energii-regenerabile

5/14/2018 energii-regenerabile - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/energii-regenerabile 1/121

1

CUPRINS

1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE ...................................................................................... 3

1.1. Consideraţii generale ............................................................................................. 3

1.1.1. Generalităţi privind energia........................................................................... 3

1.1.2. Condiţii energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile 4

1.1.3. Câteva tipuri de energii regenerabile şi folosirea acestora în România .... 9

1.2. Energiile regenerabile şi încălzirea clădirilor ................................................... 20

1.2.1. Noţiuni de eficienţă termică a clădirilor ..................................................... 20

1.2.2. Case pasive energetic .................................................................................... 23

1.2.3. Sisteme de încălzire cu energie regenerabilă .............................................. 271.2.4. Importanţa acumulării energiei termice..................................................... 29

2. ENERGIA SOLARĂ .................................................................................................. 31

2.1. Particularităţi ale energiei solare ....................................................................... 31

2.1.1. Consideraţii privind radiaţia solară............................................................ 31

2.1.2. Compoziţia spectrală a radiaţiei solare....................................................... 36

2.1.3. Captarea radiaţiei solare .............................................................................. 37

2.2. Construcţia captatorilor solari ........................................................................... 41

2.2.1. Colectori plani ............................................................................................... 41

2.2.2. Colectori cu tuburi vidate ............................................................................ 42

2.2.3. Colectori cu tuburi termice .......................................................................... 45

2.3. Randamentul colectorilor solari ......................................................................... 47

2.4. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari................................................... 52

2.4.1. Caracterul variabil al radiaţiei solare ......................................................... 52

2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari............................................ 53

2.4.3. Concluzii ........................................................................................................ 602.5. Monitorizarea intensităţii radiaţiei solare ......................................................... 62

2.5.1. Noţiuni introductive...................................................................................... 62

2.5.2. Senzori............................................................................................................ 62

2.5.3. Rezultate ........................................................................................................ 69



2

3. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ ...................... 76

3.1. Efectul fotovoltaic ................................................................................................ 76

3.2. Caracteristici ale celulelor fotovoltaice .............................................................. 82

3.3. Tipuri de celule fotovoltaice ................................................................................ 84

3.4. Noi tendinţe în fabricaţia celulelor fotovoltaice ................................................ 86

3.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efect fotovoltaic .......... 87

3.5.1. Sistem pentru producerea şi utilizarea curentului continuu .................... 87

3.5.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu şi alternativ88

5.5.3. Sistem fotovoltaic hibrid............................................................................... 89

3.5.4. Sistem fotovoltaic racordat la reţea............................................................. 90

4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ..................... 91

4.1. Principiul de funcţionare al turbinelor eoliene ................................................. 914.2. Clasificarea turbinelor eoliene............................................................................ 92

4.3. Părţile componente ale turbinei eoliene ............................................................. 94

4.4. Aerodinamica turbinelor eoliene ...................................................................... 104

4.4.1. Lucrul mecanic, energia cinetică şi puterea vântului .............................. 104

4.4.2. Noţiuni introductive de aerodinamică ...................................................... 107

4.4.3. Aerodinamica biciclistului.......................................................................... 108

4.4.4. Aerodinamica paletei turbinei ................................................................... 1106.4.5. Portanţa ....................................................................................................... 112

4.4.6. Modificarea forţelor în lungul paletei ....................................................... 115

4.4.7. Geometria profilului paletei ....................................................................... 117

4.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute din energie eoliană ........... 118

4.5.1. Sistem pentru utilizarea casnică a energiei electrice eoliene .................. 118

4.5.2. Sistem pentru pomparea apei cu ajutorul unei turbine eoliene ............. 118

4.5.3. Sisteme eoliene hibride pentru producerea energiei electrice ................ 119



3

1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1. Consideraţii generale

1.1.1. Generalităţi privind energia

Energia , este definită în Dicţionarul Explicativ al Limbii Române, în literatura despecialitate din ţară şi din străinătate, ca şi pe numeroase site-uri web, în diverse limbi decirculaţie internaţională, ca fiind capacitatea unui sistem fizic de a produce lucrumecanic. Uneori se menţionează în definiţia energiei şi capacitatea unui sistem fizic de a

produce căldură. Cu toate acestea, noţiunea de energie este mult mai complexă, fiindevident, asociată şi cu alte sisteme în afară de cele fizice şi anume sisteme biologice,chimice, etc. Unele menţiuni din literatura tehnică de specialitate, consideră că energia

este implicată în toate procesele care presupun orice fel de schimbare sau transformare, fiind responsabilă de producerea acestor schimbări sau modificări. Se poate considerachiar că material în sine, reprezintă o formă “condensată” de energie, iar această energieeste înmagazinată în atomii şi moleculele din care este alcătuită materia.

Legătura dintre cele două forme de manifestare, energia şi materia, estereprezentată de celebra ecuaţie a lui Albert Einstein:

E = m · c2 unde:- E este energia;- M este masa;

- c este viteza luminii.Este demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriaşă de energie, conţinută

în atomi şi molecule poate fi eliberată şi utilizată în diverse scopuri, iar în urmadesfăşurării acestor procese, materia utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformăriconsiderabile. Două dintre cele mai reprezentative exemple ale acestor genuri detransformări sunt producerea energiei electrice prin fisiune nucleară, respectiv exploziafocoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări ale materiei în cantităţiuriaşe de energie.

În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate încontinuare, pot fi întâlnite mai multe forme de energie şi numeroase tipuri de

transformare a energiei dintr-o formă în alta.

Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiiledisponibile, sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri deasemenea combustibili fiind petrolul şi produsele obţinute din acesta, gazele naturale şicărbunii.

Disponibilităţile energetice actuale se pot împărţi în două categorii şi anumerezerve energetice şi resurse energetice.

Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate încondiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente.



4

Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care însă nu pot fiexploatate în condiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar carear putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creşterii preţului energiei.

În prezent, cca. 85…90% din energia consumată anual pe Pământ, este produsă

prin arderea combustibililor fosili.În anul 2030, se estimează că din punct de vedere al sursei utilizate, structura producţiei energetice va fi aproximativ următoarea:- 75…85% din arderea combustibililor convenţionali;- 10…20% din fisiune nucleară;- 3…5% din energie hidraulică;- cca. 3% din energie solară şi eoliană.

În anul 1975, producţia energetică mondială a fost de cca. 8,5 TWan/an, iar în prezent nivelul producţiei energetice este de cca. 10 TWan/an. Pentru anul 2030, ţinândseama de ritmul creşterii populaţiei, se estimează că producţia de energie va ajunge la 22

TWan/an şi ţinând seama de ritmul creşterii economice, se va ajunge la 36 TWan/an. Dinaceste valori, energia electrică reprezintă doar cca. 18…20%, un procent mult mai marefiind reprezentat de energia termică.

Din punct de vedere dimensional, 1 TWan = 1·1012 Wan

1.1.2. Condiţii energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăţi umane, din ultimulsecol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa totmai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni.

Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe planinternaţional au fost create numeroase organizaţii pentru studierea fenomenelor legate deevoluţia consumurilor şi rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasăorganizaţie de acest tip este The Association For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO)

Asociaţia pentru Studiul Deficitului de Petrol şi Gaze Naturale. Această asociaţie seautodefineşte ca fiind o reţea de oameni de ştiinţă şi alte categorii de persoane, interesaţide identificarea informaţiilor şi impactului produs de deficitul petrolului şi gazelor naturale.

ASPO defineşte deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferenţa dintre cantitateade petrol extrasă (producţia) şi cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definitdeficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunţă că prin măsuri de

reducere a consumurilor, respectiv a producţiei, nivelul deficitul de petrol înregistrat înanul 2004 mai poate fi menţinut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar esteiminentă o criză ireversibilă a petrolului şi a gazelor naturale.

Deficitul de petrol este sugestiv prezentat în figura 1.1, conform datelor publicatede ASPO în anul 2004.



5

Fig. 1.1. Evoluţia producţiei de petrol şi a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004.www.peakoil.net

Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10noiembrie 2005 ASPO a anunţat că în Kuweit, după şase decenii de exploatare intensivă,cel mai important câmp petrolier din această ţară şi al doilea din lume, a început să deasemne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le conţine. Acest fapt a fostrecunoscut şi de Kuweit, în martie 2006.

Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcământ al lumii, s-a

impus reducerea producţiei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit abandonata o tentativa de a stabili nivelul producţiei la 1,9milioane de barili pe zi, nivel al producţiei care s-a dovedit a fi prea ridicat.

Datorită existenţei actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată oreducere constantă a producţiei de petrol, începând cu anul 2010, aşa cum este indicat înfigura 1.2. Creşterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prinfaptul că este necesar să treacă o perioadă de timp până când în economie, se vor putealua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.



6

Fig. 1.2. Evoluţia estimată a producţiei mondiale de petrol. ASPO 2006www.peakoil.net

În condiţiile prezentate, apare ca explicabilă continua creştere a preţului petroluluidin ultima perioadă, aşa cum se observă în figura 1.3.

Fig. 1.3. Evoluţia preţului petrolului în perioada 1996 - 2005. ASPO 2006.www.peakoil.net



7

Spre deosebire de criza petrolului de la sfârşitul anilor ’70, încheiată cu scăderea preţului petrolului, se estimează că actuala tendinţă crescătoare a preţului este continuă şiireversibilă, iar impactul pe care acest preţ îl va avea asupra economiei mondiale estedificil de estimat, dar va fi cu siguranţă unul extrem de important.

Estimările actuale ale ASPO, privind perioadele rămase până la epuizarea

rezervelor de combustibili fosili, sunt prezentate în tabelul următor.

Perioada estimată până la epuizare (ani). ASPO 2005Petrol 45Gaze naturale 66Cărbune 206Uraniu 35 - 100

Analizând aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas până laepuizarea resurselor existente, cel puţin în cazul petrolului şi a gazelor naturale, impunegăsirea unor soluţii rapide şi eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce

până atunci cu ajutorul acestor combustibili. Aceste soluţii sunt cu atât mai necesare cucât consumurile de energie ale economiei mondiale sunt în continuă creştere şi nu seestimează o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluţie previzibilă este reprezentată de utilizarea energiilor

regenerabile. O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenţionali, este

reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere aenergiei. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră şi la accelerareamodificărilor climatice conexe acestui fenomen. În figura 1.4, este prezentat nivelulacestor emisii.

Fig. 1.4. Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferăwww.renewables-made-in-germany.com



8

Analizând acest grafic, se observă că de la începutul epocii industriale, până în prezent, nivelul emisiilor de CO2, a crescut cu peste 30%.

Pentru a justifica importanţa problemei emisiilor de CO2, sunt prezentate în figura1.5, valorile pagubelor produse din cauze naturale în perioada ianuarie - septembrie 2002,iar în figura 1.6, valorile pagubelor produse datorate modificărilor climatice, în perioada

1950 - 1999.

Fig. 1.5. Valorile pagubelor produse din cauze naturale în ianuarie - septembrie 2002.German Energy Agency 2004: www.dena.de/en

Se observă că pagubele produse de furtuni şi inundaţii, care au legătură cumodificările climatice, sunt mult mai mari decât pagubele produse de cutremure, sau dealte evenimente.



9

Fig. 1.6. Valorile pagubelor produse datorită modificărilor climatice.German Energy Agency 2004: www.dena.de/en

Este evident că modificările climatice din ultimii ani, caracterizaţi printr-un nivelcrescut al emisiilor de CO2, au produs mult mai multe pagube decât în perioadelecaracterizate de un nivel mult mai redus al poluării.

Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelulridicat al pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că estefoarte posibil să existe o corelaţie între nivelul ridicat al emisiilor de CO2 şi modificărileclimatice, cu impact negativ asupra mediului.

Una din cele mai eficiente soluţii pentru reducerea nivelului emisiilor deCO2, îl reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivelextrem de redus al acestor emisii.

1.1.3. Câteva tipuri de energii regenerabile şi folosirea acestora înRomânia

Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate în continuare:

Energia solară Energia geotermală Energia apei



10

Energia vântului Energia biomasei

Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele:- Sunt ecologice;- Nu generează emisii de CO2;

- Sunt disponibile în cantităţi teoretic nelimitate;- Pot fi utilizate local;- Reprezintă soluţii pentru toate nevoile.

Deci se poate spune că sursele regenerabile de energie avute in vedere pentru a fistimulate sunt: energia eoliana, hidroenergia, energia geotermala, biomasa si energiasolara.

Din fericire, România poate dezvolta sisteme de producţie pe toate tipurile desurse regenerabile, in funcţie de specificul fiecărei zone geografice din tara. In urmastudiilor realizate la nivelul tarii noastre, potenţialul in domeniul producerii de energieverde este de 65% biomasa, 17% energie eoliana, 12 % energie solara, 4%microhidrocentrale si 2% voltaic si geotermal.



11

Conform hărţii elaborate de câtre Administraţia Naţionala de Meteorologie, potenţialul energetic al României este repartizat zonal, astfel:

• Delta Dunării - energie solara;• Dobrogea - energie solara si eoliana;

•

Moldova - micro-hidro, energie eoliana, biomasa;• Carpaţi - potenţial ridicat de biomasa si micro-hidro;• Transilvania - potenţial ridicat pentru micro-hidro;• Câmpia de Vest - posibilităţi de valorificare a energiei geotermale;• Subcarpaţi - potenţial pentru biomasa si micro-hidro;• Câmpia Romana - biomasa, energie geotermica si energia solara.

Energia regenerabilă se referă deci la forme de energie produse prin transferulenergetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminiisolare, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice şi a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-

reînnoibile includ energia nucleară precum şi energia generată prin ardereacombustibililor fosili, aşa cum ar fi ţiţeiul, cărbunele şi gazele naturale. Aceste resursesunt, în chip evident, limitate la existenţa zăcămintelor respective şi sunt considerate îngeneral (a se vedea teoria academicianului român Ludovic Mrazec de formare anorganicăa ţiţeiului şi a gazelor naturale) ne-regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energiefac parte:

• energia eoliană• energia solară• energia apei

o energia hidraulicăo energia mareelor

• energia geotermică• energie derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generareacurentului electric, apei calde, etc.

Energie eoliană

Energia eoliană este generată prin transferulenergiei vântului unei turbine eoliene. Vânturilese formează datorită încălzirii neuniforme a

suprafeţei Pământului de către energia radiată deSoare care ajunge la suprafaţa planetei noastre.Această încălzire variabilă a straturilor de aer produce zone de aer de densităţi diferite, faptcare creează diferite mişcări ale aerului. Energiacinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea

elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine eoliene suntcapabile de a produce până la 5 MW de energie electrică, deşi acestea necesită o viteză



12

constantă a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe oră. În puţine zone alePământului există vânturi având viteze constante de această valoare, deşi vânturi mai puternice se pot găsi la altitudine mai mare şi în zonele oceanice. Singurul dezavantaj alenergiei eoliene este ca necesita service datorita uzurii.

Pentru amplasarea agregatelor eoliene sunt interesante doar zonele in care viteza

medie a vântului este cel puţin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasuprasolului (la care, de altfel, se fac măsurătorile in cadrul staţiilor meteorologice).Cu excepţia zonelor montane, unde condiţiile meteorologice vitrege fac dificila

instalarea şi întreţinerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare pragului de 4m/sse regăsesc in: Podişul Central Moldovenesc si in Dobrogea

Litoralul prezintă şi el potenţial energetic întrucât, in aceasta zona, viteza medieanuala a vântului depăşeşte pragul de 4m/s. Pe baza evaluării şi interpretării datelor înregistrate, în România se pot monta instalaţii eoliene cu o capacitate de pana la 14000MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrica de aproape 23000 GWh/an.

In zona litoralului, pe termen scurt si mediu, potenţialul energetic eolianamenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrica de 4500

GWh/an.

Energie solară

Panouri solareConceptul de "energie solară" se referă laenergia care este direct produsă prin transferulenergiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electricăsau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deşi energia solară este reînnoibilă şi

uşor de produs, problema principală este căsoarele nu oferă energie constantă în nici un locde pe Pământ. În plus, datorită rotaţiei

Pământului în jurul axei sale, şi deci a alternanţei zi-noapte, lumina solară nu poate fifolosită la generarea electricităţii decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitarea folosirii acestui tip de energie o reprezintă existenţa zilele noroase, când potenţialul decaptare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicaţiileacestei forme de energie reînnoibilă.

Nu există nici un dezavantaj deoarece instalaţiile solare aduc beneficii din toate punctele de vedere.

Panourile solare produc energie electrică 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna

ziua are 9 ore) Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică şi înacelaşi timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea.Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi fotovoltaice. Cele fotovoltaice

produc energie electrică gratis. Cele termice ajută la economisirea gazului în proporţie de75% pe an. O casă care are la dispoziţie ambele instalaţii solare (cu panouri fotovoltaiceşi termice în vid) este considerată "FARA FACTURI" deoarece energia acumulată ziua în baterii este trimisă în reţea).



13

Instalaţiile solare funcţionează chiar şi atunci când cerul este înnorat. Deasemenea sunt rezistente la grindină (în cazul celor mai bune panouri).

Hidroenergia

O alta sursa de energie regenerabila in care România are potenţial imens este apa. Potrivit datelor autorităţilor de mediu, inmomentul de fata, potenţialul hidroenergetic al României estefolosit in proporţie de 48%.

In România, potenţialul hidroenergetic al râurilor principaleeste de circa 40000 GWh/an, care se poate obţine în amenajări

hidroenergetice de mare putere (10 MW/unitate hidro) sau de mica putere ( 10MW/unitate hidro).

Biomasa

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor,deşeurilor şi reziduurilor din agricultură, inclusivsubstanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriileconexe, precum şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane. (Definiţie cuprinsă în Hotărârea nr.1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanţilor şi a altor carburanţi regenerabili pentrutransport).

Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea maiabundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toatămateria organică produsă prin procesele metabolice ale

organismelor vii. Biomasa este prima formă de energieutilizată de om, odată cu descoperirea focului.Biomasa reprezintă componentul vegetal al

naturii. Ca forma de păstrare a energiei Soarelui informa chimica, biomasa este unul din cele mai popularesi universale resurse de pe Pământ. Ea asigura nu doar hrana, ci si energie, materiale de construcţie, hârtie, ţesături, medicamente si substanţechimice.

Biomasa este utilizata in scopuri energetice din momentul descoperirii de câtreom a focului. Astăzi combustibilul din biomasa poate fi utilizat in diferite scopuri – de laîncălzirea încăperilor până producerea energiei electrice si a combustibililor pentru

automobile. Compoziţia chimica a biomasei poate fi diferenţiată în câteva tipuri. Deobicei, plantele conţin 25% lignina si 75% glucide (celuloza si hemiceluloza) sauzaharide. Fracţiunea glucidica este compusa dintr-o mulţime de molecule de zaharide,unite intre ele prin lanţuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide esteceluloza. Componenta ligninica este compusa din molecule nezaharizate. Naturautilizează moleculele polimerice lungi de celuloza la formarea ţesuturilor, care asiguraintegritatea plantelor. Lignina apare in plante sub o forma asemănătoare lipiciului, careleagă moleculele celulozice intre ele.



