în vedere faptul că perioadele alese sunt extreme din punct de vedere astronomic, poate fi considerată ca o valoare de referință indiferent de perioada de desfășurare a unui voiaj pe ruta Constanța – Rio de Janeiro.

Tabelul 6.3 Energia termică produsă pe timpul voiajelor în cele trei scenarii

Perioada voiajului Energia termică produsă pe timpul voiajului [kWh] Scenariul 1 Scenariul 2 Scenariul 3

2 iunie – 10 iulie 8709,02 9274,98 11179,31 2 decembrie – 9 ianuarie 5967,06 8200,81 9845,88

ENERGIA MEDIE 7338,04 8737,90 10512,60


74

Un alt aspect relevant îl constituie diferențele procentuale care apar între cazul cel mai defavorabil (dispunerea orizontală a colectoarelor - scenariul 1) și cazurile colectoarelor înclinate (scenariile 2 și 3), tabelul 6.4.

Tabelul 6.4 Diferențele procentuale între scenariul 1 și scenariile 2 și 3

2 iunie – 10 iulie 2 decembrie – 9 ianuarie Energia termică

[kWh] Diferența față de scenariul 1 [%]

Energia termică [kWh]

Diferența față de scenariul 1 [%]

Scenariul 1 8709,02 - 5967,06 - Scenariul 2 9274,98 +6,1 8200,81 +27,2 Scenariul 3 11179,31 +22,1 9845,88 +39,4

Din analiza rezultatelor prezentate în tabelele 6.3 și 6.4 se pot deduce următoarele: - dispunerea cu un unghi 𝜒 = 0 (la orizontală) a colectoarelor solar-termice (scenariul 1) reprezintă

varianta cea mai puțin favorabilă, indiferent de perioada analizată; diferențele sunt semnificative mai ales în perioada de iarnă când aportul de radiației solară este mai scăzut, situându-se între 27,2% față de scenariul 2 și 39,4% față de scenariul 3;

- scenariul 2, care presupune înclinarea zilnică a colectoarelor cu unghiul optim în funcție de latitudine și orientarea acestora spre sud/nord, devine eficient comparativ cu scenariul 1 în special pe timp de iarnă, pe timp de vară diferența fiind de 6,1%; totuși, analizând din punct de vedere al energiei medii anuale diferența crește la 16%, ceea ce reprezintă un plus de energie important;

- scenariul 3, care consideră urmărirea permanentă a Soarelui, precum și înclinarea colectoarelor cu unghiul optim funcție de latitudine, reprezintă varianta cea mai avantajoasă indiferent de sezon; astfel, la nivel anual apare o diferență de 30,2% față de scenariul 1 și de 16,9% față de scenariul 2.

6.9 Determinarea cantității de combustibil economisit prin utilizarea sistemului solar-termic

Utilizarea colectoarelor solar-termice conduce la reducerea consumului de combustibil utilizat

pentru producerea de energie termică la bordul navelor și implicit la reducerea gazelor cu efect de seră rezultate în urma arderii acestei cantități de combustibil. În cazul de față, combustibilul utilizat la bordul navei (și în general la bordul navelor comerciale) este păcura (denumit și combustibil marin greu) cu o putere calorifică inferioară 𝑄𝑖 = 42700 [

𝑘𝐽

𝑘𝑔]. Cantitatea de combustibil m economisit prin

utilizarea energiei termice livrate de sistemul solar-termic considerat, ținând seama de faptul că 1 kWh=3600 KJ, este dată de:

𝑚 =

𝐸𝐶𝑆𝑇∙3600

𝑄𝑖 [𝑘𝑔] (6.2)

unde 𝐸𝐶𝑆𝑇 reprezintă energia produsă de sistemul solar-termic în kWh, iar 𝑄𝑖 puterea calorifică a combustibilului, în kJ/kg.

Cunoscând energia termică obținută în cazul cel mai favorabil (scenariul 3 pe timp de vară) ca fiind 11179,31 𝑘𝑊ℎ și utilizând relația de mai sus, va rezulta o cantitate de combustibil economisită pe timpul voiajului de 942,52 𝑘𝑔, ceea ce conduce la o medie de 24,8 𝑘𝑔 𝑧𝑖⁄ . Raportate la consumul total de combustibil pe timpul voiajului care este de 463 tone (având în vedere un consum orar de 500 kg și o durată a marșului de 926 ore), cantitatea economisită reprezintă 0,20%, dar așa cum se va arăta la punctul 6.10, energia termică obținută prin conversia solar-termică acoperă 100%


75

din energia necesară preparării apei calde menajere, iar la staționarea în rada portului reduce substanțial poluarea. 6.10 Posibile întrebuințări ale energiei termice obținute prin conversia solar-termică pentru nava de transport marfă

Energia termică obținută la bordul navei de transport marfă cu ajutorul sistemului solar-termic

considerat se pretează a fi utilizată în scopul asigurării apei calde menajere necesară echipajului. Apa caldă menajeră este utilizată în cadrul instalațiilor de deservesc sistemul sanitar (băi, dușuri, cabine), precum și în instalațiile care asigură funcționarea bucătăriilor.

Numărul de marinari în echipaj conform caracteristicilor principale ale navei Albatros poate fi de 20 (echipaj standard), respectiv de 44 (echipaj maxim). Necesarul zilnic de apă caldă menajeră pentru fiecare membru al echipajului este de 50...100 litri, în funcție de activitățile desfășurate. Rezultă astfel un necesar zilnic de 1000...2000 de litri pentru echipajul standard și de 2200...4400 de litri pentru echipajul maxim. Cantitatea medie zilnică de energie livrată de sistemul solar-termic este de 276,6 𝑘𝑊ℎ, având în vedere un total de 10512,6 𝑘𝑊ℎ pe durata celor 38 de zile ale voiajului. Cantitatea zilnică de apă caldă menajeră care poate fi obținută cu această energie se determină conform relației:

𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑒𝑧𝑖𝑙𝑛𝑖𝑐ă = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑡 → 𝑚 =𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑒𝑧𝑖𝑙𝑛𝑖𝑐ă

𝑐∙∆𝑡 (6.3)

unde: 𝑐 = 4,18 [𝑘𝐽

𝑘𝑔∙𝐾] = 0,001161 [

𝑘𝑊ℎ

𝑘𝑔∙𝐾] este căldura specifică a apei, ∆𝑡 = 40℃ este diferența de

temperatură între temperatura apei calde menajere necesară consumului (50°C) și temperatura apei din tancurile de stocare (10°C), iar 𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑒𝑧𝑖𝑙𝑛𝑖𝑐ă este energia medie zilnică produsă de sistemul solar-termic. Rezultă astfel o cantitate de apă care poate fi încălzită de:

𝑚 =276,6

0,001161∙40= 5956,1 [𝑘𝑔] = 5956,1 [𝑙] (6.4)

Rezultatele obținute permit enunțarea următoarelor concluzii și observații: ➢ energia termică medie pe timpul voiajului obținută de la sistemul solar-termic considerat

satisface nevoia de preparare de apă caldă menajeră pentru întregul echipaj, depășind chiar necesarul maxim indiferent de numărul de marinari din echipaj;

➢ excedentul de apă caldă menajeră produs într-o zi senină (cazul în care energia termică obținută este mai mare decât energia termică medie considerată în studiul de față) poate fi utilizat în zilele înnorate, zile cu un aport scăzut de radiație solară și implicit de energie termică rezultată; de asemenea, acest excedent poate fi transferat în caldarinele navale, reducând în acest fel sarcina acestora prin livrarea apei la temperatura de 50°C în loc de 10°C cum este în mod obișnuit, lucru care conduce și la reducerea cantității de combustibil utilizată de caldarine;

➢ excedentul de energie termică obținut pe timpul zilelor însorite poate fi utilizat și pentru ridicarea periodică (săptămânal) a temperaturii apei calde menajere mai sus de 60°C, în scopul prevenirii dezvoltării bacteriilor pe instalațiile de distribuție și în tancurile de stocare (MGN 397; World Health Organization, 2007);

➢ în cazul unor zile înnorate consecutive, când necesarul de apă caldă menajeră nu poate fi asigurat de sistemul solar-termic, încălzirea apei din se poate realiza în modul clasic prin intermediul caldarinei, creându-se astfel un sistem de producere a apei calde menajere combinat.


