-cap. 2 energia solara

Capitolul 2

ENERGIA SOLARÃ

2.1. Potenţialul energetic solar

Toate strategiile energetice pe termen mediu şi lung includ energia solară ca principală opţiune. Deşi energia solară este considerată încă neconvenţională, participarea ei la consumul de energie creşte datorită unor avantaje, precum:

este inepuizabilă (regenerabilă); este mult mai uniform distribuită în zonele locuite ale planetei; decât

alte surse de energie; este gratuită; consecinţele ecologice ale utilizării sunt minime.Printre dezavantajele acestei surse de energie se pot menţiona: densitatea redusă de putere; variaţie zilnică şi anuală datorate mişcărilor planetei; influenţă puternică a nebulozităţii şi poluării.Două sunt principalele moduri de utilizare a energiei solare : conversia

termică şi conversia directă în energie electrică. Deşi conversia termică este, în prezent, mai răspândită, pentru programele pe termen lung importanţa conversiei directe în electricitate este mai mare.

Soarele are o structură complexă, fiind format din mai multe zone concentrice, a căror temperatură creşte de la suprafaţă către centru. Principalele caracteristici, în calitate de sursă de energie, sunt:

temperatura medie a suprafeţei 5762 K, amplitudinea unghiulară a discului solar 32’ (0.01 radian), distanţa medie soare-pământ 1.5 106 km (unitatea astronomică).Principalele caracteristici energetice ale radiaţiei solare sunt: constanta solară, distribuţia spectrală a energiei solare.Constanta solară, E0, reprezintă cantitatea de energie care revine unităţii

de suprafaţă orientată normal razelor solare şi aflată la distanţa de o unitate atmosferică de soare, într-o unitate de timp. În afara atmosferei terestre, valoarea medie standard a constantei solare este de 1367 W/m2 (1,96 cal/cm2.min).

De-a lungul mişcării planetei pe orbită, distanţa pământ-soare se modifică astfel că şi mărimea instantanee a constantei solare variază de la 1322 W/m2 la solstiţiul de vară până la 1415 W/m2 la solstiţiul de iarnă (fig.2.1). Altă variaţie a

24 SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

constantei solare este datorată ciclului activităţii solare, de circa 11,5 ani. Amplitudinea acestei variaţii este evaluată la cca.2-3%.

Distribuţia spectrală a radiaţiei solare este reprezentată de variaţia intensităţii radiaţiei în funcţie de lungimea de undă (fig.2.2). Linia plină corespunde radiaţiei extra atmosferice, iar linia întreruptă corespunde nivelului mării pe pământ. Intensitatea maximă a radiaţiei apare în domeniul vizibil, pe culoarea albastră.

Suprafaţa cuprinsă între curba distribuţiei spectrale şi sistemul de axe reprezintă numeric constanta solară:

0

dIE (2-1)

unde λ este lungimea de undă a radiaţiei. Ponderea celor trei domenii ale spectrului solar în mărimea constantei solare este dată în Tabelul 2.1.

I F M A M I I A S O N D

Fig. 2.1 Constanta solară

E0 w

/m2

Vizibil Infraroşu apropiatUV

Fig. 2.2 Distribuţia spectrală a radiaţiei solare

Energia solară 25

Tabelul 2.1Compoziţia spectrală a energiei solare

Domeniul λ (μm) Ponderea (%) Ponderea cumulată (%)

Ultraviolet 0,015 – 0,38 6,15 6,15Vizibil 0,38 – 0,80 49,87 56,02Infraroşu apropiat 0,80 – 5,0 43,49 99,51Infrraroşu îndepărtat 5,0 - 400 0,49 100,00

Traversând atmosfera terestră, radiaţia solară este supusă mai multor fenomene, care au ca efect apariţia componentei difuze ca şi atenuarea radiaţiei:

reflexia radiaţiei de către nori; absorbţie selectivă de către moleculele gazelor componente a atmosferei,

vaporii de apă şi aerosoli;Evaluarea mărimii constantei solare ca şi a distribuţiei spectrale a radiaţiei

care ajunge la suprafaţa pământului se poate realiza pe cale analitică, prin măsurători sau folosind funcţii de corelaţie.

Metoda analitică constă în modelarea matematică a procesului de atenuare a radiaţiei solare prin procesele de absorbţie, pe distanţa de propagare prin atmosferă. Considerând atmosfera ca fiind omogenă şi izotropă, atenuarea radiaţiei solare depinde de distanţa parcursă prin atmosferă şi de lungimea de undă, conform relaţiei:

mceII 0

(2-2)

Distanţa parcursă prin atmosferă este considerată prin parametrul m – masa relativă a aerului, definită ca raportul dintre masele de aer conţinute în două coloane de aer cu secţiune unitară: prima orientată de-a lungul razelor de soare la un moment dat, iar a doua dispusă vertical.

La nivelul mării, masa relativă a aerului se poate calcula cu relaţia aproximativă

sin

1m

(2-3)

unde α este unghiul razelor solare faţă de planul orizontal.Pentru aplicarea metodei analitice, trebuie cunoscuţi mulţi parametri fizici ai

atmosferei, iar mărimea unora dintre parametri se schimbă frecvent astfel că metoda poate fi folosită doar în condiţii de referinţă.

Considerând soarele la zenit şi o atmosferă perfect transparentă, densitatea radiaţiei solare scade la nivelul mării la cca. 1000 W/m2.

Măsurarea directă a radiaţiei solare se realizează cu aparate care folosesc fie efectul fotoelectric fie conversia termică a radiaţiei solare.

Funcţiile de corelaţie au fost stabilite între parametrii energetici ai radiaţiei solare şi parametrii climatici, pe baza înregistrărilor meteorologice în ultima sută de ani. Parametrii climatici consideraţi sunt presiunea atmosferică, temperaturăaerului, viteza vântului, altitudinea, durata de strălucire a soarelui etc.


Energia solară pe teritoriul României

Densitatea de putere a radiaţiei directe E (W/m2 ): - valori maxime vara (iulie) 900 - 1000 (cer senin)

iarna (decembrie) 750 - 950 - valori minime vara (iulie) 50 - 350 (cer noros) iarna (decembrie) 30 – 220

Densitatea de putere integrata pentru o zi, a radiaţiei globale (cal/cm2 .zi): - vara 520 - 600 - iarna 95 – 200

Densitatea de putere a radiaţiei globale, integrată pe o luna (kcal/cm2.lună): - vara 15 - 20 - iarna 2,3 - 5,8

Densitatea de putere a radiaţiei globale, integrata pe sezon şi an, (kcal/cm .sezon), respectiv kcal/cm2.an (tabelul 2.2).

Tabelul 2.2Valori integrate ale energiei solare pe teritoriul României

Localitatea Iarna Primăvara Vara Toamna Anual

Bucureşti 12,36 36,09 51,62 24,45 124,32

Constanţa 13,05 37,08 53,13 24,95 128,21

Cluj 10,93 35,74 48,94 22,68 118,29

Iaşi 10,42 35,15 48,67 21,98 116,02

Timişoara 11,20 34,96 49,37 23,32 118,94

Sulina 12,69 40,30 56,43 26,44 135,86

2.2. Conversia fotoelectrică a radiaţiei solare

Dacă două cristale de Si având impurităţi acceptoare (conducţie de tip p) şi respective donoare (conducţie de tip n) se află în contact, se obţine o joncţiune semiconductoare p-n. Prin difuzie, golurile din zona P şi electronii din zona N migrează către zonele vecine astfel că în zona de contact se formează un strat dublu de sarcini electrice. Apare astfel un câmp electric intern, care se opune difuziei purtătorilor majoritari până la stabilirea unui echilibru.

Conectând joncţiunea la o sursă de tensiune continuă, în sens direct (+ la zona P şi – la zona N), prin joncţiune va circula un curent (curentul de diodă):

10

kTqU

d eII (2-4)

unde I0 este curentul invers maxim, U este tensiunea aplicată, q este sarcina electronului, k este constanta lui Boltzmann, iar T este temperatura celulei (0K).

Energia solară 27

Considerând joncţiunea, nepolarizată şi expusă radiaţiei solare, fotonii vor pătrunde în celulă. Dacă un foton care are cuanta de energie superioară lăţimii zonei interzise a semiconductorului, transferă energia sa unui electron de valenţă, acesta va deveni liber, trecând în zona de conducţie, iar locul său rămas liber poate fi considerat o sarcină de semn contrar, un gol.

