Modulul 3: Energia solară termică
60
Modulul 3
ENERGIA SOLARĂ TERMICĂ
Cuprins
Obiective…………………………………………………………………….…...............60
Unitatea de învăţare 7. Energia solară termică. Introducere. Tehnici de
extracţie…………………………………………………………………….………….....61
Unitatea de învăţare 8. Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu.Metode
şi sisteme de creştere a eficienţei de utilizare a energiei……………………………...….72
Teste de autoevaluare…………………………………..……………..........................70;80
Lucrare de verificare……..…………………………………………….......................71;81
OBIECTIVELE MODULULUI 3
- să explice funcţionarea colectorului solar
- să indice elementele componente ale colectorului solar;
- să enumere şi să definească parametrii de bază care caracterizează un concentrator
solar
Modulul 3: Energia solară termică
61
Unitatea de învăţare 7
ENERGIA SOLARĂ TERMICĂ. INTRODUCERE, TEHNICI DE EXTRACŢIE
Unitatea de studiu 7.1
Energia solară termică. Introducere, tehnici de extracţie
Cuprins
7.1. Obiective
7.2. Test de autoevaluare
7.3. Lucrare de verificare
7.1 OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU
- să explice funcţionarea colectorului solar
- să indice elementele componente ale colectorului solar;
- să enumere şi să definească parametrii de bază care caracterizează un concentrator solar
- să definească energia geotermală şi biomasa;
- să indice tipurile de centrale geotermale;
- să definească şi să enumere părţile componente ale unui sistem solar de încălzire a apei;
-să clasifice sistemele solare de încălzire a apei.
Energia solară termică. Introducere, tehnici de extracţie.
La originea tuturor tipurilor (cu excepţia a două - geotermală şi a mareelor) de surse
regenerabile este soarele.
Orice suprafaţă neagră expusă razelor, numită suprafaţă absorbantă, transformă
energia solară în căldură. Această suprafaţă absorbantă prezintă cel mai simplu exemplu de
convertor direct a radiaţiei solare în energie termică, numit colector solar plan,. Conversia
termică a energie solare cuprinde mai multe tehnologii: încălzirea apei cu colectoare plane
sau vidate, uscarea produselor agricole şi plantelor medicinale, semifabricatelor în procesarea
lemnului, refrigerarea solară, distilarea apei, producerea energiei electrice folosind procesul
termodinamic, etc. În prezentul capitol accentul se pune pe trei tehnologii - producerea apei
calde, uscarea produselor şi încălzirea spatiilor .Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi
fotovoltaice.
Instalaţiile termice ajută la economisirea gazului metan, în proporţie de circa 75% pe
an.
Instalaţiile fotovoltaice produc energie electrică gratis (cu lumina soarelui).
Panourile solare fotovoltaice produc energie electrică 4h/zi. Aceste panouri solare
produc energie electrică şi în acelaşi timp înmagazinează energie în baterii, pentru a fi
folosită dealungul nopţii fără legatură la reţeaua electrică natională.Pereţii clădirilor sunt
acumulatoare de energie termică, iar ferestrele şi camerele colectoare solare de căldură, care
permit pătrunderea radiaţiei solare în banda vizibilă (unde scurte) în interior şi nu permit
radiaţiei infraroşii (unde lungi) să părăsească încăperea. Această tehnologie şi respectiv
sistemele folosite pentru realizarea ei, mau târziu, au fost denumite sisteme pasive de utilizare
a energiei solare. Sistemele pasive se deosebesc prin următoarele două particularităţi
distincte:- Procesele de colectare, stocare şi folosire a energiei sunt integrate în structura
clădirii. Razele solare încălzesc nemijlocit consumatorul de căldură;- Sistemele pasive nu
necesită energie mecanică pentru transportul energiei termice către consumator sau rezervorul
pentru stocare. Mişcarea fluxurilor de aer are loc în virtutea diferenţelor de temperatură între
Modulul 3: Energia solară termică
62
diferite straturi. Sistemele active de conversie a energiei solare sunt dotate cu colectoare
solare speciale, în care radiaţia solară este transformată în căldură, apoi prin intermediul unui
caloportor (de obicei apă sau aer) este transportată la locul de consum sau stocată în rezervor.
Cele mai răspândite tipuri de colectoare solare sunt: colectorul plan solar fără concentrarea
radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de maximum 1500C şi colectorul solar cu
concentrarea radiaţiei, folosit pentru obţinerea temperaturilor de sute de grade.Colectorul
solar diferă de majoritatea schimbătoarelor de căldură convenţionale în care transferul de
căldură prin radiaţie joacă un rol nesemnificativ. În colectorul solar, transferul de energie
către lichid sau gaz se realizează la distanta prin intermediul radiaţiei solare cu lungimea de
undă cuprinsă între 0,3 şi 3 µm şi densitatea de putere de maximul 1000-1100
W/m2.Colectorul solar de formă plană poate fi proiectat pentru a furniza apă caldă la
temperaturi medii, de circa 40-150 oC. El foloseşte ambele componente ale radiaţiei solare -
directă şi difuză, nu necesită urmărirea soarelui pe bolta cerească, generează mici cheltuieli în
exploatare şi are o construcţie mult mai simplă în comparare cu colectoarele cu concentrarea
radiaţiei solare. Acest tip de colector este parte componentă a oricărui sistem pentru
încălzirea apei, spatiilor locative, uscătoriilor solare şi sistemelor de refrigerare. Are un grad
avansat de perfecţiune tehnică şi tehnologică.Schema constructiv a colectorului solar pentru
încălzirea apei este prezentată în figura 1. Principalele părţi componente sunt: lada neagră- 5
cu izolaţie termică- 4 a trei pereţi, acoperită din partea frontală cu suprafaţa transparentă-3.