76

6.11 Analiza fezabilității sistemelor solar-termice instalate pe nave

Oportunitatea implementării de sisteme solar-termice este analizată în continuare în funcție de perioada de amortizare a investiției. Perioada de amortizare este dependentă de prețul combustibilului marin și valoarea investiției inițiale.

În continuare, pentru a determina fezabilitatea implementării de sisteme solar termice pe nava de transport marfă, au fost analizate economiile realizate prin adoptarea de colectoare solar-termice, funcție de prețul combustibilului marin greu. Pentru a putea generaliza rezultatele obținute, pe fondul unei variații multianuale foarte mari a prețului combustibilului, acesta a fost considerat 300$, 600$ și respectiv 900$ per tonă. De asemenea, s-a considerat că prețul colectoarelor solar - termice reprezintă 30% din investiția totală (Lauterbach C. et al., 2011).

Conform rezultatelor obținute anterior, este evaluat din punct de vedere al fezabilității scenariul 3, în care se consideră 23 de colectoare solar-termice, prețul de achiziție a acestora fiind de 13777 $ (la un cost de 599 $ pentru un colector). Rezultă astfel un cost al întregului sistem de 45923,3 $.

Pentru generalizarea rezultatelor obținute se consideră valorile medii anuale ale energiei termice utile pe timpul voiajului aferentă scenariului 3. Determinată anterior ca fiind 10512,60 𝑘𝑊ℎ, energia termică produsă conduce la o economie de combustibil de 886,3 𝑘𝑔 pe întregul voiaj sau de 23,3 𝑘𝑔/𝑧𝑖. Din punct de vedere financiar este realizată o economie de 7-21 $/zi (economii calculate pentru un preț al combustibilului între 300 și 900 $/tonă).

Pe baza datelor prezentate anterior (costul total de punere în funcțiune și economiile realizate pe zi de exploatare), în tabelul 6.5 sunt prezentate valorile obținute pentru numărul zilelor de exploatare necesare pentru amortizarea investiției.

Tabelul 6.5 Numărul zilelor de exploatare pentru amortizare Cost combustibil [$/t] 300 600 900 Perioada de amortizare [zile exploatare] 6561 3281 2187

Prin urmare, pentru 365 de zile de exploatare anual, sistemul se va amortiza în 6 ani pentru un

cost al combustibilului de 900 $/t și în 18 ani pentru 300 $/t. În figura 6.5 este evidențiată perioada de amortizare a sistemului solar-termic în funcție de costul de instalare și de prețul combustibilului marin.

1

2

3

4

Figura 6.5 Perioada de amortizare a sistemului în funcție de prețul combustibilului și investiția inițială

(1 - 300 $/t, 2 - 600 $/t, 3 - 900 $/t, 4 - costul sistemului solar-termic)


77

În urma analizei de fezabilitate a implementării sistemelor solar-termice pentru nava de transport marfă, au rezultat următoarele:

- la un cost al combustibilului marin de 300 $/tonă, sistemul se va amortiza în 18 ani; totuși, chiar și în acest scenariu puțin probabil investiția produce valoare adăugată pe timpul exploatării, deoarece navele au în general o durată medie de exploatare de 25 de ani;

- sistemul produce valoare adăugată mare la un preț al combustibilului mai ridicat, amortizarea putându-se realiza în 6 ani (cazul prețului de 900 $/tonă);

- sistemul solar-termic considerat nu conduce la economii de combustibil semnificative raportat la consumul zilnic al navei, dar energia termică furnizată de sistem poate fi utilizată pentru satisfacerea nevoilor zilnice a echipajului (apă caldă menajeră în special);

- cantitatea de combustibil economisit (nears) conduce la reducea poluării atmosferei cu CO2; astfel, pentru o economie de combustibil rezultată de 886,3 kg pe timpul voiajului, cantitatea de CO2 care nu ajunge în aer este de 2760 kg (la 1000 de kg de combustibil marin greu consumat se generează 3114 kg de CO2 – IMO, 2009).

6.12 Implementarea sistemului solar-termic pe nava de transport marfă

Pe baza rezultatelor obținute anterior referitoare la cantitatea de apă caldă menajeră ce poate fi preparată prin valorificarea potențialului solar, în continuare sunt propuse trei tipuri de sisteme care pot fi adaptate la bordul navei (figurile 6.6...6.8). În cadrul sistemelor propuse este realizată conversia energiei solare în energie termică, transferul de energie necesar preparării de apă caldă menajeră, precum și stocarea și/sau distribuția acesteia către consumatori.

Sistemul prezentat în figura 6.6 este un sistem clasic solar-termic compus din colectoare, tancuri de stocare și sistem de distribuție. Tancurile de stocare au fost dimensionate astfel încât să permită prepararea și stocarea cantității de apă caldă menajeră determinată anterior pe baza energiei termice medii zilnice livrate de sistemul de colectoare. Au fost incluse trei tancuri de stocare de 2000 de litri, designul realizându-se astfel încât să existe posibilitatea izolării unuia dintre ele în cazul apariției unei defecțiuni sau al unui aport scăzut de energie termică.

Tanc de stocare 1

ACM

Tur CST

Retur CST

Consumatori ACM

Robinet cu sferă

COLECTOARE SOLAR-TERMICE

Valvulă cu trei căi

LEGENDĂ

Tanc de stocare 2 Tanc de stocare 3

Intrare apă rece 10°C

2000 litri50°C

2000 litri50°C

2000 litri50°C

Intrare apă rece 10°CIntrare apă rece 10°C

ACMACM

Figura 6.6 Sistem solar-termic pentru preparare ACM


78

Sistemele din figurile 6.7 și 6.8 sunt proiectate astfel încât să asigure o strânsă legătură între sistemul clasic de producere a apei calde la bord (caldarina) și sistemul solar-termic. Astfel, în primul sistem combinat propus (figura 6.7), este prevăzut un tanc de stocare de 6000 de litri, tanc care preia energia termică de la colectoare, dar poate primi energie la nevoie și de la caldarină. De asemenea, pentru a evita supraîncălzirea colectoarelor în cazul în care apa caldă din tancul de stocare nu este utilizată de către consumatori, aceasta poate deveni sursă auxiliară de apă pentru caldarină. Avantajul principal al acestei utilizări este acela că în caldarină apa intră deja preîncălzită, iar cantitatea de combustibil necesar obținerii aburului va fi mai mică.

Sistemul din figura 6.8 este prevăzut cu două tancuri de stocare de 2000 de litri și un schimbător de căldură cu plăci. Rolul tancului de stocare care poate înmagazina apă caldă la temperatura de 90°C, este acela de a restrânge spațiul necesar la bord pentru instalarea sistemului (având o capacitate mai mică) comparativ cu sistemul propus în figura 6.6 și de a permite stocarea și utilizarea la nevoie a apei calde cu o temperatură ridicată (limitând astfel pierderile care pot apărea pe timpul zilelor cu un aport de radiație crescut).

Sistemele propuse în cazul de față pot fi adoptate la bordul navei de transport marfă dar pot constitui de asemenea soluții viabile pentru orice navă comercială. Două dintre principiile de bază care trebuie avute în vedere în alegerea sistemului potrivit sunt dependența de spațiul disponibil (în cazul navelor aflate deja în exploatare) și greutatea suplimentară care apare la bord (greutate care se dorește a fi cât mai mică, astfel încât să nu fie afectată stabilitatea navei, precum și cantitatea de marfă care poate fi transportată și implicit veniturile de pe urma acesteia).

