Consideratii generale asupra captatoarelor cu concentratia radiatiei

1. Captatoare cu concentrarea radiatiei

Captatoarele cu concentrator (sau cu focalizarea radiatiilor) utilizeaza sisteme optice bazate pe reflexie sau refractie pentru a mari densitatea fluxului de radiatie care cade pe suprafata de captare a receptorului. In consecinta, un captator cu focalizare poate fi considerat ca un caz special de captator plan, modificat prin interpunerea intre receptor si Soare a unui concentrator de radiatii. Odata cu cresterea densitatii fluxului de radiatie solara care ajunge la receptor scade suprafata necesara de receptie pentru o aceeasi cantitate totala de energie captata ceea ce determina in mod corespunzator scaderea pierderilor termice ale receptorului si conduce in final la obtinerea unor temperaturi mai mari in fluidul de lucru. Pe de alta parte insa, sistemele cu concentrator functioneaza numai pe baza componentei directe a radiatiei solare. In consecinta radiatia difuza este pierduta pentru captare si in plus apar si alte pierderi optice suplimentare, fata de captatoarele plane. Pe langa acestea pierderile prin radiatie la temperaturi mai mari decat cele din captatoarele plane devin din ce in ce mai importante.

Functie de principiul de functionare si constructia concentratorului se pot obtine valori foarte diverse pentru densitatea fluxului de radiatie pe suprafetele absorbante ale receptorului: de la valori relativ mici de 1,5 - 2 kW/m² pana la valori foarte mari de ordinul a 10000 kW/m². Odata cu cresterea densitatii fluxului de radiatie creste si temperatura la care este preluata cantitatea de caldura utila. Deoarece cresterea densitatii fluxului de radiatie atrage dupa sine necesitatea indeplinirii unor exigente sporite in ceea ce priveste precizia sistemelor optice folosite pentru concentrare, se ajunge pana la urma la cresterea costului captatorului in ansamblu (concentrator - receptor). Astfel, costul energiei furnizate de un sistem de captare cu focalizare este functie directa de temperatura la care se livreaza aceasta energie. De altfel se stie din termodinamica ca energia termica este cu atat mai valoroasa cu cat nivelul de temperatura la care este livrata este mai ridicat deoarece, conform cu principiul al ll lea al termodinamicii (randamentul Carnot), convertirea caldurii in lucru mecanic se face cu un randament ce depinde direct de temperatura sursei calde si a celei reci.

Din punctul de vedere al realizarii practice (proiectare, tehnologie, exploatare) captatoarele cu concentrator prezinta cateva probleme suplimentare fata de captatoarele plane. Astfel, cu exceptia unor sisteme cu raport mic de concentrare, toate captatoarele cu focalizare necesita un sistem de orientare pentru urmarirea miscarii aparente diurne, lunare sau anotimpuale a Soarelui, in asa fel incat cu ajutorul sistemului optic de concentrare radiatia directa sa fie dirijata permanent catre suprafata absorbanta a receptorului. Pe de alta parte apar si unele cerinte specifice pentru intretinerea sistemelor optice, in special pentru pastrarea calitatii suprafetelor de reflexie sau refractie impotriva murdaririi, oxidarii, deteriorarii sau deformarii.

2. Tipuri de captatoare solare cu concentrator

Exista o mare diversitate de tipuri de captatoare solare termice, incepand cu cele mai simple de genul captatoarelor plane si sfarsind cu cele mai complicate de genul celor cu concentrator parabolic care necesita o urmarire continua si precisa a Soarelui. Trebuie notat ca nu se poate vorbi de un anumit tip de captator solar ca fiind cel mai bun pentru toate aplicatiile posibile. Depinzand de temperatura de regim a fluidului de lucru care preia caldura in captator si de multi alti factori (cum ar fi pozitia geografica, dimensiunile si timpul de viata al instalatiei); diferite captatoare solare pot prezenta cel mai promitator raport al energiei totale livrate catre costul total al instalatiei (pe intreaga durata de viata a acesteia).

