surse_regenerabile_2012

Grigore Roxana Surse regenerabile notie curs

1

CAPITOLUL 1. UTILIZAREA SURSELOR REGENERABILE

1.1.Energia i mediul ambiant

Cuvntul energie provine din limba greac (energhia) i o traducere ad literam ar nsemna n lucru. De asemenea exist n limba latin termenul de energia cu sensul de activitate. Este un concept care se refer n general la nelegerea sau descrierea proceselor [1]. Istoria dezvoltrii conceptului de energie este lung i cuprinde diferite abordri [2].

Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om. nelegerea corect a noiunii de energie constituie o condiie necesar pentru analiza sistemelor energetice i a proceselor energetice [1].

Dicionarul explicativ romn (DEX) definete conceptul de energie ca fiind capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic n trecerea dintr-o stare n alt stare dat . Energia este o funcie de stare.

Conceptul de energie este fundamental datorit legturii existente ntre materie i micare, dar i datorit producerii i transformrii diferitelor forme de micare ale materiei. Aceste forme de micare se pot transforma reciproc unele n altele, n raporturi cantitative strict determinate, fapt ce a permis introducerea noiunii de energie ca o msur comun a lor [2].

Se pot enuna cteva principii semnificative legate de energie, valabile la momentul actual, i anume [2]:

Energia este o msur a micrii n fenomenele de transformare a formelor n micare.

Energia disponibil nu este ntotdeauna sub forma dorit. Pentru a obine forma dorit, trebuie procedat la conversie. Uzual, nu toat energia disponibil poate fi transformat ntr-o alt form de energie.

Cantitatea total de energie rmne neschimbat n orice transformare a formelor n micare - legea conservrii energiei. Aceast lege permite deducerea modului de funcionare a sistemului n care au loc transformri, dac cunoatem expresiile matematice ale diferitelor forme de energie.

Deoarece energia nu poate fi creat sau distrus, suma energiilor care intr n proces trebuie s fie egal cu suma energiilor care rezult din proces.

Utilizarea diferitelor forme de energie implic cunoaterea transformrilor dintr-o form de energie n alta. S-a descoperit astfel, legea fundamental privind ireversibilitatea n timp a fenomenelor reale, ce ne permite s aflm ct energie disponibil avem. Astfel s-a introdus noiunea de entropie (evoluie) a crei cretere n timpul proceselor fizice determin ireversibilitatea.

Energia definete calitatea proceselor, entropia definete sensul evoluiei proceselor.


2

Exist mai multe posibiliti de conversie a unei forme de energie n alt form de energie, prezentate n tabelul 1.1 [1], [3].

Tabelul 1.1. Moduri de conversie a energiei

Energie n chimic n termic n electric n electro-

magnetic

n mecanic n nuclear

Din

chimic Reacie chimic

Ardere,

fermentare

anaerob

Pil de combustie

Radiatia

lumnrii, candelei,

fosforescenta

Muchii omului

-

Din termic Gazeificare pirolitic

Transfer

termic schimbtor de cldur

Termocuplu Corp

incandescent

Turbin cu gaze,

Turbin cu abur

supernova

Din

electric Electroliz,

acumulator

Rezisten electric

Transformat

or,

convertor de

frecven

Bec fluo

rescent, diod luminescent

Motor

electric,

electromagnet

sincrotron

Din

electromag

netic

Fotosintez Panou solar

Celule

fotovoltaice

Laser Vel solar Spectro

scopie

Din

mecanic Cristalizare,

reacie chimic endoterm

Frn Generator electric

sincrotron Pendul,

prghie, turbin eolian

Accele

rator

particule

Din

nuclear - soare Radiaia

beta

Radiaia gama Radiaia alfa Izomerie nuclear

Energia primar este constituit din toat energia care se afl n sursa original. Ca surse de energie primar se consider:

surse convenionale, finite;

surse regenerabile.

Sursele convenionale de energie primar se considera a fi limitate att n timp, ct si n spaiu. Ele sunt capabile sa acopere nevoile societii umane doar pentru o perioada de timp limitat. Mrimea acestei perioade de timp depinde de volumul rezervelor de energie primar la care are acces societatea uman [4]. Cei mai utilizai combustibili din aceast categorie la ora actual sunt petrolul, crbunele, gazele naturale precum i combustibilii nucleari.

Disponibilitile energetice actuale se pot mpri n dou categorii i anume rezerve energetice i resurse energetice [5] . Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate n condiii de rentabilitate economic, utiliznd tehnologiile existente.

Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care ns nu pot fi exploatate n condiii


3

de rentabilitate economic, utiliznd tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate n viitor, dac se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dac vor deveni rentabile n urma creterii preului energiei.

Sursele regenerabile de energie primar se refer la acele categorii de surse primare de energie care sunt generate n mod continuu de ctre sistemele naturale. Se disting urmtoarele categorii principale de surse regenerabile de energie: hidraulic, solar, eolian, geotermal, a mareelor, a valurilor, biomasa. Ele se caracterizeaza prin:

Potenialul teoretic brut - reprezint energia care ar deveni disponibil prin conversia n energie util a tuturor fluxurilor naturale de energie regenerabil, cu o eficien de 100 %. Potential tehnic: Reprezint cota din potenialul teoretic brut care poate fi convertita n energie utila, tinnd seama de nivelul de dezvoltare tehnologic si de posibilitatea de utilizare a acesteia de catre societatea umana (geografia umana).

Potential economic: Reprezinta cota din potentialul tehnic care poate fi convertita n energie utila, n conditii de rentabilitate economica.

1.2. Dezvoltarea durabil i utilizarea energiei din surse regenerabile

Dezvoltarea durabil n englez Sustainable Development, iar n francez dveloppement durable reprezint dezvoltarea care corespunde necesitilor prezentului, fr a compromite posibilitile generaiilor viitoare conform Raportului Comisiei Mondiale cu privire la Mediu i Dezvoltare, raportul Brundtland din 1987.

La nivelul Uniunii Europene, din punct de vedere energetic, dezvoltarea durabil se concretizeaz n modul de producere i utilizare a energiei, care maximizeaz profiturile economice i sociale pentru generaiile prezente i viitoare, n ideea satisfacerii cererii fr degradarea mediului ambiant prin poluare.

Criteriile care permit analiza dezvoltrii durabile se refer la protecia biosferei, utilizarea eficient a capitalului i echitatea. Protecia biosferei urmrete diminuarea efectului de ser, mpiedicarea reducerii stratului de ozon, pstrarea capacitilor de reproducere a resurselor naturale i meninerea calitii apei, aerului i a solului n limite impuse prin standarde.

n acest context, este clar c utilizarea surselor regenerabile de energie reprezint o cerin esenial a dezvoltrii durabile la nivelul fiecrei ri i o component important a strategiei energetice a rii respective.

n toate documentele adoptate la nivelul Uniunii Europene se subliniaz importana utilizrii surselor regenerabile de energie att din punct de vedere al creterii siguranei n alimentarea consumatorilor, ct i al proteciei mediului nconjurtor.

Promovarea surselor energetice regenerabile

Cele mai importante msuri care pot fi luate n considerare pentru reducerea gazelor cu efect de ser, pentru respectarea protocolului de la Kyoto i a altor angajamente sunt, conform Directivei 2009/28/CE, [13]:

1. controlul consumului de energie n Europa; 2. intensificarea utilizrii energiei din surse regenerabile; 3. economia de energie; 4. creterea eficienei energetice.


4

n martie 2007, Consiliul Europei a aprobat un obiectiv obligatoriu constnd ntr-o pondere a energiei din surse regenerabile de 20% din ntreg consumul de energie la nivelul Uniunii Europene pn n anul 2020 i un obiectiv obligatoriu de 10% ce trebuie atins de toate statele din Uniune fa de anul 1990, n ceea ce privete ponderea biocarburanilor n consumul de benzin i motorin n transporturi pn n 2020. n acelai timp se urmrete o cretere a eficienei energetice cu 20% pn n 2020.

La nivelul fiecrui stat component trebuie s se in seama de combinaia optim dintre tehnologiile eficiente din punct de vedere energetic i energia din surse regenerabile. In conformitate cu obiectivele stipulate in Carta Alb a Uniunii Europene [2], se estimeaz c energia electric produs din surse energetice regenerabile (SRE) la nivel european n anul 2010, a fost urmtoarea :

Energia eolian 80,0 TWh/an;

Hidro 355,0TWh/an: -de mare putere 300,0TWh/an;

-de mic putere 55,0TWh/an;

Fotovoltaic 3,0 TWh/an;

Biomas 230,0 TWh/an;

Geotermal 7,0 TWh/an;

Total 675,0 TWh/an

Evaluarea CE realizat n luna mai 2004 privind progresele fcute n dezvoltarea SRE a ajuns la urmtoarele concluzii:

a. n anul 2001 au fost stabilite intele naionale pentru producerea de energie electric din SRE, dar politica actual nu va duce dect la realizarea unei cote globale europene de 18-19% n anul 2010, adic un deficit de cca 120 TWh fa de inta prevzut n Directiva 2001/77/EC de 21 % din consumul intern brut de energie al respectivului an.

b. dezvoltarea energiei eoliene a fost un succes. In 2003 ea a acoperit 2,4% din cererea de electricitate din UE i a continuat s creasc n anii urmtori.

c. electricitatea din biomas s-a dezvoltat sub ateptri i rata de cretere, n prezent de 7% pe an, trebuie s fie mrit la 18 % pe an.

d. n 2004 cnd Directiva privind biocarburanii a intrat n vigoare, 9 ri au eliminat total sau parial taxele la biocarburani, iar penetrarea biocarburanilor pe pia a fost de 0,6%.

e. se constat diferene mari ntre ri.

In privina evoluiei surselor regenerabile pentru producerea cldurii, aplicaiile solare termale i utilizarea pompelor de cldur progreseaz, innd cont i de noile reglementri pentru ridicarea performanelor energetice ale cldirilor, care au adus un plus de interes n privina utilizrii acestor surse.