Perechile de sarcini create în acest mod au o durată de existenţă foarte redusă dacă nu ar exista câmpul intern al joncţiunii, care dirijează electronii către zona N, iar golurile către zona P. Apar astfel acumulări de sarcini în cele două zone, respectiv o diferenţă de potenţial electric, tensiunea electromotoare a celulei.Dacă la bornele celulei este conectat un consumator, prin joncţiune va trece un curent care are expresia

Ld III (2-5)unde IL este curentul purtătorilor de sarcină apăruţi datorită fotonilor radiaţiei incidente.

În cazul teoretic ideal, tensiunea fotoelectrică ar fi egală cu lăţimea zonei interzise a semiconductorului, Eg. În realitate, datorită unor fenomene parazite şi a imperfecţiunilor constructive, U ≤ 2/3 Eg.

Conform cu ecuaţia (2-5) curba I - U a fotocelulei solare este deplasată faţă de curba diodei cu o distanţă corespunzătoare curentului IL (fig.2.3). Astfel, zona de funcţionare a fotocelulei se află în cadranul IV al sistemului de coordonate (I,U), ceea ce, conform regulii semnelor din termodinamică este cazul unui sistem care furnizează energie. Ecuaţia (2-5) este valabilă pentru schema echivalentă a fotocelulei (fig.2.4), care conţine o sursă de curent IL, o diodă, rezistenţa internă a celulei RS şi rezistenţa sarcinii Rc.

M IL

Ug

U

I

a) b)

Fără iluminare

Cu expunere la lumină

Fig. 2.3 Caracteristica curent-tensiune a joncţiunii p-n


2.2.1. Parametrii energetici ai fotocelulelor solare

2.2.1.1 Curentul de scurtcircuit: dacă bornele fotocelulei sunt conectate printr-un conductor de rezistenţă nulă, tensiunea la borne devine zero, iar prin conductor circulă curentul de scurtcircuit:

I = - IL (2-6)

Curentul de scurtcircuit este creat de sarcinile devenite libere după absorbţia fotonilor în celulă, fiind direct proporţional cu intensitatea radiaţiei solare.

2.2.1.2. Tensiunea de mers în gol: dacă nu este conectat un consumator la bornele celulei, intensitatea curentului este zero, iar tensiunea la borne este maximă, Ug:

1ln

0I

I

q

kTU L

g (2-7)

Această relaţie arată că tensiunea fotoelectrică este mai slab dependentă de intensitatea radiaţiei solare, fiind proporţională cu logaritmul valorii acesteia.

2.2.1.3. Puterea debitată de fotocelulă are expresia:

10

kTqU

L eIIUUIP (2-8)

Mărimea puterii, considerând parametrii radiaţiei solare constanţi, depinde de punctul de funcţionare a celulei (fig.2.3), fiind maximă pentru punctul M. Poziţia punctului de funcţionare pe caracteristica celulei este decisă de mărimea rezistenţei conectate la bornele celulei. Coordonatele UM , IM care corespund

8Fig. 2.4 Schema echivalentă a fotocelulei iluminată

Energia solară 29

punctului M pot fi determinate considerând condiţia de maxim pentru puterea debitată de celulă. Se obţin relaţiile:

kT

qU

q

kTUU M

gM 1ln (2-9)

M

MLM qUkT

qUIII

0 (2-10)

Astfel, puterea maximă produsă de celulă este:

M

MLM qUkT

qUIIP

2

0 (2-11)

2.2.1.4. Factorul de umplere: este definit ca raportul ariilor celor două suprafeţe delimitate cu linii întrerupte în fig.2.3:

scg

MM

IU

IUf (2-12)

fiind întotdeauna mai mic decât unitatea. Cu cât factorul de umplere este mai aproape de valoarea 1, cu atât comportarea celulei în sarcină este mai bună, respectiv tensiunea la borne scade mai lent la creşterea curentului.

2.2.1.5. Randamentul fotocelulei: este raportul dintre puterea electrică furnizată şi puterea radiaţiei solare incidentă pe celulă.

ou ESf

UIf (2-13)

Deoarece U, respectiv I depind de mărimea sarcinii, randamentul maxim se va atinge atunci când puterea electrică furnizată va fi maximă, UMIM . Puterea incidentă pe celulă depinde de densitatea radiaţiei solare, E, de suprafaţa celulei şi de factorul de orientare, fo. Factorul de orientare are expresia

ifo cos(2-14)

, unde i este unghiul de incidenţă al razelor solare la suprafaţa fotocelulei.Randamentul conversiei fotoelectrice depinde nelinear de lăţimea zonei

interzise a semiconductorului. Cu cât aceasta este mai mică, cu atât mai mulţi fotoni ai radiaţiei solare vor putea crea sarcini libere în fotocelulă, dar tensiunea fotoelectrică va fi mai mică. Invers, cu cât lăţimea zonei interzise este mai mare, vacreşte tensiunea fotoelectrică, dar va scădea numărul de fotoni capabili de a smulge electroni din banda de valenţă.

În cazul radiaţiei solare, eficienţa maximă a conversiei apare pentru fotocelulele construite din semiconductoare cu lăţimea zonei interzise 1,1 < Eg <


1,9 eV. Această condiţie este îndeplinită de câteva materiale, conform Tabelului 2.3.

Tabelul 2.3Materiale semiconductoare pentru fotocelule

Materialul Si InP GaAs CdTe CdSe GaPEg (eV) 1,11 1,29 1,39 1,45 1,74 2,24

Dacă temperatura fotocelulei creşte, eficienţa maximă scade cu atât mai puţin cu cât Eg este mai mare.

Parametrii de catalog ai fotocelulor solare sunt indicaţi pentru regimul de putere maximă, considerând radiaţia solară standard cu constanta de 1000 W/m2.

2.2.2. Pierderile de energie în conversia fotoelectrică

O fotocelulă transformă în energie electrică numai o parte din energia radiantă incidentă. Fenomenele care produc pierderi de energie se pot grupa în două categorii:

în faza în care energia este în formă de radiaţie, se produc pierderi prin reflexie pe suprafaţa celulei, prin absorbţie fără generare de sarcini electrice libere şi prin transmisie către electrodul posterior (fig. 2.5); după crearea sarcinilor electrice libere în semiconductor, apar pierderi

prin recombinarea sarcinilor libere şi pe rezistenta internă a celulei.

2.2.2.1. Reflexia luminii la suprafaţa celuleiO parte din radiaţia incidentă pe celulă se reflectă la suprafaţa acesteia,

coeficientul de reflexie R depinzând de calitatea suprafeţei, de unghiul de incidenţă

9

1) 2)3)

Fig. 2.5 Interacţiunea fotonilor cu joncţiunea semiconductoare p-n1) fotoni reflectaţi la suprafaţa fotocelulei2) fotoni care traversează fotocelula fără transferul energiei3) fotoni care sunt absorbiţi în vecinătatea barierei de potenţial

zona n

zona p

rezistenţa sarcinii

Energia solară 31

şi de indicele de refracţie al semiconductorului. Factorul de reflexie R are valori de 0,3 - 0,4 pentru semiconductoare având lărgimea benzii interzise între 1,1 si 1,5 eV. Pentru micşorarea pierderilor prin reflexie, pe suprafaţa celulei se depun straturi antireflectante din material transparent, cu indice mare de refracţie.

2.2.2.2. Absorbţia incompletă a radiaţiei O parte din radiaţia pătrunsă în celulă traversează semiconductorul fără a fi

absorbită. În principiu, energia care nu este utilizată se poate evalua prin

multiplicarea cu de a energiei care pătrunde în fotocelulă, unde α este factorul de absorbţie (parametru de material), iar d este grosimea fotocelulei. Reducerea acestei pierderi se poate obţine prin dimensionarea corectă a grosimii celulei, pentru a absorbi cât mai complet energia incidentă.

2.2.2.3. Generarea purtătorilor de sarcina liberi O parte dintre fotonii absorbiţi realizează doar excitarea atomilor, fără a

elibera electroni sau amplifică vibraţiile atomilor în nodurile reţelei cristaline,producând doar creşterea temperaturii celulei. Partea utilizată a radiaţiei se poate estima prin randamentul cuantic, definit ca raportul dintre numărul perechilor de sarcini libere create şi numărul de fotoni absorbiţi. Mărimea randamentului cuantic depinde de lăţimea benzii interzise a semiconductorului şi de lungimea de undă a radiaţiei incidente.

O posibilitate de mărire a randamentului cuantic este realizarea fotocelulelor cu joncţiuni multiple, formate din semiconductoare cu valori Eg

diferite, dispuse în ordinea descrescătoare a acestui parametru (fig.2.6). Fiecare joncţiune valorifică o altă parte a spectrului radiaţiei solare, rezultând, în ansamblu, un randament mult mai mare decât fiecare dintre joncţiunile participante.

