UNIVERSITATEA DIN ORADEAFACULTATEA DE ENERGETICĂ

DOMENIUL INGINERIE ENERGETICĂPROGRAMUL DE STUDIU INGINERIA SISTEMELOR

ENERGETICE, FORMA DE ÎNVĂŢĂMÂNT ZI

LUCRARE DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ŞTIINŢIFICPROF. UNIV.DR.ING. BENDEA CODRUȚA

ABSOLVENT

BODOG LIVIU

ORADEA2014

UNIVERSITATEA DIN ORADEAFACULTATEA DE ENERGETICĂ

DOMENIUL INGINERIE ENERGETICĂPROGRAMUL DE STUDIU INGINERIA SISTEMELOR

ENERGETICEFORMA DE ÎNVĂŢĂMÂNT ZI

Stand experimental pentru studiul unei instalații de preparare a apei calde cu

ajutorul panourilor solare

COORDONATOR ŞTIINŢIFICPROF. UNIV.DR.ING. BENDEA CODRUȚA

ABSOLVENTBODOG LIVIU

ORADEA2014

Cuprins

Introducere

Cap 1 Stadiul actual în domeniul panourilor solare

1.1 Motivarea alegeri temei

1.2 Prezentarea cadrului general in care se incadreaza tema

Cap. 2  Radiatia solara

2.1 Notiuni generale privind radiate solara

2.2 Caracteristicile radiatie solare

2.3 Radiatia termica

2.4 Captarea si conversia energiei solare in energie termica

3.1 Captatoare fara concetrarea radiatie

Cap. 3  Instalatii solare de incalzire

3.1 Instalatii solare de incalzire a apei

Cap. 4  Realizarea instalatiei experimentale

Concluzii

Bibliografie

Introducere

Energia solara este energia emisa de Soare si este o sursa de energie regenerabila.

Aceasta poate fi folosita pentru a genera electricitate prin celule solare (fotovoltaice / celule PV) si caldura prin centrale termice solare cu ajutorul panourilor solare termice, totodata instalatiile solare se impart in doua categorii: instalatii termice si fotovoltaice.

Un argument evident este ca energia solara este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila si ecologica, nu este poluanta si nu are efecte negative asupra mediului.

In urma unor cercetari in domeniu, s-a constatat ca sursele alternative de energie au inregistrat o crestere notabila, iar pe masura ce tehnologia va evolua, energia solara se va dezvolta si va fi utilizata din ce in ce mai mult.

Energia solara este captata si utilizata in numeroase domenii, incepand cu fermierul modern si ajungand la cele mai sofisticate sisteme. In mare, insa, exista cele doua tipuri de panouri solare: cele care produc energie termica si cele care produc energie electrica.

Din fericire, Soarele ne furnizeaza aceasta energie gratuit si pe termen lung (cel putin cateva miliarde de ani). Sistemele pentru captarea energiei sunt, insa, cele care costa. In functie de necesitati, solutiile cu panouri solare incep de la preturi de cateva sute de euro si pot avansa pana la cateva zeci de mii.

Agentul termic incalzit de panourile solare transmite caldura apei din acumulatorul termic, astfel caldura este preluata atunci cand este nevoie pentru a incalzi apa calda menajera, locuinta, piscina. Un dispozitiv special, denumit controler, analizeaza temperaturile din interior si controleaza deschiderea automata a valvelor si pornirea pompei de recirculare a agentului termic atunci cand este necesar.

Agentul termic al instalatiei poate sa atinga temperatura de 270°C, iar temperatura apei se poate inscrie in jurul valorii de 80°C. Astfel, apa calda menajera poate fi furnizata la 75-85°C pe timp de vara si la 45-50°C pe timp de iarna. Este indicat sa se limiteze temperatura apei calde menajere la 55°C pentru a se evita depunerile de calcar dar si din motive de siguranta in utilizare.

Sigur acest lucru se poate face si este recomandat. Eficienta maxima se realizeaza conectand instalatia de producere a apei calde menajere cu panouri solare la instalatia termica clasica – pe gaz, lemne sau electrica – aflata in locuinta.

La prima vedere, un sistem solar se monteaza usor. In realitate, necesita o anumita experienta si cunostinte. Teoretic, un instalator care stie sa puna in functiune o centrala termica, ar trebui sa poata monta un sistem solar si sa faca automatizarea necesara functionarii celor doua in paralel, dupa schema de montaj.