14

Bioxidul de carbon din atmosfera si apa din sol participa in procesul obţineriiglucidelor (zaharidelor), care formează “blocurile de construcţie” a biomasei. Astfel,energia solara utilizata la fotosinteza îşi păstrează forma chimica in structura biomasei.Daca se arde efectiv biomasa (extragem energia chimica), atunci oxigenul din atmosferaşi carbonul din plante reacţionează formând dioxid de carbon si apa. Acest proces este

ciclic, deoarece bioxidul de carbon poate participa din nou la procesul de formare a biomasei.Utilizarea biomasei creşte foarte rapid, în unele state dezvoltate fiind utilizată

destul de intens, cum este cazul Suediei, care îşi asigura astfel 15% din necesitatea insurse energetice primare. Suedia planifica pe viitor creşterea volumului biomasei utilizateconcomitent cu închiderea staţiilor atomo- şi termo-electrice, care utilizează combustibilfosil. |n SUA, ponderea biomasei in totalul energiei utilizate este de 4%.

Biomasa poate asigura cu uşurinţa peste 20% din necesităţile energetice a tarii.Altfel spus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permiteînlocuirea completa a tuturor staţiilor atomice, fără a influenta preturile la produselealimentare. De asemenea, utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora

importul petrolului cu 50%. în România, biomasa ar putea acoperi aproape o cincime dinconsumul total de resurse primare sau 89% din căldura necesara încălzirii locuinţelor şi preparării hranei in mediul rural, numai prin consumul de reziduuri si deşeuri vegetale.

Energia înglobata in biomasa se eliberează prin metode variate, care insa, in celedin urma, reprezintă procesul chimic de ardere.

Forme de valorificare energetica a biomasei (biocarburanti):- arderea directa cu generare de energie termica.- arderea prin piroliza, cu generare de singaz (CO plus H2).- fermentarea cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH) - in

cazul fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, inamestec cu benzina, poate fi utilizat in motoarele cu combustie interna.

- transformarea chimica a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool sigenerare de esteri, de exemplu, metil esteri (biodiesel) si glicerol. |n etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde in motoarele diesel.

- degradarea enzimatica a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel.Rezervele de biomasa sunt in special deşeurile de lemn, deşeurile agricole,

gunoiul menajer si culturile energetice.Avantajele valorificării deşeurilor lemnoase:- valorificarea produsului rezultat prin comercializarea sa atât pe piaţa internă, cat

si la export;- aplicarea standardelor de calitate si de mediu existente la nivel european;- asigurarea unei protecţii ecologice eficiente a populaţiei, precum si a apei, a

pădurii etc.;- reciclarea materialelor;- eliminarea deşeurilor de material lemnos de pe suprafeţele de depozitare;- utilizarea eficienta a deşeurilor de material lemnos rezultate prin prelucrarea

lemnului;- reducerea volumului de depozitare a materialelor combustibile, ţinând seama ca

volumul unei brichete este de circa şapte-opt ori mai mic decât volumul ocupat de aceeaşicantitate de rumeguş înainte de brichetare;



15

- realizarea unei alternative simple pentru producerea căldurii in domeniul casnicsau in întreprinderi din mica industrie;

Concluzie: Materialul organic de biomasa utilizat pentru producţia biocarburanţilor poate fi lemnul, culturile agricole, reziduurile forestiere, reziduurile

agricole şi deşeurile organice.În prezent, în întreaga lume, trei biocarburanti se justifica pentru consum însectorul de transport: bioetanol, biodiesel si biogaz.

Principalul biocarburant din lume este bioetanolul, urmat de biodiesel.Obţinerea bioetanolului se realizează din materii prime de natura vegetala sub

forma de porumb si melasa. Furnizorii de materii prime sunt producătorii agricoli dintara, cat si furnizorii externi. Bioetanolul se utilizează ca si combustibil ecologic pentrumotoarele cu ardere interna. Bioetanolul este un produs nou pe piaţa româneasca si ceainternaţionala, la un preţ mai mic decât preţul combustibilului mineral.

Biodieselul se utilizează drept carburant pentru motoarele cu aprindere princompresie, pentru centralele termice cu combustibil lichid. Utilizarea biodieselului este

motivata de: reducerea consumului combustibilului fosil reducerea poluării mediului diminuarea posibilităţilor de poluare accidentala a solului si apelor

Biomasa este principalul combustibil rural - folosit mai ales pentru încălzireacaselor si a apei, precum si pentru gătit.

Exploatarea la maximum a potenţialului de biomasa presupune utilizarea intotalitate a reziduurilor din exploatările forestiere, a rumeguşului si altor resturi din lemn,a deşeurilor agricole rezultate din cereale sau tulpini de porumb, resturi vegetale de vitade vie precum şi deşeuri si reziduuri menajere urbane.

România are un potenţial energetic ridicat de biomasă, ce reprezintă aproape 19%din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000.



16

Energia geotermala

Energia geotermică este o formă de energie obţinută dincăldura aflată în interiorul Pământului. Apa fierbinte şi aburii,captaţi în zonele cu activitate vulcanică şi tectonică, sunt utilizaţi

pentru încălzirea locuinţelor şi pentru producerea electricităţii.Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folositela această data pe glob pentru transformarea puterea apei

geotermala in electricitate: 'uscat'; 'flash' si 'binar', depinzând după starea fluidului: vaporisau lichid, sau după temperatura acestuia.

Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.

Centralele 'Flash' sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa latemperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul dela suprafaţă.

Centralele cu ciclu binar diferă faţă de primele două, prin faptul că apa sau aburul

din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric.Apa folosita atinge temperaturi de până la 200°C).Energia geotermală este folosita pentru încălzirea spaţiului şi a apei. In România,

temperatura surselor hidrogeotermale, are temperaturi cuprinse intre 2500 C si 6000 C (inape de adâncime), iar la geotermia de temperatura medie temperaturile variază de la600oC până la 1250oC ('ape mezotermale').

Producerea energiei electrice în vederea furnizării în reţelele energetice naţionale



17

Producerea locală a energiei electrice

Încălzire şi răcire



18

Transport auto şi naval

În toate ţările cu realizări notabile în ceea ce priveşte energiile regenerabile, unimpact esenţial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptatea unuinumăr mare de reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenţii.La ora actuală, piaţa este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energiiregenerabile.

În figurile 1.7…1.9, sunt prezentate câteva grafice care ilustrează atât dinamicatuturor componentelor acestui domeniu, cât şi impactul reglementărilor legislative, înGermania, ţara din Europa cu cea mai largă preocupare în domeniul energiilor regenerabile.

Fig. 1.7. Evoluţia producţiei energiei electrice eoliene, în Germaniawww.renewables-made-in-germany.com



19

Fig. 1.8. Evoluţia diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, înGermania:

www.renewables-made-in-germany.com

Fig.1. 9. Evoluţia producţiei de energie electrică solară, în Germaniawww.renewables-made-in-germany.com

Pe toate aceste imagini se observă că cel puţin în Germania, domeniul energiilor regenerabile este într-o adevărată expansiune, influenţată pozitiv de reglementări



20

legislative stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenţionarea preţului tuturor tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sauachiziţionarea de către compania energetică naţională din Germania, a curentului electric produs cu ajutorul panourilor fotovoltaice, la un preţ mult mai mare decât cel de vânzarea energiei electrice, pe o durată de până la 25 ani.

1.2. Energiile regenerabile şi încălzirea clădirilor

Câteva dintre cele mai importante particularităţi ale sistemelor tehnice de producere a energiei termice cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt:

Necesitatea utilizării unor soluţii specifice de izolare termică; Regimurile termice sunt caracterizate prin diferenţe reduse de temperatură; Necesitatea acumulării energiei termice.

Toate aceste particularităţi, sunt impuse de condiţii tehnico-economice particulare, care trebuie avute în vedere la proiectarea sistemelor de producere a energiei

termice cu ajutorul energiilor regenerabile, condiţii care vor fi prezentate detaliat încontinuare.

1.2.1. Noţiuni de eficienţă termică a clădirilor

În proiectarea sistemelor clasice de încălzire, se cunoaşte că utilizarea izolaţiilor termice are ca efect reducerea consumurilor specifice de combustibili. Experienţaultimilor ani, arată că în condiţiile economice actuale, costurile iniţiale ale investiţiei înizolaţia termică, sunt amortizate în cca. 2…4 ani, prin reducerea corespunzătoare acheltuielilor cu combustibilii.

La proiectarea sistemelor de încălzire şi producere a apei calde cu ajutorulenergiilor regenerabile, necesitatea utilizării izolaţiilor termice este şi mai acută. Esteevident că izolarea reduce pierderile de căldură, şi prin urmare scade consumul deenergie, dar în cazul utilizării energiilor regenerabile, scopul izolării este de a reduce câtmai mult posibil, necesarul de energie care trebuie asigurat. Acest obiectiv este extrem deimportant, deoarece tehnologiile de conversie în energie termică a surselor regenerabilede energie, sunt mult mai scumpe decât soluţiile clasice.

Structura cheltuielilor iniţiale ale investiţiei, va avea două componenteimportante:

O izolaţie cu mult mai performantă decât în cazul sistemelor clasice;

Echipamentele de conversie a energiilor regenerabile, în energie termică.Pentru a fi posibilă reducerea costurilor echipamentelor, este obligatoriu să sereducă la minim, valorile sarcinilor termice care vor fi asigurate de aceste echipamente.Acest obiectiv este posibil numai printr-o izolare termică extrem de performantă. Astfel,costurile cu izolaţia se vor amortiza rapid, iar costurile echipamentelor având sarcinitermice reduse, se vor amortiza în cca. 10…15 ani, ceea ce reprezintă un termen absolutrezonabil. În condiţiile în care se estimează o creştere constantă a preţurilor combustibililor clasici se poate estima şi că în viitorul apropiat, perioada de amortizare a



21

costurilor echipamentelor de conversie a energiilor regenerabile în energie termică, se vareduce corespunzător.

În ţările dezvoltate există reglementări precise în ceea ce priveşte consumurile deenergie termică în care trebuie să se încadreze locuinţele şi există proceduri precise de

evaluare energetică a clădirilor şi locuinţelor. Astfel de reglementări au fost introduse deexemplu, în Germania (1984), în Suedia (1990) şi din nou în Germania (1995). Tot înGermania, ţara europeană cu cele mai avansate preocupări în domeniul energiilor regenerabile şi al reducerii consumurilor energetice în clădiri şi locuinţe, au fost definiteşi două tipuri de locuinţe, ale căror consumuri de energie termică sunt şi mai reduse decâtcele prevăzute în reglementările obligatorii în vigoare. Denumirile acestor tipuri delocuinţe sunt case cu consum energetic redus (low energy houses), respectiv case pasiveenergetic (passive houses).

Câteva caracteristici ale unor tipuri de locuinţe menţionate, sunt prezentate întabelul de mai jos.

Consumurile anuale de energie termică ale locuinţelor vechi din Germania,respectiv a celor construite în urma introducerii unor reglementări pricise, în Suedia, sauGermania, sunt prezentate în figura 1.10.



22

Fig. 1.10. Evoluţia consumurilor energetice anuale în locuinţeCVG – case vechi Germania; G84 – reglementări Germania 1984;

S90 – reglementări Suedia 1990; G951 – reglementări Germania 1995;CER 2 – case cu consum energetic redus; CPE3 – case pasive energetic

Pentru casele de tipul S90/G95, respectiv CER şi CPE, se poate analiza în moddefalcat, consumul anual de energie termică, având cele trei componente principale:

- Pentru compensarea pierderilor de căldură perimetrale;- Pentru ventilare / aerisire4;- Pentru prepararea apei calde menajere.

În figura 1.11, este reprezentă grafic structura consumului anual de energietermică pentru tipurile de case menţionate.

1 G95 – casă cu izolaţie normală (Germania 1995, Suedia 1990)2 CER – casă cu consum energetic redus3 CPE – casă pasivă energetic4 Aerisire (nu se prevede necesitatea ventilării mecanice)



23

Fig. 1.11. Structura consumului anual de energie termică

Analizând figurile 1.10 şi 1.11, se observă că odată cu îmbunătăţirea performanţelor termice ale locuinţelor se reduce şi consumul de energie termică pe care

trebuie să în asigure echipamentele de încălzire. Este evident că energiile regenerabilevor fi utilizate cel mai eficient în casele cu consum energetic redus, respectiv în casele pasive energetic, deoarece aceste categorii de clădiri, au cele mai mici consumurienergetice şi deci cheltuielile pentru echipamentele de conversie a energiilor regenerabileîn căldură, vor fi cele mai reduse. Acest aspect este fundamental, deoarece s-a arătat dejacă preţurile acestor echipamente sunt ridicate. Pe lângă costurile cele mai reduse posibile,ale investiţiei în echipamente, casele cu consum energetic redus şi cele pasive suntcaracterizate şi prin cele mai reduse cheltuieli propriu-zise de exploatare, facturile deenergie termică fiind cele mai reduse, iar în aceste condiţii, este posibilă amortizarearelativ rapidă a investiţiilor.

1.2.2. Case pasive energeticÎn continuare sunt prezentate câteva elemente caracteristice ale caselor pasiveenergetic.

- Orientarea faţadei spre sud şi evitarea zonelor umbrite;- Formă compactă şi izolaţie termică performantă;- Ferestre eficiente din punct de vedere energetic;- Prezenţa unui sistem pentru evitarea infiltrării aerului;- Evitarea punţilor termice;



24

- Împrospătarea aerului prin ventilaţie şi un sistem eficient de recuperareacăldurii;

- Utilizarea unor surse regenerabile de energie pentru prepararea apei calde;- Utilizarea de aparate electrocasnice cu consum energetic redus;- Utilizarea facultativă a încălzirii sau răcirii pasive a aerului proaspăt.

Noţiunea de casă pasivă energetic, reprezintă un concept care permite asigurareaunui confort termic ridicat, cu costuri reduse. Acest concept nu trebuie confundat cu unstandard de performanţă energetică ridicată. Casele pasive energetic au fost definite ca şiclădiri în care condiţiile de confort termic ridicat pot fi atinse prin simpla post-încălziresau post-răcire a aerului proaspăt introdus în aceste clădiri. În aceste case, aerul nu esterecirculat.

Izolaţia termică a caselor pasive energetic

În figura 1.12, este prezentat un detaliu de izolaţie termică utilizată la o casă

pasivă energetic. Se observă că izolaţia este amplasată pe tot perimetrul exterior alclădirii, inclusiv pe acoperiş. De asemenea, trebuie remarcat că izolaţia se amplasează pefaţa exterioară a peretelui de rezistenţă, la exteriorul clădirii. Dacă s-ar aplica izolaţia lainterior (greşeală gravă care se produce frecvent la izolarea apartamentelor de bloc, înRomânia), ar apare pericolul condensării umidităţii din aer, în stratul de izolaţie.

Fig. 1.12. Detaliu de izolaţie termică a unei case pasive energetic.www.passivhaustagung.de



25

Izolaţia caselor pasive energetic, trebuie să asigure un coeficient global de transfer termic, mai mic decât 0,1W/m2K. Coeficientul global de transfer termic k, reprezintăinversul rezistenţei la transferul termic R t. Astfel, valorii reduse a coeficientului global detransfer termic, îi corespunde o valoare ridicată a rezistenţei termice:

Deoarece între interiorul şi exteriorul clădirii, căldura se transmite prin convecţiede la interior la pereţi, prin conducţie, în interiorul pereţilor şi prin convecţie, de la peretela exterior, rezistenţa termică se poate calcula ca şi sumă a rezistenţelor parţiale latransferul termic:

unde:

- αi este coeficientul de convecţie la interior, care depinde de viteza de circulaţie aaerului şi de temperatura acestuia, având valoarea maximă de cca. α i=10W/m2K;

- αe este coeficientul de convecţie la exterior, care depinde de viteza vântului şi detemperatura aerului exterior, având valoarea maximă de cca. αe=25W/m2K;- δi este grosimea fiecărui strat din care este realizat peretele;- λi este conductibilitatea termică a materialului din care este realizat fiecare strat

al peretelui.

Valorile medii ale conductibilităţii termice pentru câteva materiale din care suntrealizaţi uzual pereţii de rezistenţă ai clădirilor, respectiv straturile izolatoare, suntindicate în tabelul următor:

Pentru a înţelege mai bine semnificaţia valorii coeficientului global de transfer termic de 0,1W/m2K, respectiv a rezistenţei termice de 10m2K/W, se va considera cazulunui perete construit din cărămidă cu grosimea de 20cm (o cărămidă şi jumătate), placat

∑ ++==ei

i

i

t k

Rα λ

δ

α

111

W K m

k Rt

2

101,0

11 ===



26

cu polistiren expandat şi se va calcula grosimea necesară a stratului de polistiren, pentru ase asigura rezistenţa termică a unei case pasive energetic.

Din relaţia anterioară se poate obţine grosimea necesară a stratului de izolaţie:

[m]

unde s-a considerat că peretele este alcătuit din două straturi, structura derezistenţă notată cu indicele P şi izolaţia notată cu indicele iz.

Înlocuind valorile numerice ale tuturor mărimilor care intervin, se obţine:

În concluzie, pentru ca o casă având peretele din cărămidă de 20 cm grosime, să

devină casă pasivă energetic, este nevoie de un strat izolator din polistiren, cu grosimeade 40cm.Dacă se calculează valoarea rezistenţei termice R t

’ a aceluiaşi perete din cărămidă,fără stratul de izolaţie, se obţine:

iar coeficientul global de transfer termic k’, este în acest caz:

Raportul dintre rezistenţele termice, sau dintre coeficienţii globali de transfer termic, în cele două cazuri, este:

deci prin izolare până la atingerea standardului de casă pasivă energetic, pierderilede căldură prin pereţi se reduc de aproape 30 de ori. În aceste condiţii, având în vedere şică preţurile energiei termice au fost în continuă creştere în ultimii ani, tendinţă care se va

menţine şi în perioada următoare, devine evident că amortizarea cheltuielilor cu izolaţia,va fi extrem de rapidă. Dacă izolarea clădirii se realizează cu un credit ipotecar, pe o perioadă lungă de timp, practic acest credit împreună cu dobânzile aferente, vor fisuportate din economiile substanţiale realizate prin reducerea drastică a costurilor deîncălzire. În aceste condiţii izolarea se va realiza practic gratuit, odată cu îmbunătăţireaconsiderabilă a confortului termic în clădire. Asemenea concluzii justifică pe deplinafirmaţia conform căreia casele pasive energetic permit obţinerea unui confort termicridicat, cu costuri reduse.

++−=

e P

P

iiz iz k α δ

δ

α λ δ

111

cmmmiz 404,0385,025

1

9,0

2,0

10

1

1,0

104,0 =≈=

++−∗=δ

W

K m

k Rt

2

'' 362,0

25

1

9,0

2,0

10

11=++==

K m

W

R

k t

2'' 76,2

362,0

11===

6,2736,0

10'

'===

k

k

R

R

t

t



27

1.2.3. Sisteme de încălzire cu energie regenerabilă

Având în vedere necesarul de energie termică extrem de redus, datorat pierderilor perimetrale minime şi faptului că se recuperează căldura aerului evacuat, în sistemul deventilare, pentru casele pasive energetic, la fel ca ca şi în cazul celor cu consum energetic

redus dealtfel, este posibilă utilizarea eficientă a surselor regenerabile de energie, cumsunt biomasa solidă (de ex. peleţi) sau pompele de căldură. Ambele soluţii pot fi utilizateîn combinaţie cu energia solară.