2.2.2.4. Pierderi de energie datorate recombinăriiDintre toţi purtătorii de sarcină creaţi în semiconductor, participă la

curentul debitat de celulă numai aceia care pot intra sub influenţa câmpului intern al joncţiunii fie fiind creaţi în acea zonă, fie putând ajunge acolo prin difuzie. Celelalte sarcini se recombină, ceea ce reprezintă pierderi din energia absorbită de către celulă. Pentru reducerea acestor pierderi, grosimea fotocelulei trebuie corelată cu lungimea de difuzie a electronilor în semiconductor.


2.2.2.5. Pierderi de tensiuneFotonii, care au o energie hν > Eg, generează electroni a căror energie

depăşeşte energia medie a purtătorilor, la temperatura de echilibru. Surplusul de energie este disipat prin ciocniri cu atomii reţelei, ceea ce reprezintă pierderile pe rezistenţa internă a celulei. Pierderea de tensiune fotovoltaică asociată tranziţiei unui electron, este egală cu raportul qU/hν, dintre energia consumată pentru transportul unităţii de sarcină prin circuit şi energia fotonului incident.

2.2.3. Tipuri de fotocelule solare

2.2.3.1.Celule solare cu siliciuTehnologiile actuale utilizează siliciul în trei forme: monocristalin,

policristalin si amorf hidrogenat. Pe lângă avantajul materiei prime disponibile în mari cantităţi, celulele cu siliciu prezintă stabilitate funcţională deosebită şi randamente relativ bune. Randamentul maxim îl prezintă celulele din monocristal,fiind mai redus la celelalte. În aceeaşi ordine scade şi costul fotocelulelor cu siliciu.

Structura monocristalină, având atomii dispuşi ordonat în reţeaua cristalină, permite delimitarea clară a benzilor energetice de conducţie şi de valenţă, astfel că zona interzisă este, teoretic, lipsită de nivele energetice ocupate de către electroni. În cazul structurii policristaline, fotocelula este formată din numeroase cristale mici orientate diferit, astfel că la suprafaţa de contact apar discontinuităţi ale reţelei cristaline şi ale benzilor de energie. Aceasta reduce

Radiaţia solară

Grilă contact

Joncţiuni tunel

Contact metalic

Celulă cu Ge

Celula cu Ga(In)As

Celula Ga0,5In0,5P

Fig. 2.6 Celulă multijoncţiune

Energia solară 33

eficienţa circulaţiei sarcinilor libere sub influenţa câmpului electric intern al celulei. În cazul siliciului amorf, ordinea atomilor este aleatoare, astfel că multe legături covalente între atomi sunt rupte, iar benzile de energie se suprapun mai mult sau mai puţin. În aceste condiţii, efectul fotoelectric nu se poate manifesta. Adăugarea atomilor de hidrogen permite refacerea unora dintre aceste legături covalente. Astfel, se restabileşte în mare măsură ordinea nivelelor energetice şi efectul fotoelectric se poate realiza.

Deşi randamentul teoretic maxim al fotocelulei cu Si monocristalin atinge 22%, celulele realizate practic, au un randament de cel mult 14%. Posibilităţile de mărire a randamentului în continuare sunt: - reducerea grosimii stratului n la cca.0,3 μm - randament 16%; - texturarea suprafeţei pentru reducerea pierderilor prin reflexie, randament 17%; - celule cu straturi multiple, randament până la 19,5%.

2.2.3.2. Celule solare pe bază de sulfură de cadmiuPornind de la materialul de bază, CdS, se pot realiza mai multe tipuri de

fotocelule solare: CdS-Cu2S, CdS-CuInSe, CdS-CdTe şi altele. În aplicaţii predomină prima variantă, cea mai ieftină. CdS se foloseşte sub formăpolicristalină. Faţă de Si acest material prezintă o absorbţie mai rapidă a radiaţiei solare; totodată lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină liberi este mult mai redusă, astfel încât stratul de bază poate avea o grosime mai mică (numai 25μm în loc de 200μm la Si). Cu2S are banda interzisă mai îngustă; deoarece acest strat absoarbe cea mai mare parte a spectrului solar în grosimi foarte mici, grosimea lui este de numai 0,1μm - 0,27μm. Acest material nu se poate obţine decât ca semiconductor de tip „p”. Cea mai simplă cale de realizare a acestui strat este schimbul de ioni într-o soluţie electrolitică cu ioni de Cu.

Tehnologiile de realizare a unor asemenea celule cu straturi subţiri policristaline sunt mai simple decât la siliciu, permiţând preturi mult mai reduse.Performantele celulelor cu CdS sunt, în privinţa eficienţei teoretice, de ordinul a 15%, iar în fază industrială, de 6-8%.

2.2.3.3. Celule solare pe bază de GaAsGaAs este unul dintre materialele cele mai potrivite pentru conversia

fotoelectrică a energiei solare datorită faptului că, având o lărgime a benzii interzise de 1,39 eV, se situează pe maximul curbei de eficienţă a conversiei în funcţie de Eg. Eficienţa teoretică prevăzută este de 26%. Faţă de siliciu, prezintă avantajul de a putea lucra la temperaturi mai înalte, fără a-şi reduce simţitor eficienţa. Aceste celule se pot utiliza asociate cu sisteme de concentrare a radiaţiei solare, reducând consumul de material semiconductor. Costul acestor fotocelule este de cca. 10 ori mai mare decât a acelora cu Si, datorită materialului de bază ca şi tehnologiei de realizare. Ţinând seama însă că pot fi utilizate cu factori de concentrare a radiaţiei solare de cca. 10 ori mai mari şi că randamentele sunt apropiate, rezultă că cele două tipuri de fotocelule monocristal sunt comparabile.


2.2.4. Module, panouri, câmpuri de fotocelule solare

O joncţiune semiconductoare furnizează o tensiune continuă a cărei mărime medie este de 0,3-0,4 V. Pentru a obţine tensiunea necesară unui consumator, fotocelulele se conectează în serie, iar pentru a obţine intensitatea necesară, se grupează în paralel.

Un grup de fotocelule asamblate într-o carcasă unică formează un modul, mai multe module grupate pe un suport plan formează un panou, iar mai multe panouri interconectate formează un câmp (fig.2.8).

Considerând funcţionarea unui set de fotocelule înseriate şi ţinând seama că acestea sunt de fapt diode semiconductoare, dacă una dintre acestea este

10Fig. 2.7 Structura unei fotocelule monojoncţiune

Strat antireflectant

Stratul tip n

Grilă de contact

Radiaţia solară

Stratul tip p

Contact posterior

Joncţiunea p-n

I

V

fotocelule

modul

panou

câmp

Fig.8-Interconectarea fotocelulelor

Energia solară 35

obturată de un corp străin (de exemplu o frunză) zona neiluminată se va comporta ca o diodă polarizată invers. Prin aceasta se întrerupe furnizarea de curent a întregului set de fotocelule înseriate, iar joncţiunea blocată se poate străpunge electric dacă tensiunea maximă inversă admisibilă este depăşită. În acest caz, pe joncţiunea umbrită se va disipa puterea generată de celelalte celule înseriate, ducând la apariţia fenomenului de supraîncălzire (“hot spot”), iar joncţiunea se

distruge. Pentru evitarea acestei situaţii, modulele de fotocelule sunt protejate cu diode conectate antiparalel, iar lanţurile de module înseriate se protejează cu diode serie pentru blocarea circulaţiei inverse (fig.2.9).

2.2.5. Moduri de utilizare a conversiei fotoelectrice a radiaţiei solare

2.2.5.1. Sistem independentUn sistem independent asigură necesităţile consumatorului fără a fi

conectat la reţeaua publică de electricitate. Având în vedere variaţia disponibilităţii radiaţiei solare, sistemul trebuie să conţină o componentă de stocare a energiei electrice în timpul cât soarele este aparent pe cer în vederea alimentării consumatorului în absenţa radiaţiei solare. Cel mai folosit mijloc este acumulatorul Pb-acid.

Un asemenea sistem se potriveşte bine pentru consumatori mici, amplasaţi la distanţe mari de reţelele publice, precum locuinţe individuale, cabane montane, case de vacanţă fiind util pentru pomparea apei de uz sanitar şi menajer, alimentarea aparatelor de radio, tv, telefonie de telecomunicaţie, iluminat. Alte destinaţii posibile sunt semnalizări rutiere sau pentru navigaţie, staţii meteorologice, relee de retransmitere pentru telefonie mobilă etc.

