GENERAREA ENERGIEI TERMICE CU AJUTORUL ENERGIEI SOLARE

Transcript

1 GENERAREA ENERGIEI TERMICE CU AJUTORUL ENERGIEI SOLARE.1. Generalităţi Dintre toate sursele de energie care intră în categoria surse ecologice şi regenerabile cum ar fi: energia eoliană, energia geotermală, energia mareelor; energia solară convertită în energie termică se remarcă prin instalaţiile simple şi cu costuri reduse ale acestora, instalaţii folosite la prepararea apei de consum sau ca aport la încălzirea clădirilor. Pe teritoriul României, pe o suprafaţa orizontală de 1 m, putem capta anual o cantitate de energie cuprinsă între 900 şi 1450 kwh, dependentă bineînţeles şi de anotimp. Dintre factorii meteorologici, o influenţă deosebită asupra radiaţiei solare la sol o au: transparenţa atmosferei, nebulozitatea, felul norilor, grosimea şi poziţia acestora. Căldura este cea mai veche şi răspândită formă de utilizare a. Se disting două tipuri de sisteme heliotermice: pasive şi active. În sistemele pasive recepţia, conversia şi utilizarea energiei se realizează în acelaşi loc, transportul energiei lipsind - razele solare încălzesc nemijlocit consumatorul de căldură. Aceste sisteme sunt, de obicei, simple, ieftine şi sigure în exploatare (încălzirea locuinţelor, sere, solarii, uscătorii, etc). În sistemele active, energia solară este captată de colectoare speciale, transformată în căldură şi, prin intermediul caloportorilor (agenţi de lucru), transportată la locul de consum. Necesarul de apă caldă menajeră, aproximativ constant pe durata întregului an, poate fi bine combinat cu oferta de energie solară. În lunile de vară, instalaţia solară poate acoperi în întregime cantitatea de energie necesară preparării apei calde de consum. Figura.1 se prezintă valorile temperaturilor medii lunare ale apei din reţeaua de distribuţie a oraşului pentru câteva zone. Temperatura ( o C) Temperatura apei Temperatura dorita Luna Fig..1. Valorile temperaturilor medii lunare ale apei din reţeaua oraşului Apa trebuie sa aibă aproximativ 45 C pentru a fi folosită la nevoile familiei. Astfel, iarna temperatura apei trebuie crescută cu C, în timp ce vara cu 15 0 C, ceea ce însemnă jumătate din ceea ce este necesar 1/14

2 Într-o gospodărie, fiecare locuitor consumă zilnic o cantitate de litri de apă caldă. Se presupune un consum de 60 l/persoană/zi. Energia necesară pentru prepararea a.c.c. este: Q = C c t t nec z p ( ) C z consumul de apă, [l]; c p =4,185 kj/kg C=0, kwh/ kg C căldura specifică a apei; t rece temperatura apei reci, [ C]; t calda temperatura apei calde de consum, [ C]. calda Cunoscând consumul de a.c.c. pentru 4 persoane şi temperatura apei reci din reţea s-a determinat energia necesară pentru prepararea a.c.c. S-a calculat o suprafaţă de captare necesară precum şi energia pe care o asigură sistemul solar. Tabel.1. Energia pe care o poate asigura sistemul solar Luna Ian. Febr. Mart. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sept Oct. Noi. Dec. t cald [ C] t rece [ C] ,5 1 4,5 5,5 4 16,5 13 Q nec [kwh/pers/zi] Suprafaţa de captare necesară [m ] Energia pe care o asigură sistemul solar rece,44,37,30,16 1,99 1,67 1,43 1,36 1,47 1,60 1,99,3,18 1,5 1,10 0,90 0,77 0,63 0,50 0,48 0,61 0,86 1,46,6 1,03,06 3,78 5,31 6,64 8,34 11,60 11,89 7,99 4,34 1,85 0,87 kwh/pers/zi 14,00 1,00 10,00 8,00 6,00 4,00,00 0,00 Energia pe care o asigură sistemul solar Energia necesară pentru a obţine a.c.c luna Fig... Acoperirea necesarului de a.c.c. pentru o persoană pe durata unui an cu ajutorul sistemului solar Instalaţia de încălzire convenţională trebuie însă păstrată ca rezervă, deoarece chiar si vara există perioade cu vreme /14