Directiva 2009/28/CE, [13], are ca scop facilitarea sprijinirii ntre statele Uniunii Europene a energiei din surse regenerabile, fr a afecta schemele naionale de sprijin. Se pot introduce mecanisme de cooperare opionale ntre state. n anexa acestei directive sunt prezentate obiectivele pentru anul 2020, conform tabelului:


5

Tabelul 1.2. Obiective naionale globale pentru ponderea din surse regenerabile n consumul final brut de energie n 2020

ar Pondere n 2005 Pondere n 2020

Belgia 2,2 % 13%

Bulgaria 9,4% 16%

Republica Ceh 6,1% 13%

Danemarca 17% 30%

Germania 5,8% 18%

Estonia 18% 25%

Irlanda 3,1% 16%

Grecia 6,9% 18%

Spania 8,7% 20%

Frana 10,3% 23%

Italia 5,2% 17%

Cipru 2,9% 13%

Letonia 32,6% 40%

Lituania 15% 23%

Luxemburg 0,9% 11%

Ungaria 4,3% 13%

Malta 0% 10%

rile de Jos 2,4% 14%

Austria 23,3% 34%

Polonia 7,2% 15%

Portugalia 20,5% 31%

Romnia 17,8% 24%

Slovenia 16% 25%

Republica Slovac 6,7% 14%

Finlanda 28,5% 38%

Suedia 39,8% 49%

Regatul Unit 1,3% 15%

1.3.Situaia actual a sectorului energetic romnesc

n Strategia energetic a Romniei n perioada 2007-2020, [6], sunt enunate evoluiile i provocrile globale ale sectorului energetic. Astfel, se subliniaz c cererea total de energie n 2030 va fi cu circa 50% mai mare dect in 2003, iar pentru petrol va fi cu circa 46% mai mare. Rezervele certe cunoscute de petrol pot susine un nivel actual de consum doar pn in anul 2040, iar cele de gaze naturale pana in anul 2070, n timp ce rezervele mondiale de huil asigur o perioad de peste 20 de ani chiar la o cretere a nivelului de exploatare. Previziunile indic n acelai timp i o cretere economic, ceea ce va implica un consum mai mare de resurse energetice.

Sursele regenerabile de energie asigur creterea siguranei n alimentarea cu energie i limitarea importului de resurse energetice, n condiiile unei dezvoltri economice durabile. De asemenea, este important de amintit c la nivelul ntregii ri, acestea pot contribui semnificativ la satisfacerea nevoilor de energie electric i cldur ale zonelor defavorizate.


6

Romnia, are, conform [7], cel mai mare parc eolian onshore n construcie (Constana, investiie CEZ) i cea mai mare fabric productoare de bio-etanol din Europa de Sud-Est n funciune.

1.3.1.Potenialul naional de resurse energetice primare

Dup cum se arat n [6], Romnia dispune de o gama diversificat de resurse de energie primar: iei, gaze naturale, crbune, minereu de uraniu, ns aceste resurse energetice sunt epuizabile.

iei

Anul cu producia de vrf a fost 1976 cu 14,7 milioane tone. Producia de iei a Romniei s-a diminuat constant, concomitent cu creterea importurilor.

Evoluia produciei interne de iei [10]:

Crbune

n anul 2006 producia de crbune a Romniei a fost de 34,1 milioane tone, din care:

2,9 milioane tone huil 31,2 milioane tone lignit

Aproape toat cantitatea (99%) se folosete pentru producia de energie electric i termic, huila contribuind cu 7,2% din totalul de producie de energie electric, iar lignitul cu 32,2%.

Puterea calorific a crbunelui extras n Romnia este de:

3650 kcal/kg pentru huil; 1650-1950 kcal/kg pentru lignit.

Datorit densitii calorice joase, transportul de carbune este ineficient economic astfel c termocentralele sunt situate n apropierea punctelor de extracie. Fiind purttori de energie primar captivi, huila i lignitul n Romnia nu pot face obiectul unei piee n adevratul sens al cuvntului.

Evoluia produciei interne de huil [10]:

An 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997

mii tone 5.000 5.200 5.541 5.650 5.702 5.810 6.029 6132 6.300 6.501

An 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000

milioane tone 2,9 2,7 3,1 3 3,7 3,5 3


7

Evoluia produciei interne de lignit:

Importuri de energie

Importul principalilor purttori de energie primar n echivalent mii tep [10]:

Exporturi de energie

Exportul de energie a fost n anul 2006 de 5.983 mii tep. Din acesta, produsele petroliere au avut ponderea de determinant (92,2%). Dintre produsele petroliere, ponderea cea mai mare este deinut de benzin (50,3%).

Energia electric

Producia de energie electric a Romniei a fost de aproximativ 62 TWh n anul 2006 la o putere instalat de 17.630 MW.

Cldur

Alimentarea cu cldur n sisteme centralizate de distribuie se realizeaz prin centrale termice (CT) i centrale electro-termice (CET) care furnizeaz energie termic pentru un ora, zon de ora sau cartier.

Consumul de cldur a sczut n ultimii ani datorit diminurii consumului industrial. n anul 2006 totalul consumului a ajuns la 9 milioane tep, din care 2,6 milioane tep (30%) a fost

asigurat de sistemele centralizate de distribuie.

Numrul de locuine racordate la sistemele centralizate de producie i distribuire a energiei termice este de 2,35 milioane, adic 55% din totalul locuinelor din mediul urban i 29% din totalul locuinelor.

An 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000

milioane tone 31,2 27,2 29,1 30 29,3 29,7 26

An 2006 2005

Crbune + Cocs 2.701 2.925

* din care - huil cocsifiabil 1.790 2.004

iei 8.676 8.686

gaze naturale 4.839 4.233

produse petroliere 1.300 1.027

TOTAL 17.516 16.871


8

n [6] se estimeaz evoluia rezervelor naionale de iei si gaze naturale in perioada 2006 2020, fiind luate n considerare exclusiv rezervele cunoscute i economic a fi valorificate utiliznd tehnologiile actuale. Aceast estimare este prezentat n urmtorul tabel, preluat din strategia energetic a Romniei pe perioada 2007-2020:

Tabelul 1.3. Evoluia rezervelor naionale de iei i gaze naturale-estimare ANRM [6]

ESTIMAREA EVOLUTIEI REZERVELOR NATIONALE DE TITEI SI GAZE

NATURALE IN PERIOADA 2007 - 2025

Anul Titei

(Milioane Tone)

Gaze Naturale

(Miliarde Metri Cubi)

2006 80 170

2007 76 162

2008 72 155

2009 68 148

2010 64 141

2011 60 134

2012 56 127

2013 52 120

2014 48 114

2015 45 107

2016 41 101

2017 38 95

2018 34 89

2019 31 83

2020 28 77

2021 24 71

2022 21 66

2023 18 60

2024 15 55

2025 12 50

Premise avute in

vedere

in cadrul

estimarii

Datorita depletarii zacamintelor,

productia de titei poate

inregistra scaderi anuale de 2-

4%.

Gradul de inlocuire a rezervelor

exploatate nu va depasi 15-20%.

Datorita depletarii zacamintelor,

productia de gaze poate inregistra

scaderi anuale de 2-5%.

Gradul de inlocuire a rezervelor

exploatate se va situa intre 15-

30%.

1.3.2.Potenialul naional de resurse regenerabile

Potenialul naional de resurse regenerabile este prezentat n urmtorul tabel [6], [11]:


9

Tabelul 1.4. Potenialul naional al surselor regenerabile

Sursa Potential anual Aplicaie

Energie solar 60*10

6 GJ/an

1200 GWh

Energie termic Energie electric

Energie eolian

23000 GWh

Energie electric

Energie hidro din

care sub 10 MW

40000 GWh

6000 GWh

Energie electric

Biomasa i biogaz 3,18*106 GJ

Energie termic Energie electric

Energie geotermal

7*106 GJ

Energie termic

Harta distribuirii surselor regenerabile n Romnia este prezentat n figura 1.1, [6].

Figura 1.1. Harta surselor regenerabile n Romnia, [ MEF] Legenda:

I. Delta Dunrii (energie solar); II. Dobrogea (energie solar i eolian); III. Moldova (cmpie si podi - microhidro, energie eolian i biomas); IV. Munii Carpai(IV1 Carpaii de Est; IV2 Carpaii de Sud; IV3 Carpaii de Vest ( biomas, microhidro);


10

V. Podiul Transilvaniei (microhidro); VI. Cmpia de Vest (energie geotermal); VII. Subcarpaii(VII1 Subcarpaii Getici; VII2 Subcarpaii de Curbur; VII3 Subcarpaii Moldovei: biomas, microhidro); VIII. Cmpia de Sud (biomas, energie geotermal i solar).

1.4.Valorificarea surselor regenerabile de energie n Romnia

Legea nr.220/2008, [8], stabilete cadrul legislativ pentru promovarea producerii energiei din surse regenerabile de energie referitor la termeni, modaliti si aciuni, responsabiliti, durate de aplicare, cotele obligatorii anuale de certificate verzi pentru perioada 2008-2020, modul de

atribuire si tranzacionare, accesul la reeaua electric i comercializarea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie.

Sistemul de promovare stabilit prin legea 220/2008 i completat de legea 130/2010, [9], se aplic pentru energia produs din: a) energie hidraulic utilizat n centrale cu o putere instalat de cel mult 10 MW; b) energie eolian; c) energie solar; d) energie geotermal; e) biomas; f) biolichide;

g) biogaz;

h) gaz rezultat din procesarea deeurilor; i) gaz de fermentare a nmolurilor din instalaiile de epurare a apelor uzate.

Tot [9] stabilete c nivelul intelor Romniei privind ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie n consumul final brut de energie electric n perspectiva urmtorilor ani este:

2010 - 33%;

2015 - 35%;

2020 - 38%.

Pentru atingerea acestor obiective pe lng energia electric produs din sursele regenerabile de energie prevzute se ia n considerare i energia electric produs n centrale hidroelectrice cu puteri instalate mai mari de 10 MW.

n Romnia, pentru promovarea surselor regenerabile, se aplic sistemul cotelor obligatorii, combinat cu tranzacionarea certificatelor verzi prin sistemul de pre fix. Certificatul verde este un titlu ce atest producerea din surse regenerabile de energie a unei cantiti de energie electric. Acesta se tranzacioneaz pe piaa de certificate verzi. Conform [9], cei care produc energie electric din surse regenerabile primesc:

3 certificate verzi pentru fiecare 1 MWh produs i livrat n reeaua de energie electric din grupurile hidro noi de max 10 MW;

2 certificate verzi pentru fiecare 1 MWh din grupurile hidro noi retehnologizate de max 10MW;

1 certificat verde pentru fiecare 2 MWh livrai din CHE cu o putere cuprins ntre 1 i 10 MW, care nu se ncadreaz n condiiile dinainte ;


11

2 certificate verzi, pn n 2017 i 1 certificat verde din 2018, pentru fiecare 1 MWh de energie electric livrat n reea de ctre productorul de energie electric din energie eolian ;

3 certificate verzi pentru fiecare 1 MWh livrat n reea pentru energia electric produs din biomas, biogaz, biolichid, gaz de fermentare a deeurilor, energie geotermal i gaze combustibile asociate ;

6 certificate verzi pentru fiecare 1 MWh livrat n reeaua de energie electric pentru energia electric produs utiliznd energia solar.