Fig.2.9 Schema electrică de principiu a unui panou fotoelectric


La putere mai mare (zeci de kW), un sistem independent împreună cu o sursă locală, care nu este influenţată de radiaţia solară (o microhidrocentrală sau un grup motor-generator electric) poate alimenta o reţea locală de curent alternativ pentru locuinţe sau activităţi agro-zootehnice aflate departe de reţelele publice.

Un sistem autonom este format din (fig.10): panouri fotoelectrice cu puterea între 20 şi 200 Wp, orientate către sud

sub un unghi, faţă de planul orizontal local egal cu latitudinea locală; invertor: având în vedere că cea mai mare parte a consumatorilor necesită

curent alternativ, se foloseşte un invertor pentru transformarea curentului continuu în curent alternativ;

Regulator de tensiune pentru controlul încărcării bateriei de acumulatoare, prevenind astfel deteriorarea prin încărcare în exces şi prelungind durata de funcţionare a acesteia;

Acumulatoare Pb-acid.

2.2.5.2. Sistem conectat la reţelele publiceÎn cazul sistemelor fotovoltaice conectate la reţelele de distribuţie, energia

electrică este convertită integral în curent alternativ. Diferenţa dintre consumul deţinătorului sistemului şi energia furnizată de sistemul fotoelectric poate avea ambele sensuri; în caz de deficit se preia energie din reţeaua publică, iar în caz de excedent, se transmite surplusul reţelei publice. Un contor cu dublu sens asigură

Fig. 2.10 Schema bloc a sistemului independent

Generatorul fotoelectric

Regulator de încărcare

Acumulatoare

Consumatori c.a

CCCC

CA

Consumatori c.c

Invertor

Fig. 2.11 Aplicaţii ale sistemelor solare rezidenţiale

Energia solară 37

evidenţa schimburilor de energie cu reţeaua. Este evident că, în acest caz, componenta pentru acumulare nu mai este necesară deoarece funcţia acesteia este preluată de reţeaua publică de distribuţie.

2.3. Conversia termică a energiei solare

Transformarea energiei solare radiante în energie termică are loc permanent în natură, prin absorbţia acesteia de către solul terestru, de către apele oceanului planetar şi de către vegetaţie. Realizarea, în mod controlat, a acestei conversii, în scopul utilizării energiei obţinute, se realizează cu dispozitive numite captatoare / colectoare solare. Energia termică produsă de către aceste captatoare este transportată la consumator cu ajutorul unor fluide (lichide sau gaze). Principalul parametru energetic al unui asemenea fluid, temperatura sa la ieşirea din captator, depinde în principal de următorii factori:

- densitatea de putere a radiaţiei incidente,- factorul de concentrare a radiaţiei solare,- orientarea captatorului,

Fig. 2.12 Schema bloc cu racordare la reţeaua publică

Generatorul fotoelectric

Regulator de tensiune

Invertor

Consumatori c.a Reţea de distribuţie c.a.

CC

CC

CA

CA

Fig. 2.13 Câmp de panouri fotoelectrice, 40 MW


- eficienţa optică a captatorului,- eficienţa termică a captatorului.Spre deosebire de conversia radiaţiei solare în electricitate ai cărei

parametri (tensiune, intensitate) pot fi modificaţi în limite largi prin conectarea serie sau paralel a mai multor fotocelule identice, în cazul conversiei termice, obţinerea temperaturii cerute pentru agentul termic nu se poate face decât prin folosirea unor captatoare adecvate. Din acest motiv, s-au propus şi realizat numeroase variante constructive, care nu pot fi apreciate, tehnic şi economic, decât în limitele categoriei din care fac parte.

O primă mare împărţire a captatoarelor termice se poate face în funcţie de factorul de concentrare geometrică a radiaţiei,

R

Cg S

SC (2-15)

definit ca raportul dintre suprafaţa concentratorului (SC), pe care cade radiaţia solară incidentă şi suprafaţa receptorului de energie solară (SR), unde are loc conversia termică propriu-zisă.

Se deosebesc două categorii: - captatoare fără concentrarea radiaţiei solare, Cg =1; - captatoare cu concentrare a radiaţiei solare, Cg >1.Prima categorie este, în general, destinată încălzirii agentului termic la

temperaturi sub 1000 C, iar a doua pentru temperaturi mai înalte, chiar de peste 10000 C.

2.3.1. Captatoare fără concentrarea radiaţiei solare

Deoarece Cg =1, rezultă SC = SR sau, cu alte cuvinte, suprafaţa iluminată şi suprafaţa încălzită sunt identice. Prin modul de construcţie şi de comportare în funcţionare, aceste captatoare prezintă o serie de avantaje:

- utilizează atât radiaţia solară directă cât şi radiaţia difuză a cerului; - nu necesită orientare foarte precisă după soare; - construcţie relativ simplă, folosind materiale uşor accesibile; - cheltuieli de investiţie şi de exploatare reduse; - domeniu larg de utilizare datorită numărului mare de consumatori de

energie termică la temperatură scăzută; - randament foarte bun în comparaţie cu conversia fotoelectrică.Captatoarele fără concentrare pot fi realizate în numeroase variante

constructive. Una dintre structurile cu bune performanţe energetice este dată în fig.2.14.

Funcţionarea acestui captator se bazează pe fenomenele de absorbţie aradiaţiei solare de către corpurile materiale ca şi pe aşa numitul efect de seră".

Dacă absorbţia radiaţiei solare este o proprietate generală a materiei, efectul de seră apare datorită corpurilor transparente cu comportare selectivă la

Energia solară 39

traversarea de către radiaţii cu lungime de undă diferite. Astfel, energia solară radiantă (compusă din fotoni cu lungimi de undă de ordinul micronilor) traverseazăcu atenuare redusă straturile transparente de la partea superioară a captatorului, în timp ce pentru radiaţia infraroşie emisă de placa absorbantă, având lungime mare de undă mult mai mare, corespunzătoare temperaturii plăcii, aceste straturi transparente sunt foarte opace.

O comportare asemănătoare are şi atmosfera terestră, care contribuie la păstrarea unei temperaturi a scoarţei terestre favorabilă existenţei vieţii. Însă datorită densităţii scăzute a gazelor, pentru a obţine un efect de seră suficient de intens este nevoie de o grosime mult mai mare a atmosferei decât grosimea straturilor transparente ale captatoarelor plane.

2.3.2. Eficienţa optică a captatorului plan

Eficienţa optică a captatorului poate fi definită ca raportul dintre energia preluată de placa absorbantă şi energia radiantă care revine suprafeţei superioare a captatorului.

Radiaţia solară aplicată unui captator plan parcurge o serie de procese de natură optică înainte de a fi transformată în căldură. Aceste procese sunt reflexia şi refracţia în straturile transparente, atenuarea (absorbţia) în straturile transparente şi, în final, absorbţia în placa absorbantă. Pentru evaluarea eficienţei optice, vor fi analizate aceste trei procese.

Considerând un singur strat transparent si neglijând, într-o primă instanţă, atenuarea radiaţiei, se poate obţine factorul de transmisie a energiei solare prin acest strat, DR, considerând numai procesele de reflexie şi de refracţie.

La cele două suprafeţe ale stratului transparent, au loc procese de reflexie şi de refracţie, deoarece indicii de refracţie ai sticlei şi aerului sunt diferiţi. Pe schema din fig. 2.15 componentele de energie, care parcurg aceste procese, sunt exprimate în mărimi relative, prin raportare la energia solară care revine suprafeţei captatorului.

izolaţie termică

sticlă incoloră conducte

placa absorbantă

Fig. 2.14 Captator plan


Partea din energia incidentă, care trece printr-un strat transparent se obţine prin însumarea componentelor dublu refractate:

...1...11 22222 RRRRRD nR

R

RDR

1

1(2-16)

În cazul a mai multor straturi transparente, se obţine, printr-un procedeu asemănător, factorul de transmisie:

Rs

RDR 121

1

(2-17)

unde s este numărul acestor straturi.Atenuarea radiaţiei care trece prin straturile transparente are loc după o

lege exponenţială şi depinde de calitatea materialului, exprimată prin coeficientul de atenuare, α şi de lungimea traseului, d:

dReDD (2-18)

Rezultă că partea din energia solară care traversează sistemul optic al captatorului depinde în primul rând de mărimea coeficientului de reflexie, R. Acest coeficient se poate calcula cu relaţia:

212

212

212

212

tan

tan

sin

sin

2

1

R (2-19)

R1

1-R

R(1-R)

(1-R)2

R2(1-R)

R2(1-R)2

R3(1-R)

R4(1-R)

R5(1-R)

R4(1-R)2

R (1-R)2 R3 (1-R)2 R5(1-R)2

R6(1-R)

Fig. 2.15 Trecerea radiaţiei solare printr-un strat transparent

Energia solară 41

în care θ1 şi θ2 sunt unghiurile de incidenţă şi de refracţie faţă de normala la stratul transparent. Între aceste unghiuri şi indicii de refracţie, există relaţia (legea refracţiei):

2211 sinsin nn . (2-20)

În cazul incidenţei normale a razelor solare la suprafaţa captatorului, expresia coeficientului de reflexie devine:

2

21

21

nn

nnR . (2-21)

Influenţa orientării captatorului faţă de soare asupra cantităţii de energie care traversează sistemul optic poate fi observată în fig. 2.16, pentru s = 1...4.

