CONVERSIA TERMICA A ENERGIEI SOLARE - COLECTORUL SOLAR PLAN

CONVERSIA TERMICA A ENERGIEI SOLARE

1.COLECTORUL SOLAR PLAN.

A. PRINCIPIUL FIZIC AL COLECTORULUI SOLAR PLAN.

Colectorul termal transforma energia radiatiei electromagnetice solare in energie termica. Transformarea energiei radiatiei solare in caldura se numeste conversie termosolara. Dispozitivul care transforma energia solara in alte forme de energie se numeste colector solar sau panou solar. Daca colectorul transforma energia solara in caldura, el este un colector termal. Colectorul termal este plan daca primeste radiatia solara printr-o suprafata plana, transparenta.

In colectorul termal, caldura este preluata fie de un corp solid sau fluid in repaus fie de un fluid in curgere.

Colectorul care incalzeste un corp in repaus functioneaza in regimul pasiv. Corpul incalzit se numeste masa termica de stocaj.

Colectorul care furnizeaza caldura unui fluid in curgere functioneaza in regimul dinamic. Fluidul in curgere care primeste caldura si o transporta spre alta veriga a lantului energetic se numeste agent termopurtator sau calopurtator sau agent de lucru.

Partile componente ale unui colector in regimul pasiv sunt prezentate pe fig.1:

o cutie cu peretii laterali si posterior rezistenti-1, si izolati cu polistiren sau cu vata minerala-2,

o placa de sticla la partea anterioara a cutiei - 3,

corpul de incalzit - 4,

o placa metalica vopsita in negru -5, care este asezata intre placa de sticla si corpul de incalzit; distantele intre placa neagra si placa de sticla respectiv intre placa neagra si corpul de incalzit sunt de aprox. 4 - 7 cm,

un suport rezistent -6, care sustine cutia izolata cu elementele mentionate anterior,

7 - raze solare.

Radiatia solara strabate prin placa de sticla si ajunge pe placa metalica neagra. Placa neagra absoarbe radiatia solara si transforma energia acesteia in energie termica care se acumuleaza in placa ca energie interna. Cresterea energiei interne a placii determina cresterea temperaturii acesteia. Variatia energiei interne a placii exprima cantitatea de caldura primita de placa sau mai simplu, dar incorect, caldura acumulata de placa. Placa metalica incalzita reemite radiatie termica care insa nu produce senzatie vizuala. Placa de sticla are proprietatea ca este transparenta pentru radiatia solara si este opaca pentru radiatia emisa de placa neagra. Astfel, in spatiul delimitat de placa de sticla si placa neagra temperatura este in crestere. Acesta efectul de sera. Placa metalica si stratul de vopsea neagra depus pe acesta formeaza absorberul.

Deoarece, radiatia solara poate sa patrunda in spatiul delimitat de placa de sticla, placa absorbanta si peretii cutiei iar radiatia reemisa de corpul negru nu poate sa strabata prin placa transparenta acest spatiu se numeste capcana solara.

Cresterea temperaturii nu este nelimitata deoarece odata cu cresterea temperaturii cresc pierderile de caldura de la corpul negru, prin peretii izolati ai cutiei si prin placa de sticla, spre mediul ambiant.

Cand pierderile de caldura ale colectorului intr-o secunda ajung sa fie egale cu energia pe care corpul negru o primeste de la soare intr-o secunda, colectorul este in regim de echilibru energetic. Temperatura la care se atinge starea de echilibru energetic este temperatura de echilibru. Temperatura de echilibru poate sa ajunga pana la 90 ^oC.

Temperatura la un moment dat a corpului incalzit este cu atat mai mare cu cat suprafata de colectare este mai mare, masa corpului mai mica si pierderile termice prin peretii laterali si prin placa de sticla mai mici.

La colectorul termal in regim dinamic (fig.2), sub placa metalica neagra se afla un tub prin care curge un fluid (apa, aer, ulei mineral). Agentul intra in colector la temperatura de intrare T_i si incalzindu-se iese la temperatura de iesire T_e. Elementele de pe gig.2 sunt: cutie -1, polistiren-2, vata minerala-3, 4-tub, 5-absorber, 6-placa de sticla, 7-raze solare,8- fluid in curgere.

Cantitatea de fluid care strabate prin sectiunea normala a tubului intr-o secunda este debitul fluidului.

Temperatura de iesire a fluidului creste odata cu cresterea suprafetei de captare, cu scaderea debitului si cu scaderea pierderilor termice prin peretii laterali si prin placa transparenta.

