Energia solara

Energia solara

Soarele, sursa principala de energie a Pamantului, face parte din galaxia noastra, alcatuita din aproximativ 10¹⁰ stele. Acesta este o sfera cu diametrul de 1,39 106 amplasat la o distanta medie fata de Pamant de 150.000.000 km.

Soarele este compus in principal din hidrogen si heliu. Conversia continua a heliului in hidrogen cauzata de procesul de fusiune, produce energie. Aceasta energie este radiata in toate directiile cu o putere totala de 3,8 10²³ kW.

Unghiul de incidenta al razelor solare variaza invers proportional cu patratul distantei acestora fata de soare. Datorita absorbtiei si reflexiei radiatiei solare prin atmosfera terestra, radiatia solara disponibila pe suprafata pamantului este considerabil micsorata.

Media fluxului radiatiei solare (densitatea energetica a razelor pe un plan normal) in afara atmosferei terestre este de aproximativ 1353 W/m². Energia solara radiata pe o suprafata orizontala la nivelul marii intr-o zi clara (cu cer senin) este in jur de 1000 W/m².

Colectorii termo solari pot utiliza aproape in totalitate spectrul radiatiei solare pentru conversia in energie.

Radiatia solara disponibila in afara atmosferei terestre este integral radiatie luminoasa, radiatia solara primita de la soare fiind fara schimbare de directie.

Depinzand de conditiile atmosferice, partial sau aproape integral, radiatia este convertita in radiatie difuza, dupa ce aceasta strabate atmosfera terestra. Principalele mecanisme pentru aceasta conversie sunt absorbtia si emisia - reflectia, refractia si dispersia luminii fiind cauzate de diferitele materii din atmosfera. Intr-o zi clara, cu cer senin, cand soarele se afla deasupra, radiatia difuza poate fi mai mica de 10% din totalul radiatiei. De asemenea, in conditii de cer acoperit total, valoarea radiatiei directe poate fi neglijabila.

Instrumentul folosit pentru masurarea radiatiei solare se numeste piranometru.

Utilizarea pasiva a energiei solare

1.1. Aspecte privind metode de economisire a energiei

Energia solara pasiva este o forma de utilizare energiei solare captate, depozitate (stocate) si distribuite sub forma naturala, prin intermediul unor elemente mecanice, in mod asemanator procedeelor de ventilatie naturala.

,,Utilizare pasiva" a energiei solare cuprinde o serie de masuri constructive specifice pentru incalzirea cladirilor, asigurarea iluminarii sau a aerului conditionat.

Tintele utilizarii energiei solare pasive in cladiri sunt:

captarea energiei (radiatia solara trebuie sa ajunga la cladire si sa fie absorbita);

stocarea (caldura trebuie stocata pentru mai multe ore sau zile);

distributia (caldura trebuie distribuita acolo unde este necesar);

protectia impotriva supraincalzirii (supraincalzirea in conditii de intensitatea mare a radiatiei solare trebuie prevenita)

In afara de orientarea si forma cladirii, foarte importante sunt materialele de constructii utilizate. Alegerea materialelor pentru peretii exteriori depinde de izolatia cladirii si capacitatea de incalzire, diferentierea in designul suprafetelor expuse la soare si suprafetele umbrite cat si orientarea fatadei cladirii catre soare sunt criterii de asemenea foarte importante.

Doua cazuri distincte trebuie tratate separat:

tipurile de constructii din materiale usoare cu o foarte buna izolatie, dar cu o capacitatea de incalzire mica.

tipurile de constructii din materiale grele, cu o capacitate mare de incalzire si cu o reactie termica mica.

Proiectele pentru casele care au un consum de energie mica utilizeaza o combinatie a celor 2 principii si anume: peretii exteriori ai cladirii sunt construiti din materiale izolante foarte bune, intrucat tavanele si peretii interiori produc inertia termica. Totodata trebuie avut in vedere ca o izolatie foarte buna a cladirilor care utilizeaza energia solara poate saa conduca la fenomenul de supraincalzire a acestora.

O iluminare adecvata pe durata intregii zile este de asemenea o conditie de baza luata in calcul la proiectarea cladirilor. Astfel, o atentie deosebita este acordat in prezent masurilor ce trebuie avute in vedere la constructia cladirilor mari si in special a celor comerciale, pentru a asigura o mare parte din necesarul de energie printr-o iluminare naturala adecvata pe toata durata zilei.

O cladire este in contact direct cu mediul inconjurator prin elementele de baza ale unei constructii si anume: acoperisuri, pereti exteriori si fundatii, prin care au loc schimburile de caldura.

O alta particularitate care are un rol decisiv in proiectarea acestor tipuri de cladiri o reprezinta amplasarea ferestrelor. Dimensiunea acestora, pozitia si constructia lor au o influenta considerabila in balanta de energie termica a cladirii.

Optimizarea proprietatilor de transmisie a acestora si imbunatatirea izolatiei termice reprezinta o preocupare prezenta si viitoare pentru obtinerea unor performante cat mai bune in acest domeniu.

Stratificarea geamurilor reduce transmisia radiatiei termice si implica o rama de o constructie speciala, utilizandu-se in prezent ferestre izolante cu dubla sau tripla lacuire.