Menţinerea, practic constantă, a mărimii factorului de transmisie a radiaţiei DR pentru o gamă de variaţie a unghiului de incidenţă de cca. ±450, justifică utilizarea captatoarelor plane cu poziţie fixă, respectiv fără un sistem de orientare permanentă către soare. O mişcare aparentă a soarelui pe cer, pe un arc de 900

durează 6-8 ore ceea ce este perioada cea mai favorabilă dacă, atunci când soarele este la zenit, incidenţa razelor este normală la captator.

Energia radiantă, care a trecut de sistemul optic, ajunge la placa absorbantă. Numai dacă aceasta ar fi un corp negru în sensul teoretic, ar avea loc absorbţia integrală a radiaţiei solare. În realitate, factorul de absorbţie al plăcii, A < 1, astfel că o parte din radiaţie este reflectată către sistemul optic. Are loc un nou proces de reflexii repetate, deoarece şi sistemul optic reflectă radiaţia provenită de la placa absorbantă (fig.2.17).

Fig. 2.16 Influenţa unghiului de incidenţă a radiaţiei solare asupra factorului de transmisie D


Întreaga cantitate de energie radiantă absorbită în placă se calculează prin însumarea componentelor succesive, obţinând relaţia

AR

DA

dopt

11

. (2-22)

În această relaţie, Rd este factorul de reflexie al radiaţiei difuze reflectată de la placa absorbantă de către straturile transparente. Acest factor nu se poate determina decât experimental şi este cu atât mai mare cu cât numărul de straturi transparente ale sistemului optic este mai mare (de exemplu Rd=0,16/0,24/0,29 dacă s=1/2/3). Energia pătrunsă în placa absorbantă, exprimată în unităţi relative, este egală numeric cu randamentul optic al captatorului, definit mai sus.

2.3.3. Eficienţa termică a captatorului plan

Energia radiantă, transformată în căldură în placa absorbantă, are trei componente principale:

căldura utilă, extrasă din captator de către un fluid care se încălzeşte; căldura înmagazinată în materialele componente ale captatorului; căldura pierdută către mediul ambiant.În cazul funcţionării captatorului în regim termic constant, energia

acumulată în materialele componente rămâne constantă şi poate fi omisă din bilanţul energetic al captatorului. Pierderile de căldură din captator au loc prin toată suprafaţa sa exterioară; dată fiind însă structura diferită pe cele trei axe de coordonate, procesele de transfer termic implicate au pondere diferită pe aceste direcţii. Pe partea superioară (iluminată) predomină transferul de căldură prinradiaţie şi convecţie, iar pe părţile inferioară şi laterale, predomină transferul de căldură prin conducţie, deoarece izolaţia termică (din materiale în stare solidă) nu permite realizarea convecţiei, iar temperatura carcasei fiind apropiată de aceea a atmosferei, radiaţia este foarte slabă.

Eficienţa termică a captatorului poate fi definită ca raportul dintre cantitatea de căldură extrasă din captator de fluidul termic şi cantitatea de căldură

Placa absorbantă

Sticlă

DA

D

D(1-A)

D(1-A)Rd

DA (1-A)Rd

D(1-A)2Rd

D(1-A)2Rd2

DA (1-A)2Rd2

D(1-A)3Rd2

Fig. 2.17 Energia preluată de placa absorbantă

Energia solară 43

dezvoltată în placa absorbantă. Pentru analiza teoretică, se poate dovedi mai accesibil calculul pierderilor de căldură din captator, astfel încât randamentul termic se poate exprima

opti

pi

opti

ut W

Q

W

Q

1 , (2-23)

unde Wi este energia radiantă care revine suprafeţei superioare a captatorului.Pierderile de căldură din captator pot fi exprimate prin

aptpi ttSKQ , (2-24)

unde Kt este coeficientul total al pierderilor de căldură, S este suprafaţa captatorului, tp este temperatura plăcii absorbante, iar ta este temperatura atmosferei. Coeficientul total al pierderilor de căldură este suma componentelor datorate proceselor de radiaţie, convecţie şi conducţie.

Transferul de căldură prin radiaţie între două suprafeţe plane, paralele, aflate la temperaturile diferite t2 şi t2 , pe o unitate de suprafaţă se determină, teoretic, cu relaţia:

,

111

21

42

41

2112

TTttq C (2-25)

în care αC este factorul de transmisie prin convecţie, a cărui mărime depinde de materialul şi starea suprafeţelor, de natura gazului dintre acestea. σ este constanta Stefan-Boltzmann (5,67.10-8 W/m2K4), iar ε1 şi ε2 sunt factorii energetici de emisie prin radiaţie ai celor două suprafeţe, de asemenea constante de material. Pierderea de căldură prin radiaţie creşte proporţional cu puterea a 4-a a temperaturii plăcii absorbante, ceea ce face ca ponderea ei să crească rapid cu temperatura.

Pierderile prin conducţie se calculează cu relaţia

apiz

izcond ttq

, (2-26)

în care λiz este coeficientul de conducţie termică a materialului termoizolant, iar δiz

este grosimea izolaţiei.Utilizarea relaţiei (2-24) pentru calculul pierderilor prin convecţie şi

radiaţie necesită pe de o parte cunoaşterea temperaturilor straturilor transparente, iar pe de altă parte trebuie să se ţină seama de deosebirea dintre ipoteza teoretică a plăcilor paralele şi de dimensiuni infinite şi structura reală a captatorului. Calculul prin modelare asistată de calculator poate fi substituit, cu suficientă precizie pentru aplicaţii, cu utilizarea unor relaţii de calcul empirice sau a unor nomograme trasate pe baza acestor relaţii de calcul.


2.3.4. Randamentul captatorului plan

Pentru calculul randamentului captatorului plan, se definesc următoarele cantităţi de energie:

- Energia radiantă incidentă pe suprafaţa expusă radiaţiei solare

ESfWi , (2-27)

în care E este densitatea de putere a radiaţiei solare, S este suprafaţa captatorului, iar f este factorul de orientare. Factorul de orientare se determină cu relaţia:

1cosf , (2-28)

unde θ1 este unghiul de incidenţă a razelor solare la suprafaţa captatorului.- Energia radiantă preluată de placa absorbantă şi transformată integral în

căldură:

optt ESfW , (2-29)

- Pierderile de energie radiantă în sistemul optic: ESfW optp 11 , (2-30)

- Pierderile de căldură din captator: aptp ttSKW 2 , (2-31)

Utilizând aceste cantităţi de energie, se pot defini:- Randamentul intern (termic)

opt

apt

t

pi Ef

ttK

W

W

11 2 , (2-32)

- Randamentul global

Ef

ttK

W

WW aptopt

i

ppg

211 , (2-33)

Se poate observa că ηg = ηi ηopt, datorită faptului că energia incidentă parcurge succesiv procesele optice şi procesele termice. Randamentul captatorului depinde de mai mulţi factori: gradul de insolaţie, orientare, proprietăţi optice şi termice, temperatura plăcii absorbante, temperatura mediului ambiant, etc.

Pentru un captator realizat din materiale de bună calitate, având două straturi transparente la partea superioară, exploatat în condiţii normale privind temperatura plăcii absorbante, valorile medii ale pierderilor de energie, raportate la energia incidentă, sunt orientativ:

- pierderi optice în două straturi de sticlă, prin reflexie 2 x 4% = 8%, prin absorbţie 2 x 3,5% = 7%,

pierderi termice,

Energia solară 45

prin convecţie pe partea superioară 17%,prin radiaţie pe partea superioară 12%,prin conducţie(pe părţile laterală si inferioară) 3%.

Rezultă un total de 47% pierderi, respectiv un randament de 53%. Această valoare întrece de 3-4 ori randamentul fotocelulelor disponibile comercial, ceea ce explică răspândirea mai largă a sistemelor termice solare în raport cu acelea fotoelectrice.