Conducta prin care curge agentul de lucru se amenajeaza fie sub forma de serpentina, fig.3-(a), fie sub forma de registru, fig. 3 - (b).

B. CONSTRUIREA UNUI COLECTOR SOLAR PLAN CU APA IN REGIM PASIV.

Colectorul solar plan cu apa in regimul pasiv sau cu acumulare de apa calda se poate construi foarte usor si cu pret foarte mic, fig.4 .

O cutie rezistenta - 1 cu dimensiunile 35,30 20 cm se captuseste cu polistiren -2 cu grosimea de 5 cm. Apoi, se ia o cutie metalica - 3 cu dimensiunile 25, 20, 10 cm in care se practica trei gauri pentru 2 robineti cu stuturi mai lungi de 10 cm si pentru preaplin. Robinetii sunt pentru umplere manuala si golire -4, aerisire -5. LA cea de-a treia gaura se racordeaza preaplinul - 6 care compenseaza dilatarea apei prin incalzire. Cutia metalica se aseaza in prima cutie. La partea superioara a cutiei mari se monteaza o placa de sticla securizata - 7 cu grosimea de 4 mm. Ansamblul se fixeaza bine, in lagare, pe un trepied rezistent - 8 si se orienteaza spre sud iar anvelopa se inclina la 45 grade. Unghiul se citeste pe goniometru care este alcatuit din cadranul gradat - 9 si firul cu plumb - 10.Cu o palnie, se umple cutia mica cu apa. Golirea si umplerea rezervorului-3 se fac cu robinetul-4 pe la

partea inferioara a rezervorului. Pentru umplere se foloseste un furtun elastic si palnia respectand principiul vaselor comunicante. La umplere si golire, robinetii 4 si 5 vor fi manevrati in mod adecvat. Captatorul se expune intr-un loc insorit si spre ora 15 veti avea 5 kg de apa calda la aprox. 60 grade Celsius.

C. INSTALATIE SOLARA CU APA.

Pentru transformarea energiei solare in energie termica si, apoi, utilizarea acesteia in activitatile industriale si menajere este necesar sa se produca o succesiune de fenomene fizice:

transformarea energiei solare in caldura de catre captatorii termali,

preluarea caldurii de catre agentul de lucru,

transportul caldurii prin conducte izolate,

acumularea si stocarea caldurii in acumulatoare termice,

furnizarea caldurii la utilizator cu sisteme de distributie.

Ansamblul dispozitivelor si conductelor interconectate in asa fel incat sa se asigure conversia termosolara, acumularea si utilizarea caldurii este o instalatie termosolara.

Schema bloc a unei instalatii termosolare cu apa este prezentata pe fig.5.

Elementele de pe fig.5 sunt: captator termal-T, pompa de mica putere -1, schimbator de caldura-2, acumulator-3, distribuitor-4, utilizator-5, tanc cu ape reziduale-6, sistem solar de epurare (distilator)-7, conducte pentru completarea apei in colector-8, conducte pentru deversare -9, conducte pentru alimentarea cu apa de la reteaua urbana-10.

Toate procesele trebuie sa se produca cu pierderi termice minime.

Captatorii termali au fost prezentati in sectiunea precedenta.

Conductele sunt din metal sau din materiale plastice si bine izolate cu vata minerala.

Rezervorul este este un vas cu capacitatea de 100-200 l, cu apa, care primeste caldura de la schimbator.

Schimbatorul de caldura este o serpentina din cupru prin care circula apa calda. Serpentina este cufundata in apa din acumulator careia ii cedeaza caldura. Apa racita se intoarece la colector unde va fi incalzita din nou.

Schimbatorul amesteca apa calda cu apa rece dupa preferintele utilizatorului.

Apele reziduale sunt supuse distilarii intr-un distilator solar. Distilatul este fie reintrodus in circuitul colectorului fie deversat.

APLICATII: Astfel de instalatii sunt folosite pentru prepararea apei calde in hotelurile de pe litoral, la incalzirea apei in stranduri, la prepararea apei calde pentru case familiale si cabane.

D. COLECTORUL SOLAR PLAN CU AER. INSTALATII DE USCARE.

La colectorul solar plan cu aer, fluidul de lucru este aerul. Partile componente sunt aceleasi ca la colectorul cu apa dar pompa este inlocuita cu un ventilator de mica putere care antreneaza aerul in lungul conductei. Aerul ventilat poate sa fie preluat din atmosfera la temperatura ambianta sau dintr-o incinta care este incalzita prin aport solar.

Colectorul solar cu aer se foloseste, printre altele, in instalatiile solare de uscare. Produsele supuse procesului de uscare sunt: caramizi, tigle, produse ceramice, seminte, fructe si altele.