Furnizorii de energie electric sunt obligai s cumpere pe an un numr de certificate verzi egal cu produsul dintre valoarea cotei anuale obligatorii stabilite i cantitatea de energie electric, n MWh, furnizat anual consumatorilor finali [9].

Aceste tranzacii de certificate verzi se realizeaz pe piaa de certificate verzi, cadrul legal fiind asigurat de operatorul pieei de energie electric, OPCOM. La ora actual, valoarea de tranzacionare a certificatelor verzi se situeaz ntre o valoare minim de 27 euro/certificat i o valoare maxim de 55 euro/certificat, conform [9].

Energia electric produs utiliznd surse regenerabile de energie se vinde pe piaa angro de energie la preul pieei, iar pentru dezvoltarea investiiilor n acest domeniu, legile prevd existena unor faciliti acordate proiectelor strategice prezentate n documentele de politic energetic a Romniei.


12

Bibliografie

[1]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie

[2]. http://universulenergiei.europartes.eu/intrebari/energia/

[3].Bostan I., Dulgheru V.,Sobor I., Bostan V., Sochirean A., Sisteme de conversie a

energiilor regenerabile, Editura TEHNICA-INFO; Chiinu,2007 [4]. Darie G., Ulmeanu P., Producerea energiei electrice i termice, curs internet [5].Blan,M - Energii regenerabile: http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile [6] *** Strategia energetic a Romniei n perioada 2007-2010 [7] http://www.renexpo-bucharest.com/uploads/media/KW15_Comunicat_RENBK.doc.pdf

[8] *** Legea nr. 220 din 2008- Legea pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii

energiei din surse regenerabile de energie

[9] ***LEGE nr.139 din 7 iulie 2010 privind modificarea i completarea Legii nr. 220/2008 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei din surse regenerabile de

energie

[10].http://ro.wikipedia.org/wiki/Industria_energetica din Romania

[11]*** Planul naional de aciune n domeniul energiei din Surse Regenerabile, Bucureti, 2010

[12]*** DIRECTIVE 2001/77/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE

COUNCIL of 27 September 2001 on the promotion of electricity produced from renewable

energy sources in the internal electricity market, Official Journal of the European

Communities

[13]*** DIRECTIVA 2009/28/CE A PARLAMENTULUI EUROPEAN I A CONSILIULUI din 23 aprilie 2009, privind promovarea utilizrii energiei din surse regenerabile, de modificare i ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE i 2003/30/CE, Jurnalul Oficial al Uniunii Europene

Grigore Roxana- Surse regenerabile-notie curs

13

Capitolul 2.Modificarea climei sub influena diverilor factori

2.1. Noiuni introductive

Clima reprezint dinamica tuturor fenomenelor meteorologice din atmosfer dintr-un anumit loc sau regiune de pe glob, ntr-un interval de timp foarte mare [14].

Exist factori interni, factori externi naturali care duc la modificare climei. Factorii naturali care pot duce la modificarea climei sunt:

radiaia solar aezarea regiunii:

o latitudine geografic, o altitudine

o raport mare, uscat

o existena curenilor marini, o existena curenilor de aer.

Pe lng aceti factori mai exist i factorii determinai de activitile umane, care ca i efecte se ntreptrund cu efectele factorilor naturali. Despduririle masive precum i gazele i aerosolii emanai de industria moderna pe o scar mare, afecteaz balana energetic a pmntului ducnd la modificri majore ale climei. Acetia duc la schimbarea compoziiei atmosferei ca urmare a creterii concentraiei gazelor cu efect de ser. n general, factorii care afecteaz clima acioneaz simultan, iar separarea lor este dificil.

2.2.Ciclul solar

Energia solar este cea mai important surs care nclzete suprafaa pmntului. Energia geotermic este insignifiant pentru climat. Oricare factor care influeneaz cantitatea de energie solar care ajunge sau care este pstrata de pmnt poate influena climatul pmntului [15]. La ora actual exist o mulime de teorii legate de influena soarelui asupra climei de pe Pmnt.

Pmntul absoarbe radiaia solar n special la suprafaa sa. Aceasta este apoi redistribuit de circulaia atmosferic i a oceanelor i radiat napoi n spaiu prin raze infraroii. Pentru Pmnt, ntr-o perioada medie de un an de exemplu, energia primit din radiaia solar este egalat cu aproximaie de energia pierdut prin radiaia terestr. Orice factor care modific aceast balan energetic poate afecta clima. O balan pozitiva a energiei va tinde s nclzeasc suprafaa pmntului i atmosfera inferioara, iar o balan negativa va tinde s le rceasc [15].

Soarele i modific cantitatea de energie trimis spre pmnt dup un ciclu de 11 ani. Aceast perioad poart denumirea de ciclu solar i indic o variaie periodic a temperaturilor, care poate masca fenomenul de nclzire global. n figura 2.1 sunt prezentate ultimele trei cicluri solare, cu msura radiaiei globale, a numrului de pete negre i a undelor radio 10,7 cm. Msurrile radiaiei solare au fost posibile doar pentru ultimele 3 cicluri [3], ns exist tehnici de estimare a activitii solare din trecut.


14

n figura 2.1 se observ c radiaia solar primit la suprafaa atmosferei Pmntului variaz n jurul valorii de 1366 W/m2.

Figura 2.1. Variaiile radiaiei solare de-a lungul ciclului solar [15].

Conform specialitilor, cele care pot afecta temperaturile aerului la nivelul atmosferei Pmntului sunt exploziile solare. De asemenea, ele pot duce i la apariia aurorelor polare, perturbarea telecomunicaiilor, apariia unor supratensiuni pe liniile de transport ale energiei electrice care pot deteriora reelele de distribuire ale electricitii. n acelai timp, ca urmare a nclzirii produse atmosferei, aceasta se extinde, ceea ce constituie o piedic pentru satelii, avnd ca efect scoaterea lor de pe orbit.

Cele ce influeneaz cel mai mult clima pe pmnt, dup cum susin specialitii sunt petele solare. Acestea pot fi aa numitele pete negre regiuni marcate de temperaturi relativ joase i activitate magnetic foarte intens i pete strlucitoare generate de granule solare cu dimensiuni de la 1000 km pn la zeci de mii care au o durat scurt de via de ordinul zecilor de minute [3]. Petele negre au fost observate pentru prima data acum 400 de ani de

Galileo Galilei. ntre 1645 i 1715, pe suprafaa Soarelui au existat mult mai puine pete dect normal. Aceast perioad a fost numit Minimul Maunder, dup numele astronomului englez care a studiat-o. Ea a coincis cu o lung perioad de vreme rece, denumit adesea "Mica Glaciaiune"[15]. Figura 2.2 prezint ciclul petelor solare n timp.

Mai multe pete solare corespund cu ieirea unei cantiti mai mari de energie. nregistrarea numrului de pete solare nainte de apariia observaiilor directe se poate face din reconstituiri bazate pe observarea aurorei boreale i din determinarea concentraiei izotopului C14 din inelele copacilor [16]. Se observ c n ultimii 400 de ani apare o uoar cretere a numrului de pete negre de pe soare, ceea ce ar putea fi unul dintre motivele schimbrii climei.


15

Figura 2.2. Ciclul petelor solare n timp

2.2. Influena gazelor cu efect de ser asupra climei

Efectul de sera este rezultatul interactiunii dintre lumina solara si straturile de gaze cu efect

de sera din atmosfera terestra, care se intind pana la inaltimi de 100 km deasupra suprafetei

planetei. Acest fenomen a fost descoperit de Fourier n anul 1824. Spectrul luminii solare (un termen - lumina - folosit oarecum impropriu in acest caz si care desemneaza aici toate

formele de energie care ajung pe Pamant de la Soare) este compus din lumina vizibila,

radiatii infrarosii, raze gamma, raze X si radiatii ultraviolete. Cand radiatiile solare ating

atmosfera terestra, in jur de 25 de procente din energia lor este reflectata inapoi in spatiul

cosmic de catre nori si alte particule atmosferice. In jur de 20 de procente sunt absorbite in

atmosfera. De exemplu, moleculele de gaz din straturile superioare ale atmosferei absorb

radiatiile gamma si X. Radiatia ultravioleta este absorbita de catre startul de ozon, localizat

intre 19 si 48 de km peste nivelul marii.

Restul, in jur de 50 de procente din totalul radiatiei generate de Soare care ajunge la Terra,

in majoritate lumina vizibila, trece prin atmosfera si ajunge la suprafata planetei. Solul,

plantele si oceanele absorb in jur de 85% din energia acestei lumini vizibile, restul fiind

reflectat in atmosfera, in special de suprafete reflectorizante precum straturile de zapada,

gheata sau nisipurile deserturilor. Mai mult, o parte a radiatiei solare absorbita de suprafata

terestra incalzeste acele zone, care degaja la randul lor energie sub forma radiatiei

infrarosii, cu o lungime de unda mai mare decat cea a luminii vizibile, energie care ajunge

si ea in atmosfera [5].

Acest circuit de reciclare a energiei este efectul de ser.


16

Figura 3. Reprezentarea efectului de ser

Radiaia solar la nivelul atmosferei este n jurul valorii de 1366 W/m2. Proprietile de reflexie a suprafeelor i efectele geometrice limiteaz radiaiile absorbite de un anume loc la 235 W/m

2. Atmosfera Pmntului recicleaz o parte din radiaiile reflectate de suprafa

i asigur suplimentar nc 324 W/m2. La nivelul suprafeei Planetei ar rezulta o temperatur de +14oC [5].

Anumite gaze care intra in componenta atmosferei, incluzand aici vaporii de apa, dioxidul

de carbon, metanul si oxizii de azot dispun de o structura chimica propice absorbtiei

radiatiei infrarosii, prevenind, cel putin temporar, dispersarea acesteia in spatiu. Pe masura

ce acesti compusi chimici mentionati anterior (asa-zisele gaze cu efect de sera) absorb

caldura degajata de aceasta radiatie infrarosie, ei se incalzesc si incep sa emita la randul lor

radiatie infrarosie in toate directiile. O parte se intoarce astfel la suprafata Pamantului,

incalzind-o suplimentar si generand ceea ce se numeste efectul de sera, iar o alta parte este

in cele din urma eliberata in spatiul cosmic. Acest transfer de caldura creeaza un echilibru,

o balanta energetica intre cantitatea totala de energie care ajunge la Pamant dinspre Soare

si cantitatea eliberata de planeta inapoi in spatiu, o balanta extrem de importanta, vitala

chiar pentru supravietuirea formelor de viata de pe Terra.