Orice captator solar termic are in general randamentul de captare functie de temperatura de lucru si de temperatura mediului ambiant. De obicei puterea termica captata este proportionala cu urmatorii factori:

densitatea de putere a, radiatiei solare (cea directa plus o fractiune din cea difuza), depinzand de raportul de concentrare;

geometria captatorului (include: orientarea acestuia, respectiv urmarirea Soarelui; proiectia ariei vazute de Soare intr-un plan perpendicular pe razele Soarelui; eventuale umbriri si ecranari ale radiatiei solare) ;

eficienta optica, legata de fractiunea din radiatia solara interceptata de captator care ajunge la suprafetele absorbante ale receptorului;

eficienta absorbtiei si a transformarii din energie radianta - optica in energie termica de catre suprafetele absorbante ale receptorului.

Puterea termica utila va fi puterea termica absorbita minus pierderile termice in receptor (prin conductie, convectie, si radiatie). Se poate observa ca odata cu cresterea factorului geometric de concentrare a radiatiei se reduce raportul intre puterea termica pierduta si puterea termica absorbita; in schimb eficienta absorbtiei scade iar complexitatea sistemului creste (din cauza geometricii pretentioase a concentratorilor si din cauza sistemelor de miscare si urmarire a Soarelui). Odata cu cresterea complexitatii sistemului, evident creste si costul instalatiei de captare. Totusi alegerea unui sistem de captare nu se poate face numai dupa cost, deoarcece factorul cel mai important intr-o instalatie termica este temperatura agentului de lucru; ori aceasta temperatura nu poate fi atinsa intotdeauna cu orice sistem de captare.

Raportul de concentrare C este aici definit ca raportul intre valoarea medie a densitatii fluxului de radiatie colectate de catre receptor si densitatea fluxului de radiatie care cade pe concentrator.

. Raportul de concentrare poate varia de la 1, pentru captatoarele plane-fixe, pana la aproximativ 2 in cazul folosirii unor oglinzi laterale plane si pana la aproximativ 3 pentru captatoarele plane prevazute cu concentratoare parabolice compuse. Toate acestea nu necesita o urmarire a Soarelui ceea ce ofera ca avantaj simplitatea constructiva si functionala. In schimb ele pot acoperi doar domeniul de temperaturi joase, adica pana la cca. 100°C.

. 0 a doua clasa de captatoare este cea a captatoarelor cu concentrator (pana la C = 10) de tip est-vest, care in timpul a catorva ore in jurul amiezei nu necesita nici o urmarire a Soarelui. Totusi, datorita variatiei declinatiei Soarelui ele necesita o ajustare periodica a unghiului de pozitionare fata de planul orizontal, prin rotire (eventual manuala) in jurul axei est-vest (zilnica, saptamanala sau lunara, functie de raportul de concentrare - cu cat acesta este mai mare, cu atat mai des este necesara reajustarea pozitiei).

Este posibil ca aceste tipuri de concentratori sa devina in viitorul apropiat eficienti din punctul de vedere al costului pentru producerea aburului industrial, intrucat cu ei se pot atinge temperaturi de lucru pana la cca. 200°C

. Clasa urmatoare este cea a captatoarelor cu concentrator (cu raportul de concentrare maxim geometric C = 100) de tipul cu focalizare liniara. Ele necesita o urmarire diurna a Soarelui, cu o miscare in jurul unei singure axe care poate avea diverse orientari: orizontala E-V; orizontala N-S; inclinata in planul N-S, paralela cu axa de rotatie a Pamantului; verticala cu captatoarele inclinate. Practic, din cauza microneregularitatilor si a macroneregularitatilor geometrice ale concentratorilor (cu reflexie sau refractie), astfel de sisteme realizeaza rapoarte de concentrare de cca. 30 - 50 cu care se pot atinge temperaturi de lucru de pana la cca. 350°C. Din punct de vedere constructiv concentratorii din aceasta clasa pot avea urmatoarele geometrii: cilindru parabolic; fasii de oglinzi plane sau curbe care se misca in jurul unor axe paralele orientate toate pe directia E-V; receptor liniar mobil cu concentrator fix format dintr-un sistem de fasii de oglinzi fixe.