Un colector cu rezervor pentru apa calda menajera incalzeste in fiecare zi, in medie, o cantitate echivalenta cu capacitatea rezervorului la o temperatura de 60-65°C,. Pe timp de vara, cand zilele sunt mai lungi si insorite, temperatura poate sa depaseasca 80°C. Din aceste considerente, se ia in calcul o medie.

Un argument puternic pentru folosirea panourilor solare este ca, in primul rand, se reduc costurile simtitor in ceea ce priveste facturile pentru energia sau le puteti exclude definitiv din grijile lunare. De asemenea, contribuim la reducerea impactului nociv asupra mediului inconjurator.

CAP 1

MOTIVAREA ALEGERII TEMEI

Perspectiva epuizării într-un viitor nu prea îndepărtat a combustibililor fosilişi nesoluţionarea depozitării deşeurilor radioactive a îndreptat atenţia oamenilorde ştiinţă şi asupra unor resurse energetice neconvenţionale, cunoscute într-o accepţiunemai largă ca „resurse regenerabile” 1

De aceea, utilizarea unor surse alternative de energie, devine tot mai importantă/relevantă pentru lumea de azi. Aceste surse, precum: soarele vântul, practic nu se consumă, și se numesc: energii regenerabile. Produc emisii mult mai puține, reduc poluarea chimică, termică, radioactică si sunt disponibile, teoretic oriunde pe glob. Mai sunt cunoscute și ca surse alternative sau neconvenționale. 1

Tipurile de energie alternativă sunt:

energia solară,

energia eoliană,

hidroenergia,

energia valurilor,

energia geotermală,

bioenergia(biocombustibili, reziduri animale),

biodiesel

În general, prețurile la gaz sunt strâns legate de prețurile petrolului, astfel încât, fiecare scumpire a barilului de petrol, conduce –într-un final- la o scumpire a metrului cub de gaz. Cauzele scumpirii petrolului sunt explicate prin cererea mare de pe continentul asiatic, razboiul din Irak un mare furnizor de petrol la nivel mondial, crize politice și de securitate, și prin speculații la bursă.

12 http://www.energii-regenerabile.ro/1 STUDIA UNIVERSITATIS – Seria Ştiinţe Inginereşti şi Agro-Turism

Fig 1.1 Consumul mondial de energie pe un an

Fluxul de radiaţie solară ce ajunge pe suprafaţa terestră are un potenţial energetic ce corespunde

impresionantei sume de 172 mld GW, ceea ce înseamnă de cca 20.000 ori mai mult decât

consumul de energie din anul 2000.

Această sursă de energie ar putea să asigure în permanenţă necesarul pentru un consum în

continuă creştere. Privită însă din punct de vedere practic, respectiv al volumului real ce poate fi

utilizat, aceasta devine o problemă deosebit de complexă, complexitate care rezidă din 3 direcţii:

- repartizarea neuniformă la nivel global şi dependenţa de poziţia geografică, inclusiv climatică;

- alternarea zilelor cu nopţile care creează discontinuităţi;

-densitatea slabă a fluxului energetic (cel mult 1400 W/m2), ceea ce solicită utilizarea unor

suprafeţe întinse de captare, şi care înseamnă scoaterea din altă folosinţă a terenurilor, inclusiv

din cele agricole, precum şi costuri ridicate. Energia solară interesează sectoare ca: habitatul

pentru încălzirea locuinţelor, agricultura pentru încălzirea serelor şi industria pentru încălzirea

halelor. Centralele helioelectrice sunt; cu captatori solari parabolici, cu jgheaburi

solare şi cu celule fotovoltaice (PV). Centralele cu captatori parabolici sunt echipate cu

dispozitive electronice de urmărire a mişcării aparente a Soarelui. Radiaţia focalizată este

transformată cu ajutorul unor tuburi speciale prin care circulă apa sub formă de vapori care

acţionează turbinele clasice care produc curent electric. Centralele cu jgheaburi solare au fost

realizate în Israel. Sistemul de jgheaburi reflectorizante care urmăresc traiectoria Soarelui

concentrează radiaţia solară asupra unor tuburi în care se află petrol. Prin sisteme de conversie,

căldura este preluată de apa din rezervoare speciale. Capacitatea de stocare a energiei

termice este de 8 ore, iar preţul energiei electrice este mult mai redus decât cel de

la sistemul cu oglinzi parabolice. Centralele cu celule fotovoltaice (PV) transformă direct energia