Tanc de stocare

Apă caldă menajeră45°C


Tur CST

Retur CST

Tur caldarină

Retur caldarină

Pompă recirculare

Caldarină navală CAVNO 1000

Pompă circulareSenzor temperatură

tanc

Consumatori ACM

T1

Tablou monitorizare

TC

T2

D

Senzor temperatură intrare

Debitmetru

Aeris itor

TC Senzor temperatură CST

Senzor temperatură ieșire

Robinet cu sferă

Computer stocare date

D

T1

T2

AS

VE

VE Vas expansiune

AS Automatizare sistem

VE


Apă rece 10°C


Intrare apă caldă 45°C

Spre caldarină

Pompă alimentare

combustibil

LEGENDĂ

Pulverizator combustibi l

Evacuare gaze de ardere

Consumatori principali de abur

6000 litri45°C

Figura 6.7 Sistem combinat solar – caldarină pentru preparare ACM


79

Tur CST

Retur CST

Consumatori ACM

Robinet cu sferă



LEGENDĂ

Tanc stocare

2000 litri90°C


Schimbător de căldură cu plăci

Tanc de stocare 1

2000 litri50°C

Intrare apă rece 10°CCătre alimentare

caldarină

Caldarină navală


De la retur tanc de stocare 1

Figura 6.8 Sistem combinat solar – caldarină pentru preparare ACM cu schimbător de căldură

6.13 Implementarea sistemelor solar-termice pe navele de pasageri

După cum a fost demonstrat anterior, utilizarea sistemelor solar-termice pentru producerea de

apă caldă menajeră sau ca soluție auxiliară în cadrul acestui proces reprezintă aplicația care se pretează cel mai bine la bordul navelor comerciale. Pornind de la studiul de caz efectuat pentru o navă de transport marfă și care poate executa voiaje lungi, în continuare au fost identificate alte două posibile tipuri de nave pe care pot fi implementate sistemele solar-termice.

Primul tip de navă identificat sunt navele de pasageri care execută croaziere pe fluvii / râuri (figura 6.9). Aceste nave dispun de obicei și de suprafețe libere pe care pot fi instalate colectoare solar-termice și au și un consum ridicat de apă caldă menajeră direct proporțional cu numărul de pasageri de la bord.

a) b)

Figura 6.9 Nave fluviale de croazieră


80

Alt tip de navă pe care se pot instala sisteme solar-termice sunt yacht-urile (figura 6.10). Spre deosebire de cazul anterior, dimensiunea și numărul de pasageri a acestora sunt în general mai mici, dar oferă posibilitatea de a naviga mai multe zile atât pe mare cât și pe fluvii, râuri, sau deltă, existând astfel o necesitate de apă caldă menajeră.

Figura 6.10 Nave tip yacht

Unul dintre elementele comune ale celor două tipuri de nave identificate ca potențiale

obiective de implementare a sistemelor solar-termice este faptul că acestea navigă de obicei în zone de coastă sau foarte aproape de comunități. Acest aspect are un impact negativ asupra mediului înconjurător și sănătății populației, datorat emisiilor de gaze rezultate din arderea combustibililor fosili utilizați pentru satisfacerea necesităților zilnice ale pasagerilor. Astfel, adoptarea de sisteme solar-termice care permit asigurarea (parțială sau totală) de apă caldă menajeră fără a produce emisii de gaze reprezintă una dintre soluțiile care trebuie avute în vedere în cadrul unei analize de impact a navelor asupra mediului. Un alt aspect important, datorat numărul relativ mare de pasageri, este faptul că aceste sisteme pot avea o construcție mai puțin complexă (prin eliminarea tancurilor de stocare) prin prisma consumului continuu de apă caldă menajeră. Pentru exemplificare, în tabelul 6.6 sunt prezentate caracteristicile principale ale navei din figura 6.9 b), o navă de dimensiuni medii.

Tabelul 6.6 Caracteristicile navei Spirit of Chartwell (www.douroazul.com)

Tipul navei Navă fluvială de pasageri Lungime maximă 63,87 m Capacitate pasageri 30 Lățime maximă 6,72 m Membri echipaj 10 Putere instalată 2 X 350 CP Tonaj 485 tone Viteza maximă 11 noduri (≈20 km/h)

Nava este dotată cu două motoare Scania de 350 CP fiecare (257 kW). Consumul specific al

motoarelor este de 203 g/kWh la sarcină maximă și sarcină ¾ și de 207 g/kWh la sarcină ½ (sursa: documentație tehnică motor Scania DI09 070M). La o viteză de croazieră de 6 noduri (corespunzătoare unei sarcini de 1/2), nava consumă 53,2 kg/h.

În continuare, urmând metodologia utilizată anterior în cazul navei de transport marfă, s-a realizat analiza fezabilității implementării sistemelor solar-termice pentru nava Spirit of Chartwell. Analiza consideră o durată de 10 zile și a fost întocmită pe baza unui voiaj pe Dunăre între Fetești și Mahmudia. Distanța traseului Fetești – Mahmudia este de 143 mile marine (≈ 265 km). Această distanță va fi parcursă, cu viteza de 6 noduri (aproximativ 11 km/oră), în 24 de ore. Cantitatea totală de combustibil consumată în timpul deplasării navei, cunoscând consumul orar de 53,2 kg, va fi


81

1276,8 kg (8,93 kg/milă marină). Latitudinea se poate considera constantă pe timpul voiajului, aspect evidențiat în capitolul 2.

În determinarea cantității de combustibil economisit prin utilizarea sistemelor solar-termice pentru prepararea de apă caldă menajeră, se consideră:

- Număr persoane (pasageri + echipaj): 40 - Cantitatea zilnică de apă caldă per persoană: 50...100 litri - Cantitatea de apă caldă necesară pe timpul voiajului: 20000...40000 litri - Suprafața disponibilă pentru amplasarea colectoarelor: 40 m2 - Perioada din an: n=167...n=177 (luna iunie) - Latitudinea medie pe timpul voiajului: 45,3°N - Factorul de turbiditate în funcție de sezon și latitudine: 3,16 - Unghiul optim de înclinare al colectoarelor: 9° Cu ajutorul sistemului solar-termic se vor obține 1512,9 kWh pe timpul voiajului (utilizând

aceleași caracteristici ale colectoarelor ca și în cazul navei de transport marfă). Cunoscându-se puterea calorifică inferioară a combustibilul marin ca fiind 𝑄𝑖 = 42700 [

𝑘𝐽

𝑘𝑔], rezultă astfel o

economie de combustibil de 122,7 kg pe timpul voiajului. Raportat la cantitatea de combustibil utilizată pentru propulsie pe timpul voiajului (1276,8 kg), economia realizată va fi de 10%.

Cantitatea de apă caldă menajeră produsă este:

𝐸 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑡 → 𝑚 =𝐸

𝑐∙∆𝑡=

1512,9

0,001161∙35= 37231,45 [𝑙] (6.5)

În ecuația (6.5) 𝑐 = 4,18 [

𝑘𝐽

𝑘𝑔∙𝐾] = 0,001161 [

𝑘𝑊ℎ

𝑘𝑔∙𝐾] este căldura specifică a apei, ∆𝑡 = 35℃ este

diferența de temperatură între temperatura apei calde menajere necesară consumului (50°C) și temperatura apei din tancurile de stocare (15°C), iar 𝐸 = 1512,9 𝑘𝑊ℎ este energia produsă de sistemul solar-termic.

După cum se poate observa cantitatea de apă caldă menajeră care poate fi obținută este situată la limita superioară a consumului celor de la bord.