Un aspect de mare importanţă practică este variaţia randamentului captatorului în funcţie de temperatura plăcii absorbante (fig.2.18).

Datorită componentei de pierderi prin radiaţie, randamentul scade nelinear la creşterea temperaturii plăcii absorbante, până la atingerea temperaturii tm la care randamentul devine nul. În această situaţie, energia solară care revine captatorului acoperă numai pierderile de căldură, iar energia utilă lipseşte. O astfel de situaţie poate apărea la întreruperea circulaţiei fluidului care extrage căldura din captator. În cazul sistemelor cu circulaţie forţată, defectarea pompei sau întreruperea alimentării cu curent electric pot cauza lipsa fluidului de răcire; la toate tipurile de instalaţii, pierderile de fluid termic prin ruperea conductelor are aceleaşi consecinţe.

Cunoaşterea temperaturii tm este necesară din faza de proiectare a captatorului pentru a putea asigura suportarea unui astfel de regim fără deteriorare. Atât alegerea materialelor componente, cât şi a tehnologiei de asamblare trebuie să şină seama de această temperatură extremă.

Un exemplu de captator plan utilizat în instalaţii de preparare a apei calde este dat în fig.2.19.

ηopt

Fig.2.18 Randamentul captatorului în funcţie de temperatura plăcii absorbante


2.3.5. Captatorul cilindric

Captatorul cilindric (fig.2.20), constă dintr-un tub metalic având suprafaţa tratată ca o placă absorbantă, (prin tub circulând agentul termic), înconjurat de un alt tub, transparent, din sticlă sau material plastic. Această variantă constructivă prezintă mai multe avantaje, în raport cu captatorul plan:

cerinţe mult mai reduse cu privire la orientarea după soare, deoarece, pe toată durata zilei unghiul de incidenţă pe suprafaţa absorbantă este acelaşi; se pot aplica măsuri constructive de reducere a pierderilor de căldură prin

convecţie si conducţie (vacuum în spaţiul dintre tuburi), rezultând o însemnată creştere a randamentului.

Carcasă din aluminiu

Sticlă

Tuburi de cupru

Izolaţie termică

Fig. 2.19 Captator plan

Placa absorbantă

Fig. 2.20 Captorul cilindric

Energia solară 47

Întrucât diametrele tuburilor interioare nu pot fi prea mari, datorită creşterii volumului de fluid de răcire, aşezând alăturat mai multe tuburi pe un suport plan, se pot obţine suprafeţe de captare mari. Utilizarea radiaţiei solare care trece printre tuburile interioare se poate face folosind acoperiri reflectante, depuse pe partea interioară a tuburilor transparente. O altă soluţie este ataşarea unei plăci absorbante fiecărui tub receptor.

Elementele cilindrice care formează un captator sunt conectate în paralel. Dacă această conexiune se realizează la o singură extremitate a captatorului, tubul absorbant are o construcţie coaxială pentru circulaţia fluidului rece prin tubul interior şi a fluidului încălzit prin tubul exterior.

O variantă recentă de construcţie a captatorului cilindric este utilizarea tuburilor termice pentru colectarea energiei solare. În acest caz agentul termic nu mai circulă prin elementele cilindrice şi doar preia căldura de la capătul cald al tubului termic.

Fig.2.21Captatoare cilindrice secţionate


Avantajele captatoarelor cilindrice au condus la creşterea utilizării acestui tip, depăşind cererea de captatoare plane. Exemple de captatoare cilindrice sunt date în fig.2.21.

2.3.6. Captatoare cu concentrator

Prin intercalarea între razele soarelui şi receptorul captatorului a unui sistem optic, care poate concentra radiaţia incidentă folosind fenomenele de reflexie sau de refracţie, densitatea puterii radiante pe suprafaţa absorbantă poate fi crescută, ceea ce permite obţinerea unei temperaturi mult mai mari a fluidului termic în raport cu captatoarele fără concentrator. În această situaţie, cerinţele referitoare la calitatea materialelor folosite pentru construcţia receptorului sunt mult mai mari decât la captatoarele fără concentrator plan; de asemenea construcţia propriu-zisă este mai pretenţioasă.

Cu cât factorul de concentrare este mai ridicat, cu atât orientarea precisă spre soare este mai importantă pentru menţinerea regimului de funcţionare prevăzut ca şi a eficientei economice a instalaţiei de conversie. Orientarea, realizându-se cu ajutorul unor sisteme automate, implică atât tehnologie mai avansată cât şi consum de energie permanent pe durata funcţionării.

Variantele constructive de captatoare cu concentrator sunt numeroase, iar factorul de concentrare a radiaţiei poate lua valori de la ordinul unităţilor până la ordinul miilor. Clasificarea acestor tipuri de captatoare se poate realiza folosind mai multe criterii:a) Principiul fizic al concentrării: - concentrare prin reflexie, cu ajutorul oglinzilor; - concentrare prin refracţie cu ajutorul lentilelor.b) Geometria sistemului optic de concentrare: - suprafeţe generate prin rotaţie (sferice, parabolice, elipsoidale); - suprafeţe generate prin translaţie (cilindri parabolici, circulari, elipsoidali); - suprafeţe compuse din mai multe elemente mici, sisteme cu dublă reflexie etc.c) Forma zonei iluminate pe suprafaţa receptorului - focalizare punctuală; - focalizare liniară; - fără focar definit.e) Modul de orientare: - poziţie fixă (fără orientare); - orientare prin mişcare cu un grad de libertate; - orientare prin mişcare cu două grade de libertate.f) Mobilitatea părţilor componente:

- captatoare cu sistemul de concentrare fix- captatoare cu sistemul de concentrare mobil.

Câteva variante constructive sunt prezentate în continuare.

Energia solară 49

2.3.6.1. Captator plan asociat cu oglinziPrin adăugarea unor oglinzi, se poate mări aportul de energie radiantă pe

suprafaţa captatorului cu contribuţia acestora. Se pot utiliza oglinzi plane montate în diferite variante (fig.2.22).

Poziţiile oglinzilor laterale în raport cu suprafaţa receptorului sunt, în general fixe, dar poziţia lor ar putea fi modificată prin rotaţie în jurul unei articulaţii. Pe suprafaţa absorbantă ajung radiaţia totală corespunzătoare suprafeţei sale, dar şi radiaţia reflectată de oglinzi. Aportul acestor oglinzi depinde de poziţia soarelui pe cer. Pentru o anumită gamă de unghiuri de incidenţă, întreaga energie reflectată de oglinzi revine receptorului; pentru o altă gamă de unghiuri de incidenţă energia reflectară ajunge numai parţial la receptor, iar pentru restul poziţiilor soarelui pe cer, energia reflectată nu mai ajunge la receptor. Ca urmare, mărimea factorului de concentrare este variabilă atât pe durata zilei cât şi, dar în mai mică măsură, de la o zi la alta. Valoarea maximă a factorului de concentrare depinde de mărimea suprafeţei oglinzilor şi de poziţiile acestora, dar uzual se încadrează în gama 1-6.

2.3.6.2. Captatorul dublu parabolicAcest captator este realizat prin adăugarea unor oglinzi de tip cilindro-

parabolic (P1 şi P2) unui captator plan (BD) (fig.2.23). Aceste oglinzi sunt segmente de suprafeţe parabolice de translaţie, ale căror axe sunt înclinate, faţă de axul de simetrie a ansamblului, cu unghiuri egale, θ, şi sunt astfel dispuse încâtfocarul parabolei P1 se află în punctul B, iar focarul parabolei P2 se află în punctul D. Cunoscând proprietatea suprafeţei parabolice de a reflecta razele paralele cu axul prin focar, rezultă că, pentru fiecare dintre oglinzi, dacă razele sosesc sub unghiul θ faţă de axul captatorului (respectiv paralele cu axele parabolelor) ele vor fi reflectate la marginea opusă a receptorului. Pentru unghiuri de incidenţă faţă de axul captatorului, mai mici decât θ, toată radiaţia incidentă pe oglinzi va fi dirijatăpe suprafaţa receptorului. Pentru unghiuri mai mari, ele vor fi reflectate pe oglinda opusă, de unde sunt retrimise în spaţiu. Corespunzător acestui unghi θ faţă de ax, captatorul poate utiliza, fix fiind, radiaţia solară dintr-un interval între 5 şi 7 ore zilnic până la întreaga durată a zilei lumină (la echinocţiu).

Fig. 2.22 Captatoare plane cu oglinzi laterale


Factorul de concentrare geometrică este egal cu raportul dintre deschiderea oglinzii şi lăţimea receptorului:

sin

1C , (2-34)

putând lua valori între 2 si 10.