solară în curent electric şi prezintă avantajul că nu necesită întreţinere permanentă dar

deocamdată preţul este ridicat. Revoluţia în domeniul valorificării energiei solare sa produs în

anul 1952 când trei cercetători de la Laboratoarele Bell, din Princetown New Jersey, din SUA, au

descoperit că razele de soare care cad pe un material pe bază de siliciu pot produce curent

electric. Practic, celulele fotovoltaice convertesc lumina solară în electricitate. Aceste celule sunt

foarte scumpe şi pentru realizarea lor se folosesc substanţe toxice, precum sulfura de cadmiu şi

aseniura de galiu, substanţe care rămân în mediu sute de ani, putându-se astfel constitui într-un

poluant major.

Recent, în Germania s-a descoperit şi experimentat cea mai eficientă şi mai puţin poluantă

combinaţie de substanţe folosite la celulele fotovoltaice, Cd-Te, care este de 14 ori mai

productivă decât cele cunoscute până în prezent. De remarcat este faptul că România este singura

ţară din Europa care deţine telur în Munţii Metaliferi (Săcărâmb, Baia de Arieş, Faţa Băii) şi în

Banat (Oraviţa).

În Franţa, la Targasone, au fost realizate centrale tip turn, alcătuite din oglinzi heliostate,

aranjate astfel încât razele reflectate să fie tot timpul focalizate pe un colector central, amplasat

pe turn. Centrala se numeşte Thermis, este dotată cu 200 de oglinzi ce totalizează 10.000 m2 şi

are o putere de 2,5 MW. În sudul ţării, la Font-Romeau Odeillo, funcţionează un mic cuptor

siderurgic în care se ating 3000-40000C, iar la Monteans, este utilizată energia solară pentru

topirea substanţelor greu fuzibile. Tot în Franţa, în 1980, la Montpellier, o staţie de pompare a

fost activată cu ajutorul a 192 de panouri solare, debitul pompelor atingând 180 m3/h, iar curentul

dezvoltat a fost de 26 kW.

Fig 1.2 Radiația anuală din România

PREZENTAREA CADRULUI GENERAL ÎN CARE SE ÎNCADREAZĂ TEMA

Panoul solar este poate fi folosit în următoarele situații:

Pregătire apă caldă

Aport încălzire

A. Pregătire apă caldă

Un amestec de apă și lichid de protecție contra

înghețului este pompat în colector prin intermediul

unui circuit închis, și încălzit cu ajutorul energiei

solare. De acolo este pompat înapoi în convector unde

predă energia cumulată. În acest fel se încălzește apa

din boiler, în timp ce amestecul menționat anterior

este din nou pompat în colector.

Fig 1.3 Schema utilizării panourilor solare pentru pregătirea apei calde

Fig 1.4 Necesarul de panouri solare pentru pregătirea apei calde menajere

B. Aport încălzire

Instalațiile combinate pentru apa caldă

menajeră și încălzire asigură casei

aportul necesar de energie în perioada

de trecere(primăvară- toamnă). Cea

mai buna premisă pentru un aport

eficient la căldură este o construcție

ergonomică unde instalațiile de

încălzire reușesc să facă față fiind

reglate la intensitate minimă. 2

Fig 1.5 Schema utilizării panourilor

solare pentru aportul la încălzire2 www.bramac.ro

REGULI DE DIMENSIONARE

Relevanța unei instalații solare în încălzirea apei menajere, pentru încălzirea piscinei sau

pentru aportul la încălzirea propriuzisă a locuinței nu se exprimă prin compararea costurilor

pentru gaz și a amortizării investiției, ci prin gradul său de eficiență respectiv prin acoperirea

necesarului de energie pe parcursul unui an întreg. De aceea, la dimensionarea unei instalații

solare, trebuie să se ia în calcul următorii factori:

Instalațiile pentru apă caldă menajeră trebuie să fie adaptate la obiceiurile de

consum ale utilizatorilor. Gradul de acoperire anuală trebuie să se afle, în funție de instalație,

între 40% și 80%.

Instalațiile solare sunt potrivite și pentru aportul la încălzirea prin pardoseală.

Mărimile generice pentru aportul la încălzirea unei case familiale bine izolate sunt între 16m2 și

20m2.