În figura 1.13 este prezentat un sistem de utilizare combinată a energiei biomaseisolide şi a energiei solare, iar în figura 1.14 este prezentat un sistem de încălzire tipic

pentru casele pasive, care include ventilare cu recuperarea căldurii, o pompă de căldură şi panouri solare.

Fig. 1.13. Utilizarea combinată a biomasei solide şi a energiei solare

1 - unitate electronică de control; 2 - panou solar;3 - senzor temperatură retur circuit solar; 4 - sistem de pompare pt. circuitul solar;5 - senzor temperatură pt. apa din boiler; 6 - pompă circuit cazan cu biomasă

www.viessmann.com



28

Fig. 1.14. Sistem tipic de încălzire a caselor pasive energeticwww.viessmann.com

Toate sistemele de încălzire şi preparare a apei calde menajere cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt caracterizate prin valori mult mai reduse ale temperaturiiagentului termic şi prin diferenţe de temperatură mult mai mici decât în cazul sistemelor clasice. În continuare sunt prezentate două exemple tipice, care permit înţelegerea uşoarăa diferenţelor de regim termic dintre sistemele clasice şi cele funcţionând cu energiiregenerabile:

În locul sistemelor clasice de încălzire cu calorifere, în care regimul termic alagentului de încălzire este de cca. 70…80°C pe tur şi cca 50…60°C pe retur, la utilizareaenergiilor regenerabile, se preferă adesea încălzirea prin pardosea, caracterizată deregimuri termice cu cca. 35…45°C pe tur şi 30…40°C pe retur;

În locul sistemelor clasice de preparare a apei calde menajere, la temperatura de60…65°C, cu energii regenerabile se prepară a.c.m. la temperaturi de cca. 45°C, evidentîn cantităţi mai mari.

Cele mai drastice restricţii în ceea ce priveşte reducerea temperaturii agentuluitermic, sunt impuse în cazul utilizării pompelor de căldură, deoarece la creştereatemperaturii agentului furnizat, scade sensibil eficienţa termică a acestor echipamente. Cuajutorul biomasei solide, sau a energiei solare, pot fi atinse regimurile termice ale

sistemelor clasice, dar sunt preferate totuşi regimurile cu temperaturi şi diferenţe detemperaturi mai reduse, caracterizate prin pierderi mult mai mici, datorateireversibilităţilor mai reduse din procesele de transfer termic.



29

1.2.4. Importanţa acumulării energiei termice

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

Având în vedere preţurile ridicate ale echipamentelor de conversie a energiilor

regenerabile în energie termică, se evită producerea căldurii şi mai ales a apei calde înregim “instant”, deoarece acest regim solicită sarcini termice ridicate, iar costurileechipamentelor necesare ar fi de asemenea ridicate.

O alternativă eficientă este reprezentată de utilizarea unor boilere în care apacaldă să fie preparată în regim cvasi-permanent. La sfârşitul perioadelor de vârf deconsum, adică dimineaţa şi seara, se va reduce temperatura apei din boilere, iar în restultimpului, când consumul este foarte redus, echipamentele de încălzire utilizând energiiregenerabile, vor ridica din nou temperatura apei. Pentru ca sistemul de acumulare a apeicalde să facă faţă în perioadele de vârf de consum, volumul boilerelor trebuiedimensionat corect, în funcţie de consumurile estimate. Un sistem de preparare a apeicalde menajere într-un boiler, este prezentat în figura 1.15.

Fig. 1.15. Sistem de preparare a apei calde menajere în boiler,cu energie solară sau altă sursă de energie

www.viessmann.com



30

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

Există astfel de sisteme extrem de performante, cu acumulare sezonieră a căldurii,ca cel din figura 1.16.

Fig. 1.16. Clădire pasivă energetic cu acumulare sezonieră a căldurii, în vedereaîncălzirii

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

Clădirea este o construcţie pasivă energetic, reprezintă sediul unei companii dinGermania şi a fost realizată în anul 1998, pe o suprafaţă de 2180m2. Sarcina termicănecesară pentru încălzirea clădirii pe timp de iarnă, în plus faţă de sistemul de încălzire cuenergie solară stocată sezonier, este de numai 12kW. (Pentru comparaţie, sarcina termicăa unei centrale termice murale de apartament este de 24kW).



31

2. ENERGIA SOLARĂ

2.1. Particularităţi ale energiei solare

2.1.1. Consideraţii privind radiaţia solară

Soarele reprezintă sursa de energie a Pământului, contribuind la menţinereatemperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K, întâlnită în spaţiul interplanetar şi este singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ.

Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o duratăa existenţei radiaţiei solare de încă aproximativ 4…5 miliarde a ani.

Pentru studiul radiaţiei solare, este important să fie definite câteva mărimiimportante.

Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la Soare,măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcţia razelor

solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliţilor de cercetareştiinţifică.

Atmosfera terestră şi suprafaţa Pământului interacţionează cu radiaţia solară, producând o serie de transformări ale acesteia, aşa cum se observă în figura 2.1.

Fig. 2.1. Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectivsuprafaţa terestră: Rev. Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2003



32

Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafaţa Pământului este maimic decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu ogrosime de peste 50 km, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversareaatmosferei, sunt absorbţia şi difuzia.

În atmosferă este absorbită (reţinută, filtrată) aproape total radiaţia X şi o parte dinradiaţia ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon şi alte gaze existente înatmosferă, contribuie la absorbţia radiaţiei solare de către atmosferă.

Radiaţia absorbită este în general transformată în căldură, iar radiaţia difuză astfelobţinută este retrimisă în toate direcţiile în atmosferă.

Prin aceste procese, atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei, o radiaţie culungime de undă mare, denumită radiaţie atmosferică.

În plus, faţa de cele două mecanisme de modificare a intensităţii radiaţiei solare, o parte din radiaţia solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componenteale sale (moleculele de aer şi anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte dinradiaţia solară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh,

iar acest fenomen reprezintă radiaţia bolţii cereşti.Radiaţia globală ajunsă de la Soare, pe o suprafaţă orizontală la nivelul soluluiîntr-o o zi senină, reprezintă suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză.

Radiaţia solară directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare. Radiaţia solară difuză poate fi considerată aceeaşi, indiferent de orientarea

suprafeţei receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferenţe.Figura 2.2 prezintă proporţia dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă, în radiaţia

globală. Este interesant de remarcat că radiaţia difuză prezintă o pondere mai mare decâtradiaţia directă.



33

Fig. 2.2. Raportul dintre radiaţia difuză şi radiaţia directăRev. Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2003

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeţeiPământului, perpendicular pe direcţia razelor solare, pentru condiţiile în care cerul este

perfect senin şi lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale şi Europeide Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintăsuma dintre radiaţia directă şi difuză.

Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a câtorva parametriiimportanţi, cum sunt:

Înălţimea soarelui pe cer (unghiul format de direcţia razelor soarelui cu planulorizontal);

Unghiul de înclinare a axei Pământului; Modificarea distanţei Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o

traiectorie eliptică, uşor excentrică.); Latitudinea geografică.

În figura 2.3 este reprezentată variaţia densităţii radiaţiei solare în funcţie deînălţimea Soarelui, adică unghiul format de direcţia razelor solare cu planul orizontal,

pentru diferite situaţii atmosferice.



34

Fig. 2.3. Variaţia radiaţiei solare în funcţie de direcţia razelor solare, pentru diferite situaţii atmosferice: Rev. Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2004

Potenţialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, aşacum se observă în figurile 2.4 şi 2.5, care reprezintă hărţi ale radiaţiei solare globale.

Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600kWh/m2/an,în zona Litoralului Mării Negre şi Dobrogea ca şi în majoritatea zonelor sudice. Înmajoritatea regiunilor ţării, fluxul energetic solar anual, depăşeşte1250…1350kWh/m2/an.

Fig. 2.4. Harta intensităţii radiaţiei solare în Europa şi România



35

Fig. 2.5. Harta schematică a radiaţiei solare în RomâniaRev. Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2003

Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta şi chiar de la o zi la alta, înaceeaşi localitate şi cu atât mai mult de la o localitate la alta. În figura 2.6, este prezentatnivelul mediu al insolaţiei, reprezentând cantitatea de energie solară care pătrunde înatmosferă şi cade pe suprafaţa pământului, în localitatea Bucureşti.

Fig. 2.6. Nivelul mediu al insolaţiei în BucureştiRev. Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2003



36

Evident, radiaţia solară este distribuită neuniform pe suprafaţa Pământului, poziţiageografică şi condiţiile climatice locale, având o influenţă deosebită pentru impactulradiaţiei solare asupra suprafeţei terestre. Câteva dintre datele statistice referitoare laradiaţia solară, disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1…3.

Tab. 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii [W/m

2

], pe o suprafaţă orizontală, în Bucureşti

Tab. 2. Durata medie orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 – 12:30)

Tab. 3. Sumele medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui

2.1.2. Compoziţia spectrală a radiaţiei solare

Principalele componente ale radiaţiei solare care ajunge pe Pământ şi participaţiafiecărei

componente în radiaţia globală, din punct de vedere energetic, sunt:- radiaţie ultravioletă 3%

- radiaţie vizibilă 42%- radiaţie infraroşie 55%

Fiecărei componente a radiaţiei, îi corespunde câte un domeniu bine definit allungimilor de undă:

- radiaţie ultravioletă 0,28 - 0,38 µm (microni);- radiaţie vizibilă 0,38 - 0,78 µm (microni);- radiaţia infraroşie 0,78 - 2,50 µm (microni).



37

Contribuţia energetică a radiaţiei solare globale, în funcţie de lungimea de undă,între 0,3 şi 2,5 µm (microni), pentru o suprafaţă perpendiculară pe acea radiaţie, estereprezentată calitativ în figura 2.7.

Fig. 2.7. Distribuţia energiei radiaţiei solare, în funcţie de lungimea de undă (microni)www.stgobain.ro/

Se observă că cea mai mare cantitate de energie termică se regăseşte în domeniul

radiaţiei infraroşii şi nu în domeniul radiaţiei vizibile, ceea ce sugerează ideea că aceastăradiaţie poate fi captată eficient şi în condiţiile în care cerul nu este perfect senin. Pentrurealizarea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iar pentrucaptarea eficientă a radiaţiei solare, chiar şi la temperaturi sub 0°C, s-au realizat panouri

solare cu tuburi termice.Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv şi deci mai

ieftine, sunt mai puţin performante, din punct de vedere al capacităţii de a capta radiaţiadifuză, decât panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice.

2.1.3. Captarea radiaţiei solare

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată încaptatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive.

Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energieisolare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre

Soare, să fie cât mai corectă.Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de

înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 2.8 şi notat cu α, respectiv unghiulazimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 2.9.



38

Fig. 2.8. Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

www.viessmann.com

Fig. 2.9. Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)www.viessmann.com

Figura 2.10 prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare aenergiei solare disponibile.



39

Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cuajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentruRomânia.

Fig. 2.10. Influenţa combinată a unghiului de înclinare şi a unghiului azimutului,asupra gradului de captare a energiei solare disponibile

www.viessmann.com

Analizând figura 2.10, se observă că unghiul de înclinare optim, care permitecaptarea optimă a radiaţiei solare, este de cca. 15…55°, iar abaterea de la direcţia Sud,

poate să se situeze între ±40° fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare.Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiaţia solară poate fi recuperată în proporţie de90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarecefavorizează murdărirea suprafeţei captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutăţirea

performanţelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcţia Sud, de ±60°, laanumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% dinradiaţia solară. Chiar şi colectorii montaţi vertical, cu o abatere de până la ±20° faţă dedirecţia Sud, pot recupera 80% din radiaţia solară, ceea ce sugerează posibilitateamontării acestora pe faţadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazulunui unghi de înclinare de 30° şi a unei abateri de la direcţia Sud de 45°, care corespundedirecţiei SV, gradul de captare a radiaţiei solare este de 95%.

Ca o consecinţă a celor menţionate, se poate spune că orientarea captatorilor

solari faţă de orizontală şi faţă de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar puteasă pară la prima vedere.



40

Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităţii de captare a energieisolare, este tehnologia utilizată pentru o construcţia colectorilor solari, deoarece în modinevitabil, conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi,acestea fiind evidenţiate în figura 2.11.

Fig. 2.11. Pierderi care apar la conversia energiei solare în energie termicăA – radiaţia difuză; B – radiaţia directă;

C – convecţie datorată vântului, ploilor şi zăpezii; D – pierderi prin convecţie;E – pierderi prin conducţie; F – radiaţia suprafeţei absorbante;

G – radiaţia panoului din sticlă; H – fluxul termic util; K – radiaţie reflectatăwww.viessmann.com

Evoluţiile tehnologice ale colectorilor solari, de la captatorul plan reprezentat înfigură, până la cele mai moderne construcţii existente la ora actuală, au avut ca scopcreşterea capacităţii de absorbţie a radiaţiei solare şi reducerea într-o proporţie cât mai

mare a diverselor tipuri de pierderi.



41

2.2. Construcţia captatorilor solari

Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile.Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani,colectorii cu tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice.

2.2.1. Colectori plani

Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare acolectorilor solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 2.12.

Fig. 2.12. Construcţia colectorilor planiwww.viessmann.com

Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil,sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un materialabsorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlăsolară, caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer a

radiaţiei termice. Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentrua face faţă solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplucăderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic,

pentru reducerea pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant.Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic

suficient de ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativreduse ale investiţiei.



42

Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, ladiferenţe mari de temperatură între agentul termic şi mediul ambiant.

2.2.2. Colectori cu tuburi vidate

Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura2.13.

Fig. 2.13. Principiul de funcţionare a colectorilor cu tuburi vidate

Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat

termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, dinsticlă. între pereţii din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru areduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă dininterior, sunt acoperite cu un strat din material absorbant, pentru a capta cât mai eficientradiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcţie de densitate.Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci,vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se vaîncălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită diferenţei de densitate,se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

Avantajul unor asemenea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţiei

solare, fără intermediul unui schimbător de căldură.Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, careeste un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţimecanice bune.

Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă asistemului, trebuie realizată încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice

bruşte în tuburi.



43

În figura 2.14, este prezentată o construcţie performantă de colector solar cutuburi vidate, în care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător decăldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă.

Fig. 2.14. Colector cu tuburi vidate şi schimbător de căldură coaxialwww.viessmann.com

Această construcţie, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderiminime de căldură în mediul ambiant (chiar la diferenţe mari de temperatură între acestaşi apa din tuburi), cu avantajele circulaţiei agentului termic prin elemente metalice.

În figura 15, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate detipul prezentat anterior, la conductele de apă rece şi caldă.

Fig. 2.15. Sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate la conductele de apăcaldă şi rece www.viessmann.com



44

În figurile 2.16 şi 2.17 sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector cu tuburi vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazulspargerii accidentale a acestora.

Fig. 2.16. Schema unui colector cu tuburi vidate, interschimbabilewww.viessmann.com

Fig. 2.17. Colector cu tuburi vidate, interschimbabilewww.viessmann.com



45

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazulspargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalaţie nu se pierde, fenomen carear genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea

produce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive aleimobilului pe care îl deserveşte.

2.2.3. Colectori cu tuburi termice

Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura2.18.

Fig. 18. Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi termicewww.solarserver.de

În interiorul unui tub de sticlă cu pereţi dubli, între care se realizează vid, pentrudiminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanş,încărcat cu o substanţă care vaporizează sub acţiunea radiaţiei solare. Vaporii astfelformaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care segăseşte în contact termic cu agentul termic din instalaţia solară.

Acest agent, răceşte capătul superior al tubului termic şi determină astfelcondensarea vaporilor din tubul termic, astfel încât capătul superior al tubului termic,

poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubul

termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalaţia solară, care curge princonducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice.Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.În figurile 2.19 şi 2.20, sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector

cu tuburi termice. În ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice.



46

Fig. 2.19. Schema unui colector cu tuburi termicewww.viessmann.com

Fig. 2.20. Colector cu tuburi termicewww.viessmann.com

Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate.

Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic celmai ridicat, în condiţii caracterizate prin radiaţie solară nu foarte intensă, ceea cerecomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiaţieisolare.

Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat şi de necesitateaasigurării unui contact termic foarte bun între condensator şi agentul termic din conductacolectoare a instalaţiei solare.



47

2.3. Randamentul colectorilor solari

Randamentul colectorilor solari η, reprezintă eficienţa cu care este transformatăîn căldură radiaţia solară şi poate fi calculat cu relaţia:

unde:- qu [W/m2 ] densitatea fluxului de căldură utilă, acumulată în agentul termic din

colectori;- Ig [W/m2 ] este densitatea fluxului radiaţiei solare globale.

O variantă simplificată de calcul a randamentului colectorilor solari, permiteutilizarea relaţiei:

unde- q0 [W/m2 ] este densitatea fluxului termic produs pe suprafaţa absorbantă, sau

fracţia din densitatea fluxului radiaţiei solare globale Ig, care pe suprafaţa absorbantă, setransformă efectiv în căldură transmisă agentului termic din colectorul solar;

- q p [W/m2 ] este densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant, de laagentul termic.

Raportul dintre q0 şi Ig, reprezintă o mărime caracteristică importantă acolectorilor solari, denumită randament optic şi notată η0:

Utilizând această notaţie, randamentul colectorilor solari se poate calcula curelaţia:

Densitatea fluxului termic q0 produs de colectorul solar, depinde atât de

proprietăţile sticlei colectorului solar, cât şi de proprietăţile materialului care acoperăsuprafaţa absorbantă. Randamentul optic poate fi determinat în funcţie de cele două proprietăţi de material, menţionate anterior, cu ajutorul relaţiei:

unde:

g

u

I q=η

g

p

g g

p

g

u

I q

I q

I qq

I q −=−== 00

η

g

p

I

q−= 0η η

g I

q00 =η

α τ η ∗=0



48

- τ este factorul de transmisie, al materialului care asigură rezistenţa mecanică acolectorului solar (de regulă sticlă), având valorile prezentate în tabelul 4, pentru câtevamateriale uzuale;

- α este factorul de absorbţie al materialului absorbant.

Tab. 4. Valori ale factorului de transmisie, pentru diferite materiale

Procesul de absorbţie a radiaţiei solare pe suprafaţa absorbantă a colectorilor solari, este caracterizat de coeficientul de absorbţie al materialului absorbant. Astfel

emailul negru pentru metale, are un coeficient de absorbţie α=0,9 ceea ce înseamnă că90% din radiaţia solară care ajunge pe acest material, este transformată în căldură. În modnormal, materialele absorbante utilizate în construcţia colectorilor solari, asigură valoriale coeficientului de absorbţie, în intervalul α=0,85…0,98.

Observaţie: Sticla utilizată la construcţia captatorilor solari, pe lângă valoriridicate ale factorului de transfer, datorat conţinutului redus de fier din compoziţie, estecaracterizată şi printr-o rezistenţă mecanică foarte mare. Astfel numeroşi producători decolectori solari, testează rezistenţa mecanică a acestora cu ajutorul unor bile de oţel,având diametrul de cca. 1 inch (1inch≈2,54cm). Aceste bile sunt lăsate să cadă pecolectorii solari, în timpul testelor, de la o înălţime de cca. 1m. Având în vedere că

majoritatea colectorilor solari trec asemenea teste de rezistenţă mecanică, există un gradridicat de probabilitate, ca ele să reziste în condiţii foarte bune la cele mai grele condiţiicare ar putea să apară în timpul exploatării, din punct de vedere al solicitărilor mecanice,şi anume la grindină cu bucăţi mari de gheaţă. Cu toate acestea, producătorii recomandăclienţilor să încheie poliţe de asigurare care să acopere integral valoarea colectorilor solari.