Pe fig. 6 este aratata schema de principiu a unei instalatii de uscare cu recircularea aerului.

Elementele instalatiei solare de pe fig.6 sunt: colector - T, conducte prin care curge

aerul - 1, difuzor pentru dispersarea aerului cald - 2, hota pentru culegerea aerului rece -3, rasteluri - 4, produse - 5, ventilator - 6.

APLICATII: Colectorul cu aer este folosit pentru incalzirea in timpul zilei a spatiilor sociale cu activitate diurna: scoli, gradinite, birouri de la firme.

Caldura furnizata de acest colector in timpul zilei poate fi stocata in acumulatoare cu roca si, apoi, utilizata noaptea pentru climatizarea unor incinte cu diverse destinatii.

2. CONCENTRATORII SOLARI.

A. PRINCIPIUL FIZIC AL CONCENTRATORILOR.

Temperatura agentului de lucru creste odata cu intensitatea radiatiei solare. Intensitatea radiatiei solare pe un segment al tubului de curent poate fi marita prin concentrarea radiatiei. Dispozitivul cu care poate fi marita densitatea fluxului solar pe o portiune limitata este concentratorul solar sau sistemul optic. Fenomenele fizice care stau la baza functionarii concentratorului solar sunt reflexia luminii pe suprafete metalice lucioase (oglinzi) si refractia luminii la trecerea acesteia prin corpurile transparente (lentile, prisme).

Concentratorii solari pot sa mareasca intensitatea luminii de la 1,5-2 ori pana la de 10000 de ori, in focarul concentratorului. Intensitatea luminii in focar depinde de intensitatea luminii incidente, de aria suprafetei normale la axa sa, de tipul concentratorului si de proprietatile optice ale materialelor din care este confectionat.

Aria suprafetei de pe care sistemul optic primeste radiatia este apertura.

Locul in care se intalnesc razele de lumina reflectate sau refractate de concentrator este focarul. Focarul poate sa fie un punct sau o linie. La sistemele optice de concentrare utilizate in heliotehnica, razele dupa reflexie sau refractie nu se intalnesc intr-un punct sau pe o linie, ci se strang pe o suprafata a carei arie este mult mai mica decat apertura. Suprafata pe care se aduna razele dupa concentrare se numeste pata focala. Forma si aria petei focale depind de tipul concentratorului si de calitatea executiei sale. Raportul dintre aria aperturii si aria petei focale este factorul geometric de concentrare. Densitatea fluxului solar pe pata focala creste odata cu factorul geometric de concentrare. Deci, concentratorul trebuie construit asa fel ca aria petei focale sa fie cat mai mica. Oglinzile au diferite forme; plane, parabolice, cilindrice, cilindro-parabolice. Suprafata absorbanta trebuie confectionat asa fel ca pe el, pata focala sa se astearna in intregime.

La instalatiile solare cu concentrare, in focar este plasat receptorul. Receptorul include suprafata absorbanta, anvelopele asociate, izolatia si alte elemente care-i asigura rezistenta mecanica si stabilitatea termica.

Distanta dintre varful oglinzii si focar este distanta focala.

Pe fig. 7 se arata sectiuni prin diferite tipuri de concentratoare.

Concentratorul de pe fig.7-(a) are reflectoare plane si receptor plan. Concentrarea este mica, aprox. 4. Concentratorul de pe fig.7-(b) are reflector conic si receptor cilindric. Concentratorul de pe fig.7-(c) are reflector paraboloidal. Concentrarea este foarte mare. La aceasta oglinda se evidentiaza bine varful V , focarul F si distanta focala FV. Concentratorul de pe fig.7-(d) are oglinzi plane plasate de o parte si de alta a receptorului, in unghi diedru,

si rotite astfel ca radiatia reflectata sa cada pe receptor. Pe fig.8 este aratata o oglinda, de mici dimensiuni, in unghi diedru realizata la Catedra de fizica a Universitatii "Politehnica" din Timisoara. Reflectorul este din aluminiu depus pe plexiglas prin evaporare in vid. Concentratorul incalzeste cantitati mici de apa pina la fierbere in aprox. 40 minute. Concentratorul poate fi transportat usor deoarece partile sale sunt demontabile.

Fig.8. Oglinda multilamelara in unghi diedru.

B. ORIENTAREA CONCENTRATORILOR.

Miscarea de rotatie a Pamantului in jurul axei sale determina miscarea aparenta de rotatie a Soarelui pe bolta cereasca.

In miscarea aparenta a Soarelui, raza solara parcurge in fiecare ora un unghi de 15 grade.