Pentru o identificare cât mai exactă a economiei de combustibil care se poate realiza cu ajutorul sistemelor solar-termice, în continuare au fost extrapolate datele privind voiajul considerat anterior pentru latitudinea de 45°N pentru latitudinile de 25°N și 60°N. De asemenea, pentru a corela activitățile reale ale unei nave fluviale de pasageri cu rezultatele obținute, perioada analizată (luna iunie) a fost extinsă și pentru lunile mai, iulie și august. Aceste luni au fost alese pe baza faptului că sunt cele mai propice voiajelor pentru latitudinile analizate.

În cazul unei companii de shipping care deține 10 astfel de nave cantitatea de combustibil economisită și economiile financiare (prin considerarea unei valori a tonei de combustibil de 450$) în funcție de luna din an și latitudine, pentru voiaje de 10 zile (ceea ce înseamnă 3 voiaje pe lună, 12 voiaje în total pentru fiecare navă), este prezentată în tabelul 6.7.

Tabelul 6.7 Cantitatea de combustibil economisită și impactul financiar al acesteia

Luna Latitudinea

25°N 45°N 60°N Cantitatea de combustibil economisită [kg]

Mai 345,1 368,1 384,3 Iunie 350,2 382,7 410,5 Iulie 338,4 352,9 369,8


82

Luna Latitudinea

25°N 45°N 60°N Cantitatea de combustibil economisită [kg]

August 316,0 318,7 320,6 Total pentru 1 navă 1349,8 1422,4 1485,2 Total pentru 10 nave 13498 14224 14852 Economia financiară 6074 $ 6400 $ 6683 $

Din punct de vedere al impactului asupra mediului, reducerea cantității de combustibil

datorată utilizării sistemelor solar – termice conduce la scăderea emisiilor de CO2. Astfel, pentru cazul latitudinii de 45°N, cantitatea nearsă de 14224 kg de combustibil marin previne emiterea în atmosferă a unei cantități de 44847 kg de CO2 (calcul realizat prin considerarea unei densități a combustibilului de 0,85 g/cm3 și a unor emisii de 2,68 kg CO2/litru de combustibil). 6.14 Concluzii și contribuții

Principalele concluzii ale studiilor de caz sunt:

- din analiza suprafețelor disponibile pe nava de transport marfă de mare tonaj rezultă posibilitatea implementării unui sistem solar-termic care conține 23 de colectoare;

- analiza a trei situații funcționale destinate (colectoare fixe dispuse orizontal, colectoare fixe și dispuse la unghi de înclinare optim, colectoare orientabile) a condus la obținerea, pentru deplasarea pe ruta Constanța – Rio de Janeiro (38 de zile, 12000 de kilometri), a unui câștig de energie pe timp de vară la înclinarea optimă de 9274,98 kWh, iar prin orientare de 11179,31 kWh;

- energia termică obținută asigură în întregime necesarul de energie pentru prepararea de apă caldă menajeră pe timpul deplasării pentru întregul echipaj, reduce cantitatea necesară de combustibil cu 0,2% (886 kg păcură) și contribuie la neeliminarea în atmosferă a 2760 kg de CO2;

- pentru navele de pasageri economia de combustibil crește până la 10% (pentru navă fluvială de pasageri), iar sistemele solar-termice implementate asigură în totalitate necesarul de apă caldă menajeră pentru echipaj.

Principalele contribuțiile sunt:

- analiza unei nave comerciale din punct de vedere al funcționalităților energiei termice și a implementării sistemelor solar-termice pe navă;

- analiza unui voiaj efectuat în perioade diferite din an (și extreme din punct de vedere astronomic), pentru determinarea energiei termice livrate de sistemul solar-termic implementat;

- identificarea modalităților de valorificare a energiei obținute prin conversia solar-termică pentru nava de transport marfă, precum și determinarea cantității de combustibil economisit și stabilirea perioadei de amortizare a sistemului solar-termic;

- propunerea a trei tipuri de sisteme solar-termice care pot fi adaptate pe navele comerciale în scopul livrării directe de apă caldă menajeră și/sau pentru stocarea energiei termice și utilizarea ulterioară a acesteia;

- identificarea oportunităților de utilizare a energiei termice pentru producerea de apă caldă menajeră pentru nave care navigă costier, în scopul reducerii impactului asupra comunităților dispuse în aceste zone.

83

CAPITOLUL 7 CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII ORIGINALE. DISEMINAREA

REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

Cercetarea efectuată extinde problematica conversiei solar-termice de la sistemele solar-termice instalate în locații fixe (pe uscat) la sistemele solar-termice instalate pe mijloacele de transport, cu aplicabilitate la cele care se deplasează pe apă.

În abordarea problematicii, s-a pornit de la cunoașterea în domeniul sistemelor solar-termice instalate pe uscat, folosind experiența, infrastructura și rezultatele obținute în domeniu în Centrul de cercetare științifică Sisteme de Energii Regenerabile și Reciclare (Renewable Energy Systems and Recycling - RESREC) din cadrul Institutului de Cercetare-Dezvoltare al Universității Transilvania (ICDT).

Se prezintă în continuare principalele concluzii ale cercetării efectuate, contribuțiile aduse prin această teză la cunoașterea în domeniu, modul de diseminare a rezultatelor și posibile direcții viitoare de cercetare științifică. CONCLUZII FINALE

Principalele concluzii ca rezultat al cercetării științifice în domeniul dezvoltării și implementării sistemelor solar-termice pe nave sunt:

A) Adaptarea și implementarea sistemelor de energie regenerabilă pe nave se află într-un stadiu incipient; se întâlnesc cu precădere sisteme pentru producerea de energie electrică (sisteme fotovoltaice, turbine eoliene, pile de combustie cu hidrogen) și puține aplicații de conversie a energiei solare în energie termică; ca urmare, subiectul cercetării științifice din această teză devine extrem de oportun; B) Funcționalitatea sistemelor solar-termice instalate pe nave este esențial influențată de variația radiației solare pe întinderile de apă, de emisfere și latitudinile pe care se deplasează nava, direcția și sensul de deplasare al navei; C) Unghiurile de ruliu și tangaj ale navei, ale căror valori maxime sunt de 15° (ruliu) și 5° (tangaj), au influență mică asupra funcționalității sistemelor solar-termice instalate pe nave și ca urmare ele se pot neglija; D) La orientarea colectoarelor pentru creșterea radiației solare captate, amplitudinile unghiurilor de orientare pentru tipurile de orientări azimutală, ecuatorială, pseudo-ecuatorială și pseudo-azimutală sunt major influențate la trecerea dintr-o emisferă în alta și la modificarea latitudinii funcție de deplasarea navei; E) Radiația solară disponibilă pe întinderi mari de apă se calculează cu modele empirice adecvate (ex. Bason, Reed etc.) diferite față de cele utilizate pe uscat (ex. Meliss); diferența între energia radiației solare calculată cu cele două tipuri de modele poate depăși 10%; F) Factorul de turbiditate (Linke) TR pe întinderile mari de apă este dat în baze de date (ex. www.soda-pro.com) funcție de locația geografică (latitudine și longitudine) și luna din an; G) Influența longitudinii prin factorul de turbiditate TR asupra energiei radiației disponibile pe o latitudine dată este neesențială, fiind mai mică de 5% în lunile cu un aport de radiație ridicat; de aceea, în modelarea analitică se ia în calcul numai latitudinea; H) Modelarea analitică prin funcții polinomiale a factorului TR funcție de latitudine și analiza influenței lui asupra energiei disponibile au condus în final la două funcții polinomiale de variație a

Capitolul 7 Concluzii finale. Contribuții originale. Diseminarea rezultatelor. Direcții viitoare de cercetare