Schimbătorul de căldură este de tip placă metalică-ţeavă, respectiv suprafaţa absorbantă-1 şi
ţevile 2. În cazul colectorului cu aer, schimbătorul de căldură este de tip placă metalică -
canal pentru aer.
Fig. 7.1 Schema constructivă a colectorului solar
Modulul 3: Energia solară termică
63
Fig.7.2 Schimbătoare de căldură utilizate în colectoarele solare
Funcţionarea colectorului solar se bazează pe două fenomene fizice: absorbţia de către
un corp negru a radiaţiei solare realizate pe suprafaţa absorbantă şi efectul de seră realizată pe
suprafaţa transparentă. În cazul colectorului solar, se realizează un efect de seră artificial. O
suprafaţa este transparentă pentru razele solare şi opacă pentru radiaţia infraroşie.
Temperatura suprafeţei absorbante creşte şi căldura este transmisă apei care circulă prin ţevile
2. Schimbătorul de căldură de tip placă–ţeavă este principalul element al colectorului. Există
diferite soluţii tehnice de îmbinare a plăcii 1 cu ţevile 2. Cele mai optime soluţii sunt
prezentate în figura 2: serpentină (a), cu ţevi paralele (b), cu canale formate din două plăci
metalice sudate prin metoda de contact (c) sau canale formate în interiorul unei plăci din
masă plastică (d). Cu scopul de-a micşora pierderile termice prin spaţiul dintre suprafaţa
absorbantă şi cea transparentă, schimbătorul de căldură tip placă-ţeavă se montează într-un
cilindru (tub) de sticlă din care se scoate aerul. Astfel, scade considerabil transferul de
căldură prin convecţie dintre cele două suprafeţe şi creşte randamentul colectorului. În figura
3 sunt prezentate două scheme constructive de colectoare vidate. În tubul de sticlă 1 sunt
amplasate etanş suprafaţele absorbante 2 şi ţeava 3. Între aceste două scheme există o
diferenţă esenţială. În schema a) apa rece intră prin ştuţul 5 se încălzeşte şi prin ştuţul 4 este
transportată în rezervorul de acumulare. Ambele ştuţuri trebuie să fie montate etanş cu tubul
de sticlă. Tubul 1 şi ţeava 3 se dilată diferit, ceia ce provocă pierderea etanşului ştuţ-tubul de
sticlă. În schema a doua există o singură conexiune etanş - a capătului 6 a ţevii 3. Transferul
de căldură se realizează în schimbătorul de căldură 8, unde sunt montate capătului ţevii 6,
care joacă rolul de condensator şi ţeava 7 prin care circulă apa. Ţeava 3 este umplută parţial
cu un lichid cu o temperatură relativ joasă de evaporare. Sub acţiunea căldurii absorbită de
placa 2, lichidul se evaporează, presiunea create şi vaporii se mişcă spre condensator - capătul
6 a ţevii. Aici, vaporii se condensează, cedând căldura apei care circulă prin ţeava 7. Lichidul
din condensator se scurge în direcţie opusă în ţeava 3. Colectorul solar cu tuburi vidate
conţine câteva tuburi unite în paralel şi montate într-o carcasă comună, formând un registru.
Modulul 3: Energia solară termică
64
Dezavantajele colectoarelor solare cu vid: sunt mai scumpe; au o masă mai mare; există
pericolul deteriorării conexiunilor etanşate şi nu pot fi reparate în condiţii de exploatare.
Schema constructivă a colectorului solar pentru încălzirea aerului are următoarele
componente(figura 4): suprafaţa absorbantă 1, suprafaţa transparentă 2, izolaţia termică 3 şi
carcasa 4. Transferul de căldură are loc între suprafaţa absorbantă şi fluxul de aer care circulă
prin canalul dintre cele două suprafeţe sau suprafaţa absorbantă şi stratul de izolaţie termică.
Densitatea aerului este de circa 900 ori mai mică decât a apei şi va fi nevoie de o circulaţie cu
mult mai intensă a aerului. În acest scop se foloseşte ventilatorul 5 pentru a transporta aerul
rece spre suprafaţa absorbantă şi mai departe la consumator. Conductivitatea termică a
aerului este de circa 25 ori mai mică decât a apei şi va trebui să mărim substanţial suprafaţa
de contact dintre suprafaţa transparentă şi fluxul de aer pentru a obţine acelaşi transfer de
căldură.