In timpul zilei Soarele urca si coboara pe bolta cereasca. Unghiul dintre raza solara si planul orizontal al locului, masurat in plan vertical, este unghiul de inaltare. Unghiul complementar unghiului de inaltare fata de verticala locului este unghiul zenital. La echinoctii unghiul de inaltare este de 45 grade. La solstitiul de vara unghiul de inaltare este de 67 grade. La solstitiul de iarna unghiul de inaltare este de 23 grade. Locul in care rasare Soarele determina directia Est. Locul in care apune Soarele determina directia Vest. La amiaza (ora 12), Soarele este in punctul cel mai inalt. Soarele este la meridian (trecerea superioara). Pozitia Soarelui la amiaza determina directia Sud a locului. La amiaza, unghiul de inaltare este maxim iar unghiul zenital este minim. Unghiurile de inaltare si zenital variaza de la o zi la alta si de la o ora la alta.

Unghiul dintre directia Sud a meridianului locului si raza solara (raza vizuala), masurat in plan orizontal, este unghiul orar. La amiaza, unghiul orar este nul. Apoi, pentru fiecare ora fata de amiaza, ughiul orar de modifica, in valoare absoluta, cu cate 15 grade. Astfel la ora 14 si 30 minute, unghiul orar este de 37,5 grade.

Exemplu.

Pentru data de 22 iunie, la amiaza unghiul orar este nul iar ughiul de inaltare este de 67 grade. Pentru aceeasi zi, la ora 13 unghiul orar este de 15 grade iar unghiul de inaltare este de aprox. 64 grade.

La amiaza, o suprafata plana, orientata spre Sud, inclinata fata de orizontala cu un unghi egal cu unghiul zenital este normala la directia razelor solare (ughiul de incidenta este egal cu zero). In cazul exemplului precedent, unghiul de inclinare al suprafetei este de 23 grade.

Pe fig.9 se arata orientarea unei suprafete pentru ca la amiaza incidenta razelor solare pe ea sa fie normala: unghiurile de inclinare si zenital sunt egale ca unghiuri cu laturile perpendiculare. Pe fig.9, directia Sud este considerata, prin conventie, spre stanga.

La ora 13, in cazul exemplului precedent, suprafata ramane normala la directia razelor solare daca o rotim in plan orizontal cu 15 grade iar in plan vertical modificam unghiul de inclinare cu 3 grade de la 23 la 26 grade.

La functionarea optima a concentratorilor solari este necesar ca razele solare sa fie permanent paralele cu axa focala a sistemului. Ca urmare, oglinzile trebuie sa fie mereu orientate dupa Soare astfel ca razele sa ramana perpendiculare pe suprafata de intrare in sistem. In continuare, este prezentat sistemul de orientare cu montura azimutala.

Pe fig.10 se arata schema de principiu a unui sistem de orientare cu montura azimutala. Dispozitivul are doua axe de rotatie: axa CD pentru rotatia in planul orizontal si axa AB pentru rotatia in planul vertical. Normalitatea razelor pe suprafata S poate fi sesizata cu o celula fotovoltaica montata pe suprafata. Cand unghiul de incidenta este nul, curentul in circuitul celulei este maxim. Sistemele moderne sunt echipate cu dispozitive automatizate de urmarire a Soarelui si de orientare optima a suprafetei de interceptie a razelor.

In aplicatiile industriale, orientarea oglinzilor parabolice dupa Soare ridica dificultati din cauza dimensiunilor oglinzilor si a factorilor meteorologici, de exemplu vantul si a faptului ca receptorul fiind in focar, este in continua miscare.

Dificultatile sunt inlaturate prin montarea oglinzii cu axa in pozitie orizontala indreptata spre Nord (in emisfera nordica). Razele solare cad pe una sau mai multe oglinzi plane care le reflecta spre oglinda parabolica. Oglinzile plane se numesc heliostate. Heliostatele urmaresc miscarea aparenta a Soarelui pe bolta.

