Teza Coleactoare Solare

8/22/2019 Teza Coleactoare Solare

1/60

Investete n oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatereDomeniul major de intervenie 1.5 Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Investiie n dezvoltare durabil prin burse doctorale (INED)Numrul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

Universitatea Transilvaniadin Braovcoala Doctoral Interdisciplinar

Centrul de cercetare:Sisteme de Energii Regenerabile i Reciclare

Ing. Cristina ERBAN

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-

termice la necesarul termic al unei cldiri

Adjustment of the tracking system of solar-thermal

collectors to the heating load of a building

Conductor tiinific

Prof. dr. ing. Elena EFTIMIE

BRASOV, 2012


2/60

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI I SPORTULUI

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

RECTORAT

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

COMPONENA

Comisiei de doctoratNumit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov

Nr. 5319 din 26.07.2012

PREEDINTE: Prof.dr.ing. Ion VIA,Universitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.dr.ing. Elena EFTIMIEUniversitatea Transilvania din Braov

REFERENI: Prof.dr.ing. Liviu VAIDAUniversitatea Tehnic din Cluj-NapocaProf.dr.ing. Vasile BOLOUniversitatea Petru Maior din Trgu MureProf.dr.ing. Gheorghe MOLDOVEANUniversitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 25 Septembrie 2012,ora 1030, sala de conferine L2, Institut CDI (Str. Institutului nr. 10).

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s letransmitei n timp util, pe adresa [email protected].

Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei dedoctorat.

V mulumim.


3/60

1

CUPRINSPg.

teza

Pg.

rezumat

LISTA DE NOTAII 4 -INTRODUCERE 9 -

1.STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR N DOMENIULSISTEMELOR SOLAR-TERMICE 13 51.1.Colectoare solar-termice 13 51.2.Sisteme care utilizeaz colectoare solar-termice 15 5

1.2.1.Instalaii cu circuit deschis 15 -1.2.2.Instalaii cu circuit nchis 16 5

1.3.Unghiuri de orientare solar 17 61.4.Sisteme de orientare utilizate pentru colectoare solar-termice 19 71.5.Concluzii 24 91.6.Formularea obiectivelor tezei de doctorat 24 10

2.SISTEMATIZAREA PARAMETRILOR OBIECTIVELOR DECERCETARE 25 112.1.Aspecte generale 25 112.2.Parametri climatici care influeneaz proiectarea instalaiilor solar-

termice. Particulariticlimatice i geografice ale zonei Braov 27 112.2.1.Temperatura mediului ambiant 28 122.2.2.Viteza vntului 29 122.2.3.Modelarea radiaiei solare 31 13

2.3.Dezvoltarea unei baze de date climatice. Aplicaie pentru zona Braov 38 152.4.Determinarea sarcinii termice a unei cldiriprin metode dinamice avansate 38 16

2.4.1.Soft-ul TRNSYS 38 162.4.2.Modelul termic al cldirii 39 162.4.3.Determinarea necesarului de energie termic 43 17

2.5.Concluzii i contribuii originale 49 193.STABILIREA PROGRAMELOR OPTIME DE ORIENTARE A

SISTEMELOR CU ORIENTARE CONTROLAT N RAPORT CUSARCINA TERMIC IMPUS 51 20

3.1.Controlul sistemului de orientare 51 203.2.Parametri programului de orientare 53 203.3.Determinarea programului de orientare optim n condiii de sarcin

termic maxim 58 213.4.Determinarea programului optim de orientare n condiii de sarcin

termic nul 65 243.5.Determinarea programului optim de orientare n condiii de sarcin

termic parial 68 253.6.Concluzii i contribuii originale 73 26

4.STABILIREA SOLUIEI CONCEPTUALE I DESIGNULCONSTRUCTIV AL SISTEMULUI COLECTOR SOLAR-TERMIC CU


4/60

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei cldiri

2

ORIENTARE CONTROLAT 77 284.1.Parametri mecanismului de orientare 77 284.2.Design-ul constructiv i modelarea virtual a soluiei mecanice 79 294.3.Verificarea la ncrcri a sistemului pentru poziiile defavorabile 82 -4.4.

Adaptarea programului de orientare la mecanismul de acionare 89 304.4.1.Implementarea programului optim de orientare pentru realizarea

curselor diurne mari 89 30

4.4.2.Implementarea programului optim de orientare pentru zona Braov(curs unghiular diurn *=120) 95 -

4.5.Simularea computerizat a funcionrii mecanismului de orientarepseudo-azimutal 99 31

4.6.Concluzii i contribuii originale 105 335.SIMULAREA ENERGETIC A INSTALAIILOR SOLAR-TERMICE.

STUDII DE CAZ 107 355.1.Simularea unei instalaii n mediul de simulare TRNSYS Modele decomponente utilizate 107 -

5.2.Studiu de caz I - Modelarea unui sistem de furnizare a apei calde menajere 108 -5.3.Studiu de caz II - Modelarea unei instalaii solar-termice hibride 116 35

5.3.1.Descrierea instalaiei solar-termice 116 -5.3.2.Simularea instalaiei experimentale n mediul de simulare TRNSYS 117 35

5.4.Concluzii i contribuii originale 133 406.VALIDAREA REZULTATELOR TEORETICE PRIN TESTRI

EXPERIMENTALE 135 426.1.Descrierea instalaiei de testare 135 426.2.Adaptarea programului de orientare la mecanismul de acionare 137 -6.3.Prelucrarea datelor experimentale 140 436.4.Validarea rezultatelor obinute n urma simulrilor energetice realizate n

soft-ul TRNSYS 154 46

6.5.Concluzii i contribuii originale 159 487.CONCLUZII FINALE. CONTRIBUII ORIGINALE. DISEMINAREA

REZULTATELOR. DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE 161 49

7.1.Concluzii finale 161 497.2.Contribuii originale 164 517.3.Diseminarea rezultatelor 166 527.4.Direcii viitoare de cercetare 167 53

BIBLIOGRAFIE 169 54ANEXE 175 56

Anexa 1, Extras din subrutina Type 99 (TRNSYS) de prelucrare a datelor meteo 175 -Anexa 2, Extras din aplicatia (TRNSYS) de calcul al necesarului de energie termic 179 -Anexa 3, Scurt rezumat (romn/englez) 183 56

Anexa 4, Curriculum Vitae 184 57Not: Pentru capitole, subcapitole, figuri, relaiii bibliografie, n rezumat s-au pstrat numerelede ordine din tez.


5/60

3

CONTENTPp.

thesis

Pp.

summary

LIST OF NOTATIONS 4 -INTRODUCTION 9 -

1.RECENT STATE OF THE RESEARCHES IN SOLAR-THERMALSYSTEMS FIELD 13 51.1.Solar-thermal collectors 13 51.2.Solar-thermal collector systems 15 5

1.2.1.Open loop systems 15 -1.2.2.Closed loop systems 16 5

1.3.Solar tracking angles 17 61.4.Solar-thermal collector tracking systems 19 71.5.Conclusions 24 91.6.PhD thesis objectives 24 10

2.PARAMETERS SISTEMATIZATION OF THE RESEARCHOBJECTIVES 25 112.1.General aspects 25 112.2.Climatic parameters that influence solar-thermal system design.

Climatic and geographic features of Braov area 27 112.2.1.Ambient temperature 28 122.2.2.Wind speed 29 122.2.3.Solar radiation modelling 31 13

2.3.Developing a climatic database. Application for Braov area 38 152.4.Thermal load determination of a building using dynamic advanced methods 38 16

2.4.1.TRNSYS soft-ware 38 162.4.2.Building thermal model 39 162.4.3.Determination of the thermal energy load 43 17

2.5.Conclusions and original contributions 49 193.ESTABLISHING THE OPTIMUM ORIENTATION PROGRAMS OF

THE SYSTEMS WITH CONTROLLED TRACKING CONSIDERINGTHE THERMAL LOAD 51 20

3.1.Control of the tracking system 51 203.2.Orientation programs parameters 53 203.3.Determination of the optimum orientation program for maximum load

operating conditions 58 21

3.4.Determination of the optimum orientation program for zero loadoperating conditions 65 24

3.5.Determination of the optimum orientation program for partial loadoperating conditions 68 25

3.6.Conclusions and original contributions 73 264.ESTABLISHING CONCEPTUAL SOLUTION AND CONSTRUCTIVE

DESIGN OF A SOLAR-THERMAL COLLECTOR SYSTEM WITH


6/60

Adaptation of solar-thermal collectors tracking system to the thermal load of a building

4

CONTROLLED TRACKING 77 284.1.Parameters of tracking mechanism 77 284.2.Constructive design and virtual modelling of the mechanical solution 79 294.3.Verifying at loads of the system for adverse positions 82 -4.4.

Adaption of the orientation program to the drive mechanism 89 304.4.1.Implementation of the optimum orientation program for large

angular strokes 89 30

4.4.2.Implementation of the optimum orientation program for Braovarea (diurnal angular stroke *=120) 95 -

4.5.Computer simulation of the operation of pseudo-azimuthal trackingmechanism 99 31

4.6.Conclusions and original contributions 105 335.ENERGY SIMULATION OF THE SOLAR-THERMAL SYSTEMS.

CASE STUDIES 107 355.1.System simulation in TRNSYS Simulation Studio Model of usedcomponents 107 -

5.2.Case study I Hot water system modelling 108 -5.3.Case study II Hybrid solar-thermal system modelling 116 35

5.3.1.Solar-thermal system description 116 -5.3.2.Experimental system simulation in TRNSYS Simulation Studio 117 35

5.4.Conclusions and original contributions 133 406.THEORETICAL RESULT VALIDATION THROUGH EXPERIMETAL

TESTING 135 426.1.Description of the experimental system 135 426.2.Adaption of the orientation program to the drive mechanism 137 -6.3.Experimental data 140 436.4.TRNSYS energy simulation results validation 154 466.5.Conclusions and original contributions 159 48

7.FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS. RESULTDISSEMINATION. FUTURE RESEARCH DIRECTIONS 161 497.1.Final conclusions 161 497.2.Original contributions 164 517.3.Result dissemination 166 527.4.Future research directions 167 53

REFERENCES 169 54ANNEXES 175 56

Annex 1, Extract from Type 99 component (TRNSYS) of weather data processing 175 -Annex 2, Extract from thermal energy load calculus application (TRNSYS) 179 -Annex 3, Abstract 183 56Annex 4, Curriculum Vitae 184 57

Note: For chapters, subchapters, figures, equations and references, in the abstract, the numberingfrom the thesis were kept


7/60

5

CAPITOLUL ISTADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR N DOMENIUL SISTEMELOR

SOLAR-TERMICE

La nivel global cldirile reprezint 40% din consumul total de energie, dintre acesteacldirile rezideniale i comerciale necesitnd aproximativ 35% din totalul de energie. Avnd nvedere multitudinea posibilitilor de a reduce n mod substanial cerinele de energie a cldirilor,

potenialul de a economisi energia n mediul construit ar contribui foarte mult la reducereaconsumului de energie la nivel naional [34], [70].