Revenind la calculul randamentului colectorilor solari, densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant q p, se poate determina cu o relaţie de tipul:

unde- k [W/m2K] este coeficientul global de transfer termic între colector şi mediul

ambiant. Valorile uzuale ale coeficientului global de transfer termic sunt de 2…4 [Wm2K];

- ∆t este diferenţa dintre temperatura medie a colectorului (care poate ficonsiderată temperatura medie a agentului termic) şi temperatura mediul ambiant.

t k q p ∆∗=



49

Înlocuind în relaţia prezentată anterior pentru calculul randamentului colectorilor,se obţine:

Considerând că materialul din care sunt realizaţi colectorii solari este sticla solară,cu o valoare medie a factorului de transmisie τ=0,84, între valoarea de 0,87corespunzătoare radiaţiei directe şi cea de 0,8 corespunzătoare radiaţiei difuze (conformtabelului 4) şi considerând că materialul absorbant este de cea mai bună calitate, având uncoeficient de absorbţie α=0,98, pentru randamentul optic, se obţine valoarea η0 = τ · α =0,84 · 0,98 = 0,82. Considerând o valoare medie şi pentru coeficientul global de transfer termic k=3W/m2K, cu ajutorul relaţiei prezentate anterior, se pot determina prin calcul,curbe de variaţie a randamentului colectorilor solari în funcţie de diferenţa de temperatură∆t pentru diferite valori ale densităţii fluxului radiaţiei solare globale Ig. Asemenea curbesunt prezentate în figura 2.21.

Fig. 2.21. Variaţia randamentului colectorilor solari,calculată considerând o dependenţă liniară de diferenţa de temperatură

Curbele de variaţie a randamentului colectorilor solari, de tipul celor prezentate înfigura 2.21, considerând o variaţie liniară a randamentului, cu diferenţa de temperatură,

sunt obţinute aşa cum s-a arătat deja, prin utilizarea unei relaţii de calcul simplificate dar intuitive. Această relaţie, ca şi curbele trasate cu ajutorul ei, sunt valabile numai pentrudiferenţe de temperatură relativ reduse şi numai pentru colectori plani.

O variantă corectată de calcul a randamentului colectorilor solari, recomandată înnumeroase lucrări de specialitate publicate în străinătate, se poate aplica atât pentrucolectori plani cât şi pentru colectori având construcţii mai performante (de exemplucolectori cu tuburi vidate sau cu tuburi termice). Relaţia de calcul corectată este:

g g I

t k

I

t k ∆−=

∆−= 00

*η η η



50

unde:- η0 este randamentul optic, ce ţine seama de eficienţa cu care este absorbită

energia radiaţiei solare;

- k 1 şi k 2 [W/m

2

K]sunt factori de corecţie caracteristici pierderilor termice;- ∆t este diferenţa dintre temperatura medie a agentului termic din colector şitemperatura mediului ambiant;

Factorii de corecţie k 1 şi k 2 caracteristici pierderilor termice care se manifestă încolectorii solari, datorită diferenţei de temperatură dintre agentul termic încălzit deradiaţia solară şi mediul ambiant, depind de construcţia colectorilor. În tabelul 5, sunt

prezentate valorile randamentelor optice şi ale coeficienţilor de corecţie k 1 şi k 2, pentrucâteva tipuri de colectori solari produşi în Germania.

Analizând valorile din acest tabel, se observă că deşi colectorii plani au cele mai bune randamente optice, acestea prezintă şi cele mai ridicate valori ale pierderilor

termice. Tab. 5. Valori ale randamentului optic şi ale factorilor de corecţie, pentru diferite tipuri de colectori

În figura 2.22 sunt prezentate câteva curbe de variaţie a randamentului unor colectori solari, calculate considerând valori ale randamentului optic şi ale coeficienţilor

de corecţie, prezentate în tabelul 5 şi valoarea Ig=1000 [W m2 ].

Fig. 2.22. Variaţia calculată a randamentului în funcţie de diferenţa de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari; Ig=1000 W/m2

g g I

t k

I

t k

2

210

∆−

∆−=η η



51

În figura 2.23 sunt prezentate câteva curbe de variaţie a randamentului, pentrucâteva tipuri de colectori solari, produşi de firma Viessmann (Germania).

Fig. 2.23. Variaţia randamentului în funcţie de diferenţa de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari Viessmann (Germania)

A – colectori plani; B – colectori cu tuburi vidate;C – colectori cu tuburi vidate amplasate vertical; D – colectori cu tuburi termice

www.viessmann.com

Efectuând o analiză comparativă a curbelor de variaţie a randamentuluicolectorilor solari, se observă că alura curbelor calculate considerând dependenţa degradul doi a randamentului colectorilor în funcţie de diferenţa de temperatură, esteaceeaşi cu alura curbelor determinate experimental, ceea ce indică faptul că această formăa relaţiei de calcul a randamentului colectorilor, este mult mai corectă decât ceaconsiderând o variaţie liniară a randamentului cu diferenţa de temperatură.

Totuşi valorile randamentelor determinate experimental sunt ceva mai redusedecât cele calculate, ceea ce sugerează că valorile determinate experimental, au fostmăsurate pentru valori mai reduse ale densităţii fluxului radiaţiei solare globale Ig.Această ipoteză este confirmată de faptul că pentru valoarea Ig=750W/m2, curbelecalculate se suprapun mult mai bine peste cele determinate experimental, aşa cum seobservă în figura 2.23.



52

Fig.

2.24. Variaţia calculată a randamentului în funcţie de diferenţa de temperatură, pentrucâteva tipuri de colectori solari; Ig=750 W/m2

Pentru trasarea curbelor din figurile 2.22 şi 2.24, valorile randamentelor fiecăruicolector în parte, au fost determinate utilizând pentru coeficienţii care intervin în relaţiade calcul, valorile furnizate de firma Viessmann, producătoarea colectorilor solari pentrucare au fost ridicate si curbele experimentale prezentate în figura 2.23. Valorilerandamentelor termice pentru colectori montaţi vertical nu au fost calculate, deci nici nuau fost comparate cu valorile determinate experimental.

2.4. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari

2.4.1. Caracterul variabil al radiaţiei solare

Intensitatea radiaţiei solare prezintă un caracter foarte variabil, atât în timpulanului, cât şi zilnic, astfel încât este evident că şi sarcina termică realizată de colectoriisolari va fi la fel de variabilă.



53

Fig. 2.25. Curbă tipică de variaţie a intensităţii radiaţiei solare

În figura 2.25 este prezentată o variaţie tipică a intensităţii radiaţiei solare, într-ozi foarte călduroasă de vară, în condiţii de cer perfect senin, manifestată pe o suprafaţăunitară, plană şi orizontală. Se observă că la ora 12, când intensitatea radiaţiei solare estemaximă, valoarea acesteia depăşeşte 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarteridicată, chiar şi faţă de media din timpul verii, în timp ce pe durata nopţii, valoareaintensităţii radiaţiei solare este evident nulă. Dimineaţa şi după-masa, intensitatearadiaţiei solare, variază rapid între 0 şi valoarea maximă, respectiv între valoarea maximăşi 0. Pentru curba de variaţie a intensităţii radiaţiei solare reprezentate în figura 1,valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare, pe durata zilei, este uşor superioară valoriide 500W/m2. În zilele anului, caracterizate prin radiaţie solară mai puţin intensă decât cea

prezentată în figura 2.25, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime şi medii aleintensităţii radiaţiei solare, chiar şi în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot săscadă mult sub valorile prezentate anterior.

Ca şi radiaţia solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă uncaracter variabil, astfel încât se poate vorbi despre valoarea maximă şi medie a acesteimărimi. Pentru calcule termice de dimensionare, prezintă importanţă cunoaşterea valoriimedii a sarcinii termice a colectorilor solari.

Cu cât randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atât fiecare suprafaţăunitară de colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată devaloarea medie a intensităţii radiaţiei solare.

2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari

Având în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorilesarcinilor termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este interesantde realizat o evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmaide a asigura sarcina termică necesară diverselor aplicaţii.



54

În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fideterminată utilizând informaţiile privind selecţia acestor echipamente, furnizate dediverşi producători.

Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzireaapei calde menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante

aplicaţii pentru panourile solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este maidificil de realizat, în primul rând pentru că în perioadele reci ale anului, când necesarul desarcină termică pentru încălzire este important, intensitatea radiaţiei solare prezintă valorifoarte reduse şi este dificil de captat şi de utilizat în aceste condiţii. Chiar dacă există şinumeroase realizări interesante în care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorulenergiei solare, aceste aplicaţii nu vor fi abordate în continuare, deoarece reprezintăsituaţii speciale.

Încălzirea apei calde menajereSarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Qacm , se poate

calcula cu relaţia:

[kW]

unde:- n este numărul de persoane;- m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca şi consum zilnic;- cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura,

dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;- t b [°C] este temperatura apei din boiler;- tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler;

- τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având oimportanţă deosebită pentru valoarea sarcinii termice.Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea

apei calde menajere necesare unei persoane, m=50kg - valoare medie recomandată deliteratura de specialitate, t b=45°C - valoare recomandată pentru temperatura apei caldedin boiler; tr =10°C - valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarnaceva mai rece şi τ=8h - valoare care coincide aproximativ şi cu durata medie în care semanifestă radiaţia solară, deci cu durata medie în care poate fi captată aceasta.

Înlocuind valorile numerice considerate, se obţine pentru sarcina termică necesarăîn vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:

Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizareaunor suprafeţe diferite ale colectori solari în funcţie de tipul colectorilor şi de procentuldin necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca întabelul 1.

( )3600*

***

τ

r bwacm

t t cmnQ

−=

( ) kW kW kW Qacm 25025,0254,03600*8 1045*186,4*50*1 =≈=−

=



55

Tabelul 1. Suprafaţa necesară de colectori solari, pentru prepararea a.c.m. [m2/pers.]

Se observă că suprafeţele de colectori solari, recomandate ca necesare, suntaceleaşi în cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă

performanţele colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decât cele alecolectorilor solari cu tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferenţelede performanţă sunt totuşi reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, faţăde cei cu tuburi vidate nu se va concretiza printr-o suprafaţă mai redusă de colectorisolari, ci printr-un procent ceva mai ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul

energiei solare, decât în cazul colectorilor cu tuburi vidate.Având în vedere că suprafeţele de colectori solari, recomandate în tabelul 1, au cascop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termiceunitare a colectorilor solari acm1 Qacm1 , în regim de preparare a apei calde menajere,este:

unde:- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 1.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2. Sarcina termică unitară a colectorilor solari, pentru prepararea a.c.m.[W/m2]

Analizând valorile din tabelul 2, se constată că sarcina termică unitară acolectorilor solari este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei caldemenajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal,deoarece aceşti colectori sunt prevăzuţi să funcţioneze mai ales în perioada de vară, cândintensitatea radiaţiei solare este mai mare.

11

S

QQ acm

acm =

1S

W



56

În tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, maiuşor de utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumitevalori ale suprafeţelor de colectori solari, destinaţi preparării apei calde menajere.

Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari

pentru prepararea a.c.m.

Este evident că dacă panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termicăunitară medie a acestora poate fi considerată mai mare decât dacă sunt utilizate din

primăvară până în toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai

redusă, pentru că şi valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare este mai redusă. Dinacest motiv şi suprafaţa necesară a colectorilor solari care sunt utilizaţi doar vara, estemai redusă decât cea necesară pentru o utilizare din primăvară până în toamnă, dar şi

procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus,dacă aceste panouri sunt dimensionate pentru a funcţiona doar pe durata sezonului cald.

Considerând valorile particulare ale sarcinilor termice unitare Qacm1 , prezentate întabelul 3, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solariutilizaţi pentru prepararea apei calde menajere.

[m2]

Cu ajutorul acestei relaţii pot fi calculate suprafeţele necesare de colectori solari, pentru orice tip de aplicaţie în care este necesară prepararea apei calde menajere cuajutorul energiei solare. Exemple de asemenea situaţii pot fi reprezentate de: restaurante,hoteluri, moteluri, vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde,etc.:

Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate înaceastă manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 1.

Încălzirea apei din piscine

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calculcomplex, care să ţină seama de temperatura apei din piscină şi de o serie de pierderi decăldură, între care o importanţă deosebită este reprezentată de următoarele pierderi:evaporarea apei, transferul termic prin convecţie de la suprafaţa apei la mediul ambiant,stropirea cu apă în afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.,.

Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar deîncălzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat,considerând doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiţii

1acm

acm

Q

QS =



57

reale în piscine, duc la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul deîncălzire.

În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare,

pentru a se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor

tipuri de colectori solari.Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Q p , se poate calcula curelaţia:

[kW]

unde:- m [kg] este cantitatea de apă din piscină;- cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura,

dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;

- ∆t [°C] este variaţia temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de căldură;- τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o

importanţă deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

bservaţie: Producătorii de panouri solare recomandă valori diferite pentru suprafeţelecolectorilor solari, destinaţi încălzirii apei din piscine, pentru diferite condiţii de

exploatare a piscinelor, indicând aceste suprafeţe, dar nu precizează adâncimeaconsiderată a apei din piscine. Lipsa acestui element în tabelele de alegere a colectorilor solari, reprezintă o deficienţă importantă a sistemului de dimensionare propus de

producători, care a fost eliminată în continuare, prin considerarea unei valori medii a

adâncimii apei din piscine, de 1,3m. În urma finalizării calculelor efectuate cu ajutorulalgoritmului prezentat în continuare şi în urma comparării valorilor sarcinilor termiceunitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectori solari, cu valorile sarcinilor termiceunitare ale aceloraşi colectori, utilizaţi la prepararea apei calde menajere, s-a dovedit căaceastă ipoteză este corectă şi că probabil aceeaşi valoare medie a adâncimii apei din

piscine a fost considerată şi de producătorii panourilor solare, la întocmirea tabelelor deselecţie a colectorilor.

Cantitatea de apă din piscine se determină cu relaţia:

[kg]

unde:- S p [m2] este suprafaţa piscinei;- H [m] este adâncimea medie a apei din piscină;- ρ [kg/m3] este densitatea apei, mărime care depinde de temperatură, dar pentru

care se poate considera valoarea ρ=1000kg/m3.

O

3600*

**

τ

t cmQ w

p

∆=

ρ ** H S m p=



58

În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafaţa unitară a piscinei, deci seva considera S p=1m2.

m = 1*1,3*1000 = 1300 kg

Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeţei unitare a piscinei,

considerând că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C şică durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:

În cazul în care variaţia temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de0,5°C, situaţie posibilă în cazul piscinelor realizate în spaţii închise, sarcina termicăunitară pentru încălzirea apei, s-ar reduce şi aceasta la jumătate.

Acoperirea suprafeţei apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atât în cazulcelor închise cât şi în cazul celor aflate în aer liber, pe lângă faptul că previne producerea

accidentelor, permite şi reducerea substanţială a pierderilor de căldură prin convecţie şi prin evaporarea apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termicenecesare pentru încălzirea apei. Pentru calcule rapide de predimensionare, se poateconsidera că acoperirea suprafeţei apei, în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20%valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei.

În tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafaţă a piscinei, pentrudiferite condiţii de lucru, considerând adâncimea medie a apei, de 1,3m.

Tabelul 4. Valori orientative ale sarcinilor termice pentru încălzirea apei din

piscine, considerând adâncimea medie a apei de 1,3m [W/m

2

piscină]

Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare recomandă utilizarea unor suprafeţe diferite de colectori solari, în funcţie de tipul piscinelor, de tipul colectorilor şi

de perioada prevăzută pentru funcţionarea sistemului de încălzire cu energie solară, aşacum se observă în tabelul 5.

2221 /190/190,0/189,0

3600*8

1*186,4*1300mW mkW mkW Q p =≈==



59

Tabelul 5. Suprafaţa necesară de colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine[m2/m2 piscină]

În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C şigradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul

piscinelor în aer liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C şi gradul de răcire aapei datorită pierderilor de căldură este de 1°C/24h.Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeaşi

suprafaţă de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoareceîn condiţiile în care intensitatea radiaţiei solare este mare, performanţele tuturor tipurilor de colectori sunt relativ apropiate.

Având în vedere că suprafeţele de colectori solari recomandate în tabelul 5, au cascop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termiceunitare a colectorilor solari Q p1 , în regim de încălzire a apei din piscine, este:

unde:- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 5.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 6, considerându-se pentrusarcinile termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 4. Faptulcă valorile obţinute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleaşicondiţii de lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt corecte şi în nici un caz nuintroduc erori semnificative.

11

S

QQ

p

p =

2m

W



60

Tabelul 6. Sarcinile termice unitare ale colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [W/m2 colector]

Considerând valorile particulare ale sarcinilor termice unitare Q p1 , prezentate întabelul 6, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solariutilizaţi pentru prepararea apei calde menajere.

[m2]

Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate înaceastă manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 5.

2.4.3. Concluzii

În tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitareobţinute pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerând funcţionarea acestora înregim de preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din

piscine situate în aer liber fără acoperire, ca şi valorile medii obţinute pentru sarcinatermică unitară a colectorilor solari utilizaţi pentru încălzirea piscinelor.

Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari,utilizaţi în diferite regimuri de lucru [W/m2 colector]

1 p

p

Q

QS =



61

Valorile obţinute pentru sarcina termică unitară a colectorilor plani, utilizaţi laîncălzirea piscinelor în aer liber fără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizareanumai în lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decât în cazul preparării apei caldemenajere. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu

s-a considerat o perioadă atât de scurtă de funcţionare, ci una care să asigure totuşiacoperirea a 40…50% din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceeace reprezintă mult mai mult decât doar două luni de funcţionare. În cele două luni,intensitatea radiaţiei solare este maximă şi atunci se pot atinge valori mai ridicate pentrusarcina termică unitară a colectorilor.

În afara acestei situaţii, se observă că aşa cum era normal, indiferent de tipulaplicaţiei, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip decolector solar asigură aproximativ aceleaşi valori ale sarcinilor termice unitare medii pecare le realizează.

În consecinţă pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare alecolectorilor solari, indiferent de tipul de aplicaţie, preparare apă caldă menajeră sau

încălzirea apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 8.Tabelul 8. Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari,în funcţie de perioada de exploatare [W/m2 colector]

Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu uşurinţă încalcule orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectori solari, fiindcu atât mai utile cu cât, de regulă, asemenea valori nu sunt indicate de firmele

producătoare.Considerând pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensităţii

radiaţiei solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vârf pentru cele mai caldezile ale anului şi nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puţinraportat la condiţiile climatice din România, se obţin următoarele valori alerandamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectori solari:

- η=60% pentru colectori plani;- η=76% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice.

Considerând tot pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensităţiiradiaţiei solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condiţiilemedii din România, se obţin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice alediferitelor tipuri de colectori solari:

- η=67% pentru colectori plani;- η=84% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice.



62

Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată în plus, că ipotezele considerate în calculele prezentate, ca şi valorile obţinute pentrusarcinile termice unitare medii ale diverselor tipuri de colectori solari sunt corecte.