. Ultima clasa de captatoare este cea care poate atinge si chiar depasi rapoarte de concentrare de 1000. Astfel de concentratori sunt fie oglinzi avand forma unor paraboloizi de revolutie cu miscare in jurul a doua axe pentru urmarirea continua si precisa a Soarelui; fie sisteme de concentrare mai complexe formate dintr-un camp de oglinzi plane (sau usor curbate) cu o miscare dirijata de un calculator de proces, astfel incat toate sa dirijeze radiatia Solara incidenta asupra unui receptor plasat in varful unui turn. Raportul de concentrare se limiteaza in general la cca. 1000 din cauza posibilitatilor de rezistenta termica a receptorului. Aceste sisteme pot produce temperaturi de lucru peste 550°C, din care motiv ele reprezinta candidati seriosi pentru viitoarele centrale termo-electrice solare.

Utilizarea acestor tipuri de captatoare poate deveni rentabila in cazul unor sarcini mari de caldura, ca de exemplu: la instalatiile solare tehnologice, la producerea de electricitate prin ciclu termodinamic cu vapori de apa, la producerea frigului etc. Din categoria captatoarelor cu concentrare, cu posibilitati de utilizare in instalatiile solare din constructii se pot cita cele cu concentrator piramidal, precum si cele cu concentrator cilindro-parabolic.

3. Aspecte constructive

Captatorul cu concentrare (focalizare) nu este decat un caz particular al captatorului plan, caruia prin introducerea concentratorului de radiatii i s-a micsorat suprafata de receptie si odata cu aceasta i s-au redus pierderile de caldura, obtinand in final temperaturi mai ridicate ale fluidului de lucru.

Captatorul cu concentrator piramidal face parte din categoria captatoarelor cu concentratorul fix. Poate fi considerat cel mai simplu captator cu concentrare, fiind alcatuit din mai multe suprafete plane reflectante, astfel dispuse in raport cu captatorul, incat sa se obtina un coeficient de concentrare C cat mai ridicat (de ex. C cuprins intre 2 si 6). Coeficientul (raportul) de concentrare este definit ca raportul dintre valoarea medie a densitatii fluxului de radiatii colectate de catre receptor si densitatea fluxului de radiatie care cade pe concentrator. Solutia cu concentrator piramidal folosit la incalzirea solara a incaperilor consta din montarea pe pereti , plafonul (2) si pardoseala din interiorul unei incaperi, precum si pe peretele basculant (4) din exterior, de panouri plane cu suprafata executata din plastic aluminizat Mylar.

Fig.11 Concentrator piramidal.

Elemente componente:

1. Captator plan alcatuit din tevi prin care circula fluidul caloportor
2. Pardosela cu suprafata reflectanta
3. Perete cu suprafata reflectanta
4. Panou cu partea interioara acoperita cu suprafata reflectanta
5. Perete basculant cu suprafata interioara reflectanta.

Toate suprafetele reflectante, atat cele fixe, cat si cea mobila, sunt astfel orientate, incat radiatiile solare care cad pe ele, sa poata ajunge dupa cateva reflexii la captatorul plan 1 montat in pardoseala de exemplu: punct mobil-plafon-captator: plafon-perete-captator, pardoseala-plafon-perete-captator etc).

Captatorul plan este prevazut cu canale prin care circula fluidul purtator de caldura (aer, apa etc.). Cunoscand ca raportul de concentrare variaza intre 2 si 6, iar factorul energetic de reflexie ia valori in jur de 0,8 se poate conta pe o reducere a suprafetei captatorului de 1,6 - 4,8 ori.