Fig.7.3 Scheme constructive de colectoare vidate
Fig.7.4 Colector solar pentru încălzirea aerului
Modulul 3: Energia solară termică
65
Variantele constructive ale suprafaţei transparente au ca scop mărirea suprafeţei de
contact dintre aer şi suprafaţa absorbantă, crearea circulaţiei turbulente a aerului şi majorarea
eficienţei transferului de căldură-fig. 5:
a) Suprafaţă ondulată, fluxul de aer circulă prin ambele canale;
b) Fluxul de aer circulă prin canale dreptunghiulare formate din plăci metalice sudate
pe partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru;
c) Fluxul de aer circulă prin canale triunghiulare formate din plăci metalice sudate pe
partea posterioară a suprafaţei absorbante, formând un registru;
d) Suprafaţa absorbantă este formată din plasă metalică sau plasă metalică umplută
cu material granulat prin care circulă fluxul de aer.
Fig.7.5 Colectoare solare pentru încălzirea aerului: scheme constructive ale suprafeţelor absorbante
Funcţionarea concentratoarelor solare se bazează pe două fenomene: reflecţia şi
refracţia luminii. Cele mai răspândite tipuri de concentratoare a energiei solare folosite în
conversia termică sunt: cilindro-parabolice, paraboloidale şi cu heliostate. Toate au în
componenţa sa trei elemente principale: reflectorul care recepţionează radiaţia solară şi o
direcţionează în focar; receptorul amplasat în focar şi care transformă radiaţia solară în
căldură; sistemul de urmărire a traiectoriei soarelui. Parametrii de bază, care caracterizează
un concentrator solar sunt coeficienţii de concentrare care reprezintă:
- raportul dintre aria suprafeţei deschise razelor solare, Aa şi aria suprafeţei
receptorului, Ar- cel geometric :
r
ag
A
AC (7.1)
- raportul dintre densitatea de putere a radiaţiei directe pe suprafaţa receptorului, Br şi
densitatea de putere a radiaţiei directe pe apertură, Ba- cel optic:
a
rr
I
IC (7.2)
Pentru un concentrator ideal Cg=Cr, în realitate C<Gg. Luând în consideraţie distanţa
dintre pământ şi soare, diametrul discului solar , coeficientul de concentrare geometric nu
poate fi mai mare decât:
Modulul 3: Energia solară termică
66
45000D
L2G
s
g
(7.3)
Concentratorul( fig.6 ) cuprinde: oglinda cilindro-parabolică reflectoare - 1, receptorul
de radiaţie solară - 2 care prezintă o conductă prin care circulă lichidul caloportor(apă).
Receptorul 2 este montat în focarul cilindrului parabolic.
O particularitate importantă a concentratorului cilindro-parabolic constă în urmărirea
doar a unei coordonate a traiectoriei soarelui - unghiul de înălţare as.
În construcţia din figură se urmăreşte rotirea oglinzilor 1 în jurul axei 3. Temperatura
receptorului atinge valori de 400 - 5000C şi permite obţinerea aburului şi generarea energiei
electrice.
Fig.7.6 Concentrator cilindro-parabolic
Pentru estimarea temperaturii receptorului apelăm la figura 7, unde se prezintă schema
simplificată a concentratorului cu oglindă parabolică: 1- este o oglindă cilindro-parabolică
sau paraboloidală; 2 - receptorul amplasat în focarul parabolei sau paraboloidului; 3 - ecranul
receptorului. Oglinda cilindro-parabolică are lungimea l şi deschiderea D, iar în cazul oglinzii
paraboloidale - diametrul deschiderii este egal cu D. Receptorul concentratorului cilindro-
parabolic prezintă o ţeavă cu diametrul d şi lungimea l sau este de formă sferică cu diametrul
d pentru concentratorul paraboloidal. Dimensiunea unghiulară a discului solar este egală cu
s2 , unde L/R ss (vezi figura 2.4).
Fig.7.7 Schema simplificată a concentratorului parabolic
Modulul 3: Energia solară termică
67
Puterea radiaţiei solare absorbită de receptor este:
lDBP cabs (7.4)
unde:
c - reflecţia suprafeţei oglinzii;
- absorbţia receptorului;
B - radiaţia solară directă.
l – lungimea oglinzii
D- deschiderea oglinzii
Receptorul, având temperatura TR, emite în spaţiu puterea radiantă, care se determina
cu expresia:
/1dlTP 4
Rrad (7.5)
unde:
- emisivitatea receptorului;
- coeficientul lui Ştefan-Boltzman;
- factorul de ecranare a receptorului, ( 3/2 );
d - diametrul receptorului
În regim staţionar termic puterea absorbită este egală cu puterea radiată (alte pierderi de
putere a receptorului sunt neglijate), de unde determinăm temperatura maximală a
receptorului:
4
s
cR
BT
(7.6)
Pentru B=600 W/m2, / =1, c =0,8, =5,67 W m
2 K
-4, s =0,00465 Rad, obţinem
temperatura maximală de 11620K sau 889
0C. În sistemele uzuale cu concentratoare cilindro-
parabolice se obţin temperaturi de până la 7000C. Micşorarea temperaturii se explică prin
abaterea suprafeţei oglinzii de la forma ideală parabolică şi prin faptul că caloportorul lichid,
care circulă prin receptor conduce la micşorarea Prad.