2.5. Monitorizarea intensităţii radiaţiei solare2.5.1. Noţiuni introductive

În contextul actualei crize energetice relativ acute, comunitatea ştiinţificăinternaţională, reconsideră toate abordările referitoare la energiile regenerabile. Întreacestea, energia solară prezintă unul dintre cele mai importante potenţiale, peste tot înlume, deoarece pentru o perioadă de timp foarte lungă, Soarele poate fi considerat ouriaşa sursă sursă gratuită de energie.

Aşa cum s-a arătat anterior, nivelul intensităţii radiaţiei solare, în afara limitelor atmosferei, este relativ constant, a fost denumit constanta solară şi această valoare a fost

determinată experimental prin măsurători cu tehnologie specifică sateliţilor, obţinându-seo valoare de cca. 1350…1366W/m2.De la limita atmosferei, până la suprafaţa terestră, intensitatea radiaţiei solare se

reduce datorită câtorva efecte cunoscute (reflexie, dispersie, absorbţie, etc.), iar valoareaintensităţii radiaţiei solare, la nivelul solului, prezintă valori diferite, în funcţie de:

- Poziţia geografică (latitudine, longitudine, altitudine);- Condiţii meteorologice;- Prezenţa sau absenţa poluării, etc.

Există două tipuri de radiaţie solară, care se manifestă la nivelul solului şi anumeradiaţia directă şi radiaţia difuză, suma dintre cele două reprezentând radiaţia totală.

În continuare va fi prezentat un sistem original de monitorizare a intensităţiiradiaţiei solare, realizat pentru a măsura şi a permite calculul intensităţii tuturor celor treitipuri de radiaţie solară.

Acest sistem de monitorizare a fost implementat în localitatea Cluj Napoca, lasediul Facultăţii de Mecanică.

2.5.2. SenzoriPentru măsurarea intensităţii radiaţiei solare totale şi difuze, au fost utilizate două

piranometre de tip CMP3, ale companiei Kipp & Zonen din Olanda. Unul a fost utilizat pentru determinarea intensităţii radiaţiei totale, iar celălalt (umbrit în timpul realizăriiexperimentelor), a fost utilizat pentru determinarea intensităţii radiaţiei solare difuze. În

figura 2.26, este prezentat modelul 3D al unui piranometru, iar în figura 2.27, schemaconstructivă a unui piranometru.



63

Fig. 2.26. Model 3D al unui piranometru

Fig. 2.27. Schema constructivă a unui piranometru1 – circuit electronic imprimat; 2 – senzor de radiaţie solară; 3 – dom de sticlă;

4 – corp; 5 – conector electric; 6 – cablu electric; 7 – şurub pentru reglareanivelului orizontal; 8 – elemente de fixare; 9 – capac pt acces la conexiunile

electrice; 10 – conector electric filetat; 11 – poloboc.



64

În tabelul de mai jos sunt prezentate câteva caracteristici ale piranometrelor utilizate.

În figura 2.28, este prezentată schema sistemului original de achiziţie a datelor şide monitorizare a intensităţii radiaţiei solare, utilizat la Universitatea Tehnică din Cluj Napoca.

Fig. 2.28. Schema de funcţionare a sistemului de achiziţie a datelor şimonitorizare



65

Echipamentul indicat pe schemă, este reprezentat de două piranometre, conectatela sistemul original de achiziţie a datelor şi de monitorizare.

Valorile intensităţilor radiaţiei solare totale şi difuze, sunt citite de unmicrocontroler, prin intermediul modulului electronic original de conversie indicat pefigura 2.29 prin CONV.

Componentele software ale modulului sunt de asemenea originale.

Fig. 2.29. Schema de principiu a sistemului de achiziţie a datelor, cumicrocontroler

Cele două tensiuni electrice, proporţionale cu valorile intensităţilor radiaţieisolare, reprezentând mărimile de ieşire ale celor două piranometre, sunt convertite învalorile efective ale intensităţilor radiaţiei solare totale, respectiv difuze, în modululelectronic de conversie şi apoi sunt înregistrate în memoria microcontrolerului. Esterealizată de asemenea transmiterea valorilor înregistrate, la un calculator compatibilIBM-PC, cu sistem de operare Linux, prin interfaţa serială COM. Intensitatea radiaţieisolare totale, a fost notată cu I0, iar intensitatea radiaţiei solare difuze, cu I1.

Prezenţa calculatorului, utilizat ca server, este obligatorie, deoarece s-a urmăritmonitorizarea de la distanţă prin internet.

Aplicaţia de monitorizare prin internet a intensităţii radiaţiei solare, cuprinde maimulte programe de calcul.

Funcţiile realizate de programele componente ale aplicaţiei de monitorizare sunt:- Stocarea într-o bază de date a valorilor intensităţilor radiaţiei solare, citite de

piranometru şi de microcontroler;- Citirea intensităţilor radiaţiei solare din baza de date;- Afişarea mărimilor citite din baza de date, pe un panou virtual de monitorizare,

realizat sub forma unei pagini web;- Reprezentarea grafică a variaţiei mărimilor monitorizate.

Baza de date, notată pe figura 2.28 cu BD, concepută în vederea stocării valorilor parametrilor măsuraţi, este de tip MySQL, şi permite interogarea prin internet. Structuratabelului utilizat pentru stocarea datelor în baza de date, este prezentată în figura 2.30.



66

Fig. 2.30. Structure tabelului din baza de date MySQL

Se observă că fiecare înregistrare în baza de date primeşte un cod unic, denumitid, iar informaţiile stocate sunt: data şi ora la care s-a efectuat măsurarea, în câmpuldenumit data, respectiv cele două valori ale intensităţilor radiaţiei solare directe şi difuze,indicate de cele două piranometre, în câmpurile denumite pyr0 şi pyr1.

Stocarea în baza de date a valorilor parametrilor citiţi de microcontrolerul MC,este realizată cu ajutorul unui program original de calcul, scris în limbaj JAVA şidenumit Software achiziţie, pe figura 2.28. Schema logică de principiu a programuluiPrg. Achizitie, este prezentată în figura 2.31.

Fig. 2.31. Schema de principiu a programului de citire a parametrilor transmişi demicrocontroler şi de stocare a acestora în baza de date



67

Programul de achiziţie a datelor funcţionează în continuu, citind şi stocândvalorile parametrilor în baza de date, la intervale de 1 minut, până la eventuala oprireaacestei componente software de către operator.

Citirea parametrilor din baza de date şi afişarea acestora pe panoul virtual demonitorizare, este realizată de programele denumite Interog B.D., pe schema din figura

2.28. Aceste programe au structura logică prezentată în figura 2.32. Programele au fostscrise în limbajul de programare PHP.

Fig. 2.21. Schema de principiu a programului de citire a parametrilor din baza dedate şi afişare a acestora pe panoul virtual de monitorizare

Valorile parametrilor, indicaţi pe pagina web pot fi actualizate la orice interval detimp dorit de utilizator, prin reîncărcarea automată a fişierului în browser. Actualizareaeste posibilă deoarece microcontrolerul citeşte în continuu valorile parametrilor indicaţide senzorii radiaţiei solare globale şi difuze. Tot în continuu, valorile parametrilor citiţide microcontroler, sunt transmise interfeţei seriale a calculatorului, iar programul deachiziţie a datelor, citeşte la intervale de 1 minut (60 secunde), valorile transmise demicrocontroler şi scrie în baza de date, noile valori citite.

În plus, faţă de selecţia şi afişarea valorilor din baza de date, programelemenţionate, realizează şi calculul următorilor parametrii:

- Valoarea intensităţii radiaţiei solare directe, ca diferenţă dintre intensităţile

radiaţiei totale şi difuze;- Valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solare (totală, difuză şi directă), pentru

tot intervalul selectat;- Valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solare (totală, difuză şi directă), pentru

perioadele de zi (în care Soarele este pe cer), din intervalul selectat;- Valorile totale ale căldurilor (totală, difuză şi directă) radiante furnizate de

Soare.



68

Afişarea parametrilor citiţi din baza de date, a fost realizată pe un panoul virtualde monitorizare, realizat în limba engleză, conceput sub forma unei pagini web şireprezentat în figura 2.22.

Fig. 2.22. Panoul virtual de monitorizare, realizat sub forma unei pagini web

Panoul virtual de monitorizare prezentat în figura 2.22, poate fi afişat pe orice

calculator conectat la internet, indicând adresa paginii web şi anume:http://l.academicdirect.ro/Engineering/environment/solar/index.php

Interfaţa prezentată, afişează ultimele valori ale intensităţii radiaţiei solare totale,respectiv difuze şi oferă următoarele opţiuni de selectare din baza de date:

- Selecţie pentru o perioadă de timp oarecare, indicată prin anul, luna, ziua şi orade început, respectiv de sfârşit a perioadei alese;



69

- Selecţie pentru o perioadă de o oră, indicată prin anul, luna, ziua şi intervalulorar dorit;

- Selecţie pentru o perioadă de o zi, indicată prin anul, luna şi ziua dorite;- Selecţie pentru o perioadă de o lună, indicată prin anul şi luna dorite;- Selecţie pentru o perioadă de un an, indicat prin anul dorit.

Pentru toate opţiunile, poate fi ales şi intervalul de timp, exprimat în minute, pentru care se doreşte afişarea valorilor stocate în baza de date. Valorile posibile pentru pasul de timp diferă, în funcţie de opţiunea selectată de utilizator, între 1, 5, 10, 15, 20,30, 60min.

În cazul în care pentru intervalul de timp selectat lipsesc înregistrările din baza dedate, situaţie posibilă datorită unui număr extrem de redus de întreruperi ale sistemului demonitorizare, datorate unor pene de curent, sunt afişate mesaje de eroare.

Fiecare selecţie din baza de date, este activată prin acţionarea butoanelor marcate prin “list recorded values”. Fiecare din aceste butoane lansează în execuţie câte un program de citire din baza de date.

2.5.3. Rezultate

În continuare, sunt prezentate câteva exemple de rezultate furnizate de programelecomponente ale sistemului de monitorizare, în perioada august – octombrie 2007.

În figura 2.23, sunt prezentate valorile intensităţilor radiaţiei solare totale, difuzeşi directe, înregistrate pentru ziua de 17 august, în intervalul orar 14-15 şi afişate cu un

pas de timp de 10 minute.Ziua considerată a fost complet însorită, practic cerul a fost complet senin toată

ziua şi se observă că valorile intensităţii radiaţiei solare totale, pentru intervalulconsiderat depăşesc valoarea de 800W/m2.



70

Fig. 2.23. Valorile intensităţilor radiaţiei solare înregistrate pentru ziua de 17 august, înintervalul orar 14-15, cu un pas de timp de 10min

În figura 2.24, sunt prezentate valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solaretotale, difuze şi directe, calculate pe baza înregistrărilor din ziua de 17 august, pentru totintervalul de 24 ore considerat.

Fig. 2.24. Valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solare, pentru ziua de 17 august,calculate pentru tot intervalul de 24 ore considerat

În figura 2.25, sunt prezentate valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solaretotale, difuze şi directe, calculate pe baza înregistrărilor din ziua de 17 august, pentru

perioada de zi, în care Soarele a fost pe cer, din intervalul considerat. Pe de-o parte, seobservă că a putut fi calculată durata perioadei din zi în care Soarele a fost pe cer şi pe dealtă parte se observă că valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare este de 518,22W/m2,faţă de numai 295,28W/m2, valoare corespunzătoare întregului interval de 24 considerat.



71

Pentru aplicaţiile tehnice, valorile medii calculate pentru perioada de zi, prezintă oimportanţă mult mai mare decât valorile medii calculate pentru tot intervalul de 24h.

Fig. 2.25. Valorile medii ale intensităţilor radiaţiei solare, pentru ziua de 17 august,calculate pentru perioada de zi (Soarele pe cer) din intervalul considerat

În figura 2.26 sunt prezentate valorile calculate pentru căldurile radiante furnizatede Soare, determinate pe baza înregistrărilor din data de 17 august.

Fig. 2.26. Valorile totale ale căldurilor radiante furnizate de Soare, pentru 17 august

În continuare sunt prezentate câteva reprezentări grafice ale intensităţii radiaţieisolare, realizate pe baza unui program de monitorizare, derulat în perioada august –

octombrie 2007.

Figura 2.27, prezintă tendinţa descrescătoare a intensităţii radiaţiei solare totale, în perioada august…octombrie 2007.

Fig. 2.27. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in lunile august - septembrie -octombrie



72

Fig. 2.28. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in luna august

Fig 2.29. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in luna septembrie

Fig. 2.30. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in luna octombrie

Figurile 2.28…2.30, detaliază variaţia intensităţii radiaţiei solare totale, în fiecaredintre lunile august…octombrie 2007.

Fig. 2.31. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 17 august



73

Fig. 2.32. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 17 septembrie

Fig. 2.33. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 17 octombrie

Analizând figurile 2.31…2.33, se observă că în ziua de 17, a fiecăreia dintre celetrei luni, cerul a fost senin, iar valoarea maximă a intensităţii radiaţiei solare totale, ascăzut de la cca. 860W/m2 în august, la cca. 760 W/m2 în septembrie şi la cca. 610W/m2 în septembrie.

În figurile 2.34…2.36, sunt prezentate variaţiile intensităţii radiaţiei solare totale,în câte trei zile consecutive, preponderent însorite, din lunile august…septembrie.

Fig. 2.34. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 3 zile consecutiv însorite:(15-17 august)



74

Fig. 2.35. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 3 zile consecutiv insorite:(16-18 septembrie)

Fig. 2.36. Variaţia intensităţii radiaţiei solare totale in 3 zile consecutiv insorite:

(15-17 octombrie)Fig. 2.37. Valoare ridicata a intensităţii radiaţiei solare totale, după ploaie, in lipsa

poluării, in lipsa norilor, in miezul zilei (3 septembrie ora 14:20)

Fig. 2.38. Valoare ridicata a intensităţii radiaţiei solare totale, după ploaie, in lipsa poluării, in lipsa norilor, in miezul zilei (6 septembrie ora 15:20)



75

Fig. 2.39. Valori ridicate ale intensităţii radiaţiei solare totale, in lipsa poluării, inmomentele fără nori, maximul in miezul zilei (10 septembrie ora 15:20)

În figurile 2.37…2.39, se observă că în câteva zile preponderent înnorate, s-auatins în jurul prânzului, chiar dacă pentru foarte scurt timp, valori foarte ridicate aleintensităţii radiaţiei solare, peste 1000W/m2. Explicaţia posibilă a acestui fenomen, estecă probabil în acele zile a şi plouat, ploaia a curăţat atmosfera de impurităţi şi particule

poluante, iar când în jurul prânzului, cerul a devenit senin, intensitatea radiaţiei solare lanivelul solului a fost mai ridicată decât în mod normal, fenomenele de dispersie,absorbţie şi difuzie a radiaţiei solare în atmosferă fiind mult diminuate. În zilele completsenine, nu se ating valori atât de ridicate ale intensităţii radiaţiei solare.

Figura 2.40, prezintă variaţia intensităţii radiaţiei totale, în două zile consecutiveîn care s-a înnorat imediat după prânz, urmate de o zi complet însorită.

Fig. 2.40. Doua zile consecutive in care s-a înnorat după prânz, urmate de o zicomplet însorita: (18-20 august)

Figurile 2.41 şi 2.42, prezintă variaţia intensităţii radiaţiei solare, în succesiuni dezile însorite, din lunile august, respectiv septembrie.

Fig. 2.41. Succesiune de zile preponderent însorite in august (15-25 august)



76

Fig. 2.42. Succesiune de zile preponderent însorite in septembrie (20-30 septembrie)

Rezultatele acestui studiu de monitorizare a intensităţii radiaţiei solare, permitinterpretări deosebit de interesante, care pot fi valorificate în sensul determinării

potenţialului local de utilizare a energiei solare. Asemenea rezultate preliminare au fostdeja obţinute, însă pentru finalizarea acestui studiu, este nevoie de o perioadă mult maiîndelungată de monitorizare a intensităţii radiaţiei solare.

3. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIEELECTRICĂ

3.1. Efectul fotovoltaic

Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare, sub acţiunea energiei solare,denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-EdmondBecquerel, în anul 1839.

Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină şi din

numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume.Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative

(electroni) şi pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafaţa acestuiainteracţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv,care se produce sub acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poategenera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcţionează pe bazaacestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a

permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcţioneazăindividual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau

panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energieitermice, denumite şi colectori solari sau panouri solare termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea elementchimic cel mai răspândit în scoarţa terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci estedisponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare aacestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

În figura 3.1 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare,deci şi a siliciului.



77

Fig. 3.1. Structura energetică a materialelor semiconductoare www.bpsolar.fr

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegerii condiţiilor încare semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situaţiinormale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferitenivelele energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energeticeaccesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentândadevărate “bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintrecele ocupate de electroni, este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau mai simplu

bandă de valenţă. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat deaceştia, este denumit bandă energetică de conducţie, sau mai simplu bandă deconducţie. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de

valenţă şi ale benzii de conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ∆E, dintre banda de conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice”dintre cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al benzii deconducţie şi Ev al benzii de valenţă ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoareaacestei bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuiesă fie transmise electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi,adică pentru a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină cummai sunt numiţi aceştia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valenţă,energia necesară pentru a depăşi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie.

Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite

elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni)sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectivde tip p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a douăasemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită asarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de tip p-n de tipulcelei reprezentate schematic în figura 3.2.



78

Fig. 3.2. Joncţiune p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact,electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în stratul p, deficitar înelectroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra înstratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor

electrice este reprezentată în figura 3.3.

Fig. 3.3. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii p-n

Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-neste limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice.Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată

profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcinielectrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcinielectrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice înzona joncţiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 3.4.



79

Fig. 3.4. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona joncţiunii p-n

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia uneidiferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă internă de potenţialreprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electricenegative din stratul n spre stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile

electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţeleacestor straturi, opuse joncţiunii p-n.Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât

caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şi caracteristicicorpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul devedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii având un nivel energeticsuficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară prezintă o intensitate maimare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflaţi pe straturile devalenţă ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conducţie şi să devină electroni liberi.

Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atraşi spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţaacestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conducţie, lasăîn urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfelcă sub acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electricenegative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, carese manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile care se formează în stratul p suntrespinse spre periferia stratului p al joncţiunii, iar golurile care se formează în stratul n,sunt atrase spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul p, sunt

respinşi spre suprafaţa acestui strat.În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona joncţiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelulsuprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n, aşa cum se observă în figura 3.5.



80

Fig. 3.5. Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n

Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câte un stratmetalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va manifesta o diferenţă de

potenţial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric.Diferenţa de potenţial şi curentul electric se pot menţine la un nivel constant atâta tip câtse manifestă radiaţia solară. Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare va produceşi variaţii ale diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului electric aşacum se va arăta ulterior.

Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică sau

o celulă electrică solară având construcţia de tipul celei reprezentate în figura 3.6.



81

Fig. 3.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice www.viessmann.com

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimeastratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celuleifotovoltaice, se amplasează un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiaţieisolare incidente pe suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai marede energie să fie transferată electronilor de valenţă din cele două straturisemiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzuale de 10x10cm şi mai recentde 15x15cm.