3 De-a lungul unui an, instalaţiile solare livrează până la 70% din necesarul de energie pentru încălzirea apei calde de consum. Conversia energiei de radiaţie în energie termică se face cu ajutorul captatorilor solari. Captatoarele solare pot fi utilizate cu concentrarea sau fără concentrarea radiaţiei solare... Captatoare fără concentrarea radiaţiei Pentru asigurarea necesarului de energie termică a locuinţelor se folosesc în general captatori fără concentrarea radiaţiei. În cele mai multe cazuri, suprafaţa absorbantă este plană şi captatoarele respective sunt denumite captatoare plane. În figura.3 este prezentat schematic un captator plan tipic cu plăci. Părţile sale principale sunt: suprafaţa (placa) neagră absorbantă a radiaţiei solare, înzestrată cu conducte 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 reducerea de căldură prin conducţie; carcasă. Geamuri Radiaţia solară difuză Radiaţia solară directă Izolaţie termică Suprafaţă transparentă Suprafaţă absorbantă Tub pentru fluid Carcasă Izolaţie externă Suprafaţă absorbantă Conducte Izolaţie Captatoarele sola - re cu tuburi vidate au ca element de bază tubul vidat: fiecare dintre acestea este compus din două tuburi coaxiale din sticlă între care a fost creat vid; acesta determină pierderi termice foarte reduse, indiferent de Fig..3. Captator solar plan de tip 3/14

4 ambient. Forma rotundă permite ca razele soarelui sa pătrundă în panoul solar cu tuburi vidate din mai multe direcţii. Acestui fenomen se datorează şi randamentul mai mare faţă de panourile solare plane (cu plăci). Captatoarele cu tuburi termice sunt realizate din tuburi de sticlă cu pereţi dubli între care există vid, unde se montează un tub termic etanş, încărcat cu o substanţă care vaporizează sub acţiunea radiaţiei solare. Vaporii astfel formaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găseşte în contact termic cu agentul termic din instalaţia solară determinând încălzirea acestuia. Fig..4. Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi termice Principiul de funcţionare al captatorului plan (cu plăci) se bazează pe încălzirea suprafeţei absorbante (vopsită în negru) 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. Performanţa oricărui captator solar este descrisă de bilanţul său energetic, care are rolul de a indica modul în care este distribuită energia solară incidentă în energie utilă şi diverse pierderi. Din radiaţia solară globală E de unde scurte, directă şi difuză, incidentă pe suprafaţa transparentă, o parte importantă, τe, determinată de factorul de transmisie τ, ajunge pe suprafaţa absorbantă unde se transformă în căldură. Suprafaţa transparentă reflectă în spaţiu radiaţia ρe şi absoarbe α T E, cantitativ aceste valori fiind determinate, respectiv de factorul de reflexie ρ şi factorul de absorbţie α T a materialului suprafeţei transparente. E ρe (1-α) τe Pierderi convective T a τe α T E Transfer convectiv ατe T i T m T e Pierderi prin carcasă Fig..5. Bilanţul energetic simplificat al colectorului plan 4/14

