• ACUMULAREA (STOCAREA) ENERGIEI SOLARE

Stocarea energiei solare

• Stocarea energiei solare se poate face în diverse moduri, de exemplu sub formă de:

• căldură sensibilă a unui mediu solid sau lichid;

• căldură latentă la schimbare de fază a unor sisteme chimice;

• energie chimică a produselor rezultate dintr-o reacţie chimică reversibilă

Alegerea modului de stocare a energiei solare

• Alegerea modului de stocare a energiei solare depinde de natura procesului care se urmăreşte în instalaţia solară.

• De exemplu, pentru încălzirea apei este practică folosirea stocării energiei solare prin căldura sensibilă a apei.

• Dacă se folosesc captatoare solare cu încălzirea aerului, se poate utiliza pentru stocarea energiei solare căldura sensibilă a unui pat de pietre în schimbătoare de căldură de tip regenerativ.

• Dacă în instalaţia solară se folosesc celule fotovoltaice sau fotochimice, cea mai indicată formă de stocare a energiei este, în acest caz, energia chimică.

Principalele caracteristici ale unui sistem de stocare a energiei termice sînt:

• capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum sau de greutate ;

• domeniul de temperaturi în care funcţionează sistemul de stocare, adică temperatura la care căldura este introdusă în sistem şi temperatura la care căldura este evacuată din sistem;

• modurile de introducere sau evacuare a căldurii în sistem şi diferenţele de temperatură asociate cu acestea;

• distribuţia temperaturii în sistemul de stocare;• cerinţele de putere privind introducerea şi evacuarea căldurii în

sistemul de stocare;• containerele, rezervoarele sau celelalte elemente componente ale

sistemului de stocare;• mijloacele de control al pierderilor termice din sistemul de stocare;• costul sistemului de stocare.

In fig.1 este prezentat un sistem de stocare prevăzut cu circulaţia forţată a apei între

captator şi rezervor. • Un astfel de sistem se presupune că funcţionează în

modul următor: în timpul captării şi stocării energiei solare sub formă de apă caldă, utilizatorul nu consumă energie (deci apă caldă).

• In consecinţă temperatura apei din rezervorul de stocare creşte, de la anumită valoare iniţială T1 pînă la o valoare finală T2, în timp ce robinetele R1 şi R2 sînt închise.

• După ce s-a atins temperatura T2, se pot deschide robinetele R1 şi R2 pentru a alimenta utilizatorul cu apă caldă.

• Astfel, acum temperatura apei din rezervorul de stocare începe să scadă treptat, pînă la limita inferioară Tx.

Fig.1 Sistem de stocare prevăzut cu circulaţia

forţată a apei între captator şi rezervor.

Rezervor de stocare mixt, cu schimbătoare de căldură în rezervor

• Există situaţii în care fluidul din captator (sau din utilizator) nu poate fi acelaşi cu cel din rezervorul de stocare a energiei.

• De exemplu, în regiunile cu climă rece este necesar a se circula prin captator un fluid cu punct scăzut de îngheţare pentru evitarea îngheţului în zilele geroase de iarnă.

• In fig. 2 se prezintă un rezervor de stocare mixt, cu schimbătoare de căldură în rezervor

Fig. 2. Rezervor de stocare mixt, cu

schimbătoare de căldură în rezervor.

Stocarea energiei termice în strat de pietre

• Printre metodele de stocare a energiei solare folosite cu succes în construcţia caselor solare se află şi utilizarea capacităţii calorice a unui strat de pietre printre care circulă un fluid (de obicei aer), care aduce sau preia căldura de la unitatea de stocare (fig. 3).

• In timpul funcţionării sistemului de stocare, se menţine un acelaşi sens de curgere a aerului prin stratul de pietre în tot timpul stocării energiei (de obicei de sus în jos), şi un alt sens în timpul preluării de căldură

Fig. 3. Sistem de stocare cu strat de pietre:7 — capac; 2 — carcasă; 3 — şuruburi; 4 — aripioare

de dirijare a aerului; 5 — pietre.

Stocarea energiei• Insorirea variază de la un sezon la altul, dar aporturile de energie solară

nu coincid exact cu necesităţile.

• Spaţiul trebuie încălzit şi noaptea şi iarna, cînd însorirea este slabă sau nulă, ştiindu-se că aporturile maxime nu sînt în acele momente.

• Pare, deci logică necesitatea stocării energiei neutilizate imediat, în vederea unei utilizări ulterioare.

• Aporturile globale anuale sînt în mod normal suficiente pentru a se plia tuturor necesităţilor, iar un stocaj integral al energiei disponibile ar rezolva, teoretic, toate problemele.