Pentru aceiaşi valoare a radiaţiei solare directe obţinem TR=34800K sau 3208
0C. În
instalaţiile reale pot fi obţinute temperaturi de până la 30000C.
Caracteristicile termice şi constructive ale colectorului plan solar
În figura 7.8 se prezintă bilanţul energetic simplificat al unui colector plan standard.
Modulul 3: Energia solară termică
68
Fig.7.8 Bilanţul energetic simplificat al colectorului plan solar
Din radiaţia solară totală incidentă(G) de unde scurte, directă(B) şi difuză (D) şi
reflectată (R) pe suprafaţa transparentă, o parte importantă, G, determinată de coeficientul
de transparenţă , ajunge pe suprafaţa absorbantă unde se transformă în căldură. Suprafaţa
transparentă reflectă în spaţiu radiaţia G şi absoarbe T G. O parte din radiaţia G
incidentă pe suprafaţa absorbantă este reflectată, iar cea mai mare parte se transformă în
căldură. Pentru suprafaţa transparentă suma coeficienţilor este unitară.
1T (7.7)
Suprafaţa absorbantă primeşte radiaţia solară şi temperatura Tp creşte până 40-1000C .
Eficienţa transformării radiaţiei solare în căldură este determinată de coeficientul de
absorbţie a suprafeţei absorbante. În căldură se va transforma doar o parte din radiaţia
solară incidentă, G, determinată de proprietăţile materialelor suprafeţei transparente şi celei
absorbante.Puterea suprafeţei absorbante este:
GPSA (7.8)
Puterea PSA trebuie să acopere pierderile de energie de pe suprafaţa transparentă, care
au loc prin transfer convectiv şi pierderile prin carcasă. Aceste pierderi sunt proporţionale cu
diferenţa de temperaturi Tp a suprafeţei absorbante şi a mediului ambiant Ta:
app TTUP (7.9)
unde UP este coeficientul pierderilor globale, [W/m2·0C], (UP =1- 30 W/m
2·0C).
Puterea utilă generată de colectorul solar se determină cu expresia, numită Hottel-
Whillier-Bliss:
appU TTUGP (7.10)
şi randamentul termic:
G
TTU
G
P ap
pU
(7.11)
Modulul 3: Energia solară termică
69
Din expresia (7.11) rezultă:
În condiţia UP=constant şi ()=constant, randamentul descreşte liniar în
dependenţă de (TP-Ta)/G;
Randamentul este maximal dacă TP=Ta şi depinde numai de proprietăţile optice
ale materialului ST şi SA;
Micşorarea radiaţiei globale G conduce la micşorarea randamentului.
Factorul (), care caracterizează proprietăţile optice ale ansamblului suprafaţa
transparentă - suprafaţa absorbantă, ne furnizează o clasificare a colectoarelor solare sub
aspectul randamentului şi a coeficientului pierderilor globale UP.
Proprietăţile optice ale materialelor folosite pentru suprafeţele transparentă şi
absorbantă
Randamentul maxim al colectorului solar sau factorul () depinde doar de
proprietăţile materialelor folosite pentru suprafaţa sau placa absorbantă, respectiv suprafaţa
transparentă.
Coeficientul spectral de absorbţie este raportul dintre radiaţia cu lungimea de undă
absorbită şi radiaţia incidentă de aceiaşi lungime de undă. Coeficientul a, prezintă o
proprietate a materiei şi nu depinde de proprietatea radiaţiei. El ne arată ce parte va fi
absorbită la interacţiunea radiaţiei electromagnetice respective cu materia (în cazul
instalaţiilor solare - suprafaţa absorbantă).
Introducem: coeficientul spectral de transmisie şi coeficientul spectral de reflecţie
.
Legea conservării energiei impune ca suma acestor coeficienţi să fie egală cu unu:
1 (7.12)
Valorile acestor coeficienţi sunt aproximativ constante în gama de variaţie a unghiului
de incidenţă cuprins între 0 şi 600 şi se micşorează brusc pentru unghiuri mai mari de 70
0.
Dat fiind faptul, că radiaţia solară prezintă un spectru larg de unde electromagnetice, în
scopuri practice se folosesc noţiunile de mai jos, care reflectă interacţiunea materiei şi
radiaţiei electromagnetice în tot spectrul acesteia.