Consumatorii majori de energie din cldiri sunt sistemele de nclzire, ventilaie i aercondiionat (HVAC). La evaluarea costurilor unei cldiri noi, sistemele HVAC pot reprezenta ntre30% i 50% din costuri n cazul cldirilor comerciale, i de la 5% la 10% n cazul locuinelor [23].Abilitatea de a lua decizii sensibile i bine fondate la alegerea i proiectarea sistemelor HVAC estede o importan covritoare n ceea ce privete impactul economic i cel asupra mediului.

Utilizarea surselor de energie regenerabil pentru asigurarea necesarului de energie al unei

cldiri reprezint o soluie pentru rezolvarea problemelor identificate n domeniul cldirilor. Astfel,pe lng reducerea dependenei de combustibilii fosili se vor observa i avantaje precum: reducerea cheltuielilor pentru energia termic utilizat pentru nclzirea spaiilor i preparare

a apei calde menajere; creterea temperaturilor interioare cu un nivelul sczut al consumurilor energetice; reducerea polurii mediului nconjurtor i a emisiilor de CO2.

1.1 COLECTOARE SOLAR-TERMICE

Dup modul de construcie, colectoarele solare care nu folosesc concentrarea pot fi planesau cu tuburi vidate [100], [104], [107]. Acestea au o aplicabilitate mai larg fiind folosite att n

instalaiile solar-termice ale spaiilor comerciale ct i ale celor rezideniale. n general, acestea suntorientate Sud i nclinate la un unghi optim, n funcie de locaie.O nou abordare n domeniul colectoarelor solare este oferit de panourile hibride

fotovoltaic-termice PV/T. Acestea produc energie electric i ap cald ntr-un proces simultan. Elesunt folosite n principal pentru a produce energie electric, apa cald fiind un produs secundar.

n cadrul Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile i Reciclare a UniversitiiTransilvania din Braov s-au dezvoltat o serie de cercetri n domeniul sistemelor de conversie aenergiei solare. n acest sens, au fost elaborate o serie de teze de doctorat [4], [5], [24], [45], [57]care au avut ca obiectiv dezvoltarea unor noi sisteme de orientare a panourilor fotovoltaice (pentrucreterea eficienei de orientare) care au aplicabilitate i n cazul colectoarele solar-termice prinintegrarea acestora n cadrul instalaiei hidraulice [13].

1.2 SISTEME CARE UTILIZEAZ COLECTOARE SOLAR-TERMICE

Deoarece energia solar disponibil este decalat fa de necesarul termic pentru nclzire,rezult necesitatea adoptrii unor msuri precum: introducerea n cadrul sistemului a uneicomponente de acumulare a cldurii, a izolrii suplimentare a construciei i a prevederii unor surseauxiliare. Folosirea energiei solare ca sursa termic impune att o arhitectur aparte a cldirilor,

precum i o orientare a lor n raport cu poziia Soarelui pe bolta cereasc [25].

1.2.2 Instalaii cu circuit nchisAceste instalaii se folosesc pentru nclzirea apei calde menajere, nclzirea spaiilor i a

apei din piscine. Aceste sisteme folosesc rezervoare de stocare, pompe electrice i un panou decontrol (fig. 1.4). Investiia ntr-un astfel de sistem este mai mare, dareficiena este net superioarfa de un sistem cu circuit deschis [1], [26], [27], [66].


8/60


6

Fig. 1.4Instalaie solar cu circuit nchis

Avantaje:o rezisten la nghe datorit folosirii fluidelor solare speciale (antigel - tyfocor);o utilizare pe toatperioada anului;o flexibilitate n utilizare.

Dezavantaje:pre de cost mai ridicat.

Echipamentele pentru prepararea apei calde menajere i nclzirea spaiilor cu ajutorulsurselor regenerabile de energie sunt dimensionate n general pentru regimul de acumulare i nu

pentru regimul instant, datorit potenialului solar variabil. Cu toate acestea, este necesaradugarea unei surse auxiliare pentru a asigura integral necesarul termic al unei cldiri pe toat

perioada anului. Instalaiile solare hibride pot folosi ca surs auxiliar boilere electrice, cazane pegaz (murale), pompe de cldur, etc. n perioadele foarte reci este posibil ca sursa auxiliar s preiatoat sarcina de nclzire pentru a asigura confortul termic n cldire.

ntruct sarcina termic este diferit pe durata unui an, se pot identifica 3 regimuri defuncionare pentru instalaia solar-termic:

Sarcin termic maxim: n perioada de iarn, cnd este necesar maximizareaaportului de energie provenit de la instalaia solar pentru a acoperi ct mai mult dinnecesarul de energie termic;

Sarcin termic parial: n perioada de primvar i toamn, datorit variaieitemperaturilor exterioare, cnd nc este necesar nclzirea spaiului n zilele cutemperaturi sczute;

Sarcina termic nuleste caracteristic cldirilor de birouri, coli, teatre, etc. cnd nperioada de var, n timpul vacanelor legale i weekend-urilor, nu exist necesar termic.

1.3 UNGHIURI DE ORIENTARE SOLAR

Deoarece viteza orbital a Pmntului variaz pe parcursul unui an, timpul solar(TS) estediferit fa de timpul local(TL). Durata unei zile solare reale (timpul n care Pmntul efectueaz orotaie complet n jurul axei sale fa de Soare) nu este uniform pe durata unui an.

Aceast variaie se numete ecuaia timpului (EOT) i poate fi aproximat, n funcie denumrul zilei din an, cu ecuaia [48]:

( ) ( ) ( ) ( )x2sin228.9x2cos648.3xsin416.7xcos258.0EOT = , (1.1)( ) 242.365/1N360x = , (1.2)

unde N reprezint numrul zilei din an ncepnd cu 1 Ianuarie ca prima zi.


9/60

I. Stadiul actual al cercetrilor n domeniul sistemelor solar-termice

7

Ecuaia generalizat pentru a calcula timpul local aparent(TLA) este:

( ) DSLL-LS4EOTTLA=LT + , (1.3)

unde: LT reprezint timpul local;DS ora de var/iarn (0 sau 60 min);LL longitudine local;

LS longitudine standard.n continuare sunt prezentate relaiile analitice care descriu micarea aparent a Soarelui pe

bolta cereasc [3], [15], [22], [40], [48].Unghiul de declinaie [] reprezint unghiul dintre planul Ecuatorului i linia Pmnt-

Soare. Se poate observa c acest unghi variaz ntre -23.45 la solstiiul de iarn i +23.45 lasolstiiul de var, iar la echinocii (durata zilei este egal cu cea a nopii) aceasta este 0. Literaturade specialitate propune pentru determinarea declinaiei urmtoarea relaie [48]:

=365

)80N(360sin45,23 . (1.4)

Unghiul orar [] este folosit pentru a descrie micarea Pmntului n jurul propriei axe i

reprezint unghiul dintre meridianul observatorului i meridianul al crui plan conine Soarele.Acest unghi are valorile cuprinse ntre -180 i +180, acesta determinndu-se cu relaia [40]:

)12-t(15 so = . (1.5)

Unghiul altitudinal [] este unghiul dintre raza solar i proiecia acesteia n planulorizontal. Relaia analitic a unghiului altitudinal este [22], [40]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )+= coscoscossinsin)sin( . (1.6)

Unghiul azimutal [] este unghiul dintre proiecia razei solare pe planul orizontal i liniaNord-Sud i se determin cu relaia [48]:

( ) ( )( )

=

cos

sincossin

1

. (1.7)

Unghiul de inciden [] este unghiul dintre perpendiculara pe planul n cauz i direciarazei solare [3]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ),sinsinsincos

coscossinsincoscoscoscoscos

cossincossincossinsin)cos(

+

+++

+=

(1.8)

unde este unghiul de nclinare al colectorului fa de orizontal.Expresiile analitice descrise mai sus stau la baza proiectrii sistemelor de orientare a

panourilor solare i a formulrii unor recomandri privind exploatarea sistemelor solare n funciede locaia dat.

1.4 SISTEME DE ORIENTARE UTILIZATE PENTRU COLECTOARESOLAR-TERMICE

Maximizarea aportului de energie solar la producerea apei calde menajere i nclzireaspaiilor conduce la necesitatea utilizrii sistemelor de orientare solar i pentru colectoarelesolar-termice. Scopul sistemelor de orientare este de a minimiza unghiul de inciden, format ntreraza solar i normala la panoul solar. n acest fel, sistemele de orientare cresc cantitatea de energiecaptat de colector, reducnd astfel i suprafaa total de colectoare necesar pentru a acoperi

necesarul termic dorit. n tabelul 1.1 sunt prezentate 4 soluii constructive de sisteme de orientareidentificate n literatura de specialitate, respectiv dou sisteme bi-axiale [80], [87] i dou sistememono-axiale [69], [71]:


10/60


8

Tabelul 1.1 Sisteme de orientare - Soluii constructive

SISTEMEBI-AXIALE

SISTEMEMONO-AXIALE

n literatura de specialitate se regsesc 4 categorii de sisteme de orientare, definite n funciede unghiurile solare; aceste sisteme sunt sistematizate n tabelul 1.2.


11/60

I. Stadiul actual al cercetrilor n domeniul sistemelor solar-termice

9

Tabelul 1.2 Sisteme de orientare bi-axialSistem Micare N-S (elevaie) Micare E-V (diurn)

Sistem ecuatorial Declinaie () Unghi orar ()Sistem azimutal Unghi altitudinal () Unghi azimutal ()Sistem pseudo-ecuatorial Unghiul de elevaie () Unghiul diurn ()Sistem pseudo-azimutal Unghiul de elevaie () Unghiul diurn ()

Eliminnd una din micrile sistemului (fie micarea de elevaie, fie cea diurn) sistemuldevine mono-axial. Micarea eliminat poate fi realizat cu ajustare manual, folosind un unghioptim lunar sau optim pentru perioada de interes. Principalul dezavantaj al utilizrii colectoarelorsolar-termice prevzute cu sisteme de orientare, const din posibilitatea supranclzirii ntreguluisistem. Agentul termic folosit n colectoarele solare nu trebuie s depeasc 100-120C, n cazcontrar acesta pierzndu-i proprietile termice [94], [111].

Sistem de orientare pseudo-azimutalAcest sistem realizeaz orientarea panourilor dup aceleai unghiuri ca i sistemul de

orientare azimutal diferena dintre acestea constnd n faptul c sistemul pseudo-azimutal asigur

micarea diurn dup o ax orizontal. n fig. 1.11 este prezentat sistemul de orientare pseudo-azimutal i unghiurile care descriu micarea diurn () i micarea de elevaie () pentru raza solar,respectiv * i * pentru planul colectorului solar.