Pentru a evita o supradimensionare neeficientă a instalației solare, trebuie

respectate regulile dimensionării

Este adevărat că orice instalație solară trebuie să ofere rezertve care să fie produse la

anumite intervale de timp și care să asigure necesarul de apă caldă menajeră pentru două zile,

astfel încât să existe o anumită independență față de condițiile climatice.

Surplusul de energie existent vara, nu poate fi păstrat pentru iarnă decât cu eforturi mari

respectiv prin intermediul unui boiler de o capacitate foarte mare. Exemplele întâlnite în practică

demonstrează că este posibilă și fructificarea surplusului de energie și că acest lucru oferă

consumatorului cel mai mare grad de independență posibil față de sursele convenționale de

energie. De pildă, pe timpul verii, energia în plus poate fi folosită pentru încălzirea unei piscine.

Cea mai eficientă dimensionare în cazul unei construcții în care locuiesc mai multe familii, se

află la un nivel de acoperire a necesarului de energie solară de 40%.

CAP 2

Radiatia Solara

2.1 NOȚIUNI GENERALE PRIVIND RADIAȚIA SOLARĂ

Soarele este o sursă nelimitata de energie. Într-o secundă Soarele radiază în spaţiu mai multă energie decât a consumat omenirea de la apariţia sa pe Pământ; şi anume 3,86 x 1028 J. O mare parte din aceasta se pierde în spaţiu, dar cantitatea de energie primită pe Pământ într-o zi este suficientă pentru a asigura necesităţile energetice ale omenirii, la nivelul actual, timp de circa 60 ani.

Principalele avantaje sunt următoarele:- energia solară este practic inepuizabilă;- este o formă de energie nepoluantă;- este disponibilă practic pretutindeni; - combustibilul solar este gratuit.

Dezavantajele sunt:- radiaţia solară incidenţă pe Pământ este variabilă, depinzând de: ciclul zi/noapte,

ciclul anotimpurilor şi condiţiile meteorologice locale;- energia solară la suprafaţa Pământului este dispersată, atingând la amiază, în cele

mai bune condiţii, de circa 1 kW/m2.

Variabilitatea radiaţiei solare atrage după sine necesitatea prevederii în sistemele energetice solare a unor subsisteme de stocare a energiei în scopul asigurării livrării de energie în funcţie de cerere. Din păcate această cerere este de multe ori defazată faţă de disponibilitatea energiei solare.

Faptul că energia solară este dispersată conduce la necesitatea utilizării unor suprafeţe mari de captare, care pot ridica uneori probleme legate de disponibilitatea acestui spaţiu. Totuşi suprafaţa necesară pentru a asigura nevoile energetice ale omenirii, folosind energia solară, reprezintă doar o mică porţiune din suprafaţa necesară producerii hranei, iar suprafeţele cele mai adecvate pentru captarea energiei solare sunt de multe ori suprafeţele cele mai puţin adecvate pentru alte scopuri (de exemplu: acoperişurile clădirilor, de erturile, suprafeţe întinse de apă, etc.). Aceste dezavantaje nu trebuie săș impieteze asupra opţiunii privind dezvoltarea energeticii solare, întrucât implementarea oricărei noi tehnologii implică în fazele de început o serie de obstacole de natură tehnică şi economică. Necesitatea găsirii unor noi surse de energie, coroborată cu avantajele menţionate ale energiei solare, justifică cercetările actuale pe plan. Deja în unele aplicaţii - cum ar fi încălzirea apei, producerea de energie electrică prin conversie fotoelectrică (destinată unor mici consumatori izolaţi sau în tehnica spaţială), distilarea apei, obţinerea unor combustibili i produse chimice prin bioconversie, cuptoarele solare, pompele solare -ș instalaţiile solare au devenit comercializabile în unele ţări. În alte aplicaţii ca: încălzirea şi climatizarea clădirilor, refrigerarea, uscarea, precum şi producerea energiei electrice prin

ciclu termodinamic, cercetările şi realizarea de instalaţii solare se află într-un stadiu relativ avansat.

2.2 Caracteristicile radiaţiei solare

Radiatia, cel mai important agent de caldura din atmosfera joaca un rol major în procesele care au loc la scara medie si mare. Radiatia apare astfel ca un element genetic al climei la scara planetara.

Spectrul radiatiei solare

In urma proceselor de fusiune nucleara Soarele emite în spatiu energie sub forma de radiatie electromagnetica si radiatie corpusculara (vântul solar).Spectrul radiatiei electromagnetice, dupa Comisia Internationalaa de Iluminare (C.E.E.) este cuprins între 1nm1si 1 mm.