84

lui TR corespunzător a două sezoane (octombrie-martie și aprilie-septembrie); evaluarea erorilor dintre calculul cu funcțiile deduse și valorile din baza de date a condus la diferențe foarte mici, de sub 1%; I) Direcția navei, definită prin unghiul dintre axa N-S și axa longitudinală a navei, măsurat pozitiv în sens orar, influențează major cantitatea de radiație solară captată; eliminarea acestei influențe se face prin rotația colectorului în sens invers, cu același unghi, astfel încât orientarea lui la amiaza solară să fie spre Sud în emisfera nordică și spre Nord în emisfera sudică la unghiul de înclinare optim; J) La deplasarea în emisfera nordică, unghiul de înclinare al colectorului (unghiul colectorului față de planul orizontal al locului) trebuie să asigure orientarea spre Sud a colectorului în emisfera nordică și, respectiv, orientarea spre Nord a colectorului în emisfera sudică; K) Valorile optime ale unghiului de înclinare sunt determinate funcție de emisfera în care are loc deplasarea navei, de ziua (perioada din an), de latitudinea deplasării; L) Modelarea prin funcții polinomiale a variației unghiului optim de înclinare funcție de latitudine și perioada din an (zile reprezentative din fiecare lună) și evaluarea energiei solare captate în raport cu cea disponibilă au condus în final la două funcții de calcul a unghiurilor funcție de latitudine și sezon (aprilie-septembrie și octombrie-martie); eroarea dintre energia radiației solare captate prin luarea în considerație a unghiului de înclinare calculat cu cele două funcții și cea calculată considerând unghiul de înclinare calculat pentru fiecare zi reprezentativă nu depășește 3,4% la nivel lunar și 1,3% la nivel anual; M) Validarea influenței sensibile a unghiului de înclinare asupra puterii utile și a eficienței colectoarelor solar-termice se face pe cale experimentală pentru unghiuri de înclinare de la 0° la 90° folosind infrastructura din Institutul de Cercetare-Dezvoltare al Universității Transilvania; N) Studiile de caz analizate, pentru navă de transport marfă și navă fluvială de pasageri au arătat că prin sistemele solar-termice instalate pe nave se asigură integral necesarul de energie pentru prepararea apei calde menajere, se economisesc cantități importante de combustibil (de la 0,2% la 10% din necesar) și se previne eliminarea în atmosferă a unei însemnate cantități de CO2 de 2760 kg (cazul navei de transport marfă) și de 44847 kg (cazul navelor fluviale de pasageri analizate); O) Trendul mondial de creștere a energiei produse din surse regenerabile și de reducere a poluării estimăm că va determina o accelerare a implementării sistemelor de producere a energiei pe nave prin conversia energiei solare în energie termică și electrică.

CONTRIBUȚII ORIGINALE

Prin cercetarea științifică desfășurată și rezultatele obținute s-au adus următoarele contribuții la cunoașterea în domeniul producerii energiei termice prin sisteme solar-termice implementate pe nave:

a) Identificarea trendului în producerea de energie termică și electrică pe nave din sursele regenerabile de energie și a tipurilor de sisteme deja implementate;

b) Stabilirea particularităților funcționale privind sistemele solar-termice implementate pe nave, generate de variabilitatea radiației solare pe întinderi mari de apă, de emisfera de deplasare a navei, de direcția și sensul de deplasare a navei, de mișcarea planului orizontal al navei prin ruliu și tangaj la deplasare;

c) Stabilirea prin modelare și utilizare de softuri specifice (OrcaFlex) a valorilor unghiurilor de ruliu și tangaj funcție de gradul de agitație al mării;


85

d) Stabilirea influenței latitudinii și trecerii dintr-o emisferă în alta asupra amplitudinii mișcărilor în sistemele de orientare după două axe pentru tipurile de orientare azimutală, ecuatorială, pseudo-ecuatorială și pseudo-azimutală;

e) Identificarea modelului empiric optim de calcul al radiației solare disponibile și analiza diferențelor față de modelele empirice utilizate pentru uscat;

f) Studiul variației factorului de turbiditate TR pe întinderile mari de apă pornind de la valorile existente în baze de date specifice (valori lunare);

g) Analiza influenței factorului de turbiditate TR pe longitudine la latitudini diferite, asupra energiei solare disponibile; deoarece influența este mică (sub 5%) în alegerea factorului TR se consideră numai latitudinea;

h) Obținerea prin modelare analitică pe bază de funcții polinomiale a variației factorului de turbiditate TR funcție de latitudine și de luna din an;

i) Analiza influenței lunilor din an asupra mărimii factorului de turbiditate la diferite latitudini, ceea ce a condus în final la două funcții polinomiale de variație a lui TR corespunzător la două sezoane ale anului: sezonul rece (octombrie-martie) și sezonul cald (aprilie-septembrie);

j) Determinarea influenței majore a direcției de deplasare și a sensului de deplasare a navei asupra mărimii radiației solare captate și formularea de măsuri privind eliminarea acestei influențe;

k) Determinarea pe baza unui algoritm propus, a valorilor optime ale unghiului de înclinare în funcție de emisfera în care are loc deplasarea navei, de ziua/perioada din an și de latitudinea pe care are loc deplasarea, pentru maximizarea energiei solare captate;

l) Obținerea, prin modelarea analitică, a variației unghiului de înclinare optim funcție de latitudine și perioada din an și evaluarea energiei solare captate în raport cu cea disponibilă, a două funcții de calcul a unghiului de înclinare pentru sezonul rece (octombrie-martie) și, respectiv, sezonul cald (aprilie-septembrie);

m) Stabilirea, ca urmare a celor precizate la punctele i) și l), pentru același sezon rece/cald a unei funcții de variație a factorului de turbiditate TR și a unghiurilor de înclinare de un singur parametru, și anume latitudinea; valorile lor astfel stabilite se pot păstra constante la o modificare de 2°-3° ale latitudinii care corespunde la deplasarea navei în 24 de ore;

n) Analiza experimentală a influenței unghiului de înclinare asupra energiei utile și a eficienței colectoarelor solar-termice, într-o locație fixă (pe uscat), la latitudinea de 45,65°N – Brașov; se estimează că și pe mare au loc influențe similare;

o) Determinarea, funcție de tipul navei și al cursei efectuate (deplasare Constanța-Rio de Janeiro, deplasare pe Dunăre între Fetești și Mahmudia) a cantităților de combustibil economisite și prevenirea eliminării în atmosferă a unor cantități însemnate de CO2;

p) Demonstrarea eficacității instalării sistemelor solar-termice pe nave prin asigurarea integrală a energiei pentru necesarul de apă caldă menajeră pe navă;

q) Propunerea a trei tipuri de sisteme solar-termice posibil a fi implementate pe navele comerciale pentru producerea de apă caldă menajeră și/sau stocarea energiei termice;

r) Crearea bazei privind continuarea cercetării în domeniu asupra conceperii și implementării mecanismelor adecvate care să permită captarea radiației solare apropiată de cea maximă (disponibilă).


86

DISEMINAREA REZULTATELOR Rezultatele cercetărilor teoretice și experimentale privind adaptarea și implementarea sistemelor

de conversie a energiei solare în energie termică, precum și cele din domenii conexe temei, obținute pe parcursul studiilor doctorale au fost valorificate parțial prin:

A. Publicarea a 13 lucrări științifice dintre care: - 7 articole incluse în ISI Web of Science & Web of Knowledge (1 prim autor); - 6 articole incluse în baze de date (4 prim autor).

B. Participarea cu lucrări științifice la 2 conferințe naționale și internaționale - Seminarul științific „Energie regenerabilă și schimbări climatice – o perspectivă a tinerilor

cercetători români”, 15 aprilie 2016, Academia Română, București - Conferința Științifică a Școlilor Doctorale, 15 – 16 mai 2014, Galați

C. Publicarea în calitate de coautor a 2 cărți în editură națională, recunoscută CNCSIS. D. Elaborarea și susținerea lucrării de disertație cu titlul ”Studiu tehnico economic privind

utilizarea energiei regenerabile la bordul navelor”, Academia Navală ”Mircea cel Bătrân” din Constanța, Facultatea de Marină Civilă, Domeniul Inginerie și Management, Programul de studii masterale Inginerie și Management Naval și Portuar, martie 2013.