5 O parte din radiaţia τe incidentă pe suprafaţa absorbantă este reflectată, iar cea mai mare parte se transformă în căldură. Tabelul.. Caracteristicile materialelor transparente Tip material Transmitanţa, τ Sticlă obişnuită (pentru geam, 6 mm) 0,80 Sticlă flotantă (4 mm) 0,87 Sticlă cu conţinut redus de oxizi de fier 0,91 Plexiglas (3 mm) 0,80 Tedlar 0,88 Tabelul.3. Absorbtanţa unor materiale şi suprafeţe absorbante Tip material sau suprafaţă absorbantă Absorbtanţa, α scurte, unde scurte Materiale tradiţionale Fier curat 0,44 Aluminiu curat 0,10 Cupru poleit 0,35 Tablă de oţel oxidat 0,74 Tablă de oţel acoperită cu vopsea neagră 0,95 Materiale şi suprafeţe selective Crom negru pe o suprafaţă de nichel 0,95 Ceramică poroasă pe o suprafaţă de oţel 0,96 Oxid negru de nichel pe o suprafaţă de aluminiu 0,85 0,93 Suprafaţa absorbantă, absoarbe radiaţia solară, temperatura acestei suprafeţe creşte până C, suprafaţa absorbantă va radia (emite) şi ea energie în banda de unde lungi infraroşii, pentru care suprafaţa transparentă este opacă. Ajunse la suprafaţa transparentă aceste radiaţii sunt parţial absorbite încălzind-o, parţial reflectate spre suprafaţa absorbantă. Datorită reflexiei radiaţiei solare pe suprafaţa transparentă, precum şi datorită absorbţiei radiaţiei solare în masa materialului transparent, o parte din radiaţia solară nu ajunge la suprafaţa absorbantă (pierderi optice). Pierderile optice pot fi reduse prin alegerea unor suprafeţe de captare selective (acoperirea cu oxizi metalici sau vopsele speciale). Cantitatea de căldură captată de către suprafaţa de absorbţie are drept efect ridicarea temperaturii acesteia peste temperatura mediului ambiant. Datorită acestei diferenţe de temperatură apar pierderile de căldură prin radiaţie şi conducţie termică. Mărimea pierderilor de căldură (pierderilor termice) este în strânsă legătură cu caracteristicile termice constructive ale captatorului solar şi cu diferenţa de temperatură dintre temperatura mediului ambiant şi cea a suprafeţei absorbante. Pierderile termice se pot reduce prin îmbunătăţirea izolaţiei (creşterea numărului suprafeţelor transparente şi utilizarea unor materiale calitativ corespunzătoare pentru izolaţie). Cu cât este mai mare temperatura suprafeţei de absorbţie, şi drept urmare diferenţa de temperatură, cu atât este mai mare pierderea de căldură, denumită pierdere termică. Astfel, se realizează efectul de seră prin intermediul suprafeţei transparente care împiedică emisia în spaţiu a radiaţiei infraroşii emisă de suprafaţa absorbantă. Eficienţa transformării radiaţiei solare în căldură este determinată de factorul de transmisie a căldură de suprafaţa transparentă τ şi factorul de absorbţie α a suprafeţei absorbante. În căldură se va transforma doar o parte din radiaţia solară globală E determinată de proprietăţile materialelor suprafeţei transparente şi celei absorbante: Q a = ( ατ ) E = A0 E [ W / m ] (.1) Q a - căldura produsă de suprafaţa de absorbţie, [W/m 5/14