C. CONSTRUIREA UNUI CONCENTRATOR CU OGLINZI LAMELARE.

Concentratorul semicilindric din lamele reflectante poate fi usor realizat. Lamelele reflectante sunt fie fasii de oglinda de argint depus pe sticla fie fasii de plexiglas pe care este depus aluminiu prin vaporizare in vid. Lungimea lamelelor este de 1m iar latimea este de 5 cm. Din fier cornier se construieste un cadru semicilindric ca cel din fig.11 cu lungimea generatoarei de 1,10 m si raza de 1 m. Lamelele se monteaza pe cadru in cleme. Pata focala este la jumatatea razei. Lamelele se rotesc astfel ca lumina reflectata sa cada pe suprafata absorbanta. Suprafata absorbanta este alcatuit dintr-un tub de aluminiu cu lungimea de 1,20 m si cu diametrul de 5-7 cm. Jumatatea iradiata a tubului este vopsita in negru iar cealalta jumatate este vopsita in alb. Tubul metalic este introdus coaxial intr-un tub de sticla termorezistenta cu lungimea de 1,05 m. Diametrul tubului de sticla este mai mare ca diametrul tubului metalic cu 4-6 cm. Tubul metalic este inchis etans cu dopuri de cauciuc. In tubul metalic se introduce ulei mineral sau ulei de transformator. Prin dopul de cauciuc se introduce sonda unui termometru electronic. Reflectorul se monteaza pe un sistem de orientare. Orientarea se poate face manual sau automatizat.

ATENTIE.

Temperatura in tubul metalic depaseste 100 grade Celsius. Manipularea se va face cu deosebita grija. In tubul metalic nu se introduce apa deoarece prin supraincalzirea apei si vaporizarea ei sub presiune se pot produce accidente grave. Este indicata conectarea concentratorului la un schimbator de caldura pentru a evita supraincalzirea. Studiul concentratorului si manipularea sa se vor face numai sub supraveghere si in echipa

Elementele de pe fig.11 sunt: tub de sticla -1, receptor-2, lamele reflectante -3, stativul - 4.

APLICATII: Sistemul format, in principal, dintr-o instalatie de captare si concentrare a radiatiei solare si un receptor, situat in focar, in care se ating temperaturi foarte inalte este un cuptor solar. Temperatura in focarul oglinzilor parabolice de mari dimensiuni poate sa depaseasca 4000 grade Kelvin. Atmosfera in care este obtinut fluxul termic este de cea mai inalta puritate. Cuptoarele solare se folosesc pentru cercetari privind comportarea unor materiale la temperaturi foarte inalte, pentru purificarea unor substante si pentru elaborarea de materiale avansate.

Cel mai mare cuptor solar este cel de la Odeillo (Franta). Suprafata oglinzii parabolice fixe este de 1520 m². Oglinda primeste radiatie solara de la un camp de heliostate cu suprafata de

2835 m². Orientarea heliostatelor este complet automatizata.

3. DISTILATORUL SOLAR.

Consumul de apa pe locuitor este un indice al dezvoltarii. In Europa acesta este de 500 t/an, in S.U.A. este de 1300 t/an, in tarile in curs de dezvoltare este 10 t/an.

Pe de alta parte, rezervele de apa dulce sunt limitate iar poluarea lor este tot mai intensa. Aceasta inseamna ca, in viitor, satisfacerea nevoilor igienico-fiziologice si industriale de apa nu se poate realiza numai pe seama rezervelor de apa. Din punct de vedere al puritatii apa poate fi potabila, industriala si reziduala. Apa potabila indeplineste conditiile fizico-chimice si igienico-sanitare pentru a fi folosita in alimentatie. Necesarul de apa potabila al unui adult este de 35 g pe zi pentru 1 kg greutate. Apa industriala este putin pura si poate fi folosita in procese tehnologice. Apa reziduala provine din industrie, gospodarii si ape meteorice. Aceste ape contin materii organice si anorganice poluante si este interzis sa fie deversate in bazine naturale ( lacuri, rauri), fara o epurare prealabila.

Apa oferita pentru consumul populatiei este obtinuta din ape de suprafata si subterane si necesita tratamente de purificare sau potabilizare.

Actual, distilarea solara este o alternativa viabila la metodele de obtinere a apei dulci in regiunile care nu beneficiaza de apa potabila subterana sau in care rezervele sunt poluate. De exemplu, in regiunile desertice, continutul in saruri minerale al apei extrase din fantani este de 14%. Comparativ, continutul in saruri minerale al apei de mare este de 3,5%.

In toate tarile, distilarea solara va avea un aport major la protectia mediului ambiant deoarece poate fi folosita pentru epurarea apelor reziduale care rezulta din industrie.

Distilarea solara inseamna transformarea apei saraturoase in apa fara saruri folosind caldura obtinuta din energia solara fie prin conversie directa fie ca produs final al unui sir de alte transformari, ca de exemplu, energie electrica prin efect fotovoltaic, apoi, energie termica prin efect Joule.

Fenomenele fizice care se produc la distilarea solara sunt:

incalzirea apei pana la temperaturi de 50-60 ^oC,

evaporarea apei prin absorbtie de caldura,

condensarea vaporilor prin cedare de caldura.