Fig. 1.11 Sistem de orientare pseudo-azimutal

Pentru sistemul de orientare pseudo-azimutal, relaia unghiului de inciden este [58]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )*** sinsincoscoscos)cos( += . (1.12)Pentru orientarea platformelor mici i medii se recomand folosirea sistemelor de orientare

ecuatoriale sau pseudo-ecuatoriale, iar pentru orientarea platformelor de dimensiunii medii i marisistemele azimutale i pseudo-azimutale.

Principalele avantaje ale sistemelor de orientare de tip pseudo-azimutal constau n: Posibilitatea de implementare pentru orientarea platformelor medii i mari; Din punct de vedere constructiv aceste sisteme de orientare sunt mai simple dect sistemele

de orientare ecuatorial, fiind obinute tehnologic mai uor.

1.5 CONCLUZII

Implementarea sistemelor de energie regenerabil n mediul construit a devenit o problemde interes global datorit epuizrii resurselor de energie convenional. n plus, utiliznd sisteme deenergie regenerabil se reduc efectele negative asupra mediului prin diminuarea emisiilor de gazecu efect de ser.

Analiza oportunitii folosirii instalaiilor solare de nclzire se face pe baza unor factoriprecum: sarcina termic necesar, energia solar de care dispune locaia unde se implementeaz,capacitatea sursei auxiliare, costul investiiei i durata de recuperare a acesteia, etc. Energia


12/60


10

economisit ntr-o instalaie solar-termic datorit folosirii energiei solare, comparativ cu oinstalaie termic convenional depinde att de condiiile climatice ale locaie de amplasare i deschema instalaiei adoptate, ct i de tipul i dimensiunile colectorului.

n literatura de specialitate s-au identificat o serie de soluii constructive pentru orientareacolectoarelor solare (att cu orientare mono ct i bi-axial) dar aceste soluii prezint o serie de

dezavantaje, dintre care menionm: dimensiuni mari; materiale i/sau echipamente cu pre ridicat; soluii constructive i tehnice complexe.

1.6 FORMULAREA OBIECTIVELOR TEZEI DE DOCTORAT

Avnd n vedere premisele actuale n care se realizeaz proiectarea sistemelor de orientare apanourilor solare, aceast lucrare propune identificarea i adoptarea unei soluii care s conduc laobinerea celui mai bun raport ntre cost, dimensiunile sistemului i sarcina termic impus. Astfel,se dorete dezvoltarea unui sistem de orientare care s fac posibil att maximizarea eficienei de

captare a radiaiei globale, atunci cnd sarcina termic este maxim, ct i orientarea n contra-faz,n cazul sarcinii termice nule. Aadar la proiectarea sistemelor de orientare se recomandndeplinirea urmtoarelor cerine:

Colectarea i stocarea energiei solare s fie n raport cu sarcina termic dorit; Energia solar s fie folosit cu prioritate; Sursa de energie auxiliar s fie folosit doar ca surs de energie complementar.n acest context a fost formulat obiectivul general al prezentei teze de doctorat, adaptarea

sistemelor de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei cldiri, obiectiv acrui ndeplinire face necesar rezolvarea urmtoarelor obiective operaionale: Analiza parametrilor meteorologici care influeneaz proiectarea unei instalaii solare i

conceperea unei baze de date meteo (care s conin datele meteorologice cel puin pe

perioada unui an) care s poat fi importat direct n soft-urile de simulare energetic; Identificarea programelor de orientare a colectoarelor solar-termice, pentru diferite regimuri

de funcionare ale acestora; se va avea n vedere att maximizarea eficienei de captare aradiaiei globale pe suprafaa colectoarelor la funcionarea n sarcin maxim, ct iadaptarea orientrii acestora la funcionarea n regim de sarcin nul sau parial;

Dezvoltarea unei soluii constructive de sistem de orientare pseudo-azimutal a colectoarelorsolar-termice; se va urmrii conceperea unei soluii constructive i tehnologice decomplexitate redus care s permit realizarea programelor de orientare concepute;

Realizarea i implementarea unui colector prevzut cu sistem de orientare pseudo-azimutaln instalaia solar-termic experimental a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabilei Reciclare, n scopul validrii rezultatelor teoretice.


13/60

11

CAPITOLUL IISISTEMATIZAREA PARAMETRILOR OBIECTIVELOR DE

CERCETARE

2.1 ASPECTE GENERALE

O instalaie solar-termic reprezint un sistem complex compus dintr-o serie de sub-sistemeinter-conectate, obiectivul final urmrit n dezvoltarea unor instalaii care utilizeaz surseregenerabile constnd din reducerea consumului de energie n cldiri.

Modelul de analiz energetic a unei instalaii solar-termice, propune abordarea singular afiecrui sub-sistem n parte, ceea ce va permite n final, att dezvoltarea ntr-o perioad de timp maiscurt a unui astfel de sistem, dar i optimizarea acestuia.

Principalele sub-sisteme ale unui sistem solar-termic hibrid sunt:1. S1, reprezentat de o staie meteorologic care s permit nregistrarea urmtorilor parametri

climatici: viteza i direcia vntului, temperatur, radiaie disponibil;2. S2, sub-sistemul cldire, acesta fiind caracterizat de o serie de parametri de descriere fizic a

cldirii, respectiv arhitectur, amplasare, destinaie, detalii constructive, gradul i timpul deocupare; se menioneaz ns c parametrii prezentai sunt influenai i de parametriiclimatici ai zonei, iar toate acestea reprezint informaii suficiente pentru un calcul de

previziune al consumului energetic;3. S3, sub-sistemul colector solar-termic poate fi constituit din colectoare fixe sau mobile; n

cazul n care acest sub-sistem const din colectoare prevzute cu sisteme de orientare,funcionarea corect a acestora va fi influenat de parametrii climatici, de sarcina termic ainstalaiei, respectiv de valorile temperaturilor la ieirea din colectoare, rezervoarele destocare i din reeaua de distribuie;

4. S4, sub-sistemul instalaiei hidraulice (stocator, boiler preparare ap cald menajer,distribuie);

5. S5, sub-sistemul surs de energie auxiliar este necesar pentru zonele aflate n zonegeografice caracterizate de latitudini mari, pentru acoperirea necesarului termic pe

perioadele toamniarnprimvar.Toate aceste sub-sisteme sunt controlate de un grup de comand i control, iar n urma

monitorizrii datelor specifice, acestea pot fi mbuntite sau adaptate noilor cerine.

2.2 PARAMETRI CLIMATICI CARE INFLUENEAZ PROIECTAREAINSTALAIILOR SOLAR-TERMICE. PARTICULARITICLIMATICE I GEOGRAFICE ALE ZONEI BRAOV

n vederea proiectrii sistemelor de conversie a energiei regenerabile (energie solar, energieeolian), Departamentul Sisteme de Energii Regenerabile i Reciclare al Universitii Transilvaniadin Braov utilizeaz pentru nregistrarea datelor meteorologice o staie meteorologic automat

proprie, de tip Delta-T [7].Zona urban Braov se gsete n zona central-estic a Romniei, la 2536' longitudine

estic i 4539' latitudine nordic. Aflat n Depresiunea Braovului, n curbura intern a Carpailor,Braovul are o altitudine de 790 m. Depresiunea Braov, prin poziia sa geografic, prezint limitenaturale clare datorit masivelor muntoase ce nchid depresiunea, ele fiind cele care amplific saudiminueaz o serie de procese i fenomene meteorologice din regiune.

Trsturile climatului sunt modificate datorit condiiilor geografice, astfel nct depresiuneaeste caracterizat de un climat cu variaii mari, inversiuni termice frecvente, ngheuri timpurii care

trec trziu, regim pluviometric continental i regim eolian afectat de masivele muntoase ce nchiddepresiunea [39]. Fenomenele climatologice specifice zonei urbane Braov conduc la reducereacantitii de energie solar, ceea ce face necesar i justific introducerea sistemelor de orientare a


14/60


12

colectoarelor solare n scopul maximizrii radiaiei solare captate de acestea [8], [9], [19], [50],[52].

2.2.1 Temperatura mediului ambiantn tabelul 2.1 sunt prezentate valorile lunare medii, minime i maxime ale temperaturii

aerului, valori nregistrate de staia meteo Delta-T, pe perioada 2006-2011. Zona urban Braov estecaracterizat de perioade lungi cu temperaturi sczute (ierni prelungite) care necesit o perioadextins de nclzire a spaiilor interioare (Septembrie - Martie).

Tabelul 2.1 Valori lunare medii, minime i maxime ale temperaturiipentru zona urban Braov

Luna Tmed [oC] Tmin [

oC] Tmax [oC]

Ianuarie -1,9 -20,03 16,47Februarie 0,19 -14,4 15,72

Martie 4,46 -12,59 22,19Aprilie 9,85 -1,49 23,6

Mai 14,72 0,48 30,15Iunie 18,2 6,16 32,59Iulie 20,07 9,2 35,85

August 19,8 8,13 34,13Septembrie 14,81 4,05 31,68Octombrie 9,15 -4,02 26,59Noiembrie 3,71 -9,3 21,06Decembrie -0,38 -14,76 20,62

2.2.2 Viteza vntului

Valorile medii lunare i valorile maxime ale vitezei vntului, nregistrate pe ntreaga perioad2006-2011, sunt prezentate n fig. 2.3. Din aceste diagrame se poate observa c potenialul eolian alzonei este limitat, mediile lunare ale vitezei vntului fiind de 1-2 m/s [10], [11], [16], [49]. Viteza idirecia vntului au influene considerabile asupra sistemelor de orientare.

Un vnt puternic care acioneaz asupra colectorului i structurii de susinere, poate duce larsturnarea i scoaterea din funciune a ntregului sistem. n aceste condiii, nainte de adoptareasoluiei constructive decisive, este necesar efectuarea calculelor aprofundate de rezisten care s incont de valorile vitezei vntului n zona de implementare a sistemelor de orientare.

0

5

10

15

20

25

30

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sept. Oct. Nov. Dec.

[m/s] 2006-2011

Vit_v_med Vit_v_max Fig. 2.3 Valorile lunare medii i maximele vitezei vntului calculat pentru ntreaga perioad 2006-

2011


15/60

II. Sistematizarea parametrilor obiectivelor de cercetare

13

2.2.3 Modelarea radiaiei solareEstimarea radiaiei solare pe un plan orizontaln aceast lucrare, toate simulrile propuse (care au necesitat informaii referitoare la radiaia

solar) s-au realizat pe baza datelor meteorologice reale, nregistrate cu ajutorul staiei meteo Delta-T. se constat c pentru zona Braov, radiaia difuz reprezint, n medie, aproximativ 55 % dinradiaia global (fig. 2.7). Acest fapt se datoreaz acumulrii de poluani din aer, care reduccantitatea de radiaie direct care traverseaz atmosfera.