Gazele cu efect de sera au un rol identic cu cel al sticlei folosita la constructia serelor. Fara

ele, energia absorbita si reflectata de suprafata Pamantului si-ar gasi foarte usor drumul

inapoi in spatiul interplanetar, lasand in urma o planeta neospitaliera si un mediu deloc

propice vietii asa cum o cunoastem noi astazi, cu temperaturi medii de -18C (in prezent fiind vorba de o medie de 14C la nivel global).


17

Pentru a intelege importanta prezentei gazelor cu efect de sera in crearea si mentinerea

unui climat propice vietii pe Terra, putem face o comparatie cu Marte sau Venus. Marte

are o atmosfera foarte subtire, care contine gaze cu efect de sera in concentratii foarte

reduse. Prin urmare, Marte dispune de un efect de sera extrem de redus, cu o suprafata in

mare parte inghetata ce nu prezinta urme de viata. La cealalta extrema, Venus are o

atmosfera care contine bioxid de carbon in concentratii mari, lucru care duce la retinerea in

atmosfera a unui procent foarte mare din energia radiata de suprafata planetei si, prin

urmare, o temperatura medie la suprafata planetei de 462C prea mare pentru a intretine orice forma de viata.

Factorii naturali reprezint cauza esential a schimbrilor climatice si geologice de la formarea globului terestru pn n prezent. Acestia genereaz nclzirea global pe care o observm n prezent, (un mega-factor deosebit de activ). n toate erele interglaciare au existat perioade de nclzire global, alternnd cu rciri locale, mai mult sau mai putin severe. nclzirea global se produce sub actiunea unor factori naturali a cror manifestare si evolutie nu sunt pe deplin ntelese.

- Sistemul geologic al planetei noastre este format din plci tectonice, prin miscarea crora se regenereaz elementele necesare sustinerii habitatului terestru. Deplasrile plcilor tectonice sunt determinate de actiunea factorilor si proceselor naturale care se desfsoar de miliarde de ani. Datorit existentei plcilor tectonice si a unui miez central feros (al crui comportament este influentat de factorii naturali), Pmntul manifest si un cmp magnetic protector, care a fost generat cu miliarde de ani n urm de factori naturali prea putin cunoscuti. Schimbrile de polaritate si intensitate ale cmpului magnetic terestru, au repercursiuni asupra nclzirii globale.

- Activitatea solar se desfsoar n baza unor legi naturale. Soarele accentueaz sau reduce nclzirea global, n functie de intensitatea modificrilor magnetice din interiorul su, respectiv, a exploziilor si vnturilor de particule expulzate n spatiu de coroana exterioar. Activitatea solar influenteaz cmpul magnetic terestru.

- Existenta calotelor polare favorizeaz recircularea unei importante cantitti de ap dulce n cadrul biosferei. Oceanul planetar face parte dintr-un sistem complex care transport cldura spre diferite zone ale uscatului cu ajutorul diferentelor de salinitate si temperatur a curentilor oceanici. Acest sistem formeaz circuitul termosalin global.

- n prezent, nclzirea global produce topirea accelerat a calotelor polare. Aceasta, perturb circuitul termosalin din oceane. Petele si exploziile solare, contribuie la topirea calotelor polare si a ghetarilor. Topirea calotelor polare produce ridicarea nivelului oceanic

planetar. Cresterea temperaturii apei favorizeaz si mai mult acest lucru datorit dilatrii. Paradoxal, odat cu nclzirea global, sistemul climatic perturbat genereaz fenomene de


18

rcire local abrupt. Fenomenele de rcire local abrupt sunt accentuate, mai ales, de perturbarea circuitului termosalin.

- Gazul metan este prezent n solul, subsolul si mai ales sub crusta oceanelor, n cantitti importante, ca urmare a descompunerii materialului lemnos din perioada erelor geologice.

Att oceanele ct si calotele (pe msur ce se topesc) elibereaz gazul metan din hidratii naturali. Metanul eliberat de oceane amplific efectul de ser, genernd nclzire global.

Asadar oceanele sufer modificri, ca urmare a nclzirii globale, iar acestea devin tot mai dinamice. Oceanele dizolv importante cantitti de bioxid de carbon, un alt gaz cu efect de ser prelungit. Datorit amplificrii dinamicii fenomenelor meteo, a variatiilor tot mai abrupte a temperaturii si salinitatii oceanelor, acestea ncearc s compenseze modificrile prin absorbtia, respectiv eliberarea, n unele zone, a unor cantitti prea mari de bioxid de carbon. n acest fel, oceanele devin fie prea acide pentru plancton, alge si corali, fie, atmosfera rmne prea ncrcat cu dioxid de carbon, care creeaz efect de ser nclzind oceanele si intensificnd evaporarea.

- n ultimii ani, vulcanismul s-a intensificat sub actiunea deplasrilor tot mai severe a plcilor tectonice. Vulcanismul si tectonica global genereaz cutremure si mega cutremure al cror numr si intensitate creste anual. Mega cutremurele produc fenomene meteo extreme precum tsunami. Cutremurele dar mai ales, mega cutremurele care perturb intens apa mrilor si oceanelor, amplificnd eliberarea gazelor cu efect de ser de sub crustele oceanice. Alturi de factorul antropic, vulcanismul produce poluare.

- Componenta antropic a polurii creeaz nclzire global, iar cea vulcanic att nclzire, ct mai ales, rcire local abrupt (datorit aerosolilor). Acest factor perturbator, mpreun cu nclzirea si cresterea acidittii oceanelor se rsfrnge asupra algelor, coralilor si a planctonului, care formeaz delicatul sistem natural de termoreglare climatic descoperit de ctre biologul Bill Hamilton.

- Perturbarea sistemului de termoreglare climatic, evaporarea excesiv a apei din oceane datorat nclzirii globale, rcirea local abrupt, modificarea rezonantei atmosferice Schumann si poluarea, produc ansamblul de fenomene meteo extreme pe care le observm n prezent. Modificrile dramatice ale oceanelor accentueaz ntr-o anumit msur, miscrile plcilor tectonice determinnd un proces ngrijortor de auto sustinere. n acest ansamblu complex de factori se mai adaug modificri ale axei de rotatie a suprafetei pmntului, respectiv ale miezului interior de fier, obezitatea ecuatorial, si perturbri ale stratului de ozon.

- Topirea calotelor polare genereaz obezitate ecuatorial, datorit migratiei masei de gheat (topit) spre latitudini joase. Aceasta favorizeaz, ntr-un anumit grad, nclzirea global genernd n acelasi timp usoare variatii ale axei de rotatie a Terrei. Dac adugm acestui sistem de factori influenta mega cutremurelor asupra variatiei cltinrii axei de rotatie, atunci putem observa formarea unei reactii globale care se amplific continuu. Efectul cumulat al acestei reactii l reprezint fenomenele meteo deosebit de severe.


19

- Cele mai recente observatii stiintifice au evidentiat perturbri ale miezului de fier din interiorul globului, care produc la rndul lor, fluctuatii ale cmpului magnetic. Modificrile de natur necunoscut ale vitezei, directiei si cltinrii axei de rotatie a miezului de fier din interiorul globului, adaug o nou influent asupra rezonantei Schumann a undei atmosferice stationare, care la rndul ei accentueaz electrizrile atmosferice exagerate, cresterea numrului de descrcri electrice, etc. Schimbrile de natur dinamic ale miezului de fier sunt responsabile ntr-o anumit msur, de amplificarea fenomenului obezittii ecuatoriale.

- Poluarea vulcanic si uman, fluctuatiile cmpului magnetic terestru si ale activittii soarelui perturb stratul de ozon. Acestea favorizeaz, aparitia radiatiilor cosmice nocive si a particulelor vntului solar n straturi atmosferice tot mai joase, punnd n pericol biosfera.

Sursa:Cristian Muresanu-Schimbri climatice abrupte si factorii generatori

Bibliografie

[1]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie

[2]. http://universulenergiei.europartes.eu/intrebari/energia/

[3].Bostan I., Dulgheru V.,Sobor I., Bostan V., Sochirean A., Sisteme de conversie a

energiilor regenerabile, Editura TEHNICA-INFO; Chiinu,2007 [4]. Darie G., Ulmeanu P., Producerea energiei electrice i termice, curs internet [5].Blan,M - Energii regenerabile: http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile [6] *** Strategia energetic a Romniei n perioada 2007-2010 [7] http://www.renexpo-

bucharest.com/uploads/media/KW15_Comunicat_RENBK.doc.pdf

[8] *** Legea nr. 220 din 2008- Legea pentru stabilirea sistemului de promovare a

producerii energiei din surse regenerabile de energie

[9] ***LEGE nr.139 din 7 iulie 2010 privind modificarea i completarea Legii nr. 220/2008 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei din surse

regenerabile de energie

[10].http://ro.wikipedia.org/wiki/Industria_energetica din Romania

[11]*** Planul naional de aciune n domeniul energiei din Surse Regenerabile, Bucureti, 2010 [12]*** DIRECTIVE 2001/77/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE

COUNCIL of 27 September 2001 on the promotion of electricity produced from renewable

energy sources in the internal electricity market, Official Journal of the European

Communities

[13]*** DIRECTIVA 2009/28/CE A PARLAMENTULUI EUROPEAN I A CONSILIULUI din 23 aprilie 2009, privind promovarea utilizrii energiei din surse regenerabile, de modificare i ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE i 2003/30/CE, Jurnalul Oficial al Uniunii Europene

[14]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Clima

[15]: http://wapedia.mobi/ro/Fi%C5%9Fier:Solar-cycle-data_ro.

[16] Crowley, T., and North, G.R., 1991, Paleoclimatology, New York, Clarendon, 339 p.

[5]upload.wikimedia.org/.../Greenhouse_Effect.png


20

[6].Cristian Muresanu, Schimbri climatice abrupte si factorii generator, internet

Obs. Albedo-ul este procentul de radiaie reflectat comparativ cu cea absorbita.