Daca radiatia si temperatura schimba marcant conditiile pe durata unei zile, ferestrele clare vor fi protejate fata de soare prin utilizarea temporara prin alte mijloace de protectie ca de exemplu: aparatori parasolare, jaluzele, obloane.

Caldura primita de la soare prin ferestre poate fi considerabila, dar beneficiul este important numai daca caldura este stocata pe termen scurt si lung in materialele de constructie utilizate. Componentele masive ale constructiei (peretii, acoperisurile) pot fi bine incadrate in aceasta categorie.

O metoda de viitor pentru captarea radiatiei solare o reprezinta extinderea constructiilor cu pereti exteriori din sticla. Forma cea mai raspandita o reprezinta serele sau mai altfel spus ,,winter garden" care uzual sunt lipite de fatada sudica a cladirii. Aerul cald poate circula direct dinspre aceasta incapere in interiorul camerelor astfel incat caldura sa fie folosita si aici. Aceste sere sunt normal utilizate ca livinguri suplimentare (auxiliare). Chiar daca in anumite situatii acestea nu sunt folosite ca livinguri suplimentare in ansamblul cladirilor, anexele mai mari din sticla pot avea o influenta semnificativa asupra balantei energetice. Si ansamblurile cu mai multe etaje pot fi construite cu asemenea anexe, logica acestui concept fiind ,,casa intr-o casa"(,,house within a house"), in cazul carora cladirile sunt imprejmuite cu un schelet din sticla.

1.2. Potential si aplicatii

In principal, energia termica ceruta trebuie sa fie livrata complet prin energie solara.

Masurile de izolare termica de buna calitate si corect executate pentru utilizarea energiei solare pasive trebuie avute in vedere atat in construirea noilor cladiri cat si in cazul renovarii constructiilor existente.

Casele construite pe principiul energiei solare sunt caracterizate printr-un inalt grad de confort , care incurajeaza un stil de viata in armonie cu natura (Fig. 2.1).

Fig. Casa Solara in Budaros, langa Budapesta (Ungaria)

1.3. Aspecte de mediu

Energia termica este obtinuta pe scara larga prin arderea combustibililor fosili, cea mai mare parte in mod obisnuit in mici instalatii individuale. Din aceasta cauza, producerea de energie termica implica emisii de CO2 si gaze daunatoare. Toate eforturile de "saving energy" conduc de asemenea la reducerea importanta a emisiilor de noxe in atmosfera.

Sisteme active pentru conversia termica

Generalitati

Caldura este necesara pentru numeroase aplicatii, la diverse limite de temperatura. Aceste domenii variaza de la cateva sute de watt in cazul colectoarelor solare si pana la sute de megawatt in cazul centralelor solare.

Conversia termica a energiei solare este clasificata in concordanta cu temperatura ceruta (domenii de temperaturi joase, medii si inalte). Totusi, poate fi luata in considerare si o alta clasificare, si anume:

incalzirea spatiilor si a apei;

energie termo-solara pentru generarea de electricitate;

procese de incalzire .

2.2. Incalzirea apei si a aerului

Temperatura joasa pentru incalzirea locuintei si pentru apa calda menajera este o componenta importanta a necesarului propriu de energie. O cantitate mare de energie poate fi economisita printr-o buna izolare termica si utilizarea pasiva a energiei solare, ca de exemplu, prin aplicarea unor solutii constructive adecvate.

Pentru asigurarea cerintelor de caldura si apa calda menajera, sistemele active de conversie a energiei solare pot fi aplicate. Aceasta este o solutie relativ simpla pentru incalzirea cu energie solara deoarece diferentele de temperatura sunt mici, problemele de material nu sunt importante, iar apa poate fi utilizata ca mediu de transfer.

Componenta centrala a fiecarui sistem termo-solar este absorberul, confectionat din material plastic sau metal si prevazut cu canale pentru mediu de transfer al caldurii si o buna capacitate de absorbtie a razelor solare (Fig. 2.2).

Cele mai multe sisteme nu incalzesc apa livrata direct, ci folosind un schimbator de caldura. Apa in schimbatorul de caldura este recirculata cu o pompa. Daca este posibila pozitionarea rezervorului de apa la o inaltime fata de colectori, atunci circulatia apei calde se poate obtine gravitational, fara pompa. Acest mod de lucru est caracteristic sistemelor cu termosifon.

Fig.2.2 Principalele componente al unui colector termo-solar

2.3. Potential si aplicatii

Depinzand de conditiile de radiatie, tipul colectorului si specificul aplicatiei, un metru patrat de colector termo-solar poate livra pana la 550 kWh energie termica /an.

Sistemele pentru apa calda menajera sunt uzual proiectate pentru a asigura 50 - 60 % din consumul anual de energie prin energie solara, restul fiind acoperit prin alte cai - surse (gaz, combustibil lichid, electricitate).

Sistemele solare pot fi utilizate economic unde acestea:

sunt ieftine

au o inalta eficienta si

au o durata de viata mare

Eficienta poate fi imbunatatita prin sisteme bine dimensionate si prin modul de operare. In mod natural, potentialul aplicatiilor solare este favorabil in tarile insorite (Fig.2.3).

Fig. 2.3. Orasul solar Kiyomino - langa Tokyo, Japonia