• Tehnicile actuale nu permit decît un defazaj de exploatare de cîteva ore sau cîteva zile, însă, sînt în studiu şi experimentare mai multe tentative de stocaj intersezonier colectiv.

Stocarea energiei solare

• Energia solara la nivelul scoartei terestre este o sursa energetica dependenta de miscarea de rotatie a Pamantului si de conditiile atmosferice.

• Caracteristicile pe care trebuie sa le indeplineasca o unitate de stocare a energiei solare sunt urmatoarele:

~ unitatea se stocare trebuie sa fie capabila sa primeasca energia cu maximum de viteza fara forte termodinamice excesive;

~ unitatea de stocare trebuie sa livreze energia cu maximum de viteza fata a utiliza forte termodinamice excesive;

~ unitatea de stocare trebuie sa aiba pierderi mici ; ~ unitatea de stocare a energiei trebuie sa fie capabila sa suporte

un numar ridicat de cicluri incarcare-descarcare, fara diminuarea substantiala a capacitatii sale;

• Tehnicile stocajului se pot diviza în două grupe: • stocajul căldurii sensibile şi • stocajul căldurii latente.

• Stocajul căldurii sensibile este cel mai comun. Este vorba de încălzirea unui corp cu inerţie termică mare si care va rămîne cald un oarecare timp în funcţie de masa şi tempera tura sa.

• Se disting două forme de stocaj al căldurii sensibile:

• masele termice fac parte integrantă din construcţie;

• stocajul independent de structură.

• Cînd masele termice fac parte integrantă din construcţie, se poate vorbi despre stocajul "pasiv".

• Pereţii sau dalele pardoselilor sînt realizate din materiale grele, care conferă clădirii o inerţie termică apreciabilă atît vara, cît şi iarna.

• Dimensiunile şi natura planşeelor trebuie să fie, în cazul unei perspective de stocaj, studiate în funcţie de aporturile potenţiale şi de energia susceptibilă de a fi acumulată, dar volumul optim de stocaj trebuie considerat şi în funcţie de preţul care-i revine.

Stocarea energiei solare

• Din cauza decalajul în timp între producţie şi consumul de energie şi necesitatea acoperirii economice a vârfului de consum există necesitatea stocării energiei.

• Stocarea energiei se face sub formă de:

• căldură sensibilă a unui mediu solid sau lichid (stocarea energiei termice în apă, stocarea energiei în strat de pietre, stocarea căldurii sensibile în pământ);

• căldură latentă la schimbarea de fază a unor sisteme chimice;

• energie chimică a produselor rezultate dintr-o reacţie chimică reversibilă;

Stocaj in elemente prefabricate

• Stocajul independent de structură este în general constituit din recipiente cu apă sau paturi de galeţi, participînd la un

sistem "activ".

• Stocajul legat de sistemele active este adaptat la circuitul lichidului calorifug utilizat.

• Volumul variază de la un program la altul, de la 4 000 I la 20 000 I de apă, sau de la 151 la 120 t galeţi pentru o casă individuală.

• Aceasta explică dimensiunea mare a acestor stocaje, precum şi greutatea lor, ceea ce atrage după sine probleme dificile de dimensionare a structurii.

• O piscină poate să constituie foarte bine un mod de stocare a apei, exploatînd radiaţia solară de-a lungul întregului an.

• Dificultatea în acest caz rezidă în riscurile de perdiţie din timpul iernii, cu o piscină exterioară care este întotdeauna dificil de izolat în mod eficace.

• Alte trei moduri de stocare ar fi:

• zidăria cu goluri (sau pereţi dubli),

• pămîntul şi

• rezervoarele colective îngropate.

• Primul sistem constă în închiderea galeţilor între doi pereţi neizolanţi. Ansamblul lucrează ca distribuitor de calorii şi volum de stocaj, dar eficacitatea fiecărei funcţiuni este dificilă.

• Stocajul în adîncime poate fi cu aer sau cu apă; se poate considera ca fiind eficientă îngroparea unei reţele de tuburi pentru recuperarea caloriilor, realizîndu-se o adevărată economie de izolaţie.

Stocajul căldurii latente

• Stocajul căldurii latente exploatează un fenomen fizic legat de schimbarea stării diverselor corpuri în funcţie de temperatură.

• Energia necesară unei astfel de schimbări este sensibil mai mare decît cea necesară unei ridicări sau scăderii de temperatură a unui corp stabil fizic.

• Energia termică astfel "captată" în timpul unei schimbări de stare este restituită în timpul unei schimbări inverse, care se produce în mod spontan la aceeaşi temperatură.