35 36 56 59 58 62 63 73 68 64 57 35

65 64 44 41 42 38 37 27 32 36 43 65

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.

Rdir_h Rdif_h

Fig. 2.7Distribuia procentual a radiaiei directe i difuze

Radiaia solar pe suprafee fixe orientate SudPentru zonele aflate n emisfera nordic se recomand o orientare spre Sud a suprafeei

captatoare (pentru emisfera sudic, orientarea se realizeaz spre Nord), unghiul optim de nclinaredepinznd de latitudinea zonei n care se vor instala colectoarele [51].

Pentru a calcula valoarea radiaiei directe pe planul colectorului se folosete relaia [3]:( )

( )zh_dir_dir

cos

cosRR

= , (2.4)

unde: reprezint unghiul de inciden a razei solare pe suprafaa considerat; pentru suprafeeorizontale z=.

Calculul celor dou unghiuri de inciden se realizeaz cu urmtoarele relaii [3]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )+= sinsincoscos)cos(cos , (2.5)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )+= sinsincoscos)cos(cos z , (2.6)

unde: reprezint latitudinea locaiei de implementare;

unghiul de nclinare dintre suprafaa colectorului i orizontal;reprezint unghiul de declinaie.Pentru estimarea radiaiei difuze pe o suprafa nclinat se folosete urmtoarea expresie

[3]:

( )( )h_dif_dif

Rcos12

1R += . (2.7)

Totui trebuie menionat c n funcie de necesitile lunare de captare a energiei solare,specifice fiecrei cldiri, unghiul de elevaie se poate alege astfel nct s se realizeze maximizareaeficienei de captare pentru lunile de interes.

n acest sens, n fig. 2.9,a sunt prezentate valorile lunare ale unghiurilor de elevaie pentru

care eficiena de captare a radiaiei globale este maxim. Se remarc ns faptul c valori apropiateale eficienei lunare de captare a radiaiei solare (ncadrate ntr-un domeniu mai mic de 1%) se obin

pentru valori ale unghiului de elevaie aflate n domenii uneori relativ mari de valori (fig. 2.9,b).


16/60


14

Aadar n funcie de posibilitile constructive pe care le ofer soluia mecanismului deorientare adoptat, i n funcie de perioadele de interes n care se dorete funcionarea colectorului nregim de sarcin maxim, proiectantul are posibilitatea alegerii unei valori convenabile pentruunghiul de elevaie.

92% 94%

84% 81% 82%79% 80%

72%78%

82%

89%

96%

52 42 38 22 9 9 9 20 38 50 60 560

10

20

30

40

50

60

70

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.

Unghi de elevatie []

Eficienta globala Elevatie (Eficienta maxima)

a) valorile lunare ale unghiurilor de elevaie pentru care se obin eficienele maxime lunare decaptare a radiaiei globale

62

52

42

32

1518 18

30

42

60

66

62

44

36 36

20

9 9

9

20

34

44

54

50

0

10

20

30

40

50

60

70

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.


Elevatie_max Elevatie_min Elevatie (Eficienta maxima)

b) domeniu lunar de valori ale unghiului de elevaiepentru care se obin valori maxime aleeficienei de captare a energiei globale

Fig. 2.9 Valorile lunare ale unghiului de elevaie i eficiena lunar de captare a energiei globale

Radiaia solar pe suprafee cu orientare diurn. Sistem de orientare pseudo-ecuatorial vs. Sistem de orientare pseudo-azimutalSistemul de orientare pseudo-ecuatorial poziioneaz panourile dup unghiul de elevaie i

dup unghiul diurn , iar sistemul de orientare pseudo-azimutal dup unghiul azimutal (micareadiurn) i unghiul altitudinal (micarea de elevaie) (vezi Capitol I tez).

Unul dintre criteriile care au stat la baza adoptrii tipului de sistem de orientare acolectoarelor solar-termice, este cel al eficienei anuale maxime. n acest sens, n fig. 2.10 sunt

prezentate diagramele de variaie a eficienei anuale de captare a radiaiei solare globale, pentrusuprafee cu orientare pseudo-ecuatorial i pseudo-azimutal; aceste diagrame au fost trasate ncondiiile unui singur sezon de orientare, dar folosind curse unghiulare diurne de 120 i 180.

Se remarc faptul ceficiena de captare a radiaiei globale este maxim pentru valori aleunghiului de elevaie de circa 21 n cazul sistemului pseudo-azimutal i 28 n cazul sistemului

pseudo-ecuatorial, att pentru cursa diurn de 120 ct i pentru cursa maxim de 180.


17/60


15

80%

82%

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Eficienta anuala


Ef_g_1sez_*=120_Paz Ef_g_1 sez_*=120_Pec

a) curs unghiular diurn, =120

80%

82%

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Eficienta anuala


Ef_g_1 sez_*=180_Paz Ef_g_1 sez_*=180_Pec

b) curs unghiular diurn, =180Fig. 2.10Eficienta anual de captare a radiaiei globale

n urma analizei valorilor obinute ale eficienelor de captare a radiaiei globale se constatc sistemele de orientare pseudo-azimutal au o eficien mai ridicat dect cele cu orientare

pseudo-ecuatorial, motiv care le recomand pentru orientarea colectoarelor solar-termice.

2.3 DEZVOLTAREA UNEI BAZE DE DATE CLIMATICE. APLICAIEPENTRU ZONA BRAOV

Att calculul eficienelor de captare a radiaiei solare ct i simularea energetic a cldirii ceconstituie subiectul studiilor de caz, necesit informaii referitoare la datele climatice (valori aletemperaturii exterioare, vitezei vntului i radiaiei solare directe i difuze). Avnd n vedere acestaspect, lucrarea de fa utilizeaz date reale furnizate de staia meteo Delta-T. n acest sens, cuajutorul soft-ului Visual FoxPro [18] a fost realizat un fiier tipizat, n vederea implementrii dedate meteo reale n programul de simulare TRNSYS (vezi Anexa I).

Soft-ul TRNSYS permite introducerea unui fiier de date meteo personalizat prinintermediul subrutinei Type99-TMY2-Weather. Aceast subrutin citete datele coninute defiierul meteo i le proceseaz n funcie de aplicaiile dorite. Fiierul poate fi convertit n fiierecompatibile i cu alte soft-uri de simulare energetic [30].


18/60


16

2.4 DETERMINAREA SARCINII TERMICE A UNEI CLDIRI PRINMETODE DINAMICE AVANSATE

O modalitate eficient de proiectare a sistemelor HVAC (Heating, Ventilation and AirConditioning) care s conduc la un optim din punct de vedere al consumului de energie, al vrfului

de sarcin i al altor constrngeripractice este aceea de a studia comportamentul termic al cldiriifolosind simulri ct mai corecte. Folosirea simulrilor computerizate face posibil evaluareagradului de utilizare a energiei din reea pentru diversele alternative de proiectare [67], acestea fiindastzi cele mai populare i flexibile metode de analiz a consumului energetic al cldirilor. Fa demetodele clasice de calcul al consumului de energie, soft-urile de simulare se dovedesc a fiinstrumentele de calcul cele mai precise, datorit simulrii dinamice la intervale scurte de timp (deex: 0,125h). Metoda clasic de calcul a necesarului de energie termic [75], [76], [77], presupune uncalcul bazat pe valori medii lunare, care introduce aproximaii i genereaz supra-evaluareanecesarului de energie pentru nclzire i rcire.

Cldirea care face obiectul studiilor de caz ale acestei teze de doctorat este Csua Solar aDepartamentului Sisteme de Energii Regenerabile i Reciclare.

2.4.1 Soft-ul TRNSYSTRNSYS (TRaNsient System Simulation - Program de Simulare a Sistemelor Tranzitorii) este

un program de simulare energetic bazat pe metoda sistemelor modulare, acesta reprezentnd unadintre cele mai flexibile unelte disponibile [30]. Dezvoltat de Universitatea Wisconsin Madison,disponibil nc din 1975, soft-ul include o interfa grafic (TRNSYS Simulation Studio), cu ajutorulcreia se creeaz simularea, o interfa pentru cldiri simple sau compuse din mai multe zone(TRNBuild), un motor de simulare (TRNDLL.dll), executabilul (TRNEXE.exe), o bibliotec decomponente care conine diferite modele de cldiri i echipamente HVAC i un program pentrueditarea manual a datelor de intrare i realizarea de aplicaii personalizate (TRNEdit) [30].

Toate simulrile se vor realiza pentru condiiile meteorologice ale zonei Braov, folosind

componenta Type 99, care permite introducerea unui fiier de date meteo personalizat. Aceastcomponent citete datele furnizate la intervale regulate de timp.

2.4.2 Modelul termic al cldiriiCsua Solar a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile i Reciclare constituie

subiectul aplicaiei de testare n mediu real a sistemului pseudo-azimutal (condiii meteo specificezonei urbane Braov) implementat n instalaia solar-termic experimental; CsuaSolar este ocldire nou, construit ntre anii 2005-2007, situat n campusul Colin, al UniversitiiTransilvania din Braov. Cldirea a fost conceput pentru a studia soluii viabile de realizare amediului interior confortabil i sntos, utiliznd surse de energie regenerabil i viznd oautonomie energetic ridicat [53], [54].

Forma arhitectural optimizat permite o circulaie natural a aerului ntre cele dou etaje,acestea beneficiind din plin de ventilaia natural. Pardoseala radiant asigur confortul termic alcldirii.

Modelul geometricPentru a crea modelul 3D al cldirii, aceasta a fost mprit n 6 zone, fiecare zon avnd un

regim termic diferit i anume: Zona I: Intrare; Zona II: Birou; Zona III: Baie;

Zona IV: Hol Mic; Zona V: Casa Scrii; Zona VI: Etaj

Aceast delimitare a fost necesar pentru un calcul de transfer termic ct mai corect i pentru

a simula dinamic fluxul de energie.Modelul 3D al cldirii este prezentat n fig. 2.14. Cldirea a fost construit la scar real iarfiecare suprafa a fost modelat conform tipului caracteristic: fereastr, u, perete adiacent, tavan,


19/60


17

pardoseal, etc. Astfel fiierul de date ataat va conine date precise referitoare la suprafaa depardoseal, procentul de fenestraie, etc., pentru fiecare zon n parte.

Fig. 2.14Modelul 3D al cldirii (Google SketchUp Trnsys3D)

Modelul arhitecturalOdat construit modelul 3D al cldirii, acesta poate fi importat n mediul de simulare

Simulation Studio (fig. 2.16), unde s-au creat legturile cu componentele de date meteo i s-austabilit datele de ieire dorite pentru vizualizarea grafic sau exportul n fiiere de date care s

permit prelucrri ulterioare [31].