21

Fig. 3.1. Schema interaciunilor dintre energia solar i atmosfera, respectiv suprafaa terestr: Rev. Tehnica Instalaiilor nr. 5/2003

Atmosfera terestr i suprafaa Pmntului interacioneaz cu radiaia solar, producnd o serie de transformri ale acesteia, aa cum se observ n figura 3.1.

3. ENERGIA SOLAR

3.1. PARTICULARITI ALE ENERGIEI SOLARE

3.1.1. Consideraii privind radiaia solar

Soarele reprezint sursa de energie a Pmntului, contribuind la meninerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K, ntlnit n spaiul interplanetar i este singura surs de energie capabil s ntrein viaa pe Pmnt. Soarele reprezint practic o surs inepuizabil de energie, estimndu-se o durat a existenei radiaiei solare de nc aproximativ 45 miliarde a ani. Pentru studiul radiaiei solare, este important s fie definite cteva mrimi importante. Constanta solar reprezint fluxul de energie termic unitar primit de la Soare, msurat n straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcia razelor solare. Valoarea general acceptat

pentru constanta solar este de aproximativ 1350 W/m2

, reprezentnd o valoare medie anual, msurat cu ajutorul sateliilor de cercetare tiinific.

22

Fluxul de energie radiant solar, care ajunge la suprafaa Pmntului este mai mic dect constanta solar, deoarece n timp ce traverseaz atmosfera terestr, cu o grosime de peste 50 km, intensitatea radiaiei solare este redus treptat. Mecanismele prin care se modific intensitatea radiaiei solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbia i difuzia. n atmosfer este absorbit (reinut, filtrat) aproape total radiaia X i o parte din radiaia ultraviolet. Vaporii de ap, bioxidul de carbon i alte gaze existente n atmosfer, contribuie la absorbia radiaiei solare de ctre atmosfer. Radiaia absorbit este n general transformat n cldur, iar radiaia difuz astfel obinut este retrimis n toate direciile n atmosfer. Prin aceste procese, atmosfera se nclzete i produce la rndul ei, o radiaie cu lungime de und mare, denumit radiaie atmosferic. n plus, faa de cele dou mecanisme de modificare a intensitii radiaiei solare, o parte din radiaia solar este reflectat de atmosfera terestr, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer i anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiaia solar este disipat, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezint radiaia bolii cereti. Radiaia global ajuns de la Soare, pe o suprafa orizontal la nivelul solului ntr-o o zi senin, reprezint suma dintre radiaia direct i radiaia difuz.

Radiaia solar direct depinde de orientarea suprafeei receptoare. Radiaia solar difuz poate fi considerat aceeai, indiferent de orientarea suprafeei receptoare, chiar dac n realitate exist mici diferene. Figura 3.2 prezint proporia dintre radiaia difuz i radiaia direct, n radiaia global. Este interesant de remarcat c radiaia difuz prezint o pondere mai mare dect radiaia direct.

Fig. 3.2. Raportul dintre radiaia difuz i radiaia direct Rev. Tehnica Instalaiilor nr. 5/2003

23

Energia termic unitar primit de la Soare, msurat la nivelul suprafeei Pmntului, perpendicular pe direcia razelor solare, pentru condiiile n care cerul este perfect senin i lipsit de poluare, n zonele Europei de Vest, Europei Centrale i Europei de Est, n jurul prnzului, poate asigura maxim 1000

W/m2

. Aceast valoare reprezint suma dintre radiaia direct i difuz. Radiaia solar este influenat de modificarea permanent a ctorva parametrii importani, cum sunt: nlimea soarelui pe cer (unghiul format de direcia razelor soarelui cu planul orizontal); Unghiul de nclinare a axei Pmntului; Modificarea distanei Pmnt Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptic, uor excentric.); Latitudinea geografic.

n figura 3.3 este reprezentat variaia densitii radiaiei solare n funcie de nlimea Soarelui, adic unghiul format de direcia razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situaii atmosferice.

Fig. 3.3. Variaia radiaiei solare n funcie de direcia razelor solare, pentru diferite situaii atmosferice: Rev. Tehnica Instalaiilor nr. 5/2004

24

Potenialul de utilizare a energiei solare n Romania, este relativ important, aa cum se observ n figurile 3.4 i 3.5, care reprezint hri ale radiaiei solare globale. Exist zone n care fluxul energetic

solar anual, ajunge pn la 14501600kWh/m2

/an, n zona Litoralului Mrii Negre i Dobrogea ca i n majoritatea zonelor sudice. n majoritatea regiunilor rii, fluxul energetic solar anual, depete

12501350kWh/m2

/an.

Fig. 3.4. Harta intensitii radiaiei solare n Europa i Romnia

Fig. 3.5. Harta schematic a radiaiei solare n Romnia Rev. Tehnica Instalaiilor nr. 5/2003

25

Gradul mediu de nsorire, difer de la o lun la alta i chiar de la o zi la alta, n aceeai localitate i cu att mai mult de la o localitate la alta. n figura 3.6, este prezentat nivelul mediu al insolaiei, reprezentnd cantitatea de energie solar care ptrunde n atmosfer i cade pe suprafaa pmntului, n localitatea Bucureti.

Fig. 3.6. Nivelul mediu al insolaiei n Bucureti Rev. Tehnica Instalaiilor nr. 5/2003

Evident, radiaia solar este distribuit neuniform pe suprafaa Pmntului, poziia geografic i condiiile climatice locale, avnd o influen deosebit pentru impactul radiaiei solare asupra suprafeei terestre. Cteva dintre datele statistice referitoare la radiaia solar, disponibile pentru Romnia, sunt prezentate n tabelele 13.

Tab. 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii

[W/m2

],

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

26

3.1.2. Compoziia spectral a radiaiei solare

Principalele componente ale radiaiei solare care ajunge pe Pamnt i participaia fiecrei componente n radiaia global, din punct de vedere energetic, sunt:

-radiaie ultraviolet 3% -radiaie vizibil 42% -radiaie infraroie 55%

Fiecrei componente a radiaiei, i corespunde cte un domeniu bine definit al lungimilor de und:

-radiaie ultraviolet 0,28 - 0,38 m (microni); -radiaie vizibil 0,38 - 0,78 m (microni); -radiaia infraroie 0,78 - 2,50 m (microni).

Contribuia energetic a radiaiei solare globale, n funcie de lungimea de und, ntre 0,3 si 2,5 m (microni), pentru o suprafa perpendicular pe acea radiaie, este reprezentat calitativ n figura 3.7.

Fig. 3.7. Distribuia energiei radiaiei solare, n funcie de lungimea de und (microni) www.stgobain.ro/

Se observ c cea mai mare cantitate de energie termic se regsete n domeniul radiaiei infraroii i nu n domeniul radiaiei vizibile, ceea ce sugereaz ideea c aceast radiaie poate fi captat eficient i n condiiile n care cerul nu este perfect senin. Pentru realizarea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iar pentru captarea eficient a radiaiei solare, chiar i la temperaturi sub 0C, s-au realizat panouri solare cu tuburi termice. Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv i deci mai ieftine, sunt mai puin performante, din punct de vedere al capacitii de a capta radiaia difuz, dect panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice.

27

3.1.3. Captarea radiaiei solare

Transformarea, sau conversia energiei solare n energie termic, este realizat n captatori solari, avnd funcionarea bazat pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare n energie termic s fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, s fie ct mai corect.

Poziia captatorilor solari este definit prin dou unghiuri i anume, unghiul de nclinare fa de orizontal, prezentat n figura 2.8 i notat cu , respectiv unghiul azimutului, reprezentnd orientarea fa de direcia sudului, prezentat n figura 2.9.

Fig. 3.8. Unghiul de nclinare a captatorilor solari fa de orizontal www.viessmann.com

Fig. 3.9. Unghiul azimutului (orientarea fa de direcia Sud) www.viessmann.com

28

Figura 3.10 prezint ntr-un mod sintetic, influena combinat a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile. Diagrama a fost

trasat pentru Germania, dar concluziile care se pot obine cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea rilor din Europa, inclusiv pentru Romnia.

Fig. 3.10. Influena combinat a unghiului de nclinare i a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile www.viessmann.com

Analiznd figura 3.10, se observ c unghiul de nclinare optim, care permite captarea optim a radiaiei solare, este de cca. 1555, iar abaterea de la direcia Sud, poate s se situeze ntre 40 fr a fi afectat capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de nclinare de 565, radiaia solar poate fi recuperat n proporie de 9095%. Valorile prea reduse ale unghiului de nclinare nu sunt recomandate deoarece favorizeaz murdrirea suprafeei captatorilor, ceea ce atrage dup sine nrutirea performanelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcia Sud, de 60, la anumite valori ale unghiului de nclinare, se poate recupera de asemenea 9095% din radiaia solar. Chiar i colectorii montai vertical, cu o abatere de pn la 20 fa de direcia Sud, pot recupera 80% din radiaia solar, ceea ce sugereaz posibilitatea montrii acestora pe faadele cldirilor. Pe exemplul din diagram se observ c n cazul unui unghi de nclinare de 30 i a unei abateri de la direcia Sud de 45, care corespunde direciei SV, gradul de captare a radiaiei solare este de 95%.

Ca o consecin a celor menionate, se poate spune c orientarea captatorilor solari fa de orizontal i fa de Sud, nu este o problem att de sensibil, cum ar putea s par la prima vedere.

29

Mult mai important, din punct de vedere a capacitii de captare a energiei solare, este tehnologia utilizat pentru o construcia colectorilor solari, deoarece n mod inevitabil, conversia energiei solare n energie termic se realizeaz cu unele pierderi, acestea fiind evideniate n figura 2.11.

Fig. 3.11. Pierderi care apar la conversia energiei solare n energie termic A radiaia difuz; B radiaia direct; C convecie datorat vntului, ploilor

i zpezii; D pierderi prin convecie; E pierderi prin conducie; F radiaia suprafeei absorbante; G radiaia panoului din sticl; H fluxul termic util;

K radiaie reflectat www.viessmann.com

Evoluiile tehnologice ale colectorilor solari, de la captatorul plan reprezentat n figur, pn la cele mai moderne construcii existente la ora actual, au avut ca scop creterea capacitii de absorbie a radiaiei solare i reducerea ntr-o proporie ct mai mare a diverselor tipuri de pierderi.

Bibliografie

1. Blan,M - Energii regenerabile: http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile

30

3.2. Construcia captatorilor solari

Pentru construcia captatorilor solari, exist mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, sunt prezentate n continuare urmtoarele variante: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate i colectorii cu tuburi termice.