6 A 0 - factor optic - procentul din intensitatea radiaţiei solare E care se transformă în căldură pe suprafaţa absorbantă. Pierderile optice ale captatorului reprezintă diferenţa dintre intensitatea radiaţiei solare şi intensitatea radiaţiei solare absorbită de suprafaţa absorbantă. qopt = E Qa [ W / m ] (.) Pierderi termice sunt proporţionale cu diferenţa dintre temperatura T p a suprafeţei absorbante şi temperatura mediului ambiant T a : qt = k ( Tp Ta ) [ W / m ] (.3) T p - temperatura suprafeţei absorbante, [ C]; T a - temperatura mediului ambiant, [ C]. k - este coeficientul pierderilor globale, W/m C, care variază de la 1-30 W/m C. Însă pierderile termice pot fi determinate mai exact utilizând şi relaţia: qt = k ( Tm Ta ) [ W / m ] (.4) T m - temperatura medie a suprafeţei absorbante, [ C]; Temperatura medie a suprafeţei absorbante este: Ti + Te Tm = (.5) T i - temperatura lichidului la intrare, [ºC]; T e - temperaturile lichidului la ieşire, [ºC]. În practică, pentru a trasa caracteristica unui captator se foloseşte un grafic în care pe ordonată este randamentul captatorului iar pe abscisă diferenţa de temperatură dintre agentul termic şi mediul ambiant pentru o intensitate a radiaţiei solare date (figura.6). Randamentul captatorului solar 1 0,8 0,6 0,4 0, Pierderi optice Pierderi de căldură ale captatorului 800 W/m 00 W/m 400 W/m ΔT=T m -T a [ C] Fig..6. Variaţia randamentului cu diferenţa de temperatură Cu cât creşte diferenţa de temperatură ΔT=T m -T a, adică creşte temperatura agentului termic, cu atât cresc pierderile termice şi scade randamentul colectorului. Randamentul termic al captatorului: Q u η = (.6) E La proiectarea şi construcţia captatorului termic trebuie să se aibă în vedere, în primul rând costul energiei furnizate. Adăugarea unui geam sau folosirea unei suprafeţe selective pot conduce la creşterea randamentului, dar conduc în acelaşi timp, la creşterea costului captatorului. Captatorul trebuie proiectat astfel încât să reziste la temperaturi ridicate (cca 00 C 6/14

7 temperatura mediului ambiant) care pot fi uneori atinse atunci când nu circulă fluidul purtător de căldură, ca urmare a defectării sistemului de pompare. De asemenea el trebuie să reziste la solicitări dinamice: vânt, ploaie, grindină, zăpadă. Eficienţa captatoarelor solare este influenţată direct de poziţia acestora faţă de radiaţia solară. Dacă este posibil de ales este foarte simplu de determinat orientarea ideală a captatoarelor: se plasează pe direcţia ecuatorului. Dacă montarea este în emisfera nordică, captatorul va fi orientat către sud, iar în emisfera sudică, către nord..3. Captatoare cu concentrarea radiaţiei Captatoarele cu concentrator (sau cu focalizarea radiaţiei) utilizează sisteme optice bazate pe reflexie sau refracţie, pentru a mări densitatea fluxului de radiaţie ce cade pe suprafaţa de captare a receptorului. θ max γ D î - γ SR H Fig..7. Caracteristicile geometrice ale concentratorului dublu parabolic SR î Captator plan Raze solare apă caldă Concentrator solar cu oglindă paraboloidală apă rece Captatorul cu concentrator 7/14

8 Radiaţia solară Receptor Axe de rotaţie Segmente pentru oglinzi plane sau curbe Fig..8. Schema de principiu a unui captator cu oglinzi Fresnel.4. Stocarea Din cauza decalajul în timp între producţie şi consumul de energie şi necesitatea acoperirii economice a vârfului de consum există necesitatea stocării energiei. Stocarea energiei se face sub formă de: căldură sensibilă a unui mediu solid sau lichid (stocarea energiei termice în apă, stocarea energiei în strat de pietre, stocarea căldurii sensibile în pământ); căldură latentă la schimbarea de fază a unor sisteme chimice; energie chimică a produselor rezultate dintr-o reacţie chimică reversibilă;.5. Instalaţii solare O instalaţie de conversie a în energie termică, cu aplicaţi în instalaţiile pentru construcţii este prevăzută în general cu următoarele echipamente: captatorul solar; dispozitive de stocare a căldurii solare; reţea de conducte pentru transportul şi distribuţia călduri solare la consumator (circuit solar); elemente de automatizare a întregului proces de producere, stocare, transport şi distribuţie a căldurii solare; aparatura şi dispozitive de siguranţa şi control. a. Instalaţii solare pentru prepararea apei de consum Aceste sisteme corespunzător dimensionate pot asigura ca soluţie unică, alimentarea clădirilor de locuit cu apă caldă menajeră la temperatura de 45 C în sezonul de vară. În lunile martie-aprilie şi septembrie-octombrie sistemul poate prelua însă doar o parte din sarcina termică necesară produceri apei calde de consum. Sistemele de preparare a apei calde de consum rămân în funcţie şi în sezonul rece pentru că pot asigura chiar şi în zilele de iarnă însorite o cantitate de căldură pentru prepararea apei calde de 8/14