Fig. 2.16Interfaa Simulation Studio-Implementarea modelului Csuei Solare n mediul de

simulare

n modulul TRNBuild au fost completate informaiile despre cldire cu date referitoare lamaterialele care compun structura pereilor, grosimile elementelor de construcie, coeficieni detransfer termic, coeficieni de conductivitate termic, etc.

Modulul TRNBuild a permis, de asemenea, stabilirea gradului de ocupare al cldirii prinintermediul unui program de funcionare al acesteia, respectiv de Luni pn Vineri ntre orele 730-1930. Pentru fiecare zon n parte se poate stabili un regim separat de ocupare, un program denclzire i rcire avnd temperaturi diferite, etc. n cazul de fa a fost considerat acelai program i

pentru echipamentele electronice din cldire (PC, laptop, imprimant, etc.).

2.4.3 Determinarea necesarului de energie termicDup stabilirea unui grad de ocupare i a unui program de funcionare al cldirii, s-au

simulat o serie de programe de nclzire i rcire, iar n urma analizei variaiei parametrilor de


20/60


18

confort termic PMV i PPD, s-au stabilit cele mai eficiente programe de nclzire i rcire ncondiiile unui necesar de cldur optimizat (confort maxim obinut cu consum minim).

Determinarea necesarului de energie pentru nclzireDatorit flexibilitii soft-ului TRNSYS, s-au putut analiza programe de nclzire diferite,

pentru a stabili un program optim de nclzire, innd cont de comportamentul termic al cldirii.

Urmrind variaia parametrilor de confort termic PMV i PPD pe durata ntregii perioade desimulare (1 an, respectiv 8760 ore), temperatura optim de nclzire a fost stabilit la 21C pedurata programului de lucru, iar pentru perioadele de noapte, smbt i duminic, temperatura afost setat la 18C (programul 18-21). Acest program de nclzire a condus i la o scdere aconsumului de energie, faa de un program cu temperatur constant de 21C (programul 21).

n fig. 2.20 sunt prezentate valorile lunare i anuale ale necesarului de energie pentrunclzirea cldirii studiate, folosind cele 2 programe diferite de nclzire. Pentru programul 18-21 arezultat un total de energie de 18588 kWh/an, respectiv 71 kWh/m2/an iar pentru programul 21,un total de 23070 kWh/an, respectiv 89 kWh/m2/an. De asemenea, se observ existena unuinecesar de nclzire, chiar i n perioada de var. Acest necesar se datoreaz zilelor n care senregistreaz temperaturi exterioare sczute (chiar sub 10C), zile care fac excepia unei ziletradiionale de var.

4409

3602

1183

564

84 31 15 18 54

1179

3332

4115

5104

4215

1707

913

226 108 64 78 172

1714

3970

480171

89

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul . Aug. Sept. Oct. Nov. Dec.

[kWh/m2an][kWh]

Qheat_18-21 Qheat_21 Qheat_18-21_kWh/man Qheat_21_kWh/man

Fig. 2.20Necesarul de energie pentru nclzirea cldirii

Determinarea necesarului de energie pentru prepararea apei caldeNecesarul specific de ap rece i ap cald menajer a fost determinat utiliznd STAS 1478-

90, n funcie de destinaia cldirii (tabelul 2.5) [82]. ntruct cldirea este o cldire de birouri,necesarul de ap cald este redus, n total 840 de litri din care 210 de litri de ap cald latemperatura de 60C.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

[Litri/ora]

Timpul zilei [h]

Fig. 2.25Distribuia zilnic a consumului de ap cald menajer


21/60


19

2.5 CONCLUZII I CONTRIBUII ORIGINALE

Acest capitol a avut ca scop descrierea cadrului general de aspecte care au condus laformularea obiectivului principal al acestei lucrri: adaptarea sistemelor de orientare a colectoarelorsolar-termice la necesarul termic al unei cldiri.

n acest sens s-au prezentat principalele sub-sisteme ale unei instalaii solar-termice hibridei s-au sistematizat principalii parametri ai acestora. De asemenea s-au analizat posibilitile deeficientizare i optimizare a sub-sistemului colector solar-termic, sub-sistem care reprezintobiectivul principal al acestei lucrri. Astfel,se pot evidenia urmtoarele concluzii: Media vitezei vntului pentru zona urban Braov nu depete 2 m/s, dar s-au nregistrat i

maxime de 25 m/s; avnd n vederea valorile maxime nregistrate ale vitezei vntului serecomand ca la realizarea calculului de rezistent al sistemului de orientare a colectoruluisolar, sarcina exterioar datorat vntului, calculat pentru condiii statice, s se realizeze

pentru o valoare a vitezei vntului de 30 m/s; Eficiena anual de captare a radiaiei globale poate ajunge la valoarea de 95.6% n cazul

folosirii sistemelor de orientare de tip pseudo-azimutal i la 91% n cazul folosirii celor detip pseudo-ecuatorial;

n zona urban Braov, procentul de radiaie difuz reprezint, n medie, aproximativ 55%din radiaia global pe o suprafa orizontal;

Folosirea programelor de simulare energetic, nc din faza de proiectare a instalaiilorsolar-termice conduce la posibilitatea identificrii soluiilor optime att din punct de vedereal consumului energetic dar i al parametrilor de confort. De asemenea, folosirea simulrilorcomputerizate permite simularea diverselor scenarii de consum energetic i conduce lascderea duratei de timp necesar proiectrii instalaiilor solar-termice;

Cu ajutorul instrumentelor computerizate se pot evalua diferite opiuni de economisire aenergiei nainte de a decide implementarea uneia dintre ele; simularea energetic reprezintun instrument util pentru o mai bun nelegere a comportamentului cldirii;

Utilizarea soft-urilor specializate de simulare energetic a cldirilor (TRNSYS) face posibilun calcul corect al necesarului energetic; se are n vedere faptul c metodele clasice decalcul al necesarului de nclzire folosesc temperaturi medii constante mult sub valorilereale nregistrate i pentru o durat mare de timp, ceea ce conduce la o supra-dimensionare ainstalaiilor solar-termice.Principalele contribuii originale rezultate din acest capitol sunt: Stabilirea unghiurilor de elevaie optime anuale pentru colectoarele solar-termice, fixe

orientate spre Sud i a celor cu orientare diurn, n scopul maximizrii rspunsuluienergetic pe suprafeele acestora;

Determinarea unghiului de elevaie optim lunar pentru colectoarele fixe orientate spreSud, avnd n vedere maximizarea valorii lunare a radiaiei globale captate;

Identificarea tipului de sistem de orientare diurn care are cea mai mare eficien anualde captare a radiaiei globale. Astfel, pentru orientarea colectoarelor solar-termice serecomand folosirea sistemelor pseudo-azimutale, care pe lng avantajul eficienei deorientare superioare celei oferite de sistemele de orientare pseudo-ecuatorial ofer iavantajele unei soluii constructive mai simple;

Conceperea unei baze de date meteo pentru zona Braov i implementarea acesteia ntr-un soft specializat de simulare energetic (TRNSYS);

Dezvoltarea unui program de simulare energetic a cldirilor; programul este conceputsub forma unei structuri flexibile care s permit simularea dinamic pentru oricecldire, respectiv implementarea datelor meteo pentru orice zon dorit.


22/60

20

CAPITOLUL IIISTABILIREA PROGRAMELOR OPTIME DE ORIENTARE A

SISTEMELOR CU ORIENTARE CONTROLAT N RAPORT CUSARCINA TERMIC IMPUS

3.1 CONTROLUL SISTEMULUI DE ORIENTARE

Energia util care poate fi furnizat de un colector solar-termic depinde de mai muli factori,cei mai reprezentativi dintre acetia fiind: caracteristicile zonei geografice de amplasare (energia solar global disponibil n zona de

amplasare a colectoarelor, condiii meteo); tipul i construcia panoului solar; unghiul de nclinare al colectorului fa de planul orizontal [12]; orientarea planului colectorului fa de direcia Sud (unghiul azimutal); dimensionarea componentelor instalaiei solare.

3.2 PARAMETRI PROGRAMULUI DE ORIENTARE

mprirea anului n sezoane s-a realizat pe baza diagramei de variaie anual a unghiului deelevaie ; astfel, s-au considerat sezoane centrate pe cele dou zile reprezentnd echinociile de

primvar i toamn, pentru care =0 (respectiv ==45.65), n jurul acestora adoptndu-se cteun anumit numr de zile, pentru care elevaia colectorului solar-termic va rmne constant (egalcu valoarea elevaiei calculat pentru ziua din centrul sezonului, respectiv ziua aflat pe curbaunghiului de elevaie ). Figura 3.2 prezint mprirea anului n 1, 4 i 8 sezoane.

N=123; *=29.78 N=219; *=29.78

N=115; *=32.36 N=228; *=32.36

N=37; *=61.545

N=306; *=61.64

N=27; *=64.35

N=56;*=54.865N=80;

*=l=45.65

N=105; *=36,11

N=135; *=26.63 N=207; *=26.63

N=263;

*=l=45.65

N=238; *=36.29

N=286; *=54.88

N=316;

*=64.265

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 27 53 79 105 131 157 183 209 235 261 287 313 339 365

*[]

[N]

1 sezon 4 sezoane 8 sezoane

Fig. 3.2 Divizarea programului de orientare n intervale anuale prin aproximarea variaieiunghiului de elevaie , cu o variaie n trepte a acestuia, *

n urma divizrii anului, pentru fiecare sezon obinut s-au reprezentat curbele de variaie aleunghiului diurn , n funcie de timpul solar, att pentru zilele care delimiteaz sezonul dar i pentruziua reprezentativ a acestuia. Peste diagramele rezultate, s-au suprapus diagramele de variaie orarn pai a unghiului de orientarea * al colectorului solar (trasate pentru ziua reprezentativ asezonului), astfel nct acesta s aproximeze ct mai fidel variaia real a unghiului solar . n acestsens, fig. 3.3 prezint variaiaunghiurilor i * pentru 1 sezon.


23/60

III. Stabilirea programelor optime de orientare a sistemelor cu orientare controlat n raport cu

21

9082

72

-72-82

-90

60

48

33

160

-16

-33

-48 -60

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

; * []

[TS]

_N=80 _N=115 _N=172 *_180 (N=115) *_120 (N=115)

Fig. 3.3 Variaia unghiurilor de orientare (pentru N=80, 115, 172) i * (pentru N=115),considernd 2 curse unghiulare diurne *=180 i *=120o 1 sezon de orientare

3.3 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM NCONDIII DE SARCIN TERMIC MAXIM

Dup identificarea principalilor parametri ai programului de orientare, urmtoarea etappropune calculul eficienelor anuale de captare a radiaiei globale n funcie de aceti parametri. Semenioneaz faptul c eficienele anuale au fost calculate pe baza datelor reale nregistrate cuajutorul staiei meteo Delta-T. Avnd n vedere acest aspect, valorile nregistrate la staia meteo suntvalori ale radiaiei solare pe un plan orizontal, valorile radiaiilor pe planul colectorului calculndu-se cu relaiile [58]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )( ) h_dirz

Paz_dir Rcos

*sin*sin*cos*coscosR

+

= , (3.1)

( ) ( )( ) h_difPaz_dif R*cos*cos121

R += , (3.2)

Determinarea unghiului de elevaie optim anual pentru un colector fix orientat spre SudCalculul eficienelor anuale pentru 1 sezon de orientare i curs diurn *=0o

n prima etap se propune determinarea unghiului de elevaie optim anual al unui colectorsolar-termic fix, orientat spre Sud.