2.3.6.3. Captatorul cu concentrator sferic şi receptor mobil Principiul de funcţionare constă în faptul ca o oglindă de forma unei calote

sferice are proprietatea de a reflecta radiaţia solară către un focar liniar, paralel cu razele soarelui şi care trece prin centrul oglinzii. Rezultă că, oglinda rămânând fixă, receptorul trebuie să aibă o mişcare cu două grade de libertate pentru a putea fi orientat pe direcţia soarelui, rămânând mereu în focarul oglinzii. Această mişcare necesită mijloace mai simple şi consum de energie mai redus decât ar fi necesar pentru orientarea oglinzii.

O asemenea oglindă având deschiderea unghiulară de 1200 şi un receptor cu lungimea egală cu jumătate din raza oglinzii, poate avea, teoretic, un factor de

Fig. 2.23 Captatorul dublu parabolic

Fig. 2.24 Captatorul sferic cu receptor mobil

Energia solară 51

concentrare geometrica 187. Practic, se poate obţine doar cca. 1/5 din aceastăvaloare, datorită impreciziei geometrice şi a pierderilor prin reflexie.

2.3.6.4. Captatorul parabolic Oglinzile parabolice se pot obţine fie prin rotaţia unei parabole în jurul

axului, fie prin translaţia parabolei de-a lungul unei drepte. O astfel de oglindă foloseşte proprietatea optică a parabolei, consecinţă a definiţiei sale ca loc geometric, de a reflecta razele incidente paralele cu axul oglinzii către un punct fix, focarul.

Se consideră secţiunea diametrală printr-o oglindă parabolică cu simetrie de rotaţie, (fig.2.25,a), având axa de simetrie orientată direct către soare. De pe pământ, discul solar se vede sub un unghi de 32'. Cele două raze extreme, care cad în vârful oglinzii (punctul A) se reflectă păstrând unghiul de 32' între ele, astfel că în focarul oglinzii (punctul F) se obţine o imagine circulară a soarelui, având diametrul df. Conul de raze de lumină care revine unui punct B, după reflexie, va intersecta planul focal după o elipsă având axa mare d (d>df), cu atât mai mare cu cât unghiul θ este mai mare. Luând în considerare toate punctele de pe oglindăaflate la distanţa unghiulară θ de vârful acesteia, prin suprapunerea elipselor corespunzătoare, imaginea obţinută în planul focal va fi circulară, având diametrul d. Este evident că diametrul receptorului, instalat în focar, trebuie să fie mult mai mic decât diametrul oglinzii, pentru a nu umbri în mod substanţial suprafaţa acesteia. Deoarece, cu cât unghiul θ este mai mare diametrul imaginii focale se măreşte, iar puterea reflectată de pe oglindă se va repartiza pe o suprafaţă cu atât mai mare în planul focal, cu cât provine de la puncte mai îndepărtate de vârful acesteia. Ca urmare, densitatea de putere va scădea pe suprafaţa receptorului de la centru către margine. Teoretic, această densitate variază ca în fig.2.25,b curba 1,

fiind constantă în cercul cu diametrul dF si descrescătoare către margine. Practic, datorită imperfecţiunii geometrice, se obţine o variaţie conform curbei 2.

Diametrul receptorului se alege conform destinaţiei captatorului şi poate fi:- obţinerea unei temperaturi cât mai ridicate în receptor (cuptor solar);

a) b)Fig. 2.25 Oglinda parabolicăa) principiul de funcţionare;

b) densitatea de putere pe receptor


- utilizarea completă a energiei reflectate de către oglindă (utilizare energetică).În primul caz, diametrul receptorului se alege egal cu df, diametrul zonei cu

densitatea maximă de putere. În al doilea caz, interesează mai ales eficienţa captării energiei. Din acest motiv, suprafaţa receptorului are diametrul d, corespunzător deschiderii θ a oglinzii, pentru a capta toată energia reflectată de pe aceasta.

Factorul de concentrare geometrică se defineşte:

2

d

DC , (2-35)

unde D este diametrul oglinzii având deschiderea θ.Analizând geometria procesului de reflexie a radiaţiei solare de pe oglinda

parabolică, cu luarea în considerare a unghiului de 32 minute de arc sub care se vede discul solar de la distanţa soare-pământ, se obţine expresia factorului de concentrare:

22

'162

2sin

'16

cossin

tgtgC

. (2-36)

Valoarea maximă a factorului de concentrare se atinge pentru θ = 450:

11525'164

12max

tgC . (2-37)

În practică, datorită imperfecţiunilor geometrice macroscopice si microscopice ale oglinzii, imaginea soarelui este reflectată sub un unghi mai mare de 32'. Astfel diametrul petei focale va fi mai mare, iar mărimea optimă a unghiului de deschidere al oglinzii ar fi θ = 600, căreia îi corespunde valoarea Cmax=8655. Tehnologiile actuale de realizare a suprafeţelor curbe permit obţinerea numai a unui factor de concentrare de 4-5 ori mai mic.

Acest tip de captator este mai puţin folosit în forma arătată anterior, deoarece este foarte dificil şi costisitor de a construi astfel de oglinzi de mari dimensiuni. Oglinzile parabolice de rotaţie mari se realizează prin aşezarea unor oglinzi mai mici, plane sau curbe, pe un suport de forma parabolică. Desigur, în acest caz factorul de concentrare va fi substanţial mai redus.

În cazul captatorului cilindro-parabolic, formarea imaginii luminoase în planul focal şi variaţia densităţii de putere urmează acelaşi raţionament ca şi pentruparaboloidul de rotaţie. Datorita formei cilindrice a suprafeţei reflectante, imaginea din planul focal va avea forma dreptunghiulară cu lungimea egală cu aceea a oglinzii. Factorul de concentrare geometrică are expresia:

d

DC , (2-38)

având valoarea maximă Cmax ≈ 107.

Energia solară 53

2.3.7. Orientarea captatoarelor solare

Într-un punct dat de pe suprafaţa pământului, la un moment dat, poziţia

soarelui poate fi descrisă prin două coordonate unghiulare. Aşadar, pentru a urmări poziţia soarelui pe cer, mişcarea captatorului trebuie să aibă două grade delibertate, corespunzătoare sistemului de coordonate ales. Printre sistemele de coordonate cel mai frecvent utilizate în acest scop, se numără sistemul ecuatorial şi sistemul azimutal.

Sistemul ecuatorial. În acest caz una dintre axele de coordonate este perpendiculară pe planul orbitei terestre, deci înclinată faţă de planul orizontal cuunghiul φ±δ, unde φ reprezintă latitudinea locală, iar δ reprezintă declinaţia axei terestre. Cealaltă axă este perpendiculară pe prima şi paralelă cu planul orizontallocal (fig. 2.26). Astfel unghiul primei axe faţă de planul orizontal local este egal cu latitudinea locului la cele două echinocţii, este minim la solstiţiul de vară şi este maxim la solstiţiul de iarnă. Mişcarea de orientare în jurul primei axe are loc cu viteza unghiulară (constantă) de rotaţie a planetei în jurul axei sale, 360/24 gradepe oră. Orientarea în jurul celeilalte axe urmăreşte variaţia înclinării axei terestre faţă de planul orbital, care se modifică într-un an cu ±23,5 grade, deci puţin semnificativ pe durata unei zile, astfel că această mişcare se poate executa în trepte mici la intervale mai mari, de exemplu săptămânal.

Avantajul principal al sistemului ecuatorial constă în viteza constantă de rotaţie în jurul unei axe, ceea ce ar elimina necesitatea unui sistem automat de orientare; apar însă dificultăţi de realizare practică a axei de rotaţie înclinate.

Sistemul azimutal are axele de orientare verticală şi, respectiv, orizontalăîn raport cu planul orizontal local. Orientarea captatorului urmăreşte soarele dupăunghiul azimut (unghiul, în plan orizontal dintre direcţiile nord şi către centrul discului solar) şi respectiv înălţimea unghiulară a soarelui faţă de orizont. Ambele mişcări de orientare sunt nelineare pe durata zilei lumină, rezultând viteze unghiulare variabile în jurul celor două axe. Acest dezavantaj poate fi compensat prin utilizarea unui sistem automat de orientare.

φ

φ φ-δ

φ

δ

N

S

N

S

EE

Fig. 2.26 Orientarea ecuatorială


Orientarea automată a captatoarelor solare se poate realiza în mai multe moduri. În principiu, posibilităţile se pot grupa în două categorii: - orientare printr-un sistem de urmărire; - orientare printr-un sistem de prescriere a poziţiei.