E. Participarea la cursurile școlii de vară ”ESEIA International Summer School 2013 Sustainable Smart Metropolitan Regions of Tomorrow”, Brașov, 15-28 iulie 2013.

DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

Demersurile realizate pe parcursul elaborării tezei de doctorat permit desfășurarea în continuare a cercetărilor teoretice și experimentale în următoarele direcții: - Dezvoltarea de modele de estimare a radiației solare pentru întinderile mari de apă prin realizarea

de măsurători pe timpul voiajelor; a fost identificată oportunitatea instalării de echipamente de monitorizare și înregistrare la bordul navei școală Mircea;

- Dezvoltarea de modele de estimare a radiației solare pentru zona Constanța prin monitorizarea pe termen lung a parametrilor specifici (radiației solară, temperatură, umiditate, durata de strălucire a Soarelui, nebulozitate etc.) și stabilirea influenței mării Negre asupra aportului de radiație în zona de litoral;

- Analiza experimentală a comportării colectoarelor solar-termice prin implementarea acestora la bordul navelor pe timpul voiajelor în marea Neagră și pe Dunăre;

- Dezvoltarea de mecanisme adecvate pentru orientarea optimă a colectoarelor solare la deplasarea pe mare;

- Analiza fezabilității implementării diferitelor surse de energie regenerabile la bordul navelor, prin raportarea în permanență la economia de combustibil realizată și diminuarea gazelor cu efect de seră rezultate în urma arderii combustibilului;

- Dezvoltarea de soluții tehnice și manageriale de creștere a eficienței energetice în transportul maritim și industria portuară.

ACKNOWLEDGMENT

Studiile doctorale au fost susținute prin Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, POSDRU/159/1.5/S/134378, finanțat din Fondul Social European și de Guvernul României.

87

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

Atodiresei D., Nicolae F., Cotorcea A., Cost-benefit analysis of photovoltaic systems installed on ships on the trade routes in the northwest Black Sea basin, Journal of Environmental Protection and Ecology 18, No 1, 40-45 (2017), ISSN 1311-5065

Atwater M.A., Ball J. T., A surface solar radiation model for cloudy atmospheres, Mon Weath Rev, 109, (1981) 878-808

Baldi Francesco, Johnson Hannes, Gabrielii Cecilia, Andersson Karin, Energy analysis of ship energy systems – the case study of a chemical tanker, Energy Procedia 61 (2014) 1732-1735

Bason F., Diffuse solar irradiance and atmospheric turbidity, Proceedings EuroSun Conference, Freiburg, Germania, 2004

Bason F., Solar irradiance measurements from the Danish Galathea 3 expedition, ISES Solar World Conference, Beijing, 2007

Beriland, T.G., Methods of climatological computations of total incoming solar radiation (in Russian), Meteorol. Gidrol, 6, (1960) 9-12.

Ciobanu D., Visa I., Duta A., Solar thermal collector outdoor testing in saline environment, Energy Procedia 48 (2014) 707 - 714

Cooper, P.I. 1969. The absorption of solar radiation in solar stills, Solar Energy, 12:3 Corbett James, Winebrake James, Greean Erin, Kasibhatla Prasad, Eyring Veronika, Lauer Axel,

Mortality from Ship Emissions: A Global Assessment, Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 8512-8518 Cotorcea Alexandru, Vișa Ion, Study of adaptability of solar thermal systems on merchant vessels,

Springer Proceedings in Energy, Proceedings of the Conference for Sustainable Energy (CSE), ISBN 978-3-319-09706-0, pp. 221-228, 2014a

Cotorcea Alexandru, Özkaynak Süleyman, Nicolae Florin, Ristea Marian, Present and Future of Renewable Energy Sources Onboard Ships. Case Study: Solar – Thermal Systems, “Mircea cel Batran” Naval Academy Scientific Bulletin, Volume XVII, Issue 1, 2014b, ISSN 2392-8956, ISSN-L 1454-864X

Cotorcea Alexandru, Vișa Ion, A review of methods for solar radiation estimation used in off-shore applications, Conferința Științifică a Școlilor Doctorale, 15 – 16 mai 2014c, Galați

Cotorcea Alexandru, Ristea Marian, Nicolae Florin, Prospects for solar thermal application on merchant marine vessels. Revista Termotehnica, 1/2013. ISSN-L 1222-4057, pp.49-51. Online: ISSN 2247-1871

Cotorcea Alexandru, Vișa Ion, Duță Anca, Modelarea radiației solare ca dată de intrare în proiectarea sistemelor de conversie a energiei solare implementate pe nave, Seminarul științific „Energie regenerabilă și schimbări climatice – o perspectivă a tinerilor cercetători români”, 15 aprilie 2016, Academia Română, București

Cotorcea Alexandru, Vișa Ion, Macedon M. Moldovan, Marian Ristea, Performance assessment of solar thermal collectors in various sea states, “Mircea cel Batran” Naval Academy Scientific Bulletin, Volume XVIII, Issue 1, 2015, ISSN 2392-8956, ISSN-L 1454-864X

Cotorcea Alexandru, Ristea Marian, Vișa Ion, Florin Nicolae, CFD simulation of heat transfer process for a solar thermal collector, 14th GeoConference on Energy and Clean Technologies SGEM 2014, Conference Proceedings, Volume 1, pp. 85-92

Diabaté L., Remund J., Wald L., 2003. Linke turbidity factors for several sites in Africa. Solar Energy, 75, 2, 111-119.

Diaconescu D.V., Vișa I., Hermenean I.S., Vatasescu M.M., Clouds influence on the solar radiation for a mountain location, Environmental Engineering and Management Journal, 8:849-853, 2009

Duffie J.A., Beckman W.A., Solar engineering of thermal processes, Third Edition, 2006, ISBN 978-0471698678

European Commission, Eu Energy in figures – Statistical pocketbook, 2015, ISBN 978-92-79-48358-5

Bibliografie

88

Fang Ming-Chung, Lin Yu-Hsien, The optimization of ship weather-routing algorithm based on the composite influence of multi-dynamic elements (II): Optimized routings, Applied Ocean Research 50 (2015) 130-140

Gautier C, Evolution of net surface shortwave radiation over the Indian Ocean during MONEX (1979): A satellite description, Mon Weath Rev, 114, (1986) 525-533.

Hove T., Manyumbu E., Estimates of the Linke turbidity factor over Zimbabwe using ground-measured clear-sky global solar radiation and sunshine records based on a modified ESRA clear-sky model approach, Renewable Energy 52 (2013) 190-196

ICCT, The International Council of Clean Transportation, Reducing Greenhouse Gas Emissions from Ships, July 2011

IEA (International Energy Agency), CO2 Emissions from fuel combustion - Highlights, 2015 (disponibil online la http://www.iea.org)

IMO Technical Measures in Reducing Greenhouse Gas Emissions from Ships: A Lloyd’s Register Perspective, 2009

Iordache Florin, Iordache Vlad, Efficiency of the flat plate solar thermal collector, Springer Proceedings in Energy, Proceedings of the Conference for Sustainable Energy (CSE), ISBN 978-3-319-09706-0, pp. 271-278, 2014a

Iordache F., Flat plate solar thermal collectors, Energy aspects – Revista Română de Inginerie Civilă, 2014b

Kaltenbach T., Klimm E., Meier T., Kohl M., Weiβ K.-A., Testing of components for solar thermal collectors in respect of saline atmospheres, Energy Procedia 48 (2014) 731-738

Kumar, N. Mohan, P.V. Hareesh Kumar, R. R. Rao, An empirical model for estimating hourly solar radiation over the Indian seas during summer monsoon season, Indian Journal of Marine Sciences, Vol. 30, September, 2001, pp 123-131

Lauterbach, C., Javid Rad, S., Schmitt, B., Vajen, K., Feasibility assessment of solar process heat applications, Proceedings ISES Solar World Congress, Kassel, Gemany,2011