36; 67%

28; 78%

60%

63%

65%

68%

70%

73%

75%

78%

80%

18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68


Eficienta anuala

Ef_dir Ef_g

Fig. 3.7 Eficiena anual de captare a radiaiei globale i a radiaiei directe pentru CST fix

n urma calculului eficienei anuale de captare a radiaiei globale pentru un colector solar-

termic fix, pentru diferite valori ale unghiului de elevaie (fig. 3.7), se poate observa c eficienaanual maxim se obine pentru un unghi de elevaie de 28, valoarea acesteia fiind de aproximativ78%. Se remarc faptul ceficiena de captare maxim n cazul radiaiei directe se obine pentru


24/60


22

valori ale unghiului de elevaie de 36.Determinarea unghiului de elevaie optim anual Calculul eficienelor anuale de

captare a radiaiei solare pentru un colector cu orientare diurn avnd 1 sezon de orientare icurs diurn *=180

n cazul orientrii diurne a colectorului solar-termic, folosind acelai program pe parcursul

unui an (1 sezon), un pas de orientare diurn de 60 min i o curs diurn *=180, unghiul deelevaie optim anual este situat n jurul valorii de 21o (fig. 3.8).

=21; 95.6%

=28; 77.9%

70%

74%

78%

82%

86%

90%

94%

98%

18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54


Eficienta anuala

*=180 *=0

Fig. 3.8 Eficiena anual de captare a radiaiei globale pentru *=0 i *=180

Se remarc faptul c valorile unghiului de elevaie optim anual pentru cele dou valori alecursei diurne (*=0 respectiv *=180) sunt diferite. n plus, diferena ntre valorileeficienelor anuale de captare a radiaiei globale, se poate spune c este relativ mare, respectiv de21%, ceea ce conduce la justificarea orientrii colectoarelor solar-termice.

Determinarea numrului de sezoane de orientare Calculul eficienei anuale de captarea radiaiei solare pentru un colector avnd elevaie 21, cursa diurn *=180, pentru 1sezon, 4 sezoane i 8 sezoane de orientare

n acest sens, n fig. 3.9 sunt prezentate diagramele eficienelor anuale de captare a radiaieiglobale i directe i rspunsul energetic al radiaiei difuze, n funcie de unghiul de elevaie alcolectorului solar-termic, pentru o curs diurn a acestuia de 180.

95.6% 95.6%

95.9%

89.0%

90.0%

91.0%

92.0%

93.0%

94.0%

95.0%

96.0%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

*[]

Eficienta anuala globala

Ef_g_1 sez. Ef_g_4 sez. Ef_g_8 sez.

a) variaia eficienei anuale de captare a radiaiei globaleFig. 3.9 Eficiena anual de captare a radiaiei globale, directe i difuze

Eficiena anual maxim de captare a radiaiei globale se obine pentru situaia n caremecanismul de orientare folosete un program de orientare cu 8 sezoane de orientare; cu toate acestea

creterea de eficien este de doar 0.3% comparativ cu folosirea unui program de orientare constnddintr-un singur sezon de orientare; avnd n vedere acest aspect se poate recomanda folosirea unuiprogram de orientare cu 1 sezon, deoarece creterea eficienei cu 0,3% nu justific gradul ridicat de


25/60


23

complexitate al programului de orientare cu 8 sezoane.

Determinarea cursei diurne optime Calculul eficienelor anuale de captare a radiaieisolare pentru un colector cu orientare diurn dup un program avnd 1 sezon de orientare,elevaia 21 i curs diurn variabil *=0180

n aceast etap, din analiza diagramelor precedente, se pot adopta ca parametri ai

programului de orientare: unghiul de elevaie optim anual de 21o

i utilizarea unui singur sezon deorientare. Folosind aceti parametri, se vor calcula eficienele anuale de captare a energie solarepentru diferite valori ale cursei diurne * (0, 30, 60, 90, 120, 150, 180), fig. 3.10.

*=120;

95.57%*=180;

95.60%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

* []

Eficienta anuala

Ef_g Ef_dir

Fig. 3.10 Eficiena anual de captare stabilirea cursei mecanismului de orientare

Din analiza fig. 3.10 se poate observa c o cretere a cursei unghiulare diurne peste 120,nu conduce la o cretere semnificativ a eficienei anuale de captare a radiaiei globale(aproximativ cu 0.1% pentru o curs diurn de *=180).

Determinarea pasului de orientare optim Calculul eficienelor anuale pentru uncolector cu orientare diurn dup un program avnd 1 sezon de orientare, elevaia 21 icurs diurn *=120

Considernd pentru parametri programului de orientare valorile optime obinute la etapeleprecedente, se vor calcula eficienele anuale pentru diferite valori ale pasului de orientare (30, 60 i90 min). Astfel, n urma analizei diagramelor prezentate n fig. 3.11 se remarc faptul c utilizareaunui program de orientare cu un pas ct mai mic conduce la o cretere a eficienelor anuale decaptare a radiaiei globale i directe.

91.90% 91.80%91.60%

95.70% 95.60%95.30%

91%

92%

93%

94%

95%

96%

97%

30 40 50 60 70 80 90[min]

Eficienta anuala

Ef_dir Ef_g

Fig. 3.11 Variaia eficienei anuale de captare a radiaiei solare n funcie de durata unui pas,elevaie *=21, cursa diurn * = 120, program de orientare dup 1 sezon

Avnd n vedere aspectele prezentate mai sus, se va adopta ca mrime a pasului deorientare valoarea de 60 min, evitndu-se n acest fel att complicarea nejustificat a programuluide orientare ct i creterea consumului energetic pentru realizarea orientrii.


26/60


24

3.4 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM NCONDIII DE SARCIN TERMIC NUL

Orientarea colectoarelor n condiii de sarcin nul este necesar n special pentru instalaiilefolosite n cadrul cldirilor de birouri, teatre, coli, etc., n care gradul i timpul de ocupare nu este

constant, pe durata unui an existnd perioade n care nu exist consum (de exemplu, perioadele devacan, week-end, etc.). n aceste codiii, pentru a proteja instalaia de supra-nclzire serecomand orientarea colectoarelor n contra-faz, astfel nct s se evite expunerea suprafeeicolectoare la radiaia solar. Pentru realizarea orientrii n contra-faz, colectorul solar-termic vaexecuta o micare n doi pai, avnd o curs unghiular diurn *=180. Astfel, pe perioadadimineii, pn la ora 12 solar, colectorul va fi orientat spre Vest (*=-90) iar dup-amiaza, dupora 12 solar, acesta va fi orientat spre Est (*=90).n acest sens n fig. 3.13, este prezentat variaiaradiaiei globale maxime ce poate fi captat de un colector cu orientare n pai (curs diurn*=120), radiaia global captat de colectorul orientat dup un program corespunztor contra-fazei (curs diurn *=180o) i unghiurile diurne ale razei solare , respectiv ale colectorului(pentru funcionarea instalaiei n sarcin maxim *_*=120_s_max i nul *_

*=180_s_nul).

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

; *[][W/m2]

[TS]

01 Iulie 2012

Rg_s_max Rg_s_nul *_*=120_s_max *_*=180_s_nul

Fig. 3.13 Program de orientare in contra-faz pentru o zi n care sarcina termic este nul

n fig. 3.14 se propune analiza variaiei temperaturii la ieirea din colector, considernd cacesta i menine orientarea n pai dup un program de funcionare n sarcina maxim, respectivdup un program de orientare n contra-faz (sarcin nul).

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

*[][C]

[TS]

01 Iulie 2012

T_out_s_max_2.53m T_out_s_nul_2.53m*_*=120_s_max *_*=180_s_nul

a) temperatura apei la ieirea din colector 1 colector solar-termic (2.53 m2)Fig. 3.14 Temperatura apei la ieirea din colector considernd 2 cazuri de orientare (orientare

pentru sarcin maxim i orientare pentru sarcin nul)


27/60


25

3.5 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM NCONDIII DE SARCIN TERMIC PARIAL

Orientarea colectoarelor n condiii de sarcin parial se realizeaz n cazul n care sentlnete una dinurmtoarele 2 situaii:

Situaia 1: radiaia difuz reprezint peste 50% din radiaia global (Rdif_h>Rdir_h); Situaia 2: temperatura apei a atins temperatura dorit (60C).Situaia 1:Aadar, prima situaie se refer la cazurile n care dei este necesar funcionarea

colectorului n sarcin maxim, totui datorit condiiilor meteo, acesta va fi orientat spre Sud imeninut fix. n scopul maximizrii rspunsului energetic, orientarea n pai a colectoarelor solarese realizeaz dup raza solar, situaie n care se obine o maximizarea a radiaiei directe; totui, aacum s-a menionat i n Subcap. 3.3, orientarea diurn a unui colector solar dup raza solar, vaconduce la o scdere a radiaiei solare difuze pe suprafaa de captare.

Avnd n vedere acest aspect, se recomand ca pe perioadele din zi n care Rdir_h


28/60


26

fie orientat n contra-faz sau s fie orientat Sud.


Folosirea sistemelor de orientare pentru colectoare solar-termice face ns necesar stabilireaunor programe de orientare, care s permit adaptarea rspunsului energetic al acestora lanecesitile de nclzire a spaiilor respectiv de obinere a apei calde menajere. n plus, trebuie avuten vedere i o serie de aspecte referitoare la: valoarea temperaturii apei din rezervorul la care esteconectat colectorul, valoarea temperaturii maxime la ieirea din colectorul solar, dar i de specificulradiaiei solare al zonei de amplasare a sistemului colector solar.

Astfel, dac n cazul panourilor fotovoltaice, stabilirea programelor optime de orientare aun vedere maximizarea doar a eficienei de captare a radiaiei solare directe, n cazul orientriicolectoarelor solar-termice este ns necesar maximizarea eficienei de captare a radiaiei globale,ceea ce conduce la apariia unor situaii contradictorii; se are n vedere faptul c orientarea unei suprafee dup raza solar conduce pe de o parte, la creterea radiaiei directe captat de aceasta(motiv care justific orientarea panourilor solare), iar pe de alt parte la scderea radiaiei difuze

captat (radiaia difuz avnd valoare maxim pe suprafee orizontale).