Tipul de concentrator piramidal, in raport cu celelalte captatoare cu concentrare, prezinta avantajul ca poate colecta pe langa radiatiile directe si o buna parte din radiatiile difuze, marind astfel durata de utilizare a lui in timpul unei zile (in special in zilele cu nebulozitate).

Captatorul cu concentrator cilindro-parabolic din figura urmatoare se compune din doua elemente principale:

• suprafata de receptie 1 executata dintr-o oglinda cilindro-parabolica
• receptorul 2 de radiatie concentrata, montat in focar.

Fig.12 Captator cu concentrator cilindro-parabolic - Schema de principiu

Elemente componente:

1. oglinda cilindro-parabolica
2. receptor
3. intrare fluid purtator de caldura
4. iesire fluid purtatorr de caldura
5. suport.

Prin constructia lui, acest tip de captator necesita o singura miscare pentru urmarirea Soarelui, numai in jurul unei singure axe. In ceea ce priveste aceasta miscare, pot exista urmatoarele variante:

1. Miscarea comuna a ansamblului concentrator + receptor, solutie utilizata de firmele americane.
2. Receptorul mobil si concentratorul fix, orientat E-V, solutie utilizata in proiectele italiene.
3. Receptorul fix si concentratorul mobil, solutie utilizata in proiectele franceze.

Miscarile captatorului sau ale elementelor lui componente se pot realiza automat sau manual, continuu sau discontinuu, toate acestea depinzand de scopul si locul unde este utilizat. Astfel, la instalatiile solare unde parametrii fluidului de lucru trebuie sa fie cuprinsi in limite stranse, se impune asigurarea automata a miscarilor captatorului dupa Soare, iar in celelalte cazuri, ajustarile pozitiei acestuia se pot face manual sau cu ajutorul unui motor, la intervale mai mari care pot merge la o rotatie pe luna, anotimp sau chiar an.

La noi in tara, cu proiectarea, executarea si testarea primelor captatoare cilindro-parabolice s-a ocupat un colectiv de cadre didactice de la catedra de Termotehnica si Masini Termice a Institutului Politehnic Bucuresti. Au fost studiate mai multe variante, diferentiate dupa suprafata concentratoare. Oglinda cilindro-parabolica este executata din placi de aluminiu, iar receptorii dintr-un registru de tevi de cupru prin care circula ca fluid termic apa. Din masuratorile efectuate pe stand s-au obtinut temperaturi ale apei de 200^oC. Alte doua tipuri de captatoare cilindro-parabolice au fost studiate, proiectate si executate de Institutul de Cercetare Stiintifica si Inginerie Tehnologica pentru Industria Electrotehnica.

Fig.13 Captator cu concentrator cilindro-parabolic executat de

Institutul de Cercetare stiintifica si Inginerie Tehnologica

Tipul A (fig.16 a) are suprafata captatoare de 5 m² (4 m deschidere si 1,25 m lungime) cu receptorul montat in exterior de focar.

Tipul B (fig.16 b) are o suprafata de captare de; 2 m² (1 m deschidere si 2 m lungime), cu receptorul montat in interiorul acesteia.

In studiul captatoarelor cilindro-parabolice, elementul esential il constituie randamentul de captare. Randamentul unui astfel de captator cilindro-parabolice poate fi exprimat ca fiind produsul dintre randamentul concentratorului si randamentul receptorului. Astfel:

(26)

(27)

(28)

unde:

 Q_R - radiatia solara care atinge receptorul de suprafata SR ;

 Q - radiatia solara care atinge suprafata oglinzii de arie S (proiectia oglinzii pe un plan perpendicular pe directia razelor solare);

 Q_u - caldura utila preluata de fluidul care circula prin receptor.

In ceea ce priveste randamentul concentratorului, acesta mai este afectat si de alti factori ca :

reflectivitatea oglinzii,

precizia macro si microgeometrica a oglinzii,

umbrirea oglinzii si neiluminarea intregii suprafete a receptorului.