• In cazul unei instalaţii solare, este, deci, interesant de folosit astfel de corpuri, dar este dificilă integrarea lor în zidărie, pentru că trebuie înlocuite periodic.

• Cercetările recente întrevăd materiale noi, care ar putea fi performante în viitorul apropiat

Sărurile hidratate

• Sărurile hidratate sînt printre cele mai simple modalităţi de înmagazinare a căldurii pe căi chimice.

• Procesul de înmagazinare implică fazele de schimbare, în general lichid-solid-lichid, care este indusă de schimbarea de temperatură.

• De exemplu, în casa Dover, au fost folosite sărurile Glauber.

• Din nefericire, după cîteva cicluri de schimb, sărurile îşi pierd eficacitatea şi trebuie schimbate.

• Energia solara poate fi stocata la temperaturi inalte folosind saruri lichide.

• Sarurile sunt un mediu eficace de inmagazinare deoarece sunt ieftine, au o capacitate specifica de caldura si pot transmite caldura la temperaturi compatibile cu sistemele energetice conventionale.

• Solar Two a folosit aceasta metoda de inmagazinare de energie, care i-a permis sa stocheze destula caldura in cei 68 m3 ai rezervorului pentru a furniza o productie de 10 Mw pt aproximativ 40 minute, cu o eficienta de 99%.

Parafina

• Parafina este folosită în mod similar cu sărurile hidratate, dar neavînd problema cristalizării.

• In schimb se poate solidifica şi atunci pierde contactul cu suprafeţele de schimb de căldură, nerecuperînd, astfel, rata transferului de căldură.

Sulfatul de sodiu hidratat• Suedezii au incercat stocarea termica in sulfatul de sodiu hidratat.

• La o temperatura mai mare de 40 oC trece in faza lichida prin disolvarea in propria sa apa de cristalizare. Invers la scaderea temperaturii sub 40 oC incepe cristalizarea cu cedare de caldura.

• Astfel temperatura se autoregleaza la 40 oC.

• Ei incercau sa inmagazineze caldura in rezervoare transportabile din caldura pierduta la centralele Termoenergetice si apoi rezervoarele transportate la blocuri de locuinte si racordate la instalatii de incalzire centrala.

Folosirea apei

• O alta metoda de stacare este folosirea apei.

• Cand exista un surplus de energie, apa se pompeaza dintr-un rezervor aflat la un nivel mai mic intr-un rezervor aflat la un nivel (altitudine) mai mare.

• Cand cererea de energie este mai mare, apa din rezervorul de la nivelul ridicat este eliberata, pompa devenind turbina si motor pentru un generator hidroelectric .

• 1 mc de apa poate stoca aproximativ 80 kw energie termica utilizabila, iar

• otelul poate stoca cam de 10 ori mai putin daca e sa comparam masa si cam 80 % daca e sa comparam volumul.

STOCAREA ENERGIEI SOLARESTOCAREA ENERGIEI SOLARE

Stocarea Stocarea energieienergiei

CCăldură sensibilă a unui mediu solid sau lichidăldură sensibilă a unui mediu solid sau lichid::

CCăldură latentă la schimbarea de fază a unor ăldură latentă la schimbarea de fază a unor sisteme chimicesisteme chimice

EEnergie chimică a produselor rezultate dintr-onergie chimică a produselor rezultate dintr-o reacţie chimică reversibilăreacţie chimică reversibilă

EEnergie potenţială a unui fluidnergie potenţială a unui fluid

•• sstocarea energiei termice în apătocarea energiei termice în apă;;

•• sstocarea energiei în strat de pietretocarea energiei în strat de pietre;;

•• sstocarea căldurii sensibile în pământtocarea căldurii sensibile în pământ..

Energia solara poate fi stocata in beton

• Betonul ar putea fi folosit pentru stocarea energiei termice, potrivit unor cercetatori de la Universitatea din Arkansas informeaza Tree Hugger.

• Acestia au castigat un premiu in valoare de 770.000 de dolari din partea Departamentului American de Energie, in cadrul unui program de sustinere a proiectelor de stocare ieftina a energiei solare.

• Panourile solare sunt folosite pentru a atrage caldura care sa fie stocata mai apoi in beton.

• Transferul de la panouri la beton se face printr-un tub de otel.

• Cercetatorii vor sa creeze si sa testeze beton de mare performanta, capabil sa stocheze un maximum de energie termica.

• Pentru aceasta vor expune betonul la temperaturi foarte ridicate si vor folosi modele computerizate

• • In prezent, energia poate fi stocata in beton la o temperatura de

maximum 325 de grade Celsius dar echipa de la Universitatea din Arkansas crede ca poate ajunge la 600 de grade Celsius.