90

96 9697

95

92

9496 96

90

83

90

87

94

92

94

92

9091

92

90

86

79

86

75

80

85

90

95

100


Ef globala [%]

Ef_globala_k=1 Ef_globala_k=2

a) eficiena global pe suprafee cu orientare n pai i meninerea orientrii spre Sud, n funcie deraportul Rdir/Rdif

15 16

38 3943 45

51

72 70

51

47

17

10 12

31 30 3236

39

61

52

42

35

100

10

20

30

40

50

60

70

80


Procentul din timpul total destinat orientarii, [%]

timp pentru orientare k=1 timp pentru orientare k=2

b) procentul din timpul total (zi lumin) destinat orientrii, n funcie de raportul Rdir/Rdif

Fig. 3.21 Programe de orientare n funcie de raportul Rdir/Rdif

Figura 3.21 prezint eficienele de captare a radiaiei globale (raportul dintre radiaia global


29/60


27

obinut pe suprafaa colectorului i radiaia global obinut pe o suprafa cu orientare continudup raza solar) i procentul lunar din timpul total destinat orientrii, pentru k=1 i k=2; analizndfig. 3.21 se poate observa c:

dac k=1, eficienele globale e suprafaa colectorului solar-termic pot crete fa desituaia n care k=2 cu valori ntre 2% i 6%, n funcie de luna considerat;

timpul necesar orientrii pe perioadele de iarn (Decembrie, Ianuarie, Februarie)reprezint sub 20% din timpul total; n general, pe perioada acestor luni, zona urbanBraov este caracterizat de valori ridicate ale radiaiei difuze;

n perioadele de var timpul necesar orientrii colectorului solar poate ajunge la 70% dintotalul perioadei de strlucire a Soarelui.

n cadrul acestui capitol se pot evidenia urmtoarele contribuii: S-a determinat unghiul de elevaie optim anual pentru colectoarele solar-termice fixe

orientate Sud; n acest sens s-a considerat criteriul maximizrii eficienei de captare aradiaiei globale, valoarea optim a unghiului de elevaie fiind *=28, comparativ cuvaloarea recomandat n literatura de specialitate (36) [13].

S-au determinat parametri optimi ai programului de orientare n pai, pentru un sistem cuorientare de tip pseudo-azimutal, cu funcionare n regim de sarcin maxim; semenioneaz faptul c pe lng obiectivul maximizrii rspunsului energetic pe suprafaacolectorului solar-termic, s-au avut n vedere i aspecte privind: minimizarea necesarului de energie pentru orientarea colectoarelor, acesta fiind

principalul motiv pentru care s-a adoptat ca durat a pasului de orientare, 60 min; evitarea adoptrii unor programe de orientare complicate (care la rndul lor conduc la

dificulti n aplicarea programelor de comand a actuatoarelor), dac acestea nu conducla o cretere semnificativ a eficienei de orientare; spre exemplu, adoptarea unor

programe de orientare cu 4 (sau chiar 8) sezoane, sau adoptarea unor curse ale unghiuluidiurn, mai mari de 120, este nejustificat din punct de vedere al creterii eficienei decaptare a radiaiei globale.

n cazul n care este necesar funcionarea n sarcin maxim a colectorului solar, darradiaia difuz este mai mare dect valoarea radiaiei directe este necesar orientareacolectorului solar spre Sud; n acest sens s-a identificat valoarea raportului k=Rdir/Rdif,astfel:

dac Rdir/Rdif>k=1 se recomand orientarea n pai;respectiv, dac Rdir/Rdifk=1 se recomand orientarea ctre Sud, astfel nct

radiaia global captat de suprafaa colectorului s fie maxim.


30/60

28

CAPITOLUL IVSTABILIREA SOLUIEI CONCEPTUALE I DESIGNUL CONSTRUCTIV

AL SISTEMULUI COLECTOR SOLAR-TERMIC CU ORIENTARECONTROLAT

4.1 PARAMETRI MECANISMULUI DE ORIENTARE

Pentru realizarea micrii corespunztoare unghiului diurn * se propune un mecanism plande orientare dup o ax, acionat de dou actuatoare liniare. Cursa unghiular are un domeniu devariaie mare *=180o, permind n acest fel orientarea n contra-faz a colectorului solar-termic(sau modulului fotovoltaic) fr probleme, n condiii de complexitate structural i constructivredus i precizie de orientare ridicat atunci cnd este nevoie.

Mecanismul de orientare (fig. 4.1) soluioneaz obiectivul propus prin utilizarea a douactuatoare liniare, dispuse n triunghi, i a unei bielete articulat la un capt cu cele dou actuatoarei lacelalalt capt cu un balansier solidar cu un panou solar. Mecanismul face obiectul brevetului

Mecanism de orientare mono-axiala cu doua actuatoare liniare, cerere A/00467 din 22.06.12,autoarea acestei lucrri fiind co-autor [85].

a) schema cinematic a mecanismului

Fig. 4.1 Reprezentare geometric 2D a mecanismului plan articulat cu dou actuatoare liniarereprezentarea poziiilor la rsrit, amiaz, apus i o poziie intermediar

Dintre avantajele mecanismului de orientare propus, se amintesc:o mecanismul de orientare fiind acionat de dou actuatoare liniare asigur realizarea unor

curse de orientare diurn mari (180), n condiii de simplitate constructiv i unghiuride transmitere n limite admisibile (>57);

o datorit configuraiei structurale i constructive a mecanismului se asigur solicitareaactuatoarelor liniare exclusiv cu fore axiale centrice [85];

o pentru sistemele care necesit o orientare de precizie ridicat, mecanismul acionat cudou actuatoare liniare poate realiza precizii superioare, comparativ cu sistemele

prevzute cu un singur actuator liniar;o prin comanda corelat a micrii celor dou actuatoare se poate asigura orientarea

panourilor solare la un unghi de transmitere constant (90; de asemenea, se poate


31/60

IV. Stabilirea soluiei conceptuale i design-ul constructiv al sistemului collector-solar-termic

29

realiza simplificarea comenzii motoarelor cu asigurarea unor unghiuri de transmitereavantajoase (>57).

4.2 DESIGN-UL CONSTRUCTIV I MODELAREA VIRTUAL ASOLUIEI MECANICE

Ca surs de acionare s-au adoptat 2 actuatoare liniare de tip ATON 2 [95].Modelul constructiv propus a fost realizat ntr-un soft de modelare 3D (Catia V5) i este

prezentat n fig. 4.4. Sistemul de orientare propus are axa de orientare diurn orizontal,materializat de 2 rulmeni oscilani cu flane (2) [103], unghiul de elevaie al colectoruluiobinndu-se prin montarea acestuia pe un cadru care permite reglarea manual a acestui unghi,

braul (4) fiind prevzut cu alezaje dispuse la diferite distane, astfel ncts permit montareaacestuia la diferite lungimi (respectiv diferite unghiuri de elevaie ale cadrului pentru colector).

Fig. 4.4 Soluia constructiv a sistemului de orientare - vedere lateral i de ansamblu

Fixarea actuatoarelor, cadrului fix i a bieletei pe arbori a fost realizat cu inele de siguranapentru arbori conform DIN 471. n fig. 4.5 este prezentat modelul 3D al sistemului de orientare.

Fig. 4.5 Soluia constructiv - modelul 3Di detaliu de prindere a bieletei


32/60


30

4.4 ADAPTAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE LA MECANISMULDE ACIONARE

4.4.1 Implementarea programului optim de orientare pentru realizarea curselor diurnemari

Unul dintre obiectivele urmrite la conceperea noului sistem de orientare, la reprezentatasigurarea posibilitii de realizare a unor curse diurne mari (*=180). n acest fel, mecanismulpoate fi implementat n sisteme care necesit la funcionarea sub sarcin termic maxim, orientareape o traiectorie complet, dar i orientarea n contra-faz atunci cnd sarcina termic este nul.Pentru determinarea programului de orientare s-au parcurs urmtoarele etape:1) S-a trasat variaia unghiului de orientare diurn , n funcie de timpul solar pentru o zi

echivalent din an (ziua reprezentativ aleas fiind ziua 115); peste diagrama rezultat a fosttrasat diagrama de variaie orar n pai a unghiului de orientare a mecanismului *, astfel nctaceasta s aproximeze ct mai fidel variaia real a unghiului .

2) n funcie de valorile unghiului *, s-au calculat valorile lungimilor celor dou actuatoare, L1 iL2, n premiza c unghiul de transmitere bielet-balansier este constant pe parcursul ntregii

zile (poziiile de staionare ale panoului solar sunt dispuse pe un cerc de raz AB), respectiv:( ) ( ) 2B

2

B01 yxL*L ++= , ( ) ( )2

B

2

B02 yxL*L += , (4.7)

unde:

( ) ( )*sinR*xB = , ( ) ( )( )*cos2R*yB = , (4.8)

AB = R = 250 mm.Considernd, ca exemplu, pasul diurn din intervalul 930-1030, n care se realizeaz trecerea

de la * = 48 la * = 33 (fig. 4.8, b), cu ajutorul fig. 4.9 se pot determina deplasrile relative dinactuatoare, L1 i L2, aferente pasului considerat i respectiv lungimile, L1 i L2, ale

actuatoarelor liniare la sfritul deplasrii n acest pas: L1 65.15 mm , L2 27 mm, L1 483mm, L2 311 mm (tabelul 4.3).

90o

82o72o

60o48o

33o16o

0o-16o

-33o-48o

-60o-72o

-82o

-90o

338.86311.85

548.28

483.13

9.5

10.5

144

192

240288

336

384

432

480

528

576

624

672

720

768

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

L1, L2 [mm]

[]

[TS]

(N=115) * L1 L2

b) exemplificarea pasului diurn din intervalul 930-1030, n care se realizeaz trecerea de la *=48la *=33

Fig. 4.8 Variaia unghiului diurn al razei solare, i variaia unghiului diurn al sistemului deorientare n pai, *, n funcie de timpul solar, pe parcursul zilei 115

Tabelul 4.3 Parametri caracteristici programului de orientare n poziiile de staionare

TS [h] * [] L1 [mm] L2 [mm] TS[h] * [] L1 [mm] L2 [mm]4.5 90.00 500.00 707.11 12.5 -16.00 411.27 316.595.5 82.00 465.21 681.17 13.5 -33.00 483.13 311.85


33/60


31

6.5 72.00 422.92 645.47 14.5 -48.00 548.28 338.867.5 60.00 376.49 598.54 15.5 -60.00 598.54 376.498.5 48.00 338.86 548.28 16.5 -72.00 645.47 422.929.5 33.00 311.85 483.13 17.5 -82.00 681.17 465.2110.5 16.00 316.59 411.27 18.5 -90.00 707.11 500.0011.5 0.00 353.55 353.55 20.5 -90.00 707.11 500.00

3) Cunoscnd setul de valori discrete ale lungimilor L1 i L2 ale actuatoarelor, la orele cnd areloc schimbarea poziiei mecanismului, i valoarea vitezei de deplasare a acestora (2.5 mm/s) seobine programul de comand a actuatoarelor. Figura 4.10 prezint variaia n pai a acestorlungimi (L1 i L2), precum i deplasrile relative din actuatoare.