3.2.1. Colectori plani

Colectorii solari plani, reprezint cea mai simpl soluie tehnic de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcie fiind prezentat n figura 3.12.

Fig. 3.12. Construcia colectorilor plani www.viessmann.com

Agentul termic circul prin serpentina din cupru, care este fixat nedemontabil, sub o folie realizat tot dintr-un material bun conductor termic, acoperit cu un material absorbant. Acest ansamblu, se monteaz ntr-o carcas acoperit cu un panou de sticl solar, caracterizat prin coninut sczut de fier, pentru creterea capacitii de transfer a radiaiei termice. Rezistena mecanic a sticlei, trebuie s fie suficient de ridicat, pentru a face fa solicitrilor la care aceasta ar putea fi supus n timpul exploatrii, de exemplu cderilor de grindin. Partea inferioar a carcasei panoului solar, este izolat termic, pentru reducerea pierderilor prin convecie, n mediul ambiant. Avantajul acestui tip de colectori solari, este c prezint un randament termic suficient de ridicat, dac radiaia solar este intens, n condiiile unor costuri relativ reduse ale investiiei. Dezavantajul principal l reprezint pierderile prin convecie relativ ridicate, la diferene mari de temperatur ntre agentul termic i mediul ambiant.

31

3.2.2. Colectori cu tuburi vidate

Principiul de funcionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat n figura 3.13.

Fig. 3.13. Principiul de funcionare a colectorilor cu tuburi vidate

Apa este stocat ntr-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal i izolat termic, n care se monteaz tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu perei dubli, din sticl. ntre pereii din sticl ai tuburilor se realizeaz vid (ca n termosuri), pentru a reduce pierderile termice n mediul ambiant. Pereii exteriori ai tuburilor de sticl din interior, sunt acoperite cu un strat din material absorbant, pentru a capta ct mai eficient radiaia solar. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, n funcie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse n partea superioar a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse n partea inferioar a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va nclzi datorit radiaiei solare i prin efect de termosifon, datorit diferenei de densitate, se va ntoarce n rezervor, unde se va ridica n partea superioar a acestuia, acumulndu-se n vederea utilizrii ulterioare.

Avantajul unor asemenea sisteme este reprezentat de absorbia direct a radiaiei solare, fr intermediul unui schimbtor de cldur.

Dezavantajele sunt datorate faptului c apa circul prin tuburile din sticl, care este un material relativ fragil, chiar dac este vorba despre sticl solar cu proprieti mecanice bune. Astfel, circulaia apei nu poate fi realizat sub presiune, datorit solicitrilor mecanice la care ar fi supus sticla. Un alt dezavantaj, este acela c umplerea cu ap a sistemului, trebuie realizat ncet i treptat, pentru a nu se produce solicitri termice brute n tuburi.

32

n figura 3.14, este prezentat o construcie performant de colector solar cu tuburi vidate, n care circulaia agentului termic este realizat printr-un schimbtor de cldur coaxial din cupru, n contact cu o suprafaa metalic absorbant.

Fig. 3.14. Colector cu tuburi vidate i schimbtor de cldur coaxial www.viessmann.com

Aceast construcie, combin avantajele tuburilor vidate, care asigur pierderi minime de cldur n mediul ambiant (chiar la diferene mari de temperatur ntre acesta i apa din tuburi), cu avantajele circulaiei agentului termic prin elemente metalice. n figura 3.15, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul prezentat anterior, la conductele de ap rece i cald.

Fig. 3.15. Sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate la conductele de ap caldi rece www.viessmann.com

33

n figurile 3.16 i 3.17 sunt prezentate schema, respectiv construcia unui colector cu tuburi vidate, care n plus, permite nlocuirea individual a unor tuburi, n cazul spargerii accidentale a acestora.

Fig. 3.16. Schema unui colector cu tuburi vidate,

interschimbabile www.viessmann.com

Fig. 3.17. Colector cu tuburi vidate,

interschimbabile www.viessmann.com

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela c n cazul spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalaie nu se pierde, fenomen care ar genera mari neplceri, datorit volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce pagube, mai ales dac ar intra n contact cu elementele constructive ale imobilului pe care l deservete.

34

3.2.3. Colectori cu tuburi termice

Principiul de funcionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat n figura 3.18.

Fig. 3.18. Principiul de funcionare al colectorilor cu tuburi termice www.solarserver.de

n interiorul unui tub de sticl cu perei dubli, ntre care se realizeaz vid, pentru diminuarea pierderilor termice n mediul ambiant, se monteaz un tub termic etan, ncrcat cu o substan care vaporizeaz sub aciunea radiaiei solare. Vaporii astfel formai, se ridic n partea superioar a tubului termic, denumit condensator, care se gsete n contact termic cu agentul termic din instalaia solar. Acest agent, rcete captul superior al tubului termic i determin astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel nct captul superior al tubului termic, poart denumirea de condensator. Cldura latent de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la nclzirea agentului termic din instalaia solar, care curge prin conducta colectoare, n care se monteaz mai multe tuburi termice. Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izoleaz termic. n figurile 3.19 i 3.20, sunt prezentate schema, respectiv construcia unui colector cu tuburi termice. n ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice.

Fig. 3.19. Schema unui colector cu tuburi

termice www.viessmann.com

35

Tuburile termice sunt interschimbabile, deci pstreaz toate avantajele tuburilor vidate. Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, n condiii caracterizate prin radiaie solar nu foarte intens, ceea ce recomand utilizarea acestor echipamente n zone cu intensitate moderat a radiaiei solare. Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat i de necesitatea asigurrii unui contact termic foarte bun ntre condensator i agentul termic din conducta colectoare a instalaiei solare.

Bibliografie

1. Blan,M - Energii regenerabile: http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile

Fig.3. 20. Colector cu tuburi

termice www.viessmann.com

2.3. Randamentul colectorilor solari Randamentul colectorilor solari , reprezint eficiena cu care este transformat n cldur radiaia solar i poate fi calculat cu relaia:

g

u

Iq

= unde:

- qu [ ]2mW densitatea fluxului de cldur util, acumulat n agentul termic din colectori; - Ig [ ]2mW este densitatea fluxului radiaiei solare globale.

O variant simplificat de calcul a randamentului colectorilor solari, permite utilizarea relaiei:

g

p

g

0

g

p0

g

u

Iq

Iq

Iqq

Iq

=== unde

- q0 [ ]2mW este densitatea fluxului termic produs pe suprafaa absorbant, sau fracia din densitatea fluxului radiaiei solare globale Ig, care pe suprafaa absorbant, se transform efectiv n cldur transmis agentului termic din colectorul solar;

- qp [ ]2mW este densitatea fluxului termic pierdut n mediul ambiant, de la agentul termic.

Raportul dintre q0 i Ig, reprezint o mrime caracteristic important a colectorilor solari, denumit randament optic i notat 0:

g

00 I

q =

Utiliznd aceast notaie, randamentul colectorilor solari se poate calcula cu relaia:

g

p0 I

q =

Densitatea fluxului termic q0 produs de colectorul solar, depinde att de proprietile sticlei colectorului solar, ct i de proprietile materialului care acoper suprafaa absorbant. Randamentul optic poate fi determinat n funcie de cele dou proprieti de material, menionate anterior, cu ajutorul relaiei:

0 = unde:

- este factorul de transmisie, al materialului care asigur rezistena mecanic a colectorului solar (de regul sticl), avnd valorile prezentate n tabelul 4, pentru cteva materiale uzulale;

- este factorul de absorbie al materialului absorbant.

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

Material Grosime [mm] Radiaie direct Radiaie difuz

Sticl cu fier 4 0,81 0,74 Sticl solar (srac n fier) 4 0,87 0,8 Plci duble din policarbonat 816 0,77 0,83

Procesul de absorbie a radiaei solare pe suprafaa absorbant a colectorilor solari, este caracterizat de coeficientul de absorbie al materialului absorbant. Astfel emailul negru pentru metale, are un coeficient de absorbie =0,9 ceea ce nseamn c 90% din radiaia solar care ajunge pe acest

material, este transformat n cldur. n mod normal, materialele absorbante utilizate n construcia colectorilor solari, asigur valori ale coeficientului de absorbie, n intervalul =0,850,98. Observaie: Sticla utilizat la construcia captatorilor solari, pe lng valori ridicate ale factorului de transfer, datorat coninutului redus de fier din compoziie, este caracterizat i printr-o rezisten mecanic foarte mare. Astfel numeroi productori de colectori solari, testeaz rezistena mecanic a acestora cu ajutorul unor bile de oel, avnd diametrul de cca. 1 inch (1inch2,54cm). Aceste bile sunt lsate s cad pe colectorii solari, n timpul testelor, de la o nlime de cca. 1m. Avnd n vedere c majoritatea colectorilor solari trec asemenea teste de rezisten mecanic, exist un grad ridicat de probabilitate, ca ele s reziste n condiii foarte bune la cele mai grele condiii care ar putea s apar n timpul exploatrii, din punct de vedere al solicitrilor mecanice, i anume la grindin cu buci mari de ghea. Cu toate acestea, productorii recomand clienilor s ncheie polie de asigurare care s acopere integral valoarea colectorilor solari. Revenind la calculul randamentului colectorilor solari, densitatea fluxului termic pierdut n mediul ambiant qp, se poate determina cu o relaie de tipul:

tkqp = unde

- k [ ]KmW 2 este coeficientul global de transfer termic ntre colector i mediul ambiant. Valorile uzuale ale coeficientului global de transfer tremic sunt de 24 [ ]KmW 2 ;

- t este diferena dintre temperatura medie a colectorului (care poate fi considerat temperatura medie a agentului termic) i temperatura mediul ambiant.

nlocuind n relaia prezentat anterior pentru calculul randamentului colectorilor, se obine:

g0

g0 I

tkItk ==

Considernd c materialul din care sunt realizai colectorii solari este sticla solar, cu o valoare medie a factorului de transmisie =0,84, ntre valoarea de 0,87 corespunztoare radiaiei directe i cea de 0,8 corespunztoare radiaiei difuze (conform tabelului 4) i considernd c materialul absorbant este de cea mai bun calitate, avnd un coeficient de absorbie =0,98, pentru randamentul optic, se obine valoarea 0 = = 0,84 0,98 = 0,82. Considernd o valoare medie i pentru coeficientul global de transfer termic k=3W/m2K, cu ajutorul relaiei prezentate anterior, se pot determina prin calcul, curbe de variaie a randamentului colectorilor solari n funcie de diferena de temperatur t pentru diferite valori ale densitii fluxului radiaiei solare globale Ig. Asemenea curbe sunt prezentate n figura 2.21.