• Potrivit cercetatorilor, energia solara este o alternativa foarte plauzibila la sursele de energie actuale. Munca de cercetare trebuie sa se concentreze insa asupra metodelor de stocare a energiei.

• „Aria cea mai importanta de cercetare este stocarea energiei termice, ceea ce inseamna dezvoltarea unor metode eficiente si ieftine de a transfera caldura de la colectori inainte de a transmite-o la generatori. Asta incercam sa facem”, a declarat Panneer Selvam, profesor de inginerie civila.

• In prezent, costul de stocare a energiei solare este cuprins intre 13 si 17 centi pe kilowat ora. Departamentul American de Energie isi propune  performanta unui cost de 5 centi pe kilowat ora pana in 2020.  

• Eu am gandit o alta solutie: Folosirea ca acumulator de energie a unui bloc de material solid de densitate si volum mare cum ar fi:

• caramida,• beton,• sare gema,• marmura,• bazalt.

• Acest bloc va fi incastrat intr-un cofrag de beton, sub pamant, foarte bine izolat termic si impotriva infiltratiilor de apa, cu schimbator de caldura inserat din costructie, etc…

• Ceea ce nu cunosc eu este, care dintre materialele de mai sus are cea mai mare capacitate de acumulare a energiei, care o retine cel mai bine, care este cel mai potrivit ?

• Am cautat ceva informatii pe internet insa nu am gasit mai nimic dar, cine stie, poate ca cineva in tema va da peste acest articol si ma va lamuri cu informatii concrete.

Energia solara se poate stoca

• Una dintre principalele probleme pe care le ridica utilizarea puterii solare pentru obtinerea energiei era reprezentata de faptul ca sistemul putea functiona numai pe timpul zilei.

• Amenajarea unor sisteme capabile sa stocheze aceasta energie s-au dovedit a fi scumpe si ineficiente.

• Insa cercetatorii si-au dat seama de curand ca stocarea energiei solare de peste zi nu este un proces chiar atat de complicat, cu atat mai mult cu cat mijloacele sunt la indemana si se gasesc in natura.

• In acest proces vor fi utilizate materiale care se gasesc din abundenta, non-toxice, pentru a utiliza eficient cea mai potenta sursa de energie nepoluanta: soarele.

• Cercetatorii care au elaborat acest sistem s-au inspirat din procesul fotosintezei plantelor.

• Energia solara va fi folosita pentru a separa hidrogenul si oxigenul gazos din apa, cu ajutorul unor noi catalizatori.

• Ulterior, oxigenul si hidrogenul vor fi reunite in interiorul unei celule de combustibil, creand electricitate fara emisii de carbon, care va putea fi folosita oricand ziua si noaptea.

• Componenta cheie in acest proces este un catalizator nou care produce oxigen din apa si un alt catalizator care produce hidrogen.

• Acest nou catalizator consta din cobalt, fostati si un electrod, plasat in apa.

• Cand energia electrica – fie ca provine dintr-o celula fotovoltaica sau orice alta sursa – ruleaza prin electrod cobaltul si fosfatii formeaza un strat subtire pe electrod, si astfel este produs oxigenul.

• Combinatia cu un alt catalizator, cum ar fi platina, care poate produce hidrogen din apa, sistemul poate duplica reactia de descompunere a apei care survine in timpul fotosintezei. Noul catalizator functioneaza la temperatura camerei, in apa cu un pH neutru, si este usor de configurat.

Stocarea intr-un rezervor de apa

• Construiesc un sistem de stocare a energiei termice, sub o viitoare casa, capabil de a stoca cca 10MWh.O solutie ar fi stocarea intr-un rezervor de apa de cca 80-100mc, din beton armat, hidrofugat, termoizolat la exterior cu vata minerala.

• Rezervorul va trebui plasat intr-o configuratie de sustinere capabila de a permite circulatia aerului - de exemplu simple barne de lemn intretesute.

• Efortul de sustinere nu este foarte mare - doar cca 5 tone/mp.

• Aerul pompat in jurul rezervorului, pentru a preintampina pierderea de caldura in solul inconjurator (inca ma intreb daca ar fi utila aceasta varianta sau nu) va fi folosit vara pentru incalzirea apei calde menajere, iar iarna pentru incalzirea casei.