9 Fig..9. Sistem solar pentru prepararea apei calde de consum Fig..10. Componentele sistemului de preparare apă caldă de consum Un termostat diferenţial monitorizează continuu diferenţa de temperatură între rezervor şi captator. În cazul în care temperatura apei la ieşirea din captator este cu 10 C mai mare decât temperatura apei din boiler (se recomandă reglare la 4-6 C) termostatul diferenţial permite circulaţia apei prin rezervor,. Circulaţia apei este întreruptă atunci când diferenţa de temperatură este de -4 C. În cazul în care sistemul solar nu face faţă cererii sau nu funcţionează se poate pornii o altă sursă 9/14

10 energie (rezistenţă electrică sau centrală termică de apartament). Kitul hidraulic mai cuprinde: pompa de circulaţie, termometre, unitatea de protecţie, racorduri de conexiune. Pentru evitarea îngheţului apei din captator se utilizează glicolul. Glicolul se amestecă cu apa în cantitate stabilită în funcţie de temperatura mediului ambiant. În rezervorul de acumulare se poate monta o rezistenţă electrică de sau 4 kw/30v prevăzută şi cu termostat. Existenţa unei rezistenţe electrice permite obţinerea a.c.c. chiar şi în cazul unei radiaţii scăzute sau a creşterii accentuate necesarului de a.c.c. Din practică se cunoaşte că pentru un consum de 50 l/om zi este necesară o suprafaţă a captatorului de aproximativ 1,5m şi se poate acoperi în perioada de vară, necesarul de apă caldă menajeră în proporţie de %. În funcţie de mărimea sistemului solar realizat pentru prepararea apei calde de consum şi de soluţia constructivă adoptată, se pot obţine kwh/m 10/14

11 1 Elementele componente ale instalaţiei sunt: 1 Captatori solari. Rezervor de acumulare. 3 Kit hidraulic. 4 Vas de expansiune. 5 Termostat diferenţial. 6 pompă de recirculaţie a.c.c (opţională). 7 Intrare apă rece. 8 sursă de energie auxiliară (centrală termică). Concluzii Sistemele solare implementate în instalaţiile pentru clădiri au performanţe energetice ridicate rezultând, economii considerabile ale consumatorilor de combustibili şi reprezintă o sursă economică şi, foarte importantă, nepoluantă de energie. Este important însă ca la alegerea soluţiei tehnice să se ţină seama de caracteristicile climatice ale zonei şi particularităţile construcţiei şi totodată se impune o analiză economică (cheltuieli de întreţinere, exploatare, amortizate a investiţiei) a sistemului ales. Evitarea valorificării potenţialului termic al este un lux pe care nu ni-l mai putem permite mult 11/14