Fig. 2.21. Variaia randamentului colectorilor solari,

calculat considernd o dependen liniar de diferena de temperatur

Curbele de variaie a randamentului colectorilor solari, de tipul celor prezentate n figura 2.21, considernd o variaie liniar a randamentului, cu diferena de temperatur, sunt obinute aa cum s-a artat deja, prin utilizarea unei relaii de calcul simplificate dar intuitive. Aceast relaie, ca i curbele trasate cu ajutorul ei, sunt valabile numai pentru diferene de temperatur relativ reduse i numai pentru colectori plani. O variant corectat de calcul a randamentului colectorilor solari, recomandat n numeroase lucrri de specialitate publicate n strintate, se poate aplica att pentru colectori plani ct i pentru colectori avnd construcii mai performante (de exemplu colectori cu tuburi vidate sau cu tuburi termice). Relaia de calcul corectat este:

g

2

2g

10 Itk

Itk =

unde: - 0 este randamentul optic, ce ine seama de eficiena cu care este absorbit energia

radiaiei solare; - k1 i k2 [ ]KmW 2 sunt factori de corecie caracteristici pierderilor termice; - t este diferena dintre temperatura medie a agentului termic din colector i temperatura

mediului ambiant; Factorii de corecie k1 i k2 caracteristici pierderilor termice care se manifest n colectorii solari, datorit diferenei de temperatur dintre agentul termic nclzit de radiaia solar i mediul ambiant, depind de construcia colectorilor. n tabelul 5, sunt prezentate valorile randamentelor optice i ale coeficienilor de corecie k1 i k2, pentru cteva tipuri de colectori solari produi n Germania. Analiznd valorile din acest tabel, se observ c dei colectorii plani au cele mai bune randamente optice, acestea prezint i cele mai ridicate valori ale pierderilor termice.

Tab. 5. Valori ale randamentului optic i ale factorilor de corecie, pentru diferite tipuri de colectori

Coeficienii de corecie Tipul colectorului Randamentul optic 0 [%] k1 [W/m2K] k2 [W/m2K] Colectori plani 84 3,364,16 0,00730,013 Colectori cu tuburi vidate 77,584 1,4761,75 0,00750,008 Colectori cu tuburi termice solare 82,5 1,19 0,009

n figura 2.22 sunt prezentate cteva curbe de variaie a randamentului unor colectori solari, calculate considernd valori ale randamentului optic i ale coeficienilor de corecie, prezentate n tabelul 5 i valoarea Ig=1000 [ ]2mW .

Fig. 2.22. Variaia calculat a randamentului n funcie de diferena de temperatur,

pentru cteva tipuri de colectori solari; Ig=1000 W/m2 n figura 2.23 sunt prezentate cteva curbe de variaie a randamentului, pentru cteva tipuri de colectori solari, produi de firma Viessmann (Germania).

Fig. 2.23. Variaia randamentului n funcie de diferena de temperatur,

pentru cteva 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

Efectund o analiz comparativ a curbelor de variaie a randamentului colectorilor solari, se observ c alura curbelor calculate considernd dependena de gradul doi a randamentului colectorilor n funcie de diferena de temperatur, este aceeai cu alura curbelor determinate experimental, ceea ce indic faptul c aceast form a relaiei de calcul a randamentului colectorilor, este mult mai corect dect cea considernd o variaie liniar a randamentului cu diferena de temperatur. Totui valorile randamentelor determinate experimental sunt ceva mai reduse dect cele calculate, ceea ce sugereaz c valorile determinate experimental, au fost msurate pentru valori mai reduse ale densitii fluxului radiaiei solare globale Ig. Aceast ipotez este confirmat de faptul c pentru valoarea Ig=750W/m2, curbele calculate se suprapun mult mai bine peste cele determinate experimental, aa cum se observ n figura 2.23.

Fig. 2.24. Variaia calculat a randamentului n funcie de diferena de temperatur,

pentru cteva tipuri de colectori solari; Ig=750 W/m2 Pentru trasarea curbelor din figurile 2.22 i 2.24, valorile randamentelor fiecrui colector n parte, au fost determinate utiliznd pentru coeficienii care intervin n relaia de calcul, valorile furnizate de firma Viessmann, productoarea colectorilor solari pentru care au fost ridicate si curbele experimentale prezentate n figura 2.23. Valorile randamentelor termice pentru colectori montai vertical nu au fost calculate, deci nici nu au fost comparate cu valorile determinate experimental.

2.4. CALCULUL SARCINII TERMICE A CAPTATORILOR SOLARI 2.4.1. Caracterul variabil al radiaiei solare Intensitatea radiaiei solare prezint un caracter foarte variabil, att n timpul anului, ct i zilnic, astfel nct este evident c i sarcina termic realizat de colectorii solari va fi la fel de variabil.

Fig. 2.25. Curb tipic de variaie a intensitii radiaiei solare

n figura 2.25 este prezentat o variaie tipic a intensitii radiaiei solare, ntr-o zi foarte clduroas de var, n condiii de cer perfect senin, manifestat pe o suprafa unitar, plan i orizontal. Se observ c la ora 12, cnd intensitatea radiaiei solare este maxim, valoarea acesteia depete 800W/m2, ceea ce reprezint o valoare foarte ridicat, chiar i fa de media din timpul verii, n timp ce pe durata nopii, valoarea intensitii radiaiei solare este evident nul. Dimineaa i dup-masa, intensitatea radiaiei solare, variaz rapid ntre 0 i valoarea maxim, respectiv ntre valoarea maxim i 0. Pentru curba de variaie a intensitii radiaiei solare reprezentate n figura 1, valoarea medie a intensitii radiaiei solare, pe durata zilei, este uor superioar valorii de 500W/m2. n zilele anului, caracterizate prin radiaie solar mai puin intens dect cea prezentat n figura 2.25, de exemplu primvara sau toamna, valorile maxime i medii ale intensitii radiaiei solare, chiar i n cele mai nsorite zile din aceste perioade, pot s scad mult sub valorile prezentate anterior. Ca i radiaia solar, sarcina termic asigurat de colectorii solari, prezint un caracter variabil, astfel nct se poate vorbi despre valoarea maxim i medie a acestei mrimi. Pentru calcule termice de dimensionare, prezint importan cunoaterea valorii medii a sarcinii termice a colectorilor solari. Cu ct randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu att fiecare suprafa unitar de colector solar, va furniza o sarcin termic unitar medie, mai apropiat de valoarea medie a intensitii radiaiei solare.

2.4.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari Avnd n vedere c de regul, productorii panourilor solare nu indic valorile sarcinilor termice asigurate de echipamentele pe care le comercializeaz, este interesant de realizat o evaluare a acestei mrimi, pentru c scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura sarcina termic necesar diverselor aplicaii. n continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fi determinat utiliznd informatiile privind selecia acestor echipamente, furnizate de diveri productori. Se vor considera cazurile n care panourile solare sunt utilizate pentru nclzirea apei calde menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicaii pentru panourile solare. nclzirea cldirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, n primul rnd pentru c n perioadele reci ale anului, cnd necesarul de sarcin termic pentru nclzire este important, intensitatea radiaiei solare prezint valori foarte reduse i este dificil de captat i de utilizat n aceste condiii. Chiar dac exist i numeroase realizri interesante n care nclzirea cldirilor este realizat cu ajutorul energiei solare, aceste aplicaii nu vor fi abordate n continuare, deoarece reprezint situaii speciale. nclzirea apei calde menajere Sarcina termic necesar pentru nclzirea apei calde menajere acmQ& , se poate calcula cu relaia: ( ) [ ]kW

3600ttcmn

Q rbwacm =&

unde: - n este numrul de persoane; - m [kg] este cantitatea de ap cald menajer considerat ca i consum zilnic; - cw [kJ/kgK] este cldura specific a apei, mrime care variaz cu temperatura, dar pentru

care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK; - tb [C] este temperatura apei din boiler; - tr [C] este temperatura apei reci, la intrarea n boiler; - [h] este durata perioadei de nclzire a apei calde considerate, avnd o importan

deosebit pentru valoarea sarcinii termice. Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termic necesar pentru nclzirea apei calde menajere necesare unei persoane, m=50kg - valoare medie recomandat de literatura de specialitate, tb=45C - valoare recomandat pentru temperatura apei calde din boiler; tr=10C - valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai cald, dar iarna ceva mai rece i =8h - valoare care coincide aproximativ i cu durata medie n care se manifest radiaia solar, deci cu durata medie n care poate fi captat aceasta. nlocuind valorile numerice considerate, se obine pentru sarcina termic necesar n vederea preparrii apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoan: ( ) W250kW25,0kW254,0

360081045186,4501Qacm ==

=& Pentru prepararea apei calde menajere, firmele productoare recomand utilizarea unor suprafee diferite ale colectori solari n funcie de tipul colectorilor i de procentul din necesarul anual de cldur care urmeaz s fie asigurat de acei colectori solari, ca n tabelul 1.

Tabelul 1. Suprafaa necesar de colectori solari, pentru prepararea a.c.m. [m2/pers.] Procent de asigurare a.c.m.

cu energie solar 60% (primvar - var - toamn)

Procent de asigurare a.c.m. cu energie solar

4050% (vara - sezonul cald) Colectori

plani Col. cu tuburi vidate si cu tuburi termice

Colectori plani Col. cu tuburi vidate si cu tuburi termice

1,21,5 m2/pers.

0,81 m2/pers.

11,2 m2/pers.

0,60,8 m2/pers.

Se observ c suprafeele de colectori solari, recomandate ca necesare, sunt aceleai n cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dac performanele colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate dect cele ale colectorilor solari cu tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul c diferenele de performan sunt totui reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, fa de cei cu tuburi vidate nu se va concretiza printr-o suprafa mai redus de colectori solari, ci printr-un procent ceva mai ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, dect n cazul colectorilor cu tuburi vidate. Avnd n vedere c suprafeele de colectori solari, recomandate n tabelul 1, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari

1acmQ& , n regim de preparare a apei calde menajere, este:

= 21

acm1acm m

WS

QQ

&&

unde: - S1 reprezint suprafaa colectorilor solari recomandat n tabelul 1.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate n tabelul 2.