1. Absorbţia se defineşte ca raportul dintre puterea radiaţiei solare absorbite şi
celei incidente:
G
G a (7.13)
2. Transmisia se defineşte ca raportul dintre puterea radiantă transmisă prin
materia respectivă şi cea incidentă:
G
G (7.14)
3. Reflecţia se defineşte ca raportul dintre puterea radiantă reflectată şi cea
incidentă:
G
G (7.15)
Modulul 3: Energia solară termică
70
Formula (7.13) se scrie:
0
0
a
dG
dG
(7.16)
Analog se calculează coeficienţii şi .
Coeficienţii , şi caracterizează comportarea suprafeţei transparente sau
absorbante la acţiunea radiaţiei solare care prezintă un spectru de unde scurte cuprins între
0,3 şi 3 µm.
Conform legii lui Kirchhhoff, pentru orice lungime de undă şi temperatură T se
respectă următoarea relaţie:
(7.17)
Rezultă: un corp cu temperatura T absoarbe şi emite aceiaşi cantitate de radiaţie
electromagnetică cu lungimea de undă .
Coeficientul spectral de emisie pentru întreg spectrul radiaţiei se determina cu relaţia:
n
0
n
0
W
W
dW
dW
(7.18)
unde nW,W sunt: fluxul de putere emis de corpul real cu temperatura T şi fluxul de putere
emis de corpul absolut negru la aceiaşi temperatură.
Un corp absolut negru cu aria A va emite un flux de putere egal cu 4
n TAW şi
deci fluxul pierderilor radiative va fi:
4TAW (7.19)
7.2 TEST DE AUTOEVALUARE
1.Parametrii de bază care caracterizează un concentrator solar sunt:
a) raportul dintre aria suprafeţei deschise razelor solare şi aria suprafeţei
receptorului;
b) raportul dintre fluxul de aer care circulă prin canale şi suprafaţa absorbantă;
c) c.raportul dintre densitatea de putere a radiaţiei directe pe suprafaţa receptorului şi
densitatea de putere a radiaţiei directe pe aparatură.
2.Randamentul maxim al colectorului solar depinde:
Modulul 3: Energia solară termică
71
a) de diametrul canalelor;
b) de proprietăţile materialului plăcii absorbante şi a celei transparente;
c) de suprafaţa ondulată.
3.Funcţionarea concentratoarelor solare se bazează pe două fenomene:
a) reflecţia şi refracţia luminii;
b) reflecţia şi incidenţa luminii;
c) incidenţa şi refracţia luminii.
7.3. Lucrare de verificare
1. Explicaţi rolul, schema constructivă şi funcţionarea unui colector solar.
2. Explicaţi bilanţul energetic simplificat al colectorului plan solar.
3. Care sunt proprietăţile optice ale materialelor folosite pentru suprafeţele transparentă şi
absorbantă?
RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE
1. A, C; 2. B; 3. A.
Modulul 3: Energia solară termică
72
Unitatea de învăţare 8
UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE, GEOTERMICE ŞI ASPECTE DE MEDIU.
METODE ŞI SISTEME DE CREŞTERE A EFICIENŢEI DE UTILIZARE A
ENERGIEI
Unitatea de studiu 8.1
Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu. Metode şi sisteme de creştere a
eficienţei de utilizare a energiei.
Cuprins
8.1. Obiective
8.2. Test de autoevaluare
8.3. Lucrare de verificare
8.1. OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU
- să definească energia geotermală şi biomasa;
- să indice tipurile de centrale geotermale;
- să definească şi să enumere părţile componente ale unui sistem solar de încălzire a apei;
-să clasifice sistemele solare de încălzire a apei.
Utilizarea energiei solare, geotermice şi aspecte de mediu. Metode şi sisteme de creştere
a eficienţei de utilizare a energiei
Energia geotermică este o formă de energie obţinută din căldura aflată în interiorul
Pamântului. Apa fierbinte şi aburii, captaţi în zonele cu activitate vulcanică şi tectonică, sunt
utilizaţi pentru încălzirea locuinţelor şi pentru producerea electricităţii. Este o formă de
energie regenerabilă. Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată
pe glob pentru transformarea puterii apei geotermala în electricitate: 'uscat'; 'flash' si 'binar',
depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau dupa temperatura acestuia.
Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din
izvorul geotermal.
Fig. 8. 1 "Centrala Geotermală Uscată"
Modulul 3: Energia solară termică
73
Centralele 'Flash' sunt cele mai raspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la
temperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la
suprafaţă.
Fig.8.2 "Centrala Geotermală 'Flash'"
Centralele cu ciclu binar diferă faţă de primele doua, prin faptul că apa sau aburul din
izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa
folosită atinge temperaturi de pană la 400° F(200°C).
Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din
agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precum
şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane. (Definiţie cuprinsă în Hotărârea nr.
1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanţilor şi a altor carburanţi regenerabili
pentru transport).Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă.
Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale
organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea
focului.
Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din
urmă, reprezintă procesul chimic de ardere (transformare chimică în prezenţa oxigenului
molecular, proces prin excelentă exergonic).
Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanţi):
Arderea directă cu generare de energie termică.
Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).
Fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH)- în cazul
fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în
amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.
Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool şi
generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) şi glicerol. În etapa următoare,
biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.
Modulul 3: Energia solară termică
74
Degradarea enzimatică a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate
fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivaţi glucidici, care pot fi ulterior
fermentaţi la etanol.
Sisteme solare pentru încălzirea apei
La sistemele solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală diferenţa de temperatură
a apei la intrarea şi ieşirea colectorului este de aproximativ 100C şi rămâne constantă pe
parcursul zilei , figura 3. Debitul specific al apei este de 50-60 l/m2 h.Cele mai răspândite
sisteme solare pentru încălzirea apei sunt prezentate în figura 4 şi cuprind: colectorul plan
solar, acumulatorul (rezervorul de apă), schimbătorul de căldură, pompa de circulaţie, sursa
auxiliară de energie. Diferenţa dintre schemele prezentate constă în interconexiunea şi
aranjamentul acestor elemente.
Fig.8.3 Variaţia temperaturii apei pe parcursul zilei: 1 - la ieşire; 2 - la intrare
Sisteme solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală (figura 8.4.a.) Pentru a
asigura o circulaţie sigură a apei acumulatorul trebuie să fie amplasat mai sus decât
colectorul. Atât în colector, cât şi în rezervor se stabileşte o diferenţă de temperaturi dintre
partea superioară, respectiv partea inferioară, astfel că se creează o diferenţă de densitate între
straturile de apă caldă şi rece astfel că această diferenţă de presiune asigură circulaţia apei.
Diferenţa de presiune depinde de diferenţa de temperaturi, astfel fluxul de apă în sistem
depinde de puterea utilă captată de colector, care şi provoacă această diferenţă de temperaturi.
Sistemele solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală sunt autoreglabile - creşterea
puterii captate conduce la creşterea fluxului de apă care circulă în sistem.
Modulul 3: Energia solară termică
75
Fig. 8.4 Scheme uzuale ale sistemelor solare pentru încălzirea apei:
a – cu circulaţie naturală; b – cu circulaţie forţată; c – cu două contururi
Sistemul solar pentru încălzirea apei cu circulaţie forţată este prezentat în figura
8.4. b. Pompa de circulaţie este comandată în funcţie de diferenţa dintre temperatura T2 în
partea de sus a colectorului şi temperatura T1 în partea de jos a rezervorului. Temperatura este
controlată de un releu diferenţial. Pompa va funcţiona doar atunci când diferenţa de
temperaturi depăşeşte valoarea predeterminată. Pentru a exclude circulaţia inversă a apei este
prevăzută o valvă unidirecţională.
În figura 8. 4, se prezintă schema cu circulaţie forţată cu două contururi. Primul
contur cuprinde colectorul, pompa de circulaţie şi schimbătorul de căldură şi se umple cu
Modulul 3: Energia solară termică
76
lichid antigel. Al doilea contur prezintă circuitul propriu zis de apă caldă. Transferul de
căldură dintre primul şi al doilea contur se efectuează prin intermediul unui schimbător de
căldură lichid - lichid (serpentina din acumulator).
Mentenanţa sistemelor solare pentru încălzirea apei
Suprafaţa transparentă şi placa absorbantă depind de caracteristicile optice ale
materialelor folosite. Proprietăţile coeficientului spectral de absorbţie şi ale coeficientului
spectral de transmisie( ) şi ale coeficientului spectral de emisie (ε) afectează direct
performanţele termice ale colectorului solar. Degradarea acestor proprietăţi pot afecta
performanţele pe termen lung, materialele selectate trebuie să aibă proprietăţi stabile în timp.
Suprafaţa plăcii absorbante trebuie să reziste la temperaturi maximale posibile în
perioada de exploatare. Aceasta poate fi uşor determinate în condiţia în care puterea utilă
GQu este egală cu zero (circulaţia apei nu are loc). Temperatura fluidului Tm va fi egală
cu temperatura plăcii. Materialul selectiv şi vopseaua utilizată trebuie să reziste la aceste
temperaturi.
Îmbinarea sticlei cu carcasa trebuie făcută fără muchii sau nervuri.
Izolarea termică. Rolul de izolaţie termică în partea frontală a colectorului îl joacă
suprafaţa transparentă (sticla) şi pătura de aer formată între suprafaţa absorbantă şi suprafaţa
transparentă. Spaţiul de aer trebuie să fie cuprins între 25 şi 40 mm. Se consideră ca optimă
grosimea să fie de 28 mm. Celelalte părţi ale colectorului - spatele şi pe părţile laterale
trebuie să fie izolate cu un strat de 5-10 cm de vată de sticlă sau alt material izolator cu
caracteristici termice asemănătoare. Vata din sticlă are următoarele avantaje:
Este relativ ieftină;
Proprietăţi izolatoare foarte bune (1=0,05-0,06 W/m·K);
Rezistă la temperaturi de peste 100 oC;
Greutate specifică mică ( =150-200 kg/m3).
Dezavantaje: îşi pierde calităţile izolante dacă se umezeşte.