12 SUBIECTE: 1. Pe teritoriul României, pe o suprafaţa orizontală de 1 m, se poate capta anual o cantitate de energie cuprinsă între: a kwh. b kwh. c kwh.. În sistemele pasive transportul energiei captate lipseşte: a. nu. b. da. c. depinde de cantitatea de energie captată. 3. Care sunt elementele componente a unui captator solaro-termic plan: a. suprafaţa absorbantă. b. suprafaţa transparentă. c. joncţiunea p-n. 4. În cazul captatoarelor cu tuburi vidate pierderile termice sunt: a. mai mari decât în cazul captatoarelor plane. b. egale cu pierderile de la captatoarele plane. c. mai mici decât în cazul captatoarelor plane. 5. Care sunt pierderile captatorului solaro-plan: a. pierderi termice. b. pierderi optice. c. pierderi prin efect Joule. 6. Cum pot fi reduse pierderile termice ale captatorului solaro-termic: a. prin alegerea unor materiale pentru izolaţie cu conductivitate termică ridicată. b. prin îmbunătăţirea izolaţiei. c. renunţarea la izolare a captatorului. 7. Pierderea termică a captatorului creşte dacă: a. temperatura plăci absorbante creşte. b. temperatura plăci absorbante scade. c. pierderea termică nu depinde de temperatura plăcii absorbante. 8. Pentru creşterea energie captate de captatorul solar plan este necesar: a. factorul de transmisie a căldurii de suprafaţa transparentă τ şi factorul de absorbţie α a suprafeţei absorbante să fie cât mai aproape de 1. b. factorul de transmisie a căldurii de suprafaţa transparentă τ şi factorul de absorbţie α a suprafeţei absorbante să fie cât mai aproape de 0. c. energia captată nu depinde de factorul de transmisie a căldurii de suprafaţa transparentă τ şi factorul de absorbţie α a suprafeţei absorbante. 9. Căldura produsă de suprafaţa de absorbţie se determină cu relaţia: α = E W / m τ a. Q a [ ] b. = ( α τ ) E [ W / m ] Q 1/14

13 c. = ( ατ ) E [ W / m ] Q a 10. Pierderile termice se determină cu relaţia: q = k T T W / m a. t ( p a ) [ ] b. qt = k ( Tp + Ta ) [ W / m ] c. q = k ( T T ) [ W / m ] t m a 11. Randamentul termic al captatorului se determină cu relaţia: a. η = Q u E Q b. η = u E c. η = Q u E 1. Funcţionarea captatorului solar are la bază: a. efectul pelicular. b. efectul Coandă. c. efectul de seră. 13. Dacă montarea captatorului are loc în emisfera nordică orientarea recomandată a acestuia trebuie să fie: a. către nord b. către est c. către sud. 14. Necesitatea existenţei stocării energiei termice produse derivă din: a. decalajul în timp între producţie şi consumul de energie. b. creşterea preţului instalaţiei. c. acoperirea economică a vârfului de consum. 15. O instalaţie de conversie a în energie termică, este prevăzută în general cu următoarele echipamente: a. captatorul solar; b. dispozitive de stocare a căldurii solare; c. reţea de conducte pentru transportul şi distribuţia călduri solare la consumator. 16. Care este rolul termostatului diferenţial: a. monitorizează continuu diferenţa de temperatură între intrare captator şi ieşire captator. b. monitorizează continuu diferenţa de temperatură între rezervor şi captator. c. monitorizează continuu diferenţa de temperatură între rezervor şi consumator. 17. Când permite circulaţia apei termostatul diferenţial: a. în cazul în care temperatura apei la ieşirea din captator este cu 4-6 C mai mare decât temperatura apei din boiler. b. în cazul în care temperatura apei la ieşirea din captator este cu 3 C mai mare decât temperatura apei din boiler. c. în cazul în care temperatura apei la ieşirea din captator este cu C mai mare decât temperatura apei din boiler. 18. În rezervorul de acumulare se poate monta o rezistenţă electrică. Existenţa unei rezistenţe electrice este justificată de: a. obţinerea de apă caldă de consum chiar şi în cazul unei radiaţii scăzute. b. scăderea necesarului de apă caldă de 13/14

14 c. creşterea accentuată a necesarului de apă caldă de consum. 19. Pentru un consum de 50 l/om zi este necesară o suprafaţă a captatorului de aproximativ: a. m b. 1 m c. 1,5 14/14