El se împarte în trei mari domenii spectrale:

Radiatia vizibila (lumina), radiatia care produce direct senzatia vizuala. Limita inferioara este cuprinsa între 380 - 400 nm si limita superioara între 760 - 780 nm. Din punct de vedere calitativ, radiatiile vizibile se caracterizeaza prin senztia de culoare pe care o provoaca.

Radiatia infrarosie, este radiatia a caror lungimi de unda ale componentelor monocromatice sunt superioare vizibilului si inferioare de 1 mm.

Radiatia ultravioleta este radiatia a carei lungimi de unda sunt inferioare celei vizibile si superioare de 1 nm.

Spectrul electromagnetic fotosferic (extraterestru) al Soarelui emite 98 % din energie în domeniul cuprins între 150 - 3000 nm. Radiatia solara din afara acestor limite este importanta, dar are energie foarte mica. La lungimi de unda mai mari de 3000 nm în domeniul infrarosu, aproximativ întreaga energie este absorbita de vaporii de apa si de bioxidul de carbon.

Fig. 1 Distributia spectrala a radiatiei solare directe cu incidenta normala.1. corp negru la 5800 o K.2. radiatia solara la limita superioara a atmosferei.3. radiatia solara la nivelul solului.

Partile ilustrate indica benzile de absorbtie ale gazelor atmosferei.(dupa Etudes des gains de chaleur.....1969).

Marimi si unitati folosite în radiometrie

Radiatia solara este un fenomen energetic. De aceea pentru studiul ei se folosesc marimi si unitati folosite în fizica pentru acest tip de fenomene. Intensitatea energetica a radiatiei emisa de o sursa corespunde notiunii fizice de putere radianta, sau energie radianta disipata în unitatea de timp. Ea se exprima în wati (Perrin de Brichambaut, 1963). Pentru studiul radiatiei solare, termenul de intensitate se aplica la un transport de energie prin radiatie . Acest transport poate fi considerat fie:

- în toate directiile si atunci este vorba de puterea sursei exprimata în wati; - într-un fascicol limitat de radiatii emis de sursa într-o directie data si transportând un anumit flux energetic pe unitatea de timp. Se poate vorbi în acest caz de intensitatea sursei în acea directie exprimata în wati pe unitatea de unghi solid (steradian). Din aceasta notiune de intensitate energetica deriva toate marimile si unitatile folosite în radiometrie.

-Energie radianta(Qe) - energia emisa, transportata sau primita su forma de radiatie. Unitatea de masura este joule (J) ,1J = 1W/s. -Flux energetic - puterea (energia pe unitate de timp) emisa, transportata sau primita sub forma de radiatie: Unitatea de masura watt. 1W = 1J/s. Wattul reprezinta puterea corespunzatoare dezvoltarii unei energii de 1 Joule într-un timp de 1 secunda.-Iluminare energetica (Ee) reprezimta fluxul energetic primit de un element de suprafata de arie Unitatea de masura este Watt/m2-Luminanta energetica (Le) - reprezinta fluxul energetic plecând de la sursa, atingând sau traversând un element de suprafata dA, propagându-se într-o directie definita de un con elementar continând directia, data de produsul unghiului solid al conului si aria proiectiei ortogonale a elementului de suprafata pe un plan perpendicular la directia data: Unitatea de masura este Watt/steradian si m2Pe lânga watt, în practica radiometrica de la noi din tara, se mai foloseste o altaunitate tolerata caloria. Caloria este cantitatea de caldura necesara pentru a ridica temperatura unui gram de apa cu un grad centigrad.

2.3 Radia ia termicăț

No iuni generaleț

În accepţiunea fizicii cuantice radiaţia este un flux de particule, numite fotoni, care se propagă cu viteza luminii purtând cu sine energia hν (h = 6,6256 · 10-34 Js - constanta lui Planck; ν - frecvenţa radiaţiei în s-1). Pentru cele mai multe aplicaţii energetice solare, din întregul spectru de radiaţii posibile, interesează în special radiaţia termică. Aceasta este emisă de corpurile aflate la o temperatură mai mare de zero pe scara absolută ( 0 K). Radiaţia termică emisă de un corp aflat la temperatura T este de obicei distribuită pe un anumit domeniu de lungimi de undă = 0,2 - 1000 mΔλ μ .