De asemenea, si randamentul receptorului depinde de pierderile de caldura care au loc prin radiatie, convectie si conductie. Luand seama de relatiile de calcul se folosesc pentru determinarea pierderilor de caldura ale receptorului, si se poate stabili in final expresia randamentului receptorului .

Concentrator dublu-parabolic face parte din familia concentratorilor care nu necesita urmarirea Soarelui, sau necesita numai o ajustare periodica. Aceste captatoare pot atinge factori de concentrare cuprinsi intre 1,8 si 10 si pot colecta radiatia solara fara urmarire zilnica, timp de cel putin 7 ore pe zi chiar la solstitiu. Domeniul de temperaturi care poate fi realizat cu un concentrator dublu-parabolic ce se plaseaza intre captatorul plan si captatorul cu focalizare liniara (cilindro-parabolic) si anume intre 100°C si 230°C. Acest domeniu de temperaturi se preteaza la o gama larga de utilizari pentru concentratorul dublu-parabolic ceea ce face din el o speranta importanta pentru: conditionarea aerului, producerea aburului tehnologic, pomparea apei, producerea de energie electrica prin ciclu termodinamic cu vapori de apa etc. Captatorul care foloseste un astfel de sistem este insa mai complicat constructiv si tehnologic decat captatorul plan obisnuit din care motiv este si mai scump, si nu are inca rezolvate toate problemele tehnologice si de material in mod economic. Principiul de functionare, performantele si unele probleme ale acestor concentratori vor fi prezentate in continuare. Concentratorul dublu-parabolic este format din doua suprafete cilindrice reflectante avand profile parabolice (cu focare diferite) plasate simetric fata de planul median al captatorului. Acest concentrator, avand o pozitie unghiulara fixa i primeste radiatia solara pe intreaga latime D, dirijand-o catre suprafata absorbanta a captatorului plan de latime d cu conditia ca unghiul | g |<q_max . In consecinta acceptanta unghiulara este 2 q_max. Aceasta depinde de raportul intre latimea captatorului plan d si latimea deschiderii D conform relatiei:

(29)

Fig.14 Concentrator dublu - parabolic

Fig.15 Captatori cu concentrator dublu-parabolic

Raportul este raportul geometric de concentrare al captatorului dublu-parabolic. Captatorul trebuie orientat pe directia E-V si inclinat fata de orizontala sub un unghi i. Daca g | < q_max, sunt primite in captator atat radiatia directa cat si cea difuza. Daca | g | > q_max in receptor intra numai radiatia difuza pe latimea d; cea directa este reflectata inapoi in spatiu. Adancimea teoretica a captatorului este data de relatia :

(30)

Valorile practice ale lui H s-a constatat ca trebuie sa fie de cca H_t / 3.

Captatorii cu concentrator dublu-parabolic se pot monta in serie formand in ansamblu un captator plan cu concentrare. In figura 18 b de mai sus se prezinta o astfel de solutie studiata la Argone National Laboratory, U.S.A. Problemele principale care trebuie rezolvate pentru ca un astfel de captator sa devina comercializabil sunt:

• micsorarea costului suprafetelor reflectante

imbunatatirea performantelor termice la temperaturi relativ ridicate (fata de captatorii plani) prin imbunatatirea izolatiei.

O serie de cercetari efectuate la laboratorul mentionat mai sus au condus la concluzia ca una din problemele majore ale acestor captatoare o constituie cresterea pierderilor termice prin izolatie odata cu cresterea temperaturii peste 100°C. Acest lucru rezolva pe de o parte din cresterea rapida a conductivitatii termice a materialelor izolante uzuale cu temperatura, la care se adauga pierderile prin convectie, care se intensifica si ele. Din aceste motive s-a ajuns la solutia din figura a de mai sus in care captatorul plan este in intregime introdus intr-un tub de sticla, aerul fiind evacuat pana la o presiune de 10^-5 torr. Pierderile prin convectie si conductie sunt astfel eliminate. Pierderile prin radiatie sunt diminuate folosind suprafete selective de absorbtie.