Primele celule fotovoltaice, au fost utilizateîn 1958, pe satelitul Vanguard I, prezentat în figura3.7. Eficienţa de conversie a energiei radiaţiei solareîn electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în2005, puterea totală instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice, depăşea 1.000.000.000W=1GW.

Fig. 3.7. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I



82

Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori: Intensitatea radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei; Eficienţa procesului de conversie a energiei radiaţiei solare în energie

electrică.În prezent, construcţiile de celule fotovoltaice au eficienţe în jurul valorii de 15%,

ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaicesunt amplasate preponderent în zone caracterizate prin radiaţie solară intensă. Cu toateacestea, ţări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă aacestei tehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensităţiiradiaţiei solare.

3.2. Caracteristici ale celulelor fotovoltaice

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca şi în cazul bateriilor:

Tensiunea; Intensitatea curentului electric; Puterea electrică.

Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca şi intensitatea curentului electric asigurat, depind semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat lafabricaţie, ca şi de dimensiunile acestor celule. În figura 3.8 este reprezentată variaţiatensiunii şi a intensităţii curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică realizată dinsiliciu şi având dimensiunile de 10x10cm.

Fig. 3.8. Tensiunea şi intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică dinSi, la diferite intensităţi ale radiaţiei solare



83

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaicerealizate din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care

poate fi asigurată, depinde foarte puţin de intensitatea radiaţiei solare, dar valoareaintensităţii curentului electric, depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variaţie

între 0,4A în cazul unei radiaţii solare de 200W/m

2

şi 2,2A în cazul unei radiaţii solare de1000W/m2.Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea

U şi intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente genereazăcurent continuu.

P=U·IConsiderând că tensiunea este de U=0,5V şi intensitatea curentului electric este

I=2A, se poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W.Această valoare redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multecelule fotovoltaice în serie, pentru a se obţine panouri fotovoltaice capabile să asigure o

putere electrică semnificativă. Din acest motiv şi dimensiunile panourilor sunt

semnificative. Considerând un panou realizat din 10x10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi 100x100cm=1m2, iar acest panou va putea să asigure o putere de 10x10=100W.

Pornind de la curbele de variaţie a intensităţii curentului electric, cu intensitatearadiaţiei solare, reprezentate în figura 3.8, şi calculând valoarea puterii ca produs dintretensiune şi intensitate, se pot trasa curbe de variaţie a puterii furnizate de celulelefotovoltaice, de tipul celei din figura 3.9.

Fig. 3.9. Curba de variaţia puterii electrice a celulelor fotovoltaicewww.zonnepanelen.wouterlood.com



84

Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obţine înpunctul în care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începesă scadă. Acel punct de pe curba de variaţie a intensităţii curentului electric, estenumit punct de putere maximă PPM, iar puterea maximă corespunzătoare, poartădenumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM. Se observă că şi în condiţiile

în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A, ceea ce corespundeunei intensităţi foarte mari a radiaţiei solare şi unei construcţii foarte performante acelulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este decca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule învederea obţinerii unor panouri fotovoltaice, asemenea panouri fiind capabile să asigure

puteri de cca. 10…250W.

Fig. 3.10. Panou fotovoltaicwww.viessmann.com

Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice suntdependente de temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de a converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poateconsidera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%,

pentru fiecare grad de creştere a temperaturii. De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electrică esterealizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

3.3. Tipuri de celule fotovoltaice

În funcţie de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricareaacestora (de regulă siliciul, aşa cum s-a arătat anterior), se disting trei tipuri de celulefotovoltaice:

- monocristaline;- policristaline;- amorfe.



85

Monocristalele se obţin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subţiri care se utilizează la fabricaţiacelulelor fotovoltaice.

Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficienţă a conversieifotoelectrice, dar este şi cel mai costisitor.

Policristalele se obţin în urma unui proces de producţie mai puţin ieftin, constânddin turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subţiri. În procesulde solidificare, se formează cristale de diferite dimensiuni şi forme, iar la margineaacestor cristale apar şi unele defecte de structură. Ca urmare a acestor defecte, celulelefotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puţin eficiente.

Structura amorfă se obţine prin depunerea unui film extrem de subţire de siliciu pe o suprafaţă de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un alt material. În acest caz,solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei reţeleatomice cu dispunere neregulată, denumită structură amorfă. În această reţea atomicăapar şi numeroase defecte, care diminuează performanţele electrice ale materialului.Grosimea stratului amorf de siliciu, obţinut prin această metodă este mai mică de 1µm.

Pentru comparaţie grosimea unui fir de păr uman este de 50…100µm.Costurile de fabricaţie ale siliciului amorf sunt foarte reduse, datorită cantităţiiextrem de reduse de material utilizat, dar eficienţa celulelor fotovoltaice care utilizeazăsiliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează structuri cristaline dematerial. Datorită costului redus, celulele fotovoltaice cu siliciu amorf se utilizează

preponderent la fabricarea echipamentelor cu putere redusă, cum sunt ceasurile sau,calculatoare de buzunar.

În tabelul de mai jos sunt prezentate performanţele celor trei tipuri de celulefotovoltaice din punct de vedere al conversiei energiei radiaţiei solare în energie electrică.

Performanţele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice

În continuare sunt prezentate câteva dintre fenomenele care limitează creştereaeficienţei celulelor fotovoltaice:

O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiaţia solară, au un nivelenergetic insuficient pentru a determina trecerea electronilor de pe stratul de valenţă pe

cel de conducţie;Energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut, se transformă în căldură şi nu înenergie electrică;

Apar pierderi optice datorate reflexiei radiaţiei solare, pe suprafaţa celulelor fotovoltaice;

Apar pierderi datorate rezistenţei electrice a materialului semiconductor saucablurilor electrice de legătură;



86

Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula fotovoltaicăînrăutăţesc performanţele acestora.

În figura 3.11 sunt prezentate eficienţele maxime teoretice, ale conversieifotovoltaice care pot fi atinse în condiţii optime, pentru diferite tipuri de materialesemiconductoare, împreună cu valoarea “barierei energetice” adică diferenţa dintre

nivelul energetic al benzii de conducţie şi al benzii de valenţă.

Fig. 3.11. Eficienţa teoretică şi nivelul “barierei energetice”, pentru diferite materiale

semiconductoareSe observă că de exemplu pentru Si monocristalin, valoarea eficienţei teoretice

este de cca. 28%, dar valorile acestui parametru sunt situate pentru toate materialele sub30%.

3.4. Noi tendinţe în fabricaţia celulelor fotovoltaice

La ora actuală, toţi producătorii de celule fotovoltaice caută soluţii pentruîmbunătăţirea performanţelor celulelor fotovoltaice şi pentru reducerea costurilor defabricaţie a acestora, respectiv a panourilor care le conţin. Câteva dintre aceste tendinţe

sunt prezentate în continuare.Realizarea de suprafeţe cu pierderi prin reflexie minime. Astfel de celulefotovoltaice au suprafaţa realizată într-o structură piramidală, pentru ca lumina incidentăsă lovească de mai multe ori suprafaţa celulei.

Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu(Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).



87

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din materialesemiconductoare diferite aşezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energialuminoasă într-un domeniu de lungimi de undă cât mai larg.

Utilizarea unor concentratori de lumină, realizaţi dintr-un sistem de oglinzi,care pe de-o parte să mărească intensitatea radiaţiei luminoase şi pe de altă parte să poată

urmări deplasarea Soarelui pe cer.Producerea câmpului electric intern prin realizarea unei joncţiuni între un stratsubţire de oxid şi un semiconductor, această soluţie fiind mai eficientă decât joncţiunea p-n.

Utilizarea celulelor Grätzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimicşi utilizează dioxid de titan ca electrolit şi o vopsea specială, pentru a îmbunătăţi procesulde absorbţie a luminii.

3.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efectfotovoltaic

Posibilităţile de utilizare a energiei electrice obţinute prin conversia energieisolare, folosind efectul fotovoltaic sunt multiple, iar în continuare sunt prezentate câtevaasemenea sisteme tehnice care înglobează panouri fotovoltaice.

3.5.1. Sistem pentru producerea şi utilizarea curentului continuu

În figura 3.12 este prezentat un sistem de producere şi utilizare a curentuluicontinuu cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 3.12. Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu



88

Acest tip de aplicaţie poate să permită de exemplu asigurarea iluminatuluielectric, cu becuri de curent continuu, în imobile situate în zone izolate şi neelectrificate.

Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului.Deoarece momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în careeste prezentă radiaţia solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-una

sau mai multe baterii pentru a fi utilizată la nevoie. Între panoul fotovoltaic şi baterie esteintercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii curentului electric la ieşirea din panou sunt variabili, în funcţie cel puţin de intensitatea radiaţiei solare, iar parametriicurentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanţi.

Consumatorii alimentaţi cu curent continuu, sunt conectaţi tot la bornele de ieşireale regulatorului, pentru a fi alimentaţi cu curent electric având parametrii constanţi.

3.5.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu şi alternativ

În figura 3.13 este prezentat un sistem de producere şi utilizare simultană acurentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 3.13. Sistem cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentuluicontinuu şi alternativ www.lpelectric.ro



89

Având în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare,specifică de regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unuinumăr mai mare de panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea maimare, pentru ca sistemul să poată asigura puterea electrică maximă, pentru un timp câtmai lung, înainte ca bateria să se descarce.

Trebuie menţionată prezenţa obligatorie într-un asemenea sistem a unuiechipament denumit invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ.

5.5.3. Sistem fotovoltaic hibrid

În figura 3.14 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea şi utilizareasimultană a curentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 3.14. Sistem hibrid cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentuluicontinuu şi alternativ www.lpelectric.ro

Faţă de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componenţă şi ungenerator electric acţionat de un motor cu ardere internă de tip Diesel. Acest generator,



90

care poate să producă atât curent continuu cât şi curent alternativ, are rolul de a asigura puterea electrică necesară în perioadele de vârf de sarcină, sau în perioadele în careradiaţia solară nu este suficient de intensă.

3.5.4. Sistem fotovoltaic racordat la reţea

În figura 3.15 este prezentat un sistem pentru producerea şi utilizarea curentuluialternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la reţeaua locală de alimentare cuenergie electrică.

Fig. 3.15. Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric alternativ, racordat lareţea www.lpelectric.ro

Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorul panourilor fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemulfotovoltaic, dar şi furnizarea acestuia în reţeaua locală de alimentare cu energie electrică,acest sistem fiind furnizor de energie electrică. Este evident că imobilele prevăzute cu unasemenea sistem de alimentare cu energie electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte undispozitiv de măsură care să contorizeze energia electrică furnizată în reţea, dar şi cu uncontor pentru măsurarea consumului de energie electrică absorbită din reţea.



91

De regulă, în ţările în care se încurajează utilizarea energiilor regenerabile, cumeste Germania de exemplu, preţul cu care este cumpărată energia electrică furnizată deacest sistem este mult mai mare decât preţul de vânzare a energiei electrice.

4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE

ELECTRICĂ

4.1. Principiul de funcţionare al turbinelor eoliene

Energia eoliană, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energiesolară, deoarece vântul este produs în principal de încălzirea neuniformă aatmosferei terestre, de către Soare. Alţi factori care contribuie la producerea vântuluisunt neregularităţile scoarţei terestre şi mişcarea de rotaţie a Pământului în jurulaxei proprii.

Conversia energiei eoliene în energie mecanică şi apoi în energie electrică, poate fi realizată cu ajutorul turbinelor eoliene. Într-o manieră simplificată, se poate

spune că principiul de funcţionare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat.În loc să producă vânt cu ajutorul energiei electrice, aşa cum se întâmplă în ventilator,turbina eoliană utilizează vântul pentru a produce energie electrică. Astfel, vântulantrenează în rotaţie paletele, care sunt fixate pe arborele turbinei. Energia mecanicăobţinută prin rotaţia arborelui, este convertită în energie electrică de către un generator decurent electric.

Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste5000 ani, când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea corăbiilor. Deasemenea, cu 2000 ani î.e.n., în Babilon funcţionau deja primele mori de vânt. Se pare călumea occidentală a descoperit mult mai târziu forţa vântului, primele referiri scrise lamaşini care utilizau energia vântului datează abia din sec. 12, fiind vorba de echipamente

pentru măcinareagrânelor.

În figura 4.1, sunt prezentate principalele părţi componente ale uneiturbine eoliene.

Fig. 4.1. Principalele părţi componente ale unei turbine eolienewww.energy.iastate.edu



92

4.2. Clasificarea turbinelor eoliene

Turbinele eoliene pot fi clasificate după mai multe criterii, în continuare fiind prezentate doar câteva dintre acestea:

După puterea electrică furnizată- Turbine de putere redusă (sub 100kW) utilizate în principal pentru uz casnic,agricol, etc.;

- Turbine de putere mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energieielectrice în sistemele energetice naţionale.

În figura 4.2 este prezentată o turbină eoliană de putere mică, iar în figura 6.3, unade putere mare.

Fig. 4.2. Turbină eoliană de putere redusă Fig. 4.3. Turbină eoliană de putere mare

După direcţia de orientare a axei- Turbine cu axă orizontală (cele mai răspândite) având axa paralelă cu direcţia

vântului;- Turbine cu axă verticală (aflate în stadiu de cercetare) având axa perpendiculară

pe direcţia vântului.



93

În figura 4.4 este prezentată o turbină eoliană verticală de tip Darrierus, dupănumele celui care a realizat prima astfel de turbină. Asemenea modele se află deocamdatăîn stadiul de cercetare, nefiind încă disponibile pe piaţă.

Fig. 4.4. Turbine eoliene verticale

După modul de amplasare a paletelor În contra vântului (vântul întâlneşte întâi paletele şi apoi nacela) – “upwind”; În direcţia vântului (vântul întâlneşte întâi nacela şi apoi paletele) –

“downwind”.După numărul de palete

Cu două palete; Cu trei palete (cele mai răspândite).

În figura 4.5 este prezentată oturbină cu două palete, de tip “upwind”.

Fig. 4.5. Turbină “upwind” cu două palete



94

După locul de amplasare Amplasare terestră; Amplasare marină.

În figura 4.6 sunt prezentate câteva turbine eoliene marine.

Fig. 4.6. Turbine eoliene marine

4.3. Părţile componente ale turbinei eoliene

Câteva dintre părţile principale ale turbinelor eoliene sunt prezentate în figura 4.7,dar în principiu, cele mai importante părţi componente ale turbinelor eoliene, sunt:

- butucul rotorului;- paletele;- nacela;- pilonul;- arborele principal (de turaţie redusă);- multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate;- dispozitivul de frânare;- arborele de turaţie ridicată;- generatorul electric;

- sistemul de răcire al generatorului electric;- sistemul de pivotare;- girueta;- anemometrul;- sistemul de control (controller).



95

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei şi este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figurile 4.7 şi 4.8 sunt prezentate două imaginiale unor butuci de turbine eoliene.

Fig. 4.7. Butuc de turbină eoliană

Fig. 4.8. Butuc de turbină eoliană

Paletele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene şi împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele suntrealizate cu aceleaşi tehnologii utilizate şi în industria aeronautică, din materialecompozite, care să asigure simultan rezistenţă mecanică, flexibilitate, elasticitate şigreutate redusă. Uneori se utilizează la construcţia paletelor şi materiale metalice sauchiar lemnul. În figurile 4.9 şi 4.10 sunt prezentate două palete de turbine eoliene de maridimensiuni.



96

Fig. 4.9. Paletă de turbină eoliană

Fig. 4.10. Paletă de turbină eoliană

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează îninteriorul acesteia şi anume: arborele principal, multiplicatorul de turaţie, dispozitivul defrânare, arborele de turaţie ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire algeneratorului electric şi sistemul de pivotare.

În figurile 4.11 şi 4.12 sunt prezentate două nacele de dimensiuni mari.



97

Fig. 4.11. Nacela unei turbile eoliene de 2 MW

Fig. 4.12. Montajul nacelei unei turbine eoliene de mari dimensiuni



98

Pilonul are rolul de a susţine turbina eoliană şi de a permite accesul în vedereaexploatării şi executării operaţiilor de întreţinere, respectiv reparaţii. În interiorul

pilonilor sunt montate atât reţeaua de distribuţie a energiei electrice produse de turbinaeoliană, cât şi scările de acces spre nacelă. În figura 4.13 este prezentată fundaţia unui

pilon, iar în figura 4.14, este prezentat un tronson de pilon pentru susţinerea unei turbine

eoliene.

Fig. 4.13. Fundaţia unui pilon de turbină eoliană

Fig. 4.14. Tronson al unui pilon de turbină eoliană

Arborele principal al turbinelor eoliene are turaţie redusă şi transmite mişcareade rotaţie, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate. În funcţie detipul turbinei eoliene, turaţia arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min.

În figura 4.15 este prezentat un asemenea arbore.



99

Fig. 4.15. Arborele principal al unei turbine eoliene www.windpower.org

Multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate are rolul de a mări turaţia de lavaloarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorulde curent electric. În figura 4.15, pe arborele principal, este montat şi multiplicatorul deturaţie.

În figura 4.16 este prezentat principiul de funcţionare al acestei componente, iar înfigura 4.17 este prezentat un multiplicator de turaţie eolian.

Fig. 4. 16. Principiul de funcţionare al multiplicatorului de turaţie eolianwww.windpower.org



100

Fig. 4. 17. Multiplicator de turaţie eolian - www.windpower.org

Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranţă şi se montează pe arborelede turaţie ridicată, între multiplicatorul de turaţie şi generatorul electric. Viteza de rotaţiea turbinei este menţinută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor înfuncţie de viteza vântului şi nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivulde frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul încare mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcţionează corect,sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operaţii deîntreţinere sau reparaţii. În figura 4.18 este prezentat principiul de funcţionare almecanismului de frânare, iar în figura 4.19 este prezentat un asemenea mecanism.

Fig. 4.18. Principiul de funcţionare al frânei Fig. 4.19. Dispozitiv de frânare eolianwww.windpower.org

Arborele de turaţie ridicată denumit şi arbore secundar sau cuplaj, are rolul de atransmite mişcarea de la multiplicatorul de turaţie la generatorul electric. Turaţia acestuiarbore, ca şi cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura4.20 este prezentat un arbore de turaţie ridicată, montat pe multiplicatorul de turaţie.



101

Fig. 6.20. Arbore de turaţie ridicată - www.windpower.org

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a arborelui deturaţie ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc încâmpul magnetic generat de stator şi astfel, în spire se induce curent electric. Există atâtgeneratoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicaţii casnice şiturbine de dimensiuni reduse), cât şi generatoare electrice du curent alternativ într-o gamăextrem de variată de puteri.

În figura 4.21 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW,cea mai mare din lume în martie 2005.

Fig. 4.21. Generator electric eolian de 5MW

Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs întimpul funcţionării acestuia. În figura 4.21 se observă că răcirea este asigurată de unventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de



102

ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat săfuncţioneze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientareaturbinei după direcţia vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorulde pivotare şi elementul de transmisie a mişcării. Ambele componente au prevăzute

elemente de angrenare cu roţi dinţate. Acest mecanism este antrenat în mişcare cuajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcţiei vântului, sesizată degiruetă. În figura 4.22 este prezentat motorul sistemului de pivotare, iar în figura 4.23elementul de transmisie.