Primul sistem necesită folosirea unui senzor de urmărire a poziţiei soarelui pe cer, care să furnizeze cele două coordonate unghiulare necesare orientării. Aceste coordonate se transmit sistemelor de acţionare ale fiecărui captator care trebuie orientat. Sistemul nu poate funcţiona noaptea sau pe timp noros. Cu ajutorul unui singur traductor se pot orienta mai multe captatoare apropiate.

A doua posibilitate se realizează prin calculul, la intervale egale de timp, apoziţiei corecte a captatorului folosind ecuaţia mişcării aparente a soarelui pe cer, cu ajutorul unui calculator. Coordonatele rezultate, comparate cu poziţia reală a captatorului, determina mişcarea de orientare până la coincidenţa coordonatelor. Un asemenea sistem, având mare putere de calcul, poate ţine seama şi de poziţia unui număr mare de captatoare în raport cu un sistem de referinţă. De asemenea, funcţionarea lui nu este influenţată de gradul de acoperire al cerului sau de întuneric. Acest procedeu necesită însă o mare precizie la amplasarea captatoarelor în raport cu sistemul de referinţă.

2.3.8. Utilizarea energiei termice din sursa solară

Sistemele de captare şi de conversie a energiei solare în energie termică pot furniza agenţi termici (lichide sau gaze) având temperaturi între câteva zeci şi câteva mii de grade. Domeniile principale de utilizare a acestei energii sunt: - prepararea apei calde pentru folosinţă menajeră, sanitară şi pentru procese industriale (de ex. în industria alimentară); - încălzirea spaţiilor de locuit sau de lucru, folosind apă caldă sau aer cald; - uscarea unor produse vegetale şi a unor materiale (lemn, nisip etc.); - producerea frigului în instalaţii pentru climatizarea locuinţelor sau pentru conservarea alimentelor şi a apei potabile; - prepararea apei potabile prin desalinizarea apelor freatice sau a apei mării; - producerea energiei electrice prin procedeul termodinamic; - prelucrarea unor materiale la temperaturi foarte înalte şi în condiţii de mare puritate.

Ordinea enumerării a acestor utilizări coincide practic cu ordinea ponderii lor în cadrul aplicaţiilor termice ale energeticii solare în prezent.

Oricare ar fi modul de utilizare a energiei termice din sursă solară, instalaţia folosită trebuie să realizeze o corelare între disponibilitatea energiei solare şi graficul de sarcină al consumatorului. În vederea realizării acestei corelări, instalaţiile cuprind unele componente obligatorii: - sistemul de captatori solari; - acumulatorul de energie termică; - sursa auxiliară de energie.

Energia solară 55

Acumulatorul de căldură poate suplini lipsa radiaţiei solare pe durată limitată (de exemplu pe timpul nopţii), dar mai multe zile cu cer noros necesită recurgerea la o sursă auxiliară de energie.

2.3.8.1. Instalaţie de preparare a apei calde cu circulaţie forţatăSchema de principiu a unei astfel de instalaţii este dată în fig.2.27. Sunt

folosite două circuite hidraulice conectate printr-un schimbător de căldură de suprafaţă, care poate îndeplini şi funcţia de acumulator de căldură. În circuitul primar se poate folosi un fluid antigel pentru menţinerea funcţionării şi pe timp de iarnă. Este necesară prezenţa unui regulator automat de temperatură, care permite funcţionarea pompei din circuitul primar numai dacă temperatura în captator este mai mare decât în acumulator, prevenind astfel atât consumul inutil de electricitate, dar mai ales disiparea căldurii acumulate prin transformarea captatoarelor în radiatoare. Sursa auxiliară de căldură se instalează pe racordul către consumator, putând fi un boiler electric sau cu gaz natural, iar în cazul sistemelor mari, poate fi un racord de la instalaţiile de termoficare existente. Astfel de instalaţii se pot realiza pentru o gamă largă de consum termic, folosind un număr adecvat de captatoare conectate în paralel.

Cel mai frecvent sunt folosite captatoare fără concentrator, fiind mai ieftine. Dimensionarea optimă a instalaţiei de încălzire solară depinde de: volumul de investiţii necesar, costul energiei clasice înlocuite, condiţiile climatice, disponibilul de energie solară. Dacă instalaţia este destinată funcţionării în tot timpul anului, pentru obţinerea unui randament anual maxim se recomandă orientarea captatoarelor spre Sud şi înclinare faţă de planul orizontal cu un unghi de (0,9-1)φ. În cazul funcţionării numai în sezonul cald, se prefera orientarea Sud -Sudvest şi poziţionarea captatoarelor la un unghi φ-(10-15) grade.

2.3.8.2. Instalaţie de încălzire cu aer cald în sistem activ Schema de principiu a unei astfel de instalaţii este dată în fig. 2.28.

Deoarece temperatura aerului la ieşirea din captator este mai redusă decât în cazul încălzirii apei, se va utiliza pentru stocare un procedeu de tip regenerativ, reducând astfel căderea de temperatură specifică unui schimbător de suprafaţă. Conductele

Fig. 2.27 Instalaţie termică cu circulaţie forţată

RAT

Sursa auxiliarăC

onsu

mat

or


de intrare-ieşire din acumulator fiind comune pentru ambele circuite, acestea nu pot funcţiona simultan.

Din acest motiv este introdus ventilul cu trei racorduri (T), care are trei poziţii de funcţionare: - poziţia 1 pentru alimentarea consumatorului direct din captator; - poziţia 2 pentru stocarea energiei termice în acumulator;

- poziţia 3 pentru alimentarea consumatorului numai din acumulator.Filtrul prevăzut pe conducta de evacuare a aerului cald din încăpere

serveşte la reţinerea prafului, care s-ar putea depune atât în captator cât şi în unitatea de stocare, înrăutăţind transferul de căldură. Dacă sistemul nu recirculă aerul din încăpere, filtrul de montează pe conducta de admisie din atmosferă.

2.4. Centrale electrice solare

Căldura obţinută din energie solară la temperatură suficient de înaltă poate fi folosită pentru generarea energiei electrice printr-un ciclu termodinamic apă-abur asemănător aceluia din termocentralele pe combustibili fosili. Modul de realizare a părţii solare a centralei are influenţă directă asupra schemei termice ca şi asupra puterii termocentralei.

2.4.1. Centrala solară cu câmp de captatoare

În acest caz (fig.2.29), conversia energiei solare în energie termică, are loc în captatoarele cu concentrare (de obicei cilindro-parabolice) care ocupă o suprafaţă de teren adecvat, iar agentul termic primar este folosit pentru vaporizarea apei într-un generator de abur. În circuitul secundar sunt incluse componentele unui ciclu termodinamic clasic: turbină + generator electric, condensator, pompe, etc.

Fig. 2.28 Instalaţie de încălzire cu aer

Sursa auxiliară

Con

sum

ator

FA

cum

ulat

or d

e că

ldur

ă re

gene

rati

v

Energia solară 57

Dacă se utilizează captatoare cu focalizare, temperatura agentului termic primar fiind ridicată, acesta trebuie să aibă punct ridicat de vaporizare (ulei mineral), iar în circuitul secundar se poate obţine abur saturat.

Puterea instalată a centralelor cu câmp de captatoare concentrator poate atinge şi nivelul de 1000 kW.

Peste această valoare, numărul de captatoare şi suprafaţa de teren ocupată devin prea mari astfel că lungimea conductelor prin care circulă agentul termic primar creşte mult ca şi mărimea pierderilor de căldură pe aceste trasee.

Un exemplu de ansamblu de captatoare cu concentrare pentru o centrală termică solară este dat în fig. 2.30.

Fig. 2.30 Termocentrală cu câmp de captatoare

Fig. 2.29 Centrală electrică solară cu câmp de captatoare


2.4.2. Centrale solare cu câmp de heliostate

Pentru puteri instalate mari (>1MW), se recurge la un sistem de concentrare format din numeroase oglinzi, care trimit energia reflectată pe acelaşi receptor realizând astfel un factor de concentrare foarte mare (fig.2.31). În circuitul primar al energiei se pot produce numai pierderi optice la suprafaţa oglinzilor (heliostate). În circuitul secundar, în care foloseşte apă/ aburi ca agent termic, parametrii termodinamici pot atinge ordinul de mărime obişnuit pentru centralele electrice convenţionale.

Există realizări de centrale pilot industrial de acest fel cu puteri de până la 10 MW (fig. 2.32).

Fig. 2.31 Termocentrală cu câmp de heliostate

Fig. 2.32 Centrală solară cu câmp de heliostate, 10 MW

-cap. 2 energia solara

Documents