Concentratorul sferic fix cu receptor mobil

Acest tip de concentrator a fost inventat de W. Gene Steward de la Environmental Consulting Services at Boulder, Colorado, S.U.A. Ideea care sta la baza principiului de functionare este sugerata de figura urmatoare:

Fig.16 Concentrator sferic fix cu receptor mobil

Acesta arata ca o oglinda de forma unei calote sferice fixe ce are proprietatea de a reflecta radiatia solara (indiferent de pozitia Soarelui pe cer) catre un focar liniar, paralel cu razele Soarelui si care trece prin centrul oglinzii. Receptorul - de forma cilindrica - se poate roti in jurul a doua axe, ramanand orientat permanent pe directia Soarelui si astfel plasandu-se mereu in focar. Evident, miscarea receptorului este mult mai simpla si consuma mai putina energie mecanica decat miscarea ansamblului oglinda-receptor. In urmatoarea figura se ilustreaza modul de miscare a receptorului din pozitia de dimineata (a), trecand prin pozitia de amiaza (b) catre pozitia de dupa masa (c). Totodata s-a indicat mersul razelor reflectate spre focar, in cele trei cazuri.

Fig.17 Concentrator sferic fix cu receptor mobil in cele 3 momente ale zilei

a) pozitia de dimineata; b) pozitia de amiaza; c) pozitia de dupa amiaza.

Acest sistem se apreciaza ca fiind interesant pentru a fi aplicat in domeniul incalzirii si conditionarii locuintelor sau a cladirilor administrative, precum si in domeniul producerii de energie electrica prin ciclu termodinamic clasic cu turbina cu abur. Proiectul francez de centrala electrica solara Pericles foloseste un astfel de concentrator.

Steward a proiectat si realizat un sistem de incalzire a unei case langa Boulder, Colorado, S.U.A., folosind o oglinda sferica din poliuretan acoperit cu aluminiu avand un diametru de cca. 10,5 m. Receptorul consta dintr-o spirala de cupru cu lungimea tevii de cca. 2,7 m plasata intr-un cilindru de sticla. Cu acest receptor s-au obtinut vapori de apa la 150 - 200°C (intrarea apei in receptor se face la 70°C). Acest abur poate fi folosit in dublu scop: fie pentru generare de electricitate cu un mic turbogenerator, fie pentru stocarea energiei termice (pentru cca. 5 zile noroase) intr-un recipient umplut cu brichete din AL₂O₃, in scopul incalzirii casei respective.

Captatoare cu concentratorul mobil

Concentratoare cu oglinzi si lentile Fresnel. 0 categorie de concentratoare o constituie oglinzile si lentilele Fresnel. Acestea se bazeaza pe reflexia si, respectiv, refractia radiatiei solare catre un receptor, determinata de niste segmente de oglinzi si de prisme. Astfel in figura urmatoare se prezinta schema de principiu a unui captator cu oglinzi Fresnel cu focalizare liniara. Un numar de segmente de oglinzi plane sau curbate (cu distanta focala relativ mare) sunt montate pe un stativ comun, cu posibilitatea de rotire in jurul unei axe orientate E-V.

Segmentele se misca in timpul zilei astfel incat radiatia solara directa sa fie dirijata catre receptor. Firma americana Sheldahl, Inc. Northfield, Minnesota a proiectat, realizat si testat un astfel de sistem format din 9 segmente de oglinzi usor curbate, cu distanta focala de 305 cm.

Fig.18 Concentratoare cu oglinzi si lentile Fresnel

Sisteme similare a realizat si firma Suntec Systems, Inc. In figura de mai sus se prezinta principiul de functionare a unui captator cu concentrator tip lentila Fresnel liniara. Sistemul consta dintr-o placa transparenta profilata astfel incat radiatia incidenta este focalizata prin refractie de catre diverse segmente, sub diverse unghiuri, catre un acelasi receptor liniar. Prin acest receptor circula un fluid care se incalzeste la o temperatura relativ ridicata in comparatie cu captatoarele plane. Deoarece lentilele Fresnel sunt transparente, prin ele trece si radiatia difuza care nefiind focalizata este captata pe un al doilea rand de receptoare de joasa temperatura. Acest sistem prezinta avantajul ca radiatia difuza nu este pierduta, in comparatie cu oglinzile Fresnel la care se focalizeaza spre receptor numai radiatia directa.