Utilizarea energiei solare pentru distilare este atractiva din urmatoarele motive:

apa distilata poate fi produsa in orice loc cand energia solara este disponibila,

apa poate fi stocata in rezervoare etanse fara a fi nevoie ca acestea sa fie izolate termic.

Pe fig.12 este prezentata schema de principiu a unei instalatii solare de distilare cu efect simpu de sera. Elementele instalatiei sunt mentionate pe figura. Captatorul instalatiei consta dintr-un bac izolat termic pe partile laterale si inferioara, cu suprafata interioara absorbanta de radiatii solare si acoperit cu geamuri inclinate. Apa salina se gaseste in bac intr-un strat subtire de cativa centimetri. Radiatia solara care strabate prin geamuri este absorbita de apa sarata si de suprafata absorbanta bacului. Caldura incalzeste apa pana la 50-60 ^oC ceea ce determina cresterea vitezei de evaporare. Vaporii se condenseaza pe geamuri si formeaza picaturi sau o pelicula care se scurge spre jgheaburi iar de aici curge in cisterne.

Distilatul poate fi folosit ca atare in scopuri industriale, ca de exemplu pentru radiatoare la masini si baterii de acumulatoare. Pentru utilizarea distilatului ca apa potabila, acesta trebuie trecut prin filtre de potabilizare inainte de a fi stocat.

Studiile experimentale pe instalatii similare au aratat ca daca viteza vantului este in crestere pana la 5 m/s, productia zilnica a instalatiei creste cu aprox. 30%. Explicatia este ca prin cresterea vitezei vantului, se mareste cantitatea de caldura eliminata in unitatea de timp de catre geam. Aceasta determina cresterea cantitatii de vapori care se condenseaza in unitatea de timp. Presiunea vaporilor de deasupra apei scade si astfel este favorizat procesul de evaporare al apei din bac.

Daca viteza vantului depaseste 5 m/s, productia zilnica scade. Explicatia este ca pierderile de caldura ale bacului cresc ceea ce determina scaderea temperaturii apei din bac si a vitezei de evaporare.

Cu instalatii de acest tip, productia zilnica poate sa ajunga pana la 6,60 l/m².

APLICATII: Distilarea apei de mare conduce la apa dulce si la saramura care contine o multime de elemente chimice: clor, sodiu, magneziu, oxigen, sulf, calciu, potasiu. Elementele mentionate pot fi separate si utilizate in industrie.

O distilerie solara de mari dimensiuni a fost construita pe insula Patmos (Grecia). Suprafata de captare a radiatiei solare este de 8667 m² iar productia este de 26000 l/zi.

4. EXEMPLE DE APLICATII TERMOSOLARE IN ROMANIA.

Cercetarile asupra fenomenelor fizice implicate in conversia termosolara si a aplicatiilor acesteia au demarat la Catedra de fizica a Universitatii "Politehnica" din Timisoara in anul 1976. In continuare, prezentam, foarte succint, doua din multitudinea realizarilor colectivului de la Catedra de fizica in domeniul heliotehnicii.

A. PERETELE PASIV.

Peretele pasiv se obtine prin acoperirea fatadei exterioare, negre a unui perete cu placi de sticla distantate la 12-20 cm fata de tencuiala. La Catedra de fizica a Universitatii "Politehnica" din Timisoara a fost amenajat si studiat un perete pasiv. Peretele a avut rolul de a incalzi o camera care apartine unei cladiri cu incalzire clasica. Diagrama de principiu a peretelui este prezentata pe fig.13. Elementele de pe fig.13 sunt: 1- camera climatizata, 2, 3, 4, 5- clapete care inchid sau deschid fantele corespondente, 6- perete, 7 - geam. Peretele poate fie sa incalzeasca, fie sa asigure ventilatia aerului din camera. Pentru incalzire, fantele 2 si 3 sunt deschise iar fantele 4 si 5 sunt inchise. Pentru ventilatie toate fantele sunt deschise iar geamul este acoperit cu o folie metalizata. Peretele poate asigura incalzirea camerei in zilele senine de primavara si toamna atat diurn cat si 3-4 ore dupa asfintitul Soarelui.

B. CASA SOLARA

Casa Solara a Universitatii "Politehnica" din Timisoara are doua nivele. La etaj este camera climatizata prin aport solar iar la parter este camera tehnica cu pompe , schimbator de caldura si aparate de masura. La subsol este acumulatorul de caldura in pat de roca. Pe fig. 14 este prezentata schema bloc a lantului energetic al casei solare. Pe fig. 14 sunt indicate si functiunile blocurilor.