Fig. 4.22. Motorul sistemului de pivotare - www.windpower.org

Fig. 4.23. Elementul de transmisie al sistemului de pivotare - www.windpower.org

Girueta este montată pe nacelă şi are rolul de a se orienta în permanenţă dupădirecţia vântului. La schimbarea direcţiei vântului, girueta comandă automat intrarea înfuncţiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse,nacela este rotită automat după direcţia vântului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară

prezenţa unui sistem suplimentar de pivotare. În figura 4.24 este prezentată o giruetă.



103

Fig. 4.24. Giruetă

Anemometrul este un dispozitiv pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparateste montat pe nacelă şi comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depăşeşte3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depăşeşte 25m/s. Înfigura 4.25 este prezentat un anemometru cu cupe.

Fig. 4.25. Anemometru cu cupe

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puţin încazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o reţea de calculatoare, care controlează

buna funcţionare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă,iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor. În figura 4.26 este

prezentat un controler din componenţa unei turbine eoliene.

Fig. 4.26. Controler



104

4.4. Aerodinamica turbinelor eoliene

4.4.1. Lucrul mecanic, energia cinetică şi puterea vântului

Asemănător altor forme de energie şi cea eoliană poate fi transformată în alte

forme de energie, de exemplu mecanică, sau electrică. În condiţii ideale, se poateconsidera că aceste transformări se produc fără pierderi, dar în situaţiile reale, întotdeaunase poate defini un randament al transformării energiei dintr-o formă în alta. În continuareva fi determinat potenţialul energetic eolian, respectiv potenţialul de putere, care ar puteasă fie dezvoltate în condiţii ideale, de energia eoliană.

Pentru efectuarea acestui calcul, va fi analizat pentru început, cazul celebrului personaj Marry Poppins, care în romanul lui P. L. Travers, apare în zbor, deplasându-secu ajutorul unei umbrele, datorită energiei dezvoltate de “vântul de primăvară”, fenomen

prezentat în figura 4.27.

Fig. 4.27. Marry Poppins se deplasează sub acţiunea energiei eoliene

Considerând că viteza vântului este w, presiunea dinamică p, datorată deplasăriiaerului, poate fi calculată cu relaţia:

unde ρ [kg/m3] este densitatea aerului.

La rândul ei, densitatea aerului, depinde de presiunea atmosferică (deci delatitudine, longitudine, altitudine şi condiţiile meteorologice), respectiv de umiditateaaerului.

În contact cu suprafaţa umbrelei, presiunea vântului, produce forţa care determinădeplasarea lui Marry Poppins. Cu cât suprafaţa asupra căreia acţionează vântul este maimare, cu atât şi forţa produsă de vânt este mai mare. Aceasta este şi explicaţia faptului că

2*

2w p ρ =



105

atât pânzele corăbiilor, cât şi paletele morilor de vânt aveau suprafeţe foarte mari,necesare dezvoltării unor forţe cât mai mari.

În contact cu suprafeţele asupra cărora acţionează (umbrela, pânzele corăbiilor, paletele morilor de vânt, etc.), vântul este frânat, iar energia cinetică a acestuia, setransformă în energie potenţială de presiune, respectiv în energie mecanică şi este

transferată suprafeţei care realizează frânarea. Frânarea se produce pe orice suprafaţănormală (perpendiculară) la direcţia vântului. În cazul în care suprafaţa nu este perpendiculară pe această direcţie, vântul va acţiona pe proiecţia suprafeţei, în planulnormal la direcţia vântului.

Notând cu S, proiecţia suprafeţei umbrelei lui Marry Poppins, în planul normal ladirecţia vântului, forţa F, dezvoltată de vânt asupra umbrelei, se poate calcula cu relaţia:

Considerând că deplasarea se produce pe distanţa x, poate fi calculat lucrul

mecanic L, produs de forţa dezvoltată de vânt:

Puterea P, dezvoltată de vânt, pentru a produce deplasarea, în intervalul de timp τ, poate fi determinată cu relaţia:

deoarece.

Aceeaşi relaţie de calcul pentru puterea dezvoltată de vânt, poate fi determinatăconsiderând că energia cinetică a vântului, reprezintă tocmai potenţialul energetic alacestuia.

Fig. 6.28. Schema de calcul pentru energia cinetică a vântului

S w

S p F *2

**2

ρ ==

xS w

x F L **2

** ρ ==

S w x

S w L

P *2

***2

*3

ρ τ

ρ τ

===

w x

=τ



106

Pentru a calcula energia cinetică a vântului, se va considera ca în figura 6.28, unvolum oarecare de aer V, închis de o suprafaţă oarecare S, pe o lungime oarecare x.Lungimea x se consideră pe direcţia vântului, iar suprafaţa S, este considerată normală ladirecţia vântului. În aceste condiţii, volumul de aer se determină cu relaţia:

V = S* x

Considerând că aerul are densitatea ρ, se poate calcula cantitatea (masa) de aer m,care se deplasează sub acţiunea vântului:

m = ρ*V = ρ*S* x

Energia cinetică Ec, a masei de aer m, se determină cu relaţia:

Puterea pe care o poate dezvolta vântul, datorită energiei sale cinetice, înintervalul de timp τ, se calculează cu relaţia:

adică aceeaşi relaţie determinată cu ajutorul lucrului mecanic pentru deplasarealui Marry Poppins.

Atât în cazul lui Marry Poppins, cât şi în cazul analizei energiei cinetice avântului, au fost considerate situaţii ideale, fără pierderi fără şi ireversibilităţi, astfel încât

mărimile calculate, reprezintă potenţialul de dezvoltare a lucrului mecanic, potenţialul dedezvoltare a energiei cinetice, respectiv potenţialul de dezvoltare a unei puteri de cătrevânt.

În cazul aplicaţiilor reale, se va lua în considerare randamentul η, de conversie aenergiei eoliene în energie mecanică, care depinde de performanţele tehnice aleechipamentului utilizat.

unde indicele r, a fost utiliza pentru a desemna mărimile reale, faţă de mărimile

fără acest indice, considerate mărimi teoretice, sau potenţiale.În cazul turbinelor eoliene, suprafaţa S, utilizată pentru conversia energiei eoliene,

este suprafaţa rotorului turbinei, de rază r, respectiv de diametru d:

2***

2*

22w

xS w

m E c ρ ==

S ww x

S E

P c *2

*2

***32

ρ τ

ρ τ

===

P

P

E

E

L

L r

c

cr r ===η

4**

22 d

r S π π ==



107

Analizând relaţiile de calcul prezentate anterior, se observă că puterea pe care opot dezvolta echipamentele eoliene, în particular turbinele eoliene, depinde înprincipal de viteza vântului w, proporţional cu puterea a treia a acestei mărimi, darşi de diametrul d, respectiv raza r, a rotorului, proporţional cu puterea a doua aacestor mărimi. Puterea pe care o pot dezvolta echipamentele eoliene, mai depinde

şi de densitatea ρ, a aerului în locul în care este amplasat echipamentul respectiv. Larândul ei, densitatea aerului depinde de presiunea atmosferică în locul pe care esteamplasat echipamentul şi de umiditatea absolută a aerului. Presiunea atmosferică aaerului, depinde de latitudine, longitudine, altitudine, temperatură şi condiţiilemeteo, iar umiditatea aerului depinde de condiţiile meteo.

4.4.2. Noţiuni introductive de aerodinamică

Aerodinamica este o ştiinţă derivată din dinamica fluidelor, care studiazămişcarea, respectiv curgerea gazelor în general şi a aerului în particular, precum şi

interacţiunea aerului, respectiv a gazelor în curgere, cu corpurile solide. Aplicaţiileacestei ştiinţe în aeronautică sunt evidente, iar în continuare se va observa că şi în cazulturbinelor eoliene, forma paletelor ca şi funcţionarea acestora, reprezintă tot consecinţeale aplicării legilor aerodinamicii, la procesele de curgere a aerului în jurul paletelor.

Din punct de vedere geometric, în secţiune longitudinală, paletele au forma relativapropiată de a unor dreptunghiuri alungite, mărginite de muchiile frontală şi posterioară(faţă de direcţia de rotaţie a paletelor), respectiv de butucul şi de vârful paletelor. Uneori,vârfurile paletelor sunt mobile, ceea ce permite funcţionarea acestor părţi ale paletelor caregulator de turaţie, prin frânarea paletelor în cazul în care viteza vântului depăşeşteanumite limite. Raza (sau lungime paletelor), este reprezentată de distanţa dintre axa

butucului şi vârful paletelor. În secţiune transversală, forma paletelor este asimetrică,

astfel încât aerul în curgere (datorită mişcării de rotaţie a paletelor), să atingă paletele maiîntâi în zona îngroşată, care reprezintă zona frontală a paletelor. Aceste forme ale profilelor paletelor, poartă denumirea de profile aerodinamice datorită proprietăţilor particulare pe care le prezintă şi care vor fi evidenţiate în continuare.

În figura 4.29 sunt prezentate două profile aerodinamice.

Fig. 4.29. Profile ale paletelor - www.bonus.dk



108

Forma profilelor aerodinamice ale paletelor este fundamentală pentru performanţele turbinelor eoliene, astfel încât chiar şi cele mai mici abateri ale formei profilelor, pot genera atât alterarea considerabilă a performanţelor, cât şi probleme legatede nivelul de zgomot care poate să crească semnificativ. Din aceste motive, forma

profilelor paletelor este aleasă pe baza experienţei anterioare considerabile, obţinută în

urma cercetărilor efectuate asupra formei aripilor şi elicelor de avioane.În cataloagele NACA (The United States National Advisory Commitee for Aeronautics), cele două profile prezentate în figura 4. 29, sunt denumite NACA44,respectiv NACA63 şi reprezintă profilele folosite în mod uzual la paletele turbinelor eoliene de pâna la 95kW inclusiv (NACA44), respectiv de la turbinele peste 150kW(NACA63).

Primul profil a fost elaborat în jurul anilor 1930 şi are proprietăţi globale foarte bune fiind şi destul de tolerant la imperfecţiuni minore ale suprafeţelor, cum sunt celedatorate depunerilor de impurităţi în timpul exploatării. Al doilea profil a fost elaborat în

jurul anilor 1940 şi are proprietăţi diferite. Astfel asigură puteri mai mari la viteze mici şimedii ale vântului, dar nu este utilizabil la viteze mari ale vântului şi este foarte sensibiul

la depunerile de impurităţi în timpul exploatării. Pentru turbinele mai noi, cu puteri de peste 500kW, profilul aerodinamic al paletelor reprezintă rezultatul unor cercetări mai noişi diferă de cele două profile prezentate. Asemenea profile au fost cercetate şi testate deexemplu în Suedia, Danemarca şi SUA, ţări cu tradiţie în domeniul turbinelor eoliene.

4.4.3. Aerodinamica biciclistului

Pentru a descrie cât mai precis aspectele aerodinamice ale turbinelor eoliene,evitând deocamdată elementele complexe şi pentru a asigura un cadru intuitiv deînţelegere a fenomenelor care se manifestă, se va descrie pentru început comportareaaerodinamică a unui biciclist, apelându-se la experienţa mersului pe bicicletă care este

foarte comună şi uşor de înţeles. În figura 4.30 sunt prezentate foarte schematic şisimplificat, câteva procese de curgere a aerului în jurul unui biciclist, direcţia dedeplasare a acestuia fiind de la stânga spre dreapta.

Fig. 4.30. Schema proceselor de curgere a aerului în jurul unui biciclistwww.bonus.dk



109

În figura 6.30.a, este prezentată situaţia în care biciclistul staţionează, iar vântulsuflă din lateral cu viteza v. În vederea prezentării unui exemplu numeric, se va consideravaloarea vitezei vântului:

v = 10 m/s = 36 km/h,ceea ce reprezintă o viteză apropiată de a unei brize marine răcoritoare.

Deoarece aerul curge (se deplasează) în jurul biciclistului, asupra acestuia se vaexercita presiunea dinamică a aerului:

[Pa]

unde ρ este densitatea aerului şi pentru această mărime se va considera valoareaρ=1,2 kg/m3.

Pentru viteza considerată a vântului se obţine: pd = 1,2 · 102 / 2 = 60 Pa.Atunci când “loveşte” suprafaţa S a biciclistului şi a bicicletei, vântul (aerul în

curgere) exercită o forţă datorată presiunii:F = pd · S [N]Pentru exemplul analizat, considerând S=0,6m2, se obţine

F = 60 · 0,6 = 36 N,ceea ce considerând valoarea acceleraţiei gravitaţionale de 10m/s2, este echivalent

cu greutatea unei mase de 3,6kg.În figura 6.30.b, este prezentată situaţia în care biciclistul se deplasează cu viteza

u, iar vântul suflă din lateral cu aceeaşi viteză v. Datorită propriei deplasări, biciclistul sesimte ca şi cum ar fi “lovit” din faţă de un vânt care suflă cu aceeaşi viteză u cu care sedeplasează biciclistul. Se va considera că biciclistul se deplasează cu viteza:

u = 5 m/s = 18 km/h.

Cele două viteze de curgere a aerului se compun, iar viteza rezultantă de curgere aaerului w, se poate calcula astfel:

Astfel se obţinew = 11,18 m/s,iar această viteză de curgere a aerului care se va manifesta pe direcţia w produce o

presiune dinamică pd ≈ 75 Pa,

care produce pe suprafaţa biciclistului şi a bicicletei, o forţăF ≈ 45 N,echivalentă cu greutatea unei mase de 4,5kg.

În figura 4.30.c este prezentat modul în care se descompune forţa F careacţionează asupra biciclistului în situaţia prezentată anterior, în forţa Fv datorată vântuluişi forţa Fm datorată mişcării biciclistului. Practic biciclistul “resimte” acţiunea aceleiaşiforţe datorate vântului ca şi în cazul 4.28.a, la care se adaugă forţa Fm datorată propriei

2*

2v

pd ρ =

uvw += 2

s

m



110

deplasări. Cu cât viteza de deplasare este mai mare, cu atât mai mare va fi şi rezistenţaaerului, resimţită ca o forţă Fm.

4.4.4. Aerodinamica paletei turbinei

Modul de comportare al paletei turbinei eoliene, la curgerea aerului în jurulacesteia, va fi analizat cu ajutorul schemelor din figura 31, în care este prezentat profilul paletei într-o secţiune apropiată de vârful paletei. Se consideră paleta unei turbine de450kW, având raza rotorului (lungimea paletei) de cca. 50m.

Fig. 4.31. Schema unor procese de curgere a aerului în jurul paletei turbineiwww.bonus.dk

În figura 4.31.a este reprezentată situaţia în care se consideră că paleta este fixă,iar direcţia vântului este perpendiculară pe suprafaţa planului de rotaţie, adică suprafaţadescrisă de rotor în timpul deplasării acestuia. Se consideră de asemenea că vitezavântului are aceeaşi valoare

v = 10 m/s = 36 km/h.Această viteză a vântului produce asupra paletelor, o presiune dinamică având

valoarea pd = 60 Paexact ca în cazul biciclistului, analizat anterior.Direcţia acestei presiuni este aceeaşi cu direcţia vântului, adică perpendiculară pe

planul de rotaţie al paletelor, respectiv pe faţa laterală a acestora. Datorită formei particulare a profilului paletei, pe faţa frontală a acesteia (faţă de direcţia de curgere aaerului), presiunea dinamică a aerului produce două efecte diferite asupra paletei. Astfel,

pe de-o parte paleta va fi supusă unei acţiuni care va tinde să flambeze (îndoaie) paletaînspre pilon, iar pe de altă parte, paleta va fi supusă unei acţiuni motoare, care va tinde sărotească paleta. În consecinţă, datorită formei particulare a profilului paletei, forţarezultantă care acţionează asupra paletei, are direcţia uşor diferită de direcţia vitezeivântului, aşa cum se observă şi în figura 4.31.a.

După ce începe să se producă rotaţia paletei, sub acţiunea motoare descrisăanterior, datorată formei particulare a profilului, paleta va fi supusă atât acţiunii datoratevitezei vântului, cât şi acţiunii aerului, datorate propriei deplasări a paletei. Aceastăacţiune este echivalentă cu cea care s-ar produce dacă paleta ar rămâne fixă şi aerul s-ar deplasa spre aceasta, cu aceeaşi viteză, dar în sens contrar deplasării paletei. Aceastăsituaţie este reprezentată în figura 4. 31.b, pe care s-a notat viteza relativă de deplasare aaerului în planul de rotaţie al paletei, cu u. Trebuie menţionat faptul că viteza u de



111

deplasare a aerului datorită rotaţiei (având direcţia tangenţială la traiectoria circulară a paletei), este diferită în lungul paletei, fiind mai redusă înspre butuc şi mai mare însprevârful paletei.

Această viteză poate fi calculată cu relaţia:

unde nr [rot/min] este turaţia rotorului, respectiv a paletelor, iar r este raza pentrucare se determină valoarea vitezei tangenţiale u. Se observă că viteza u, prezintă ovariaţie liniară între zona butucului, unde este minimă (deoarece valoarea razei r esteminimă) şi vârf, unde este maximă (deoarece şi valoarea razei r este maximă).

Având în vedere că domeniul uzual de valori pentru turaţia paletelor este de20…400rot/min, în funcţie de tipul paletelor, iar în cazul turbinelor cu diametrul mare alrotorului, această turaţie are valori reduse (20…40rot/min), se va considera o valoare aturaţiei nr = 30 rot/min, care reprezintă o valoare normală. În consecinţă, viteza

tangenţială datorată rotaţiei paletelor, va avea valori întreu = 0,5 m/s = 0,18 km/hîn zona butucului, considerând că raza acestuia este de 1m şi

u = 25 m/s = 90 km/hla vârful paletei, considerând lungimea acesteia de 50m.Cele două viteze de curgere a aerului se compun, iar viteza rezultantă de curgere a

aerului w, se poate calcula:

Astfel se obţine

w = 10,01 m/s,la baza paletei, respectivw = 26,9 m/s

la vârful paletei.Viteza de curgere a aerului care se va manifesta pe direcţia w produce o presiune

dinamică pd ≈ 60 Pa,

la baza paletei, respectiv pd ≈ 466 Pa,

la vârful paletei.Aceste presiuni dinamice, mai ales în zonele apropiate de vârful paletei, se

manifestă sub forma unor forţe considerabile asupra paletei.Datorită formei particulare a profilului paletei, acţiunea forţelor de presiuneasupra acesteia se manifestă diferit pe cele două feţe ale acesteia. Astfel se producefenomenul de portanţă care va fi descris ulterior. Efectul complex al profilului paleteiasupra forţei rezultante, se concretizează, aşa cum se observă în figura 4.31.b, în faptul cădirecţia după care se manifestă forţa rezultantă F, diferă substanţial faţă de direcţiavântului, fiind perpendiculară pe aceasta.

r nu r *60=

sm

22 uvw +=

s

m



112

În figura 4.31.c se observă maniera în care forţa rezultantă F se descompune dupăcele două direcţii importante şi anume după direcţia vântului în componenta Fa (indicelea, provine din limba engleza, de la termenul “air” care înseamnă aer) şi după direcţia derotaţie în componenta Fd (indicele d, provine din limba engleza, de la termenul “drag”care înseamnă tracţiune). Figura 4.31 prezintă atât vitezele cât şi forţele, în zona de la

vârful paletei. Forţa Fa care acţionează perpendicular pe planul de rotaţie, tinde sădeformeze paleta prin flambare, spre pilonul de susţinere a acesteia. Forţa Fd, careacţionează pe direcţia de rotaţie, va genera un moment motor, care asigură antrenarea

paletei în mişcarea de rotaţie.Există două diferenţe majore între forţele care se manifestă asupra paletei

turbinei şi cele care se manifestă asupra biciclistului.Prima diferenţă este aceea că forţele care acţionează asupra paletei sunt mult

mai mari decât cele care acţionează asupra biciclistului, datorită vitezelor rezultanteale vântului, mult mai mari în cazul paletelor turbinei eoliene, decât în cazulbiciclistului. În aceste condiţii, acţiunea rezistentă a vântului, se manifestă în cazulpaletei, mult mai puternic decât în cazul biciclistului.