Tabelul 2. Sarcina termic unitar a colectorilor solari, pentru prepararea a.c.m. [W/m2] Procent de asigurare a.c.m.

cu energie solar 60% (primvar - var - toamn)


4050% (vara - sezonul cald) Colectori plani Col. cu tuburi vidate

si cu tuburi termice Colectori

plani Col. cu tuburi vidate si cu tuburi termice

208166 W/m2 colector




Analiznd valorile din tabelul 2, se constat c sarcina termic unitar a colectorilor solari este mai mare n cazul n care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, ceea ce reprezint un fapt normal, deoarece aceti colectori sunt prevzui s funcioneze mai ales n perioada de var, cnd intensitatea radiaiei solare este mai mare. n tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai uor de utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale supraelor de colectori solari, destinai preparrii apei calde menajere.

Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari

pentru prepararea a.c.m. Procent de asigurare a.c.m.

cu energie solar 60%

(primvar - var - toamn)


4050% (vara - sezonul cald)

Tip colectori plani tuburi vidate si tuburi termice

plani tuburi vidate si tuburi termice

Suprafaa necesar [m2/pers] 1,25 1 1 0,7 Sarcina termic unitar [W/m2] 200 250 250 350

Este evident c dac panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termic unitar medie a acestora poate fi considerat mai mare dect dac sunt utilizate din primvar pn n toamn, caz n care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redus, pentru c i valoarea medie a intensitii radiaiei solare este mai redus. Din acest motiv i suprafaa necesar a colectorilor solari care sunt utilizai doar vara, este mai redus dect cea necesar pentru o utilizare din primvar pn n toamn, dar i procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dac aceste panouri sunt dimensionate pentru a funciona doar pe durata sezonului cald.

Considernd valorile particulare ale sarcinor termice unitare 1acmQ& , prezentate n tabelul 3, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizai pentru prepararea apei calde menajere.

[ ]21acm

acm mQQ

S &&=

Cu ajutorul acestei relaii pot fi calculate suprafeele necesare de colectori solari, pentru orice tip de aplicaie n care este necesar prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei solare. Exemple de asemenea situaii pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri, vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.: Suprafeele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate n aceast manier trebuie s verifice i valorile recomandate n tabelul 1. nclzirea apei din piscine Sarcina termic necesar pentru nclzirea apei din piscine, necesit un calcul complex, care s in seama de temperatura apei din piscin i de o serie de pierderi de cldur, ntre care o importan deosebit este reprezentat de urmtoarele pierderi: evaporarea apei, transferul termic prin convecie de la suprafaa apei la mediul ambiant, stropirea cu ap n afara piscinei, remprosptarea apei, etc.,. Cu toate acestea, productorii captatorilor solari, dimensioneaz sistemul solar de nclzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considernd doar, c toate tipurile de pierderi de cldur care se manifest n condiii reale n piscine, duc la rcirea apei, iar aceast rcire trebuie compensat de sistemul de nclzire. n acest paragraf, n vederea determinrii sarcinii termice unitare a colectorilor solari pentru nclzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a se putea valorifica recomandrile productorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de colectori solari. Sarcina termic necesar pentru nclzirea apei din piscine pQ& , se poate calcula cu relaia:

[ ]kW3600

tcmQ wp

=& unde:

- m [kg] este cantitatea de ap din piscin; - cw [kJ/kgK] este cldura specific a apei, mrime care variaz cu temperatura, dar pentru

care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK; - t [C] este variaia temperaturii apei din piscin n 24h, datorat diverselor pierderi de

cldur; - [h] este durata perioadei de nclzire a apei calde considerate, avnd o importan

deosebit pentru valoarea sarcinii termice. Observaie: Productorii de panouri solare recomand valori diferite pentru suprafeele colectorilor solari, destinai nclzirii apei din piscine, pentru diferite condiii de exploatare a piscinelor, indicnd aceste suprafee, dar nu precizeaz adncimea considerat a apei din piscine. Lipsa acestui element n tabelele de alegere a colectorilor solari, reprezint o deficien important a sistemului de dimensionare propus de productori, care a fost eliminat n continuare, prin considerarea unei valori medii a adncimii apei din piscine, de 1,3m. n urma finalizrii calculelor efectuate cu ajutorul algoritmului prezentat n continuare i n urma comparrii valorilor sarcinilor termice unitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectori solari, cu valorile sarcinilor termice unitare ale acelorai colectori, utilizai la prepararea apei calde menajere, s-a dovedit c aceast ipotez este corect i c probabil aceeai valoare medie a adncimii apei din piscine a fost considerat i de productorii panourilor solare, la ntocmirea tabelelor de selecie a colectorilor.

Cantitatea de ap din piscine se determin cu relaia: [ ]kgHSm p = unde:

- Sp [m2] este suprafaa piscinei; - H [m] este adncimea medie a apei din piscin; - [kg/m3] este densitatea apei, mrime care depinde de temperatur, dar pentru care se

poate considera valoarea =1000kg/m3. n continuare, calculele se vor efectua pentru suprafaa unitar a piscinei, deci se va considera Sp=1m2.

kg130010003,11m == Valoarea sarcinii termice necesare pentru nclzirea suprafeei unitare a piscinei, considernd c datorit pierderilor de cldur, temperatura apei scade ntr-o zi cu 1C i c durata perioadei de nclzire a apei este de 8h, rezult:

2221p m/W190m/kW190,0m/kW189,036008

1186,41300Q ===&

n cazul n care variaia temperaturii apei datorit pierderilor de cldur ar fi de 0,5C, situaie posibil n cazul piscinelor realizate n spaii nchise, sarcina termic unitar pentru nclzirea apei, s-ar reduce i aceasta la jumtate. Acoperirea suprafei apei din piscine, n perioadele de neutilizare, att n cazul celor nchise ct i n cazul celor aflate n aer liber, pe lng faptul c previne producerea accidentelor, permite i reducerea substanial a pierderilor de cldur prin convecie i prin evaporarea apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabil a sarcinii termice necesare pentru nclzirea apei. Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera c acoperirea suprafeei apei, n perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru nclzirea apei. n tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru nclzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafa a piscinei, pentru diferite condiii de lucru, considernd adncimea medie a apei, de 1,3m.

Tabelul 4. Valori orientative ale sarcinilor termice pentru nclzirea apei din piscine, considernd adncimea medie a apei de 1,3m [W/m2 piscin]

Tip piscin Sarcina termic Piscin nchis cu acoperire 75 W/m2 piscin fara acoperire 95 W /m2 piscin Piscin n aer liber cu acoperire 150 W /m2 piscin fara acoperire 190 W /m2 piscin

Pentru nclzirea apei din piscine, firmele productoare recomand utilizarea unor suprafee diferite de colectori solari, n funcie de tipul piscinelor, de tipul colectorilor i de perioada prevzut pentru funcionarea sistemului de nclzire cu energie solar, aa cum se observ n tabelul 5.

Tabelul 5. Suprafaa necesar de colectori solari, pentru nclzirea apei din piscine [m2/m2 piscin]

Perioada de nclzire cu energie solar aprilie - septembrie

Perioada de nclzire cu energie solar

iunie - iulie Tip piscin Colectori plani Col. cu tuburi vidate

si cu tuburi termice Toate tipurile de

colectori Piscin nchis cu acoperire 0,4 m2/m2 0,3 m2/m2 0,25 m2/m2 fara acoperire 0,5 m2/m2 0,4 m2/m2 0,3 m2/m2 Piscin n aer liber cu acoperire 0,7 m2/m2 0,5 m2/m2 0,4 m2/m2 fara acoperire 0,9 m2/m2 0,7 m2/m2 0,5 m2/m2

n cazul piscinelor nchise s-a considerat c temperatura apei este de 24C i gradul de rcire a apei datorit pierderilor de cldur este de 0,5C/24h, iar n cazul piscinelor n aer liber, s-a consider temperatura apei este de 22C i gradul de rcire a apei datorit pierderilor de cldur este de 1C/24h. Se observ c pentru nclzirea piscinei pe timp de var, este recomandat aceeai suprafa de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece n condiiile n care intensitatea radiaiei solare este mare, performanele tuturor tipurilor de colectori sunt relativ apropiate. Avnd n vedere c suprafeele de colectori solari recomandate n tabelul 5, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari

1pQ& , n regim de nclzire a apei din piscine, este:

= 21

p1p m

WSQ

Q&&

unde: - S1 reprezint suprafaa colectorilor solari recomandat n tabelul 5.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate n tabelul 6, considerndu-se pentru sarcinile termice necesare nclzirii apei din piscin, valorile indicate n tabelul 4. Faptul c valorile obinute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleai condiii de lucru, confirm c ipotezele considerate sunt sunt corecte i n nici un caz nu introduc erori semnificative.

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


aprilie septembrie


iunie iulie Tip piscin Colectori

plani Colectori cu tuburi vidate

si cu tuburi termice Toate tipurile de

colectori Piscin nchis cu acoperire 190 W/m2 250 W/m2 305 W/m2 fara acoperire 190 W/m2 240 W/m2 315 W/m2 Piscin n aer liber cu acoperire 215 W/m2 300 W/m2 380 W/m2 fara acoperire 210 W/m2 270 W/m2 380 W/m2 Piscine (n general) valori medii 200 W/m2 265 W/m2 345 W/m2

Considernd valorile particulare ale sarcinor termice unitare 1pQ& , prezentate n tabelul 6, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizai pentru prepararea apei calde menajere.

[ ]21p

p mQQ

S &&

= Suprafeele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate n aceast manier trebuie s verifice i valorile recomandate n tabelul 5.

2.4.3. Concluzii n tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obinute pentru diverse tipuri de colectoare solare, considernd funcionarea acestora n regim de preparare a apei calde menajere, respectiv n regim de nclzire a apei din piscine situate n aer liber fr acoperire, ca i valorile medii obinute pentru sarcina termic unitar a colectorilor solari utilizai pentru nclzirea piscinelor. Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizai n diferite regimuri de

lucru [W/m2 colector] Perioada de exploatare primvar toamn (aprilie septembrie)

Perioada de exploatare var

(iunie iulie) Regim de utilizare Colectori plani

Colectori cu tub. vidate si cu tuburi termice

Colectori plani

Colectori cu tub. vidate si cu tuburi termice

a.c.m. 200 250 250 350 piscine n aer liber

fr acoperire 210 270 380 380

piscine (valoare medie) 200 265 345 345

Valorile obinute pentru sarcina termic unitar a colectorilor plani, utilizai la nclzirea piscinelor n aer liber fr acoperire, respectiv valoarea medie,

Documents

surse_regenerabile_2012