Spectrul radiaţiilor electromagnetice

Radiaţia care interesează în aplicaţiile energetice solare se plasează între ultraviolet şi infraroşu apropiat, adică între lungimile de undă 0,2 - 5 m. Energia solară din afaraμ atmosferei conţine cea mai mare parte din energia sa în domeniul lungimilor de undă 0,2 - 4

m., în timp ce energia solară primită la sol este în principal plasată în domeniul 0,29 - 3μ m.μ

Cap. 2  Captarea si conversia energiei solare in energie termica

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatorisolari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive.Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare înenergie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât maicorectă.Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinarefaţă de orizontală, prezentat în figura 8 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentândorientarea faţă de direcţia sudului, figura de mai jos.

Figura prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametrii caredefinesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile.Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cu ajutorul acesteiapot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentru România.

Se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea 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 de 90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeţei captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutăţirea performanţelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcţia Sud, de ±60°, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% din radiaţia solară. Chiar şi colectorii montaţi vertical, cu o abatere de până la ±20° faţă de direcţia Sud, pot recupera 80% din radiaţia solară, ceea ce sugereazăposibilitatea montării acestora pe faţadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că încazul unui 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 faţăde orizontală şi faţă de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară la primavedere.Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităţii de captare a energiei solare, estetehnologia utilizată pentru o construcţia colectorilor solari, deoarece în mod inevitabil, conversiaenergiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea fiind evidenţiate înfigura 11.

Fig. 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

Captatoare fără concentrarea radiaţiei

Captatoarele fără concentrarea radiaţiei sunt captatoare solare la care aria suprafeţei ce absoarbe o anumită cantitate de radiaţii solare este identică cu aria suprafeţei care interceptează acea cantitate de radiaţii solare.Ele au drept principale avantaje următoarele:

- utilizează atât radiaţia solară directă cât şi radiaţia difuză;- nu necesită orientarea precisă spre Soare;- au o construcţie mai simplă decât a captatoarelor cu concentrarea radiaţiei;- implică o întreţinere uşoară.Domeniul de aplicaţie al acestor captatoare este cel al temperaturilor moderate, de

ordinul a 100°C peste temperatura ambiantă, şi anume: în instalaţii solare de încălzire a apei menajere sau pentru unele procese industriale, în instalaţii de încălzire şi climatizare a clădirilor, în instalaţii de uscare, în instalaţii de distilare a apei, precum şi în unele instalaţii de conversie a energiei solare în energie mecanică şi electrică prin ciclu termodinamic. Actualmente există foarte multe de firme care produc captatoare solare fără concentrarea radiaţiei, destinate unor astfel de aplicaţii.

După forma suprafeţei absorbante, captatoarele fără concentrarea radiaţiei pot fi plane, cilindrice, semicilindrice etc. În cele mai multe cazuri, suprafaţa absorbantă este plană (sau aproape plană) şi captatoarele respective sunt denumite, pe scurt, captatoare plane. Întrucât majoritatea studiilor şi experimentărilor a fost efectuată pe acest tip de captator fără concentrarea radiaţiei, în cele ce urmează vom analiza detaliat doar captatoarele plane; rezultatele obţinute pot fi extinse, fără probleme deosebite, la celelalte tipuri de captatoare.

2.1.1. Probleme generale ale captatoarelor planeÎn fig. 2.1 este reprezentat schematic un captator plan tipic. Părţile sale principale

sunt:- suprafaţa neagră absorbantă a radiaţiei solare, înzestrată cu mijloace de transfer a

energiei absorbite către un fluid purtător de căldură;- una sau mai multe suprafeţe transparente pentru radiaţia solară (geamuri), aşezate

deasupra suprafeţei absorbante, care au rolul de a reduce pierderile de căldură prin convecţie şi radiaţie către mediul ambiant;

- izolaţia termică a suprafeţei absorbante, prevăzută pentru a reduce pierderile de căldură prin conducţie;

- carcasa.

În esenţă, funcţionarea captatorului plan se bazează pe încălzirea suprafeţei absorbante sub acţiunea radiaţiei solare (directe sau difuze). Căldura este transmisă fluidului aflat în contact termic — direct sau indirect — cu suprafaţa absorbantă; apoi, prin circularea acestui fluid, căldura este transportată spre alte elemente ale instalaţiei în care este integrat captatorul. Drept fluid purtător de căldură se foloseşte, în mod curent, apa sau aerul. Se cunosc foarte multe tipuri constructive de captatoare plane, toate având însă principiul de funcţionare enunţat mai sus.Performanţa oricărui captator solar este descrisă, în ultimă instanţă, de bilanţul său energetic, acesta indicând modul în care este distribuită energia solară incidentă în energie utilă şi diverse pierderi.