Casa este climatizata prin aport solar diurn si nocturn in zilele de primavara si toamna. Acumulatorul in pat de roca poate sa furnizeze caldura pe durata a 4-6 zile cu cerul acoperit.

Pe fig 15, 16 ,17sunt aratate fotografii ale peretelui pasiv, Casei Solare si colectorilor.

Fig.15 Perete pasiv (Politehnica

Timisoara).

Fig.16 Casa Solara

(Politehnica Timisoara).

Fig.17 Colectori plani

(Politehnica Timisoara).

5. EXEMPLE DE APLICATII TERMOSOLARE IN UNELE TARI ALE U.E.

In tarile U.E. sistemele energetice solare se folosesc pentru obtinerea apei calde in locuinte,hoteluri, piscine, climatizarea locuintelor,desalinizarea apei si pentru producerea curentului electric.

Dinamica procesului de implementare a heliotehnicii rezulta din urmatoarele date statistice comparative:

- in perioada anilor 1980 - 1990, suprafata de colectare instalata anual era de 3 10⁵ m²,

- in anul 1994, suprafata instalata a fost de 5 10⁵ m².

Industria specializata in echipamente solare se dezvolta in jurul unor centre din Austria, Danemarca, Germania, Spania.

In continuare, prezentam, succint, doua exemple privitoare la realizarile majore ale tarilor U.E. in domeniul heliotehnicii.

A. CASA SOLARA INDEPENDENTA ENERGETIC DIN GERMANIA.

Proiectul Self-Sufficient Solar House (S.S.S.H.) a fost finalizat la Freiburg, in 1992, in organizarea INSTITITULUI PENTRU SISTEME ENERGETICE SOLARE "FRAUNHOFER".

Suprafata locuibila este de 145 m² si este distribuita pe doua niveluri.

Suprafata colectoarelor termale este de 14 m². Caldura furnizata este folosita pentru climatizarea locuintei, producerea apei calde si incarcarea acumulatoarelor termice.

Panourile fotovoltaice cu suprafata de 180 m² furnizeaza energie electrica care este folosita pentru alimentarea aparatelor casnice, electroliza apei si incarcarea acumulatoarelor electrice.

Prin electroliza apei se obtine hidrogen si oxigen. Gazele sunt stocate sub presiune, adsorbite pe materiale poroase, in cilindri de otel. Hidrogenul este ars fie in pilele de combustie care transforma energia termica in energie electrica fie in arzatoarele catalitice pentru producerea caldurii si a apei calde.

Peretele sudic este perete pasiv cu rolul de a minimiza pierderile de caldura si chiar de a compensa pierderile de caldura prin alte parti ale cladirii si prin ventilatie.

Sistemul returneaza energia consumata pentru realizarea sa in aprox. 20 de ani iar durata de viata a S.S.S.H. este de 80 de ani.

Sistemul solar descris economiseste energia surselor conventionale de energie pe durata a 60 de ani si elimina poluarea mediului ambiant.

B. PROIECTUL NORDIC DEMONSTRATIV PENTRU INCALZIREA SOLARA (N.S.H.D.P.) (DANEMARCA).

Proiectul N.S.H.D.P. a fost realizat in Danemarca cu scopul de a furniza apa calda menajera pentru un imobil cu 150 apartamente.

Parametri sistemului sunt: suprafata colectorilor solari - 156 m², volumul rezervoarelor de acumulare termica - 3,2 m³, temperatura apei calde - 50 ^oC.

Randamentul sistemului solar este de aprox. 33%.

Anual, fiecare metru patrat de arie colectoare furnizeaza o cantitate de caldura de (485 - 545) kWh.

Sistemul solar este complementar unei instalatii clasice cu gazolina pentru producerea caldurii.

6. ALTE APLICATII

Energia radiatiei solare transformata in energie termica de catre colectorii solari poate fi utilizata ca sursa primara de energie pentru instalatii ca:

frigidere solare care functioneaza cu cea mai mare eficienta in timpul sezoanelor calde cand cererea de frig este cea mai mare,

pompe solare pentru irigatii si pentru extragerea apei de la adancime in zonele desertice,

centrale termo-electrice solare care folosesc energia solara pentru incalzirea si vaporizarea fluidului de lucru.

Cuptoarele solare care concentrand radiatia solara in focar permit obtinerea temperaturilor foarte ridicate sunt utilizate pentru:

topirea materialelor foarte refractare: cuart, oxizi ceramici, carburi, nitruri,

purificarea materialelor prin evaporarea impuritatilor,

extragerea oxidului de zirconiu de puritate 99,95% din silicat de zirconiu,

studiul materialelor in conditii de soc termic pentru a cunoaste, de exemplu, comportarea materialelor supuse incalzirii aerodinamice, care intra in componenta navelor spatiale care zboara cu viteze supersonice.