A doua diferenţă este aceea că datorită formei particulare a profilului paletei,forţa rezultantă, se manifestă asupra paletei, pe o direcţie aproximativperpendiculară pe direcţia vântului. Acest efect este datorat fenomenului deportanţă, care prezintă o importanţă deosebită asupra funcţionării turbinelor eoliene,

pentru că asigură manifestarea forţei de tracţiune asupra paletei. Faţă de cazulbiciclistului, care resimte acţiunea vântului ca pe o rezistenţă care trebuie învinsă printr-un efort suplimentar, în cazul paletei, efectul vântului este favorabil, deoarece produceantrenarea paletei în mişcarea de rotaţie. Portanţa este datorată formei particularea paletei, care determină comportarea complet diferită, din punct de vedereaerodinamic, a paletei faţă de biciclist.

6.4.5. PortanţaPortanţa este fenomenul aerodinamic de susţinere a unui corp în aer

(plutire), datorită deplasării corpului în aer sau a aerului în jurul corpului. Portanţase manifestă şi în alte fluide decât în aer, dar cele mai numeroase aplicaţii tehnice suntîntâlnite pentru cazul în care fluidul considerat este aerul, iar în continuare va fi analizatexclusiv cazul aerului. Câteva dintre cele mai cunoscute aplicaţii ale fenomenului de

portanţă sunt: aripile de avion, paletele elicelor de avion, paletele rotoarelor deelicopter, paletele de ventilator, paletele turbinelor eoliene, dar şi elicele depropulsie ale vaselor fluviale şi maritime.

Forţa de susţinere a unui corp în aer, datorită deplasării acestuia în aer sau

datorită deplasării aerului în jurul corpului, poartă tot denumirea de portanţă. Forţa deportanţă, sau simplu portanţa, se manifestă pe direcţie perpendiculară faţă dedirecţia de deplasare a corpului în aer, sau a aerului în jurul corpului .

Manifestarea fenomenului de portanţă, poate fi explicată prin aplicarea unei legifundamentale a curgerii şi anume legea lui Bernouli, cunoscută atât în mecanica fluidelor,unde este dedusă din considerente mecanice, cât şi în termotehnică unde este dedusă dinecuaţia principiului întâi al termodinamicii. Din punct de vedere matematic, această legese exprimă prin ecuaţia lui Bernouli, care poate fi scrisă sub forma:



113

unde:- p reprezintă presiunea statică;- ρ reprezintă densitatea fluidului (în cazul considerat aer);- w reprezintă viteza de curgere a fluidului (în cazul considerat aer);- h reprezintă înălţimea faţă de poziţia considerată de referinţă;- indicii 1 respectiv 2, reprezintă poziţiile sau stările între care se aplică ecuaţia

considerată.În cazul tuturor aplicaţiilor fenomenului de portanţă menţionate anterior, deci şi în

cazul turbinelor eoliene, înălţimea poate fi considerată constantă, deci ecuaţia luiBernouli se va scrie sub forma:

Termenul

are semnificaţia de presiune dinamică, aşa cum s-a mai arătat anterior încadrulacestui capitol.

Analizând ecuaţia lui Bernouli, scrisă sub ultima forma prezentată, se constată căsuma dintre presiunea statică şi dinamică este constantă, ceea ce înseamnă că pe măsurăce creşte presiunea dinamică, deci viteza de curgere a aerului în jurul corpului, scade

presiunea statică. Presiunea dinamică se manifestă pe direcţia de curgere, iar presiuneastatică se manifestă cu egală intensitate în toate direcţiile. Astfel, la curgerea cu viteză aunui fluid, se va manifesta creşterea presiunii pe direcţia curgerii, datorită componenteidinamicii a presiunii, dar şi scăderea presiunii pe direcţie perpendiculară faţă de direcţiacurgerii. Fenomenul scăderii presiunii statice, care însoţeşte curgerea aerului cu viteză, înlungul unor suprafeţe, este evidenţiat de experimentul simplu ilustrat în figura 4.32.

Fig. 4.32. Experienţă pentru evidenţierea manifestării legii lui Bernouli - www.bonus.dk

2

22

21

21

1 2*

2* gh

w p gh

w p ρ ρ ρ ρ ++=++

2*

2*

2

22

2

11

w pw p ρ ρ +=+

2*

2w ρ



114

Dacă se apropie una de alta, două foi de hârtie îndoite, ca în figura 4.32 şi se suflăaer printre acestea, în zona de ieşire a aerului dintre foi, datorită vitezei ridicate decurgere a aerului, creşte presiunea dinamică (manifestată pe direcţia de curgere), dar scade presiunea statică (manifestată perpendicular pe direcţia de curgere). Astfel, asupracelor două foi de hârtie, pe feţele exterioare şi interioare se vor manifesta forţe de

presiune diferite. Pe feţele exterioare va acţiona presiunea atmosferică (neafectată decurgerea aerului în spaţiul dintre foi), iar pe feţele interioare va acţiona presiunea statică(micşorată datorită curgerii aerului). Efectul vizibil, va fi că cele două foi de hârtie se vor apropia aşa cum este sugerat în figura 4.32.

Analizând cu atenţie acest fenomen se constată că forţele care determinăapropierea celor două foi de hârtie, se manifestă asupra unor corpuri (cele două foi dehârtie) în jurul cărora se deplasează aerul, iar direcţia pe care se manifestă aceste forţeeste perpendiculară pe direcţia curgerii. În consecinţă se poate spune că forţele caredetermină apropierea celor două foi de hârtie prezintă caracteristicile forţei de portanţă,iar fenomenul care se manifestă este tocmai cel de portanţă.

Analizând separat fiecare foaie de hârtie în parte, se poate considera că pentru

fiecare din acestea, fenomenul de portanţă este determinat de deplasarea aerului cu vitezediferite pe cele două feţe. Pe faţa unde viteza de curgere este mai mare, presiunea staticăscade în conformitate cu legea lui Bernouli, iar diferenţa de presiune dintre cele două feţedă naştere fenomenului de portanţă. Forţa de portanţă se manifestă, aşa cum s-a enunţadeja, perpendicular pe direcţia de curgere.

În cazul unui profil aerodinamic, aşa cum sunt profilele după care sunt construite paletele turbinelor eoliene, dar şi aripile de avion, elicele de avion, paletele rotorului deelicopter, etc., modul în care se manifestă fenomenul de portanţă va fi analizat cu ajutorulfigurii 4.33.

Fig. 4.33. Curgerea aerului în jurul unui profil aerodinamic - www.bonus.dk

Corpurile care prezintă profile aerodinamice sunt compuse din două suprafeţe,una denumită extrados, reprezentată în figura 4.33 prin partea superioară a profilului şiuna denumită intrados, reprezentată în figura 4.33 prin partea inferioară a profilului.Pentru a se manifesta fenomenul de portanţă, profilul aerodinamic trebuie să fie amplasatîn curentul de aer, aproximativ ca în figura 4.33.



115

Aerul curge cu un debit constant, pe direcţia A-B, dinspre A spre B. După ceîntâlnesc profilul aerodinamic, moleculele care compun curentul de aer se distribuie pecele două feţe ale profilului.

Deoarece extradosul prezintă o curbură mult mai mare decât intradosul,moleculele de aer care înconjoară profilul aerodinamic prin zona în zona extradosului au

de parcurs un traseu mai lung decât cele care înconjoară profilul aerodinamic prin zonaintradosului. Din acest motiv, viteza curentului de aer din zona extradosului este maimare decât viteza curentului de aer din zona intradosului. Aşa cum s-a arătat înexperienţa anterioară, datorită manifestării legii lui Bernouli, asupra extradosului

profilului, unde viteza de curgere este mai mare, va acţiona o presiune statică mai micădecât asupra intradosului, unde viteza de curgere este mai mică. În consecinţă, datoritădiferenţei dintre presiunile statice, care se manifestă pe cele două feţe ale profiluluiaerodinamic, asupra acestui profil se va manifesta, perpendicular pe direcţia de curgere aaerului o forţă, denumită portanţă, care va acţiona puternic asupra profilului aerodinamic.

Datorită manifestării fenomenului de portanţă, este posibil zborul avionelor avândgreutate mai mare decât a aerului. În cazul paletelor turbinelor eoliene, fenomenul de

portanţă determină rotirea paletelor sub acţiunea vântului, într-un plan perpendicular pedirecţia acestuia, aşa cum s-a arătat şi în paragraful referitor la aerodinamica paletelor deturbină.

În exploatarea turbinelor eoliene, se constată că la pornire, paletele se rotesc încet,dar pe măsură ce intră în regim normal de funcţionare, viteza de rotaţie creşte substanţialfiind evidentă acceleraţia la care sunt supuse paletele. Această comportare poate fiexplicată tocmai prin faptul că pe măsură ce viteza de rotaţie creşte, comportareaaerodinamică a paletelor, determină manifestarea tot mai accentuată a fenomenului de

portanţă.

4.4.6. Modificarea forţelor în lungul paletei

Aerodinamica paletei şi portanţa, aşa cum au fost prezentate în paragrafeleanterioare, se referă în principal la fenomenele care se manifestă în zona de la vârful

paletei. În continuare va fi analizată şi aerodinamica zonei de la baza paletei (în zona butucului). Comportarea acestei zone este uşor diferită de cea de la vârf, deoarece atâtgeometria cât şi dimensiunile profilului sunt diferite.

În figura 4.34, este prezentat schematic, efectul comportării aerodinamice a paletei turbinei în zona, din apropierea butucului.

Fig. 4.34. Schema efectului curgerii a aerului în zona de la baza paletei turbinei -www.bonus.dk



116

O primă observaţie care trebuie menţionată, este aceea că în zona de la baza paletei, profilul acesteia este uşor răsucit faţă de zona de la vârf, aşa cum se observă şi înfigura 4.34, faţă de figura 4.31. În plus, dimensiunile paletei în zona de la bază sunt multmai mari decât în zona de la vârf, deoarece în această zonă rezistenţa mecanică a paleteitrebuie să fie mult mai mare decât la vârf, pentru ca aici trebuie preluate forţele care

acţionează asupra paletei şi care tind să producă deformaţii ale acesteia.Când paleta turbinei este în repaus, ca în fig. 4.34.a, sub acţiunea vântului caresuflă cu viteza v, se manifestă forţa F. Direcţia acestei forţe este diferită faţă de direcţiavântului, deoarece profilul aerodinamic al paletei este răsucit, astfel încât chiar şi înabsenţa rotaţiei paletei, se manifestă într-o oarecare măsură, efectul de portanţă. Chiar dacă viteza vântului este relativ redusă (în situaţiile analizate a fost considerată o viteză avântului de 10m/s, ceea ce corespunde unei brize marine răcoroase), forţa care semanifestă asupra profilului paletei în această zonă este destul de importantă, deoarecedimensiunile profilului paletei sunt mult mai mari în această zonă, decât la vârf. Datoritărăsucirii profilului paletei, în zona de la bază şi datorită dimensiunilor considerabile ale

profilului în această zonă a paletei, este posibilă manifestarea unei forţe de portanţă,

capabile să antreneze paleta în mişcare de rotaţie, deci să scoată paleta din starea derepaus. Antrenarea paletei în mişcarea de rotaţie devine posibilă la viteze ale vântului de peste 4…5m/s.

Simultan cu antrenarea paletei în mişcarea de rotaţie, faţă de paletă, aerul se vadeplasa cu viteza relativă u, reprezentată în figura 4.34.b, egală şi de sens contrar cuviteza tangenţială a paletei în zona de la baza acesteia. Evident, în această zonă vitezatangenţială a paletei, este mult mai mică decât la vârful acesteia. Prin compunerea celor două viteze, v şi u, se va obţine viteza rezultantă w, a aerului care curge în jurul profiluluiaerodinamic al paletei. Viteza vântului u, este aceeaşi atât la vârf cât şi la bază, dar deoarece u este mult mai mică la bază decât la vârf, viteza rezultantă w, are la bază odirecţie mai apropiată de v, decât în zona de la vârf. Deoarece direcţia rezultantă a aerului

în zona bazei paletei, este diferită de direcţia viteze rezultante a aerului la vârf, esteevident că pentru a obţine o comportare aerodinamică favorabilă şi în zona de la baza paletei, este necesar ca aceasta să fie răsucită, aproximativ după direcţia rezultantă avântului.

Analizând cele prezentate anterior, este evident că pentru a fi posibilă scoaterea paletei din repaus şi antrenarea acesteia în mişcarea de rotaţie, necesară conversieienergiei eoliene în energie electrică, paleta trebuie să fie mai răsucită în zona bazei, decâtîn zona vârfului. Pentru ca şi comportarea aerodinamică a paletei în zona de la bază să fiecât mai corectă, unghiul de răsucire al paletei trebuie să corespundă cu viteza rezultantă aaerului în jurul profilului paletei în această zonă.

În figura 4.34.b, se observă că forţa de portanţă rezultată la baza paletei turbinei

eoliene este perpendiculară pe direcţia rezultantă de curgere a aerului.În figura 4.34.c, forţa de portanţă F, este descompusă după direcţia vântului (spre pilonul turbinei eoliene) Fa şi după direcţia de rotaţie Fd, această componentă fiinddenumită forţă de tracţiune “drag force” în limba engleză. Cu toate că viteza rezultantă aaerului în jurul paletei este mai redusă decât la vârf, dimensiunile paletei în zona de la

baza acesteia sunt considerabil mai mari decât în zona de la vârf şi din acest motiv,forţele rezultate în zona de la bază, sunt comparabile cu cele manifestate la vârful paletei.În consecinţă, datorită răsucirii continue a paletei, pe toată lungimea acesteia se manifestă



117

forţe de tracţiune, care contribuie la rotirea paletei. Momentul motor, determinat demanifestarea aceste forţe, este cu atât mai mare cu cât zona de acţiune a forţelor este maiapropiată de vârful paletei, deoarece spre vârf creşte braţul forţei.

4.4.7. Geometria profilului paletei

Câteva elemente ale geometriei profilului paletei sunt prezentate în figura 4.35.Astfel, unghiul dintre direcţia dată de planul de rotaţie şi coarda profilului, notat cu a, estedenumit unghi de atac.

Fig. 4.35. Geometria profilului paletei - www.bonus.dk

Valoarea acestui unghi are o importanţă deosebită asupra comportăriiaerodinamice a profilului. În cazul paletelor turbinelor eoliene, valoarea unghiului de ataceste mult mai mare în zona de la baza paletei, decât în zona de la vârf. Modificareaacestui unghi în lungul paletei, creează aspectul răsucit al paletelor turbinelor eoliene.

Unghiul dintre coardă şi viteza rezultantă w, a aerului în jurul profilului paletei,notat cu b, în figura 4.35, are o valoare relativ constantă în lungul paletei, purtânddenumirea de unghi setat (“seted angle” în limba engleză).

Paleta este răsucită în lungul acesteia, prin modificarea continuă a unghiului deatac, tocmai pentru a se asigura o valoare constantă a unghiului b, deci pentru a se asiguraaceleaşi caracteristici ale curgerii aerului în jurul profilului aerodinamic, prin valoareaconstantă a unghiului b.

Faptul că paletele turbinelor eoliene sunt răsucite, reprezintă doar una din particularităţile geometrice ale acestora. Pentru a avea o comportare aerodinamică, mai bine adaptată la vitezele variabile ale vântului, paletele turbinelor eoliene prezintă posibilitatea de a pivota în jurul locaşului de fixare în butuc, ceea ce permite ajustareaunghiului de atac în funcţie de viteza vântului, în timpul funcţionării turbinei eoliene.



118

4.5. Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute din energieeoliană

Posibilităţile de utilizare a energiei electrice obţinute din energie eoliană suntmultiple, iar în continuare se prezintă câteva asemenea sisteme tehnice care înglobează

turbine eoliene.

4.5.1. Sistem pentru utilizarea casnică a energiei electrice eoliene

În figura 4.36 este prezentat un sistem casnic de producere şi utilizare a curentuluielectric continuu şi alternativ, cu ajutorul unei turbine eoliene de dimensiuni mici şi

putere redusă.

Fig. 4.36. Sistem casnic de utilizare a unei turbine eoliene - www.lpelectric.ro

Acest sistem permite atât alimentarea unor consumatori de curent continuu, cât şialimentarea unor consumatori de curent alternativ.

4.5.2. Sistem pentru pomparea apei cu ajutorul unei turbine eoliene

În zonele în care apa se găseşte în cantităţi limitate, dar există apă freatică laadâncime şi vântul suflă în mod regulat (situaţie tipică pentru zonele deşertice sauuscate), se poate utiliza cu succes o turbină eoliană, pentru pomparea apei la suprafaţă învederea utilizării ulterioare a acesteia.

Schema unui asemenea sistem este prezentată în figura 4.37.



119

Fig. 4.37. Sistem pentru pomparea apei freatice la suprafaţă, cu turbină eoliană -www.lpelectric.ro

Acest sistem este utilizabil şi în agricultură, pentru irigaţii în zone secetoase, pentru pomparea apei din râuri, etc.

Practic, exploatarea unui asemenea sistem eolian de pompare a apei este aproapegratuită, exceptând eventualele costuri de întreţinere şi mentenanţă. Costurile privindinvestiţia iniţială trebuie analizate în contextul importanţei economice şi sociale a uneiasemenea investiţii, care poate rezolva o serie de probleme grave generate de lipsa apei înanumite regiuni.

4.5.3. Sisteme eoliene hibride pentru producerea energiei electrice

În unele situaţii, mai ales în sisteme de dimensiuni reduse, producerea energieielectrice cu ajutorul turbinelor eoliene, poate fi asigurată şi de sisteme alternative. Astfel,în figura 4.38 este prezentat un sistem pentru producerea energiei electrice, care includeşi un generator de curent electric antrenat de un motor termic.



120

Fig. 4.38. Sistem eolian hibrid - www.lpelectric.ro

Motorul va funcţiona numai în condiţiile în care viteza vântului este prea mică,sau prea mare, deci numai dacă nu este posibilă exploatarea turbinei eoliene.

În figura 4.39 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea curentului electriccu ajutorul surselor regenerabile de energie.



121

Fig. 6.39. Sistem hibrid pentru producerea curentului electric utilizând surse regenerabilede energie - www.lpelectric.ro

Acest sistem include în plus faţă de sistemul prezentat anterior şi o baterie de panouri fotovoltaice, iar energia electrică furnizată de acestea este stocată în acumulatori.

Dacă vântul este prea slab sau prea puternic şi dacă nu se manifestă nici suficientăradiaţie solară, pentru a fi posibilă funcţionarea panourilor fotovoltaice, poate fi utilizat

motorul cu ardere internă, pentru producerea energiei electrice.

energii-regenerabile

Documents