MARPOL 73/78, International Convention for the Prevention of Pollution from Ships Meliss, M., Regenerative energie-quellen praktikum, Springer, 1997 MGN 397 (M+F), Guidelines for the Provision of Food and Fresh Water on Merchant Ships and Fishing

Vessels Moldovan M., Vișa I., Săulescu R., Comșit M., Four-bar linkages with linear actuators used for solar

trackers with large angular diurnal strokes, The 11th IFToMM International Symposium on Science of Mechanisms and Machines, Mechanisms and Machine Science 18 pp 411-423, 2014

Neagoe M., Vișa I., Burduhos B.G., Moldovan M.D., Thermal load based adaptive tracking for flat plate solar collectors, Energy Procedia 48 (2014), 1401-1411

Nicolae, F., Ristea, M., Cotorcea, A., Mașini și instalații navale, Editura Academiei Navale ”Mircea cel Bătrân”, 2013

Nicolae F., Ristea, M., Cotorcea A., Perkovic M., Modelling the naval transport associated hydrocarbon pollution risks in the Danube delta biosphere reservation, Journal of Environmental Protection and Ecology 18, No 1, 30-39 (2017), ISSN 1311-5065

Nicolae F., Perkovic M., Ristea, M., Cotorcea A., Method for monitoring the space-time development of oil spilled in marine environment using PISCES II simulation software, Journal of Environmental Protection and Ecology 17, No 1, 136–145 (2016), ISSN 1311-5065

Nicolae F., Ristea, M., Cotorcea A., Estimating the containment costs in the situation of oil spill in the marine environment. Case study: Romanian Black Sea coast, Journal of Environmental Protection and Ecology 16, No 1, 110–116 (2015), ISSN 1311-5065

Pandey C.K., Katiyar A. K., “A note on diffuse solar radiation on a tilted surface”, Energy, vol. 34, no. 11, pp. 1764–1769, 2009a.

Bibliografie

89

Pandey C.K., Katiyar A. K., “A comparative study to estimate daily diffuse solar radiation over India”, Energy, vol. 34, no. 11, pp. 1792–1796, 2009b.

Pandey C.K., Katiyar A. K., “Solar Radiation: Models and Measurement Techniques”, Journal of Energy, vol. 2013, Article ID 305207, 8 pages, 2013. doi:10.1155/2013/305207

Perez R., Ineichen P., Moore K., Kmiecik M., Chain C., George R., Vignola F., 2002, A new operational model for satellite-derived irradiances: description and validation, Solar Energy 73, 307-317

Pinker R.T., Frouin R., Li Z., A review of satellite methods to derive surface shortwave irradiance. Remote Sensing of Environment 51, pg. 108-124, 1995

Prescott J.A., Evaporation from water surface in relation to solar radiation, Transactions of the Royal Society of Australia 1940; 46:114–8.

Psaraftis Harilaos N., Kontovas Christos A., Ship speed optimization: Concepts, models and combined speed-routing scenarios, Transportation Research Part C 44 (2014) 52 - 69

Reed, R.K., On estimating insolation over the Ocean, Journal of Physical Oceanography, volume 7, 1977, 482 - 485

Rehmatulla N., Parker S., Smith T., Stulgis V., Wind technologies: Opportunities and barriers to a low carbon shipping industry, Marine Policy, 2015

REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century), Renewables 2016 – Global Status Report, 2016 (disponibil online la www.ren21.net)

Renne D., Perez R., Zelenka A., Whitlock C., DiPasquale R., Use of weather and climate research satellites for estimating solar resources. In: Goswami D.Y., Boer K.W., Advances in solar energy, ASES, 1999

Rigollier C., Bauer O., Wald L., On the clear sky model of the ESRA – European Solar Radiation Atlas with respect to the Heliosat method. Solar Energy 28(1), pg. 33-48, 2000

Rigollier C., Lefevre M., Wald L., The method Heliosat-2 for deriving shortwave solar radiation from satellite images. Solar Energy 77, pg. 159-169, 2004

Rusu, E. 2011. Strategies in using numerical wave models in ocean/coastal applications. Journal of Marine Science and Technology –Taiwan 19:58–75

Rusu, L. and A. Ivan. 2010. Modelling wind waves in the Romanian coastal environment. Environmental Engineering and Management Journal 9:547–52.

Slamova K., Duerr I., Kaltenbach T., Koehl M., Degradation effects of maritime atmosphere on metallic components of solar collectors, Solar Energy Materials & Solar Cells 147 (2016) 246 – 254

Soares J., Oliveira A. P., Božnar M. Z., Mlakar P., Escobedo J. F., Machado A. J., “Modeling hourly diffuse solar-radiation in the city of Sao Paulo using a neural-network technique”, Applied Energy, vol. 79, no. 2, pp. 201–214, 2004.

Soulayman S., Comments on Optimum tilt angle for plate collectors all over the World – A declination dependence formula and comparisons of three solar radiation models, Energy Conversion and Management 93 (2015), 448 - 449

Sözen A., Arcaklioglu E., Ozalp M., “Estimation of solar potential in Turkey by artificial neural networks using meteorological and geographical data”, Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 18-19, pp. 3033–3052, 2004.

Tabata, S., Insolation in relation to cloud amount and sun's altitude, in Studies on Oceanography, Edited by K. Yoshida, University of Tokyo, Tokyo, 202-210, 1964.

Vătășescu M., Moldovan M., Burduhos B., Sisteme articulate pentru orientare solară, Editura Universității Transilvania, Brașov, 2011

Vișa I., Cotorcea A., Moldovan M., Neagoe M., Two degrees of freedom parallel linkage to track solar thermal platforms installed on ships, 7th International Conference on Advanced Concepts in Mechanical Engineering, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 147 (2016) 012071, ACME 2016a

Bibliografie

90

Visa I., Cotorcea A., Neagoe M., Moldovan M., Adaptability of solar energy conversion systems on ships, 7th International Conference on Advanced Concepts in Mechanical Engineering, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 147 (2016) 012070, ACME 2016b

Vișa I., Diaconescu D.V., Popa M.V., Burduhos B.G., Quantitative estimation of the solar radiation loss in the Brasov area, Environmental Engineering and Management Journal, 8:843-847, 2009

Vișa, I., Jaliu C., Duță A., Neagoe M., Comșiț M., Moldovan M., Ciobanu D., Burduhos, B., Săulescu R., The role of mechanisms in sustainable energy systems, Transilvania University Publishing House, 2015, ISBN 978-606-19-0571-3

World Health Organization, International Health Regulations - Guide to Ship Sanitation, Third Edition, 2007

Yang Bo, Wang Zuo-chao, Wu Ming, Numerical simulation of Naval ship’s roll damping based on CFD, Procedia Engineering 37 (2012) 14-18

Yubing Shi, Reducing greenhouse gas emissions from international shipping: Is it time to consider market-based measures, Marine Policy 64 (2016) 123–134

Zhang, Z., Liu, H., Zhu, S. & Zhao, F. (2006), Application of CFD in ship engineering design practice and ship hydrodynamics. In Conference of Global Chinese Scholars on Hydrodynamics, 11-14 July, Shanghai. Journal of Hydrodynamics, 18 (3, Supplement 1), 315-322

Webografie selectivă

https://en.wikipedia.org/wiki/Douglas_sea_scale www.b9energy.com www.buderus.ro www.douroazul.com www.ecomarinepower.com www.ibiblio.org www.kysearo.com www.marineinsight.com www.oldsaltblog.com www.openoceanwatermakers.co.nz www.planetsolar.org www.ship-technology.com www.siliconsolar.com www.skysails.info www.soda-pro.com

Documentație tehnică *** Documentația tehnică a caldarinei navale de tip CAVNO 1000 *** Documentația tehnică a motorului SCANIA DI09 070M *** Documentația tehnică a motorului SULZER 5RD68 *** Fișa tehnică a antigelului Glycoxol Termocool