Bilanţul energetic global pentru un captator plan poate fi scris sub forma:

Sc [ ( Ek DA )d+( Ek DA )dif ]=Q̇u+Q̇p+Q̇a (2.1)

unde: Sc este aria suprafeţei absorbante (active) a captatorului; E - densitatea de putere radiantă incidentă pe o suprafaţă orizontală; k - factorul de raportare a densităţii de putere radiantă din planul orizontal la planul captatorului; DA - produsul echivalent al transmisiei-absorbţiei în ansamblul geamuri-placă absorbantă; Qu - căldura utilă, transmisă fluidului purtător de căldură în unitatea de timp; Qp - pierderile de căldură, în unitatea de timp, de la captator la mediul ambiant prin radiaţie, convecţie şi conducţie; Qa - căldura acumulată în captator, în unitatea de timp.

În ecuaţia (2.1), indicele d se referă la radiaţia directă iar indicele dif se referă la radiaţia difuză. Într-o analiză riguroasă, radiaţia directă şi radiaţia difuză trebuie tratate se-parat. Factorul DA pentru radiaţia directă este determinat de unghiul real de incidenţă; factorul DA pentru radiaţia difuză poate fi considerat identic cu cel pentru radiaţia directă, calculat pentru un unghi de incidenţă de 60°. În cele ce urmează, dacă nu se face o altă specificare, se va folosi simbolul Ek pentru a reprezenta suma (Edkd + Edifkdif).

O măsură a performanţei unui captator solar o constituie randamentul captatorului, definit prin raportul dintre căldura utilă obţinută într-o perioadă oarecare de timp şi energia solară incidenţă pe suprafaţa captatorului, în aceeaşi perioadă de timp:

η=

∫τ 1

τ2

Q̇udτ

Sc∫τ1

τ2

( Ek ) dτ

(2.2)

Desigur, este de dorit să se obţină randamentul maxim pentru un captator dat. Însă, la proiectarea unei instalaţii solare se urmăreşte, de regulă, obţinerea energiei la un preţ de cost minim. De aceea, s-ar putea să fie preferabil un captator cu randament inferior celui tehnologic posibil, dacă el conduce la un preţ de cost substanţial mai redus.

Analiza detaliată a unui captator plan este o problemă foarte complicată. Totuşi, chiar şi o analiză relativ simplă poate furniza rezultate foarte utile care pun în evidenţă

variabilele mai importante, dependenţele existente între acestea, precum şi modul în care ele afectează performanţele captatorului, în cele ce urmează va fi prezentată o astfel de analiză, exemplificând-o pentru o configuraţie simplă a captatorului plan, cum este cea de tip placă-tub (fig. 2.1), şi extinzându-i apoi rezultatele pentru alte configuraţii. Admitem următoarele ipoteze simplificatoare:

a) regimul termic al captatorului este staţionar;b) proprietăţile de material sunt independente de temperatură;c) energia solară absorbită de geamuri este suficient de redusă pentru a nu afecta

pierderile termice din captator;d) propagarea căldurii prin geamuri are loc doar după direcţia perpendiculară pe

suprafaţa geamurilor;e) căderile de temperatură în geamuri sunt neglijabile ;f) propagarea căldurii prin izolaţia faţă de carcasă are loc doar după direcţia

perpendiculară pe suprafaţa fundului carcasei ;g) gradienţii de temperatură în direcţia de curgere a fluidului purtător de căldură şi

între tuburi pot fi trataţi independent;h) gradienţii de temperatură pe circumferinţa tuburilor pot fi neglijaţi;i) pierderile termice prin părţile superioară şi inferioară ale captatorului au loc către

aceeaşi temperatură ambiantă;j) cerul poate fi considerat ca un corp negru pentru radiaţia cu lungimi mari de undă,

la o temperatură echivalentă a cerului;k) conductele colectoare acoperă o suprafaţă mică a captatorului, încât prezenţa lor

poate fi neglijată;l) conductele colectoare asigură o curgere uniformă a fluidului purtător de căldură

spre tuburi;m) efectele murdăririi şi umbririi captatorului sunt neglijabile.