Se recomandă a folosi panouri din vată de sticlă, astfel se evită tasarea la plasarea
înclinată a colectorului solar.
O soluţie rezonabilă din punctul de vedere cost-calitate poate fi izolaţia termică
combinată formată dintr-un panou de vată de sticlă cu grosimea de 4 cm şi unul de 3 cm din
polistiren expandat. Vata de sticlă, fiind mai rezistentă la temperaturi mari, se amplasează
imediat după placa absorbantă, iar polistirenul - după panoul din vată de sticlă. La rândul, său
polistirenul este mai rezistent la umiditate.
Pentru a îmbunătăţi izolaţia termică a unui colector se recomandă introducerea unei
folii subţiri de aluminiu între izolaţie şi placa absorbantă. Folia va servi ca ecran pentru
radiaţia infraroşie care va fi reflectată spre placa absorbantă. Între placa absorbantă şi folie se
lasă un spaţiu de aer ce va avea un rol de izolator termic suplimentar.
Etanşarea colectorului. Pentru a preveni pătrunderea apei şi prafului în interiorul
colectorului este necesară etanşarea acestuia. În condiţii de cer noros vaporii de apă se vor
condensa pe suprafaţa internă a sticlei ce va conduce la micşorarea transparenţei şi a
randamentului. La pornirea următoare a colectorului, condensul va exista până ce sticla va fi
suficient de caldă pentru ca el să se evaporeze. Astfel, un colector al cărui aer interior este
umed va porni mai târziu şi se va opri mai devreme. Dacă colectorul nu este etanş, praful va
pătrunde în interior şi se va depozita atât pe suprafaţa interioară a sticlei, cât şi pe placa
transparentă.
Carcasa are funcţia de a menţine ansamblul şi de a asigura etanşarea colectorului. Cel
mai indicat material este cornierul din aluminiu şi folii din oţel zincat. Carcasa nu trebuie să
aibă o rezistenta mecanică mare.
Montarea colectoarelor se va efectua în serie sau în paralel. La conectarea în serie,
apă trece succesiv prin colectoare încălzindu-se din ce în ce mai mult. Colectoarele vor lucra
Modulul 3: Energia solară termică
77
la temperaturi diferite, având randamentul de la intrare spre ieşire în scădere. Vom lua în
considerate că rezistenţa hidraulică create. Din acest motiv se recomandă pentru sisteme cu
circulaţia forţată a apei.
Dimensionarea unui sistem solar pentru încălzirea apei
S-a constatat că eficienţa unui sistem solar pentru încălzirea apei scade odată cu
creşterea diferenţei de temperaturi dintre suprafaţa absorbantă şi a mediului ambiant. Este
important să dimensionăm corect suprafaţa colectorului solar şi volumul rezervorului de apă
în funcţie de:
Radiaţia globală disponibilă pe suprafaţa colectorului;
Consumul diurn de apă caldă şi temperatura acesteia;
Repartiţia consumului de apă pe parcursul zilei.
În cazul schemei sistemului solar pentru încălzirea apei cu un singur contur şi circulaţie
naturală, calculele de dimensionare se referă la următoarele mărimi:
Unghiul de înclinaţie optimal al colectoarelor solare pe perioada de interes:
martie-octombrie;
Radiaţia medie globală pe perioadă de interes incidentă pe suprafaţa colectorului
şi radiaţia medie globală lunară;
Consumul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 ore;
Suprafaţa colectorului solar;
Volumul rezervorului de acumulare a apei calde;
Temperatura minimă a apei în luna cu cea mai mică radiaţie solară.
Unghiul de înclinaţie optimal al colectorului solar se alege astfel încât să cadă pe
suprafaţa colectorului o cantitate de energie cât mai mare. Pentru aceasta selectăm valoarea
unghiului pentru care raportul Rb dintre radiaţia solară directă pe planul înclinat şi cel
orizontal sunt maximale.
Radiaţia medie globală incidentă pe planul colectorului, neglijând componenta
reflectată este:
Dcos12
1BRG b (8.1)
Consumul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 ore.
Necesarul zilnic de apă caldă şi distribuţia acestuia pe parcursul a 24 de ore depinde într-o
mare măsură de caracteristica specifică a consumatorului.
Suprafaţa colectorului. Calculăm energia necesară pentru a încălzi volumul zilnic de
apă:
zi/MJ39,334010173,4200ttcCE 3
rececaldaapeiz.nec (8.2)
unde capei = 4,173·103 J/
0C·kg reprezintă căldura specifică a apei.
Suprafaţa de captare a colectorului solar este:
medcol
neccol
G
ES
(8.3)
unde col este randamentul mediu al colectorului pe perioada de funcţionare, medG - radiaţia
solară globală zilnică determinată ca media pe perioada martie-octombrie.