• Vor fi prevazute zone unde termoizolatia rezervorului va fi indepartata automat cu cca 10 cm, pe sub aceasta intrand aer si preluind caldura direct de la pereti, pentru marirea pierderilor de la cca 1kW in cursul lunii august - cand temperatura rezervorului atinge maximum dar nu avem nevoie de energie pentru incalzire - la un eventual 6-8kW pentru luna februarie.

• O alta variata, mai simpla, ar fi preluarea caldurii suplimentare necesare printr-o simpla serpentina (din teava de cu) in interiorul rezervorului.

Rezervor de beton izolat cu aerogel la subsolul casei

• AEROGEL cel mai bun izolator , sa stii ca te cam costa .

• La subsolul casei construiesti un rezervor de beton izolat cu aerogel (nu are rost in interior si exterior, il izolezi la exterior, este suficient )

• Acolo poti sa stochezi caldura chiar si de 1000*C pe o perioada foarte lunga si fara pierderi de caldura .

Stocarea caldurii direct in pamant.

• O alta solutie ar fi stocarea caldurii direct in pamant.

• Insa imi lipsesc date importante, de preferat cu acuratete de peste 50%, referitoare la :

-termoconductivitatea si -inertia termica a solurilor,-comportamnetul acestora la temperaturi de

ordinul a 100C,-viteza de transfer a caldurii intr-o masa de sol pe

distanta de 1m

Importanţa acumulării energiei termice

• În cazul utilizării surselor regenerabile de energie pentru încălzire sau prepararea apei calde menajere, o atenţie deosebită este acordată acumulării energiei termice.

• Având în vedere preţurile ridicate ale echipamentelor de conversie a energiilor regenerabile în energie termică, se evită producerea căldurii şi mai ales a apei calde în regim “instant”, deoarece acest regim solicită sarcini termice ridicate, iar costurile echipamentelor necesare ar fi de asemenea ridicate.

• O alternativă eficientă este reprezentată de utilizarea unor boilere în care apa caldă să fie preparată în regim cvasi-permanent.

• La sfârşitul perioadelor de vârf de consum, adică dimineaţa şi seara, se va reduce temperatura apei din boilere, iar în restul timpului, când consumul este foarte redus, echipamentele de încălzire utilizând energii regenerabile, vor ridica din nou temperatura apei.

• • Pentru ca sistemul de acumulare a apei calde să facă

faţă în perioadele de vârf de consum, volumul boilerelor trebuie dimensionat corect, în funcţie de consumurile

estimate.

Un sistem de preparare a apei calde menajere într-un boiler, este prezentat în figura 1

Fig. 1 Sistem de preparare a apei calde menajere în boiler,cu energie solară sau altă sursă de energie

www.viessmann.com

• Este posibilă utilizarea sistemelor de acumulare a energiei termice şi pentru utilizarea acesteia în sistemul de încălzire. Astfel de soluţii permit de exemplu acumularea energiei termice solare ziua,pentru ca aceasta să fie utilzată la încălzire, noaptea.

• Există astfel de sisteme extrem de performante, cu acumulare sezonieră a căldurii, ca cel din figura 2.

Fig. 2. Cladire pasivă energetic cu acumulare sezonieră a căldurii, în vederea încălzirii

• Căldura provenită din energia solară, este acumulată vara în rezervorul de stocare având capacitatea de 87m3, pentru a fi utilizată iarna.

• Clădirea este o construcţie pasivă energetic, reprezintă sediul unei companii din Germania şi a fost realizată în anul 1998, pe o suprafaţă de 2180m2.

• Sarcina termică necesară pentru încălzirea clădirii pe timp de iarnă, în plus faţă de sistemul de încălzire cu energie solară stocată sezonier, este de numai 12kW. (Pentru comparaţie, sarcina termică a unei centrale termice murale de apartament este de24kW).

Concluzii privind sistemele de stocare

a energiei solare In concluzie, caracteristicile pe care trebuie să le îndepli nească o unitate de

stocare a energiei solare pot fi rezumate astfel (în funcţie de domeniul de aplicaţie):

• unitatea de stocare trebuie să fie capabilă să primească energia cu maximum de viteză fără forţe termodinamice excesive (de ex. diferenţe de temperatură; diferenţe de presiune; diferenţe de potenţial etc.);

• unitatea de stocare trebuie să livreze energia cu maximum de viteză (dependentă de scopul instalaţiei) fără a utiliza forţe tefmodinamice excesive;

• unitatea de stocare trebuie să aibă pierderi mici (o caracteristică de autodescărcare scăzută);

• unitatea de stocare a energiei trebuie să fie capabilă să suporte un număr ridicat de cicluri încărcare-descărcare, fără diminuarea substanţială a capacităţii sale;

• unitatea de stocare trebuie să fie ieftină.