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

, *[o]L1, L2 [mm]

[TS]

L1 L2 * (N=115)

Fig. 4.10 Variaiile lungimilor L1 i L2 ale celor dou actuatoare n funcie de timpul solar

4) n urmtoarea etap a fost necesar determinarea variaiilor unghiului diurn al panoului * i aunghiului de transmitere ,pe durata micrii mecanismului la executarea pailor de orientare.

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[]L1, L2 [mm]

[TS]

L1 L2

Fig. 4.11 Evidenierea corelaiei temporale dintre variaia unghiului de transmitere bielet-balansier , i deplasarea npai a celor dou actuatoare

4.5 SIMULAREA COMPUTERIZAT A FUNCIONRIIMECANISMULUI DE ORIENTARE PSEUDO-AZIMUTAL

O etap important nainte de punerea n funciune a sistemului colectorului solar-termic cu

orientare pseudo-azimutal, const din simularea computerizat a funcionrii acestuia. n acestsens, n acest capitol se propune un program care s fac posibil simularea funcionriimecanismului de orientare pseudo-azimutal cu dou actuatoare liniare.


34/60


32

Programul conceput a fost dezvoltat cu ajutorul mediului de programare orientat pe obiecteDelphi [17]. n fig. 4.22, se prezint interfaa programului.

Fig. 4.22 Interfaa programului pentru simularea mecanismului de orientare cu dou actuatoarePagina Simulare

a) poziiile mecanismului de orientare pentru programul de comand L1, L2 deplasare n pai -Program 1

1

2

3

5

6

4


35/60


33

b) programul de comand a actuatoarelor conduce la variaii n trepte ale lungimilor acestora npoziiile de staionare cupla articulaiei actuatoarelor se afl pe o traiectorie apropiat de un cerc

Fig. 4.24 Animaia mecanismului de orientare dup programe de orientare n pai

Zona 2 este specific pentru cele dou paginile ale programului i permite selectareaprogramului de comand al actuatoarelor. n acest sens, n fig. 4.24 sunt prezentate 3 programe decomand ale celor dou actuatoare, programe pentru care se realizeaz simularea funcionriimecanismului de orientare:

- L1 i L2 deplasare cu unghi de transmitere constantpresupune deplasarea celor douactuatoare astfel nct traiectoria parcurs de articulaia B a actuatoarelor s se realizezedup un arc de cer de raz R; n aceast situaie actuatoarele se deplaseaz continuu de-alungul unei zile, iar unghiul de transmitere al mecanismului este constant (90.14);

- L1, L2 deplasare n pasi - Program 1presupune deplasarea actuatoarelor n pai, la intervalede o or, pe parcursul zilei; astfel, pornind de la poziia de rsrit lungimile celor douactuatoare scad pn la valoarea minim calculat rmnnd la aceastlungime pn la ora12 solar; n mod simetric fa de 12 solar, pe perioada dup-amiezii lungimile actuatoarelorvor crete atingnd valorile corespunztoare apusului;

- L1, L2 deplasare n pasi - Program 2propune ca deplasarea actuatoarelor n pai, laintervale de o or, s se realizeze pe parcursul dimineii prin scderea celor dou lungimipn la o anumit valoare (n cazul de fa ambele actuatoare trebuie s ajung la lungimeade 353.55 mm la 12 solar), actuatorul care atingerea primul aceast lungime, meninndu-ilungimea constant pn n momentul executrii primului pas al dup-amiezii.


n acest capitol a fost propus soluia conceptual i constructiv a unui sistem colectorsolar-termic cu orientare pseudo-azimutal. Dezvoltarea unui nou mecanism de orientare mono-axial de tip mecanism cu bare articulate acionat de dou actuatoare liniare, a avut la bazurmtoarele obiective:

micare unghiular diurn s permit orientarea panourilor solare (fotovoltaice sau solar-termice) pe parcursul traiectoriilor solare complete, pentru orice latitudine, respectivadoptarea unor curse unghiulare diurne mari (*=180);

sistemul de orientare s poat fi realizat sub forma unui ansamblu cu un numr mare decomponente standardizate, n condiiile unui grad redus de complexitate constructiv i aunor unghiuri de transmitere n limite admisibile;

structura sistemului de orientare trebuie proiectat astfel nct s poat prelua toatencrcrile datorate greutii ntregului sistem colector solar-termic i aciunii vntului, attn regim de funcionare static (n stare de repaus, sistemul funcioneaz corect n condiiileunor ncrcri datorate forei vntului calculat pentru o valoare a vitezei de max. 30 m/s)ct i dinamic (sistemul n micare, poate prelua ncrcrile datorate unei fore a vntului

calculat pentru o vitez a acestuia de max. 14 m/s); ncrcarea actuatoarele liniare s se realizeaz exclusiv de fore centrice.

Proiectarea constructiv a soluiei conceptule de sistem de orientare cu orientare pseudo-


36/60


34

azimutal a presupus ca etap premergtoare simularea funcional a acestuia, ceea ce a condus larealizarea unuiprogram de simularecare s permit vizualizarea grafic a poziiilor mecanismului,n special pe durata executrii pailor de orientare. n aceste situaii, datorit vitezelor de deplasareconstante ale celor dou actuatoare, dar a curselor liniare diferite ale acestora, trebuie realizat oanaliz atent a oricrei configuraii posibile a mecanismului.

Situaiile de funcionare care fac necesar o analiz detaliat a posibilelor poziii alemecanismului, respectiv afiarea acestora la intervale mici de timp (cteva secunde), sunt cele ncare deplasarea ntre poziiile de staionare ale mecanismului se realizeaz cu diferene mari ntrecursele actuatoarelor, respectiv:

- panoul solar este adus din poziia de staionare pe parcursul nopii n poziia de rsrit,- i readucerea panoului din poziia de apus n poziia de staionare pentru noapte.

Aadar, metoda ce mai sigur de verificare a funcionrii n pai a mecanismului deorientare, pe perioada executrii pailor de orientare pentru orice program de comand alactuatoarelor const din simularea computerizat. n acest fel, poate fi evitat propunerea unor

programe de comand a actuatoarelor care s conduc la apariia n timpul funcionrii a unorconfiguraii ale mecanismului avnd unghiuri de transmitere necorespunztoare.

Acest capitol propune, de asemenea, i design-ul constructiv al sistemului colector solar-termic cu orientare pseudo-azimutal.

Principalele contribuiioriginale ale acestui capitol sunt urmtoarele: Dezvoltarea soluiei constructive a unui nou mecanism de orientare cu bare articulate

acionat de dou actuatoare liniare (mecanism ce reprezint i subiectul unui brevet deinvenie la care autoarea acestei lucrri este coautoare); noua soluie constructiv a fostconceput pentru implementarea unui sisteme de orientare a colectoarelor solar-termice;soluia propus asigur realizarea unor curse mari ale unghiului diurn (*=180),

permind n acest fel parcurgerea unor traiectorii solare complete pentru orice zongeografic; de asemenea, mecanismul de orientare cu bare articulate, acionat de douactuatoare liniare, are aplicabilitate i la modulele fotovoltaice (n aceste situaii,

funcionarea sistemului la curse diurne mari este justificat datorit creterii importante aeficienei de captare a radiaiei solare directe odat cu creterea cursei diurne).

Elaborareaprogramelor de comand ale celor dou actuatoare liniare, pentru funcionarea npai a noului sistem de orientare, att la curse diurne de 180 (pentru parcurgerea unortraiectorii complete) ct i de 120 (conform programului de orientare optim pentru zonaBraov).

ntocmirea unui program performant pentru simularea funcionrii noului mecanism deorientare acionat de dou actuatoare liniare, program care permite vizualizarea grafic a

poziiilor mecanismului pe durata realizrii pailor de orientare; ntimpul simulrii, poziiilemecanismului sunt calculate la un interval de 3.6 s, evitndu-se n acest fel eventualele

poziii de blocare ale acestuia datorit unor valori necorespunztoare ale unghiului detransmitere (


37/60

35

CAPITOLUL VSIMULAREA ENERGETIC A UNEI INSTALAII SOLAR-TERMICE

HIBRIDE. STUDII DE CAZ

5.3. STUDIU DE CAZ II - MODELAREA UNEI INSTALAII SOLAR-

TERMICE HIBRIDE

5.3.2. Simularea instalaiei experimenatale n mediul de simulare TRNSYSAcest capitol propune modelarea, cu ajutorul programului de simulare energetic TRNSYS,

a instalaiei solar-termice experimentale a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile iReciclare, fig. 5.7 [55], [56].

Crearea proiectului multi-zon a presupus, n prima etap, modelarea cldirii cu ajutorulmodulului TRNBuild, ceea ce a permis definirea zonelor ce caracterizeaz cldirea (vezi Capitol II).Modelul TRNSYS al instalaiei propuse spre studiu este prezentat n fig. 5.8;

Fig. 5.8 Schema TRNSYS a instalaiei solar-termice hibride

Instalaie solar-termic cu 2 colectoare solar-termice; un colector prevzut cu sistemde orientare pseudo-azimutal (elevaie 21) i un colector fix orientat Sud avnd un unghi deelevaie de 21

Analiza rezultatelor simulrilor instalaiei hidraulice, coninnd un colector fix orientat spreSud i un colector cu orientare pseudo-azimutal, ambele avnd o suprafa de 2.53 m2, conduce laconcluzia c pentru lunile n care se nregistreaz i consum de energie necesar nclzirii spaiului,instalaia nu va aduce un aport semnificativ la nclzire, sursa auxiliar fiind folosit cu

preponderen. n acest sens, n continuare se propun simulri ale instalaiei folosind 4 colectoare,respectiv cte 2 colectoare montate n serie, 2 fixe orientate Sud i 2 avnd orientare pseudo-azimutal, n acest fel mrindu-se suprafaa de captare a radiaiei globale.

Figura 5.15 propune diagramele de echilibru pentru boilerele de preparare a apei caldemenajere i de stocare a agentului termic pentru nclzirea spaiului. Comparativ cu fig. 5.11 se

poate observa o cretere a valorilor energiei solare folosit att la prepararea apei calde menajere cti pentru nclzirea spaiului; totui trebuie menionat faptul c n situaiile unor cldiri destinate

birourilor, unde consumul de ap cald menajer nu este nsemnat, creterea suprafeei colectoarelorsolare poate conduce, pe perioada verii, la creterea temperaturi agentului termic (fig. 5.16), ce

Date post:	08-Aug-2018
Category:	Documents
Upload:	indianajones2000
View:	222 times
Download:	1 times

Teza Coleactoare Solare

Documents