7. CONSTRUIREA UNUI COLETOR SOLAR PLAN CU APA IN REGIM DINAMIC.

La incheierea capitolului vom construi un colector cu apa, de mici dimensiuni, cu conducta in registru.

Materialele necesare sunt: cutie metalica cu dimensiunile 1,15 m,1,15 m si 0,15m; cutie metalica cu dimensiunile 1,05 m,1,05 m si 0,10 m; vata minerala; placa metalica vopsita in negru cu dimensiunile 1,04 m si 1,04 m; placa de sticla securizata cu dimensiunile 1,13 m si 1,13 m; teava de cupru cu diametrul de 3 cm; teava de cupru cu diametrul de 1,5 cm; serpentina de cupru (schimbator de caldura); supape unisens; pompa Riello cu puterea de 30W; vas de expansiune cu capacitatea de 5 l; robineti; distribuitor, suporti, rezervor metalic (acumulatorul de apa calda), cilindric cu capacitatea de 50 l, anvelopa metalica cu capacitatea de 60 l (asigura protectia acumulatorului), chedare de cauciuc.

Modul de lucru este prezentat in continuare:

Din teava cu dimetrul de 3 cm, se debiteaza doua segmente cu lungimea, fiecare, de 1,20 m. Acestea vor fi conductele principale. In aceste tevi se practica gauri cu diametrul de 1,5 cm. Distanta dintre gauri este de 10 cm.

Din teava mai subtire, se debiteaza 10 segmente cu lungimea, fiecare, de 1 m. Acestea sunt conductele de dispersie sau conductele de ramificatie prin care apa se distribuie pe suprafata de colectare.

Cu conductele principale si cu conductele de dispersie se construieste conducta ramificata a fluidului care arata ca pe fig. 3b. Imbinarile tevilor se

fac cu sudura liniara pe intreg conturul gaurilor. Conducta ramificata se vopseste in negru.

Pe conturul interior al cutiei mari, se sudeaza in puncte benzi metalice, cu latimea de 1 cm, pe care se va aseza placa de sticla.

Peretii cutiilor se vopsesc in negru. Apoi, intr-un perete lateral al fiecarei cutii se practica cate doua fante pozitionate asa fel incat sa fie strabatute de conductele principale.

Se monteaza conducta ramificata in cutia mica si se fixeaza prin sudura in puncte. Se izoleaza cutia mare, apoi, in aceasta se fixeaza cutia mica cu conducta, prin sudura in puncte, avand grija ca tevile principale sa strabata prin fantele din peretii laterali ai cutiilor.

La partea anterioara a colectorului se monteaza placa de sticla si se izoleaza cu chedare.

In rezervoarele metalice se practica 7 gauri pentru a permite montarea a 2 robineti, a supapei de suprapresiune, conectarea la conducta colectorului, conectarea la reteaua urbana de apa si la utilizator, fig. 18.

Colectorul si rezervorul se monteaza, fiecare, pe cate un suport rezistent. Suportii se ancoreaza de piloni fixati in pamant. Colectorul se orienteaza spre Sud, inclinat la 45^o.

Cu conducta colectorului, schimbatorul de caldura, pompa si supapa formam circuitul inchis de pe fig.18.

Conducta ramificata poate fi expusa direct radiatiei solare sau poate fi acoperita cu placa metalica neagra. Experimentele se efectueaza pentru ambele situatii avand posibilitatea de a face un studiu comparativ al performantelor instalatiei.

Conectam sistemul la retea si la utilizator, fig.18.

ATENTIE.

Toate operatiile de sudura sunt efectuate de personal calificat.

Comportarea instalatiei in sarcina (incercarile la presiune) este verificata de personal calificat.

Se va evita folosirea materialelor inflamabile.

Anterior lectiilor demonstrative, se va verifica etanseitatea instalatiei deoarece temperatura apei la iesirea din colector poate sa ajunga la 80-90 ^oC.

Elevii lucreaza numai sub supravegherea cadrelor didactice.

Sarcinile elevilor constau in: masurarea intensitatii radiatiei solare, masurarea temperaturii apei la intrarea in colector si la iesirea din colector, masurarea temperaturii ambiante, masurarea temperaturii in rezervorul de acumulare, masurarea temperaturii si debitului apei la utilizator

Amplasamentul instalatiei este imprejmuit iar accesul este permis numai organizat.