Modulul 3: Energia solară termică
78
Volumul rezervorului de acumulare a apei calde va fi:
21 VVVa (8.4)
Temperatura apei calde este:
apeiz
colcol
III
rececaldacC
SCtt
(8.5)
Cantitatea de energie termică produsă se determină cu expresia:
colcolmedzXIII SGNE (8.6)
Motoare şi centrale solare termice
Conversia energiei solare termice în energie mecanică sau electrică este obiectivul
cercetărilor experimentale dar au un dezavantaj foarte important - eficienţa redusă.
Energia termică sau căldura nu poate fi transformată în totalitate în alte forme de
energie ( mecanică sau electrică). Randamentul unui motor termic, fie cu piston sau cu
turbină, depinde de temperatura sursei calde (temperatura la intrare )Tin şi temperatura sursei
reci (a condensatorului), Tieş, între care se produce schimbul de căldură. Randamentul
maximal al ciclului Carnot nu poate depăşi valoarea dată de expresia:
in
ies
CT
T1 (8.7)
Randamentul real, datorită pierderilor de energie, va fi de circa 25%.
Pentru a obţine vapori de apă este necesară o temperatură de cel puţin 1000C. Dacă
temperatura obţinută de la colectorul solar este mai mică, atunci poate fi folosit un motor
termic care funcţionează conform ciclului Rankine. Aici, în calitate de fluid caloportor se
folosesc substanţe organice cu temperatura de fierbere mai mică de o 1000C de tipul celor
folosite în frigidere sau pompe termice. Un astfel de motor termic va avea un randament şi
mai mic. De exemplu, eficienţa unui motor termic care funcţionează cu vapori de 850C,
obţinuţi de la un colector solar plan şi temperatura la condensare de 300C, nu va depăşi 15%.
Ca realizări prezentăm schema motorului solar termic –figura 5 şi sistemul de pompare
solară-figura 6
Fig. 8.5 Schema motorului solar termic realizat de Augustin Mouchot şi Abel Pifre în anul 1872
Modulul 3: Energia solară termică
79
Fig. 8.6 Sistemul de pompare solară realizat de G. Alexander în anul 1979
Procesul de conversie a energiei solare termice în energie electrică este similar cu cel
tradiţional bazat pe combustibili fosili unde energia stocată în combustibil este eliberată prin
ardere, se transformă în energie potenţială a aburului comprimat şi încălzit până la 500-
6000C. În turbină aburul se dilată, energia potenţială se transformă în energie cinetică şi apoi
la rândul său se transformă în energie electrică. În sistemele solare combustibilul fosil este
înlocuit cu radiaţia solară, focarul cazanului - cu un colector solar cu concentrare, iar celelalte
elemente ale centralei solare termice rămân aceleaşi ca şi la o centrală termică tradiţională.
Modulul 3: Energia solară termică
80
Fig. 8.7 Schema funcţională a unei centrale solare termice
Principalele componente ale centralei solare termice sunt prezentate în schema din
figura 7. Câmpul de colectoare solare este format din concentratoare cilindro-parabolice cu o
suprafaţă totală de circa 1,75x106 m
2. Partea activă a concentratorului - reflectorul este format
din sticlă cu conţinut mic de fier şi acoperită din spate cu argint. Sticla este montată pe o
structură metalică secţionată permiţând formarea colectoarelor de diferite lungimi.
Colectoarele se montează în rânduri paralele în direcţia sud-nord. Pentru urmărirea soarelui
se folosesc acţionări hidraulice. Receptorul de radiaţie solară cuprinde o ţeavă de oţel cu
diametrul de 70 mm acoperită cu un strat de material selectiv. Pentru a micşora pierderile de
energie receptorul este amplasat într-un tub de sticlă vidat. La temperatura de 3500C,
suprafaţa receptorului are o absorbţie egală cu 0,96% şi o emitere de 0,19%.
8.2.TEST DE AUTOEVALUARE
1. Performanţele materialelor folosite pentru realizarea suprafeţei transparente şi a plăcii
absorbante a unui sistem solar pentru încălzirea apei depind de:
a) coeficientul spectral de absorbţie;
b) coeficientul spectral de emisie;
c) coeficientul spectral de transmisie;
Modulul 3: Energia solară termică
81
2. Rolul de izolaţie termică în partea frontală a colectorului solar îl joacă:
a) suprafaţa transparentă şi pătura de aer formată între suprafaţa absorbantă şi cea
transparentă;
b) grosimea de vată de sticlă folosită;
c) temperatura fluidului, a materialului folosit în echipament şi vopseaua utilizată.
3. Dimensionarea unui sistem solar se face în funcţie de:
a) radiaţia globală disponibilă pe suprafaţa colectorului;
b) consumul diurn de apă caldă şi temperatura acesteia
c) materialele folosite şi caracteristicile acestora
8.3. LUCRARE DE VERIFICARE
1. Ce este energia geotermală şi care sunt tipurile de centrale geotermale folosite pe glob?
2. Care sunt formele de valorificare energetică a biomasei?
3. Explicaţi funcţionarea sistemelor solare pentru încălzirea apei cu circulaţie naturală şi
forţată.
RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE
1. A, B, C ; 2. A ; 3. A, B.