A - 1

Anexa 4 REZUMAT

Implementarea sistemelor de producere a energiei termice și electrice folosind sursele regenerabile, în industrie, agricultură, mediul construit, transporturi, este calea prin care problemele actuale privind poluarea, încălzirea globală și reducerea drastică a resurselor naturale pot fi diminuate și ținute sub control. În acest context, teza dezvoltă problematica implementării sistemelor solar-termice pe mijloacele de transport care se deplasează pe apă. După o analiză detaliată asupra stadiului actual în implementarea sistemelor de producere a energiei la bordul navelor din surse regenerabile și formularea obiectivelor tezei se descriu principalele particularități de funcționalitate a sistemelor solar-termice instalate pe nave: deplasarea pe diferite latitudini, direcția de deplasare a navei, unghiurile de ruliu și tangaj, radiația solară pe întinderile de apă. În studiul radiației solare pe întinderile de apă, se identifică modelele adecvate privind calculul mărimii și variației radiației solare pe apă și se modelează analitic prin funcții polinomiale variația factorului de turbiditate pornind de la bazele de date existente. Se obțin în final două funcții polinomiale de grad cinci prin care se calculează factorul de turbiditate funcție de latitudine și sezon (sezonul rece octombrie-martie și sezonul cald aprilie-septembrie). Același tip de modelare se utilizează în determinarea unghiului optim de înclinare a colectoarelor pe nave, ajungându-se, de asemenea, la două funcții polinomiale de gradul unu. Se analizează apoi influența mișcărilor navei (direcție de deplasare, ruliu, tangaj) asupra captării radiației solare, după ce în prealabil prin simulări CFD se determină amplitudinea unghiurilor de ruliu și tangaj funcție de gradul de agitație al mării. Prin cercetări experimentale, efectuate în centrul RESRES, se validează influența unghiului de înclinare a colectoarelor asupra energiei termice produse. Aplicarea rezultatelor teoretice se face prin studiul de implementare și fezabilitate a sistemelor solar-termice pe nave de transport marfă și de pasageri. Se propun și analizează diverse variante de implementare și impactul lor asupra economiei de combustibil fosil și a reducerii poluării prin CO2. În finalul tezei se descriu succint principalele concluzii și contribuții, modul de diseminare a rezultatelor obținute pe parcursul elaborării tezei, precum și deschiderea oferită spre noi cercetări în domeniu.

ABSTRACT The implementation of heat and power systems using renewable sources in industry, agriculture, the built

environment and transport is the way to diminish and keep under control pollution, global warming, and drastic reduction of natural resources.

In this context, the thesis develops the problem of the implementation of solar-thermal systems on the means of transport moving on water.

After a detailed analysis of the current state of implementation of the power generation systems on board of vessels from renewable sources and the formulation of the objectives of the thesis, the main features of the functionality of the solar-thermal systems installed on vessels are described: the movement on different latitudes, the direction of the ship's movement, roll and pitch angles, solar radiation on sea.

In the study of the solar radiation on sea, the appropriate models for the calculation of the amount and the variation of the solar radiation on sea are identified and the variance of the turbidity factor from the existing databases is analyzed analytically by polynomial functions. Finally, there are obtained two fifth-order polynomial functions which calculate the turbidity factor by latitude and season (cold season October-March and warm season April to September). The same type of modeling is used to determine the optimal angle of tilt of the collectors on vessels, achieving, also, two first-order polynomial functions.

The influence of motion of the ship (direction of movement, roll, pitch) on the collecting of solar radiation is then analyzed, after previously were determined by CFD simulations the amplitude of the angles of roll and pitch depending on the degree of agitation of the sea.

Through experimental researches carried out in the RESRES Center, the influence of the angle of tilt of the collectors on the thermal energy produced is validated.

Applying the theoretical results is done through the study of the implementation and feasibility of solar-thermal systems on cargo and passenger vessels. Various implementation options and impacts on fossil fuel economy and CO2 reduction are proposed and analyzed.

At the end of the thesis are briefly described the main conclusions and contributions, the dissemination of the results obtained during the elaboration of the thesis, as well as the opening offered for new researches in the field.

A - 2

Anexa 5 - CURRICULUM VITAE

INFORMAȚII PERSONALE

Nume Prenume COTORCEA ALEXANDRU Adresa Aleea Egretei, nr. 6, bl. AV6, sc. A, ap.43, Constanța E-mail [email protected]

Telefon mobil 0764440723

Cetățenia Română

Data nașterii 12.01.1982

Starea civilă Căsătorit

EXPERIENȚA PROFESIONALĂ

Perioada 01.10.2012 - Prezent

Funcția Instructor principal Numele și adresa

angajatorului Academia Navală „Mircea cel Bătrân”, Constanța, strada Fulgerului, numărul 1

Perioada 01.08.2005 – 15.02.2012

Funcția Ofițer Principalele activități și

responsabilități Exploatarea, întreținerea și repararea instalațiilor și sistemelor electromecanice de la bordul navelor

Angajator Statul Major al Forțelor Navale, Portul Constanța, Portul Mangalia

EDUCAȚIE ȘI FORMARE

Perioada 02.10.2012 - prezent

Instituția Universitatea Transilvania din Brașov, România Domenii studiate Inginerie mecanică

Nivelul de clasificare a formei de învățământ Studii universitare de doctorat

Perioada 09.2011 – 03.2013

Instituția Academia Navală „Mircea cel Bătrân”, Constanța Domenii studiate Inginerie și management naval și portuar

Nivelul de clasificare a formei de învățământ Studii universitare de masterat

Perioada 2000 – 2005

Instituția Academia Navală „Mircea cel Bătrân”, Facultatea de Marină Militară Domenii studiate Inginerie electrică / Electromecanică Navală

Nivelul de clasificare a formei de învățământ Studii universitare de licență

Perioada 2000 - 2005

Instituția Universitatea București / Facultatea de psihologie și științele educației Domenii studiate Psihologia educației, Didactica specialității, Sociologia educației

APTITUDINI ȘI COMPETENȚE

Limbi străine cunoscute engleză Competențe IT MS Office, MathCad, Meteonorm, Solidworks (începător)

A - 3

CURRICULUM VITAE

PERSONAL INFORMATIONS

Name Surname COTORCEA ALEXANDRU Address Aleea Egretei, nr. 6, bl. AV6, sc. A, ap.43, Constanța

E-mail [email protected] Telephone +4 0764440723

Nationality Romanian

Birth date 12.01.1982

Civil status Married

WORK EXPERIENCE

Period 01.10.2012 - present

Position Instructor Name and address of employer „Mircea cel Bătrân” Naval Academy, Constanța, Fulgerului no. 1

Period 01.08.2005 – 15.02.2012

Position Officer Main activities and

responsibilities Operation, maintenance and repair of installations and electromechanical systems on ships

Employer Romanian Navy, Constanta and Mangalia harbors

EDUCATION AND TRAINING

Period 02.10.2012 - present

Institution Transilvania University of Brasov, Romania Competences Mechanical Engineering

Position Phd Student

Period 09.2011 – 03.2013

Institution „Mircea cel Bătrân” Naval Academy, Constanta Competences Naval and port engineering and management

Diploma Master degree

Period 2000 – 2005

Institution „Mircea cel Bătrân” Naval Academy, Constanta, Navy Faculty Competences Naval electromechanic

Diploma Bachelor degree

Period 2000 - 2005

Institution Bucharest University / Faculty of Psychology Competences Educational Psychology, Didactics, Sociology of Education

SKILLS and COMPETENCES

Other languages English IT skills MS Office, MathCad, Meteonorm, Solidworks (beginner)

Documents

Universitatea Transilvania din Brasovold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat... · REFERENŢI: Prof.dr.ing. Florin IORDACHE Universitatea Tehnică de Construcții București