Un fel de generalizare spatiala a oglinzilor Fresnel il reprezinta unul dintre cele mai puternice tipuri de concentratoare care prezinta un deosebit interes industrial in energetica solara, anume concentratorul cu camp de heliostate si receptor turn. Pe o suprafata relativ mare de pamant sunt dispuse cat mai compact (fara insa sa se umbreasca unele pe altele) oglinzi ce pot fi miscate in jurul a doua axe, care formeaza ceea ce se cheama un camp de heliostate. Aceste oglinzi sunt miscate astfel incat sa urmareasca continuu miscarea Soarelui, trimitand razele acestuia prin reflexie catre un cazan montat in varful unui turn (de 100 - 150 m).

Fig.19 Concentratorul cu camp de heliostate si receptor turn

Acest sistem de concentrare a radiatiei poate duce la rapoarte de concentrare de ordinul 1000 si, in consecinta, poate asigura temperaturi de lucru ale agentului termic de ordinul de marime al temperaturii necesare aburului in instalatiile de turbine cu abur clasice (cca. 500°C). Pe baza acestor instalatii se spera ca se vor putea realiza centrale electrice solare de 1-10 MW in viitorul apropiat sau chiar de 100 MW in viitorul mai indepartat.

Sistemul de captare a luminii naturale reprezinta unitatea functionala de cea mai mare importanta din punct de vedere al cantitatii de lumina naturala captata(figura 23). Cu ajutorul unei lentile Fresnel, heliostatul este astfel construit incat sa urmareasca in mod eficient pozitia soarelui pe cer printr-o simpla rotatie in jurul axului vertical, dat fiind faptul ca unghiul de captare al lentilei permite focalizarea luminii solare pentru orice unghi de inaltime solar, specific latitudinii locului unde se realizeaza montarea acestui sistem. Lumina focalizata este apoi reflectata de catre o oglinda spre coloana verticala de transport, cat mai aproape de axul vertical al acesteia. Oglinda are o forma speciala care permite si captarea luminii difuze a cerului.

Fig. 20 Sistem de captare a luminii solare echipat cu heliostat

Captatorul cu concentrator conic. In anii 1960 -1961, profesorul Giovanni Francia a proiectat si realizat la Cesana - Torinese, Italia (1300 altitudine) un captator solar cu concentrator conic.

Fig.21 Schema de principiu a unui cazan solar

In aceasta figura se prezinta schema de principiu a acestui cazan solar. Concentratorul este construit din trei trunchiuri de con confectionate din tabla de aluminiu. Diametral mare este de 3,2 m, iar diametral cel mai mic 0,8 m. Sistemul este prevazut cu o structura antiradianta care consta in cca. 2000 tuburi de sticla. de diametru 14 mm, cu lungimea de 250 mm si grosimea 0,2 - 0,3 mm. montate intr-un cilindru care are peretii laterali interiori confectionati dintr-un material reflectant.

La baza acestui cilindru se afla cazanul cu strabatere fortata constituit dintr-o spirala plana din teava de cupru cu intrarea apei la exterior si iesirea vaporilor prin partea centrala.

Intregul ansamblu se poate roti manual in jurul a doua axe pentru urmarirea Soarelui. Cu acest cazan solar s-a obtinut la amiaza 7 kg/h abur la 100 at si 500 - 600°C, cu un randament de captare de 70%. In cazul in care nu se foloseste structura antiradianta se constata ca randamentul de captare a energiei solare scade rapid, devenind zero la 400°C.

Dupa aprecierea profesorului Francia acest tip de cazan nu are posibilitati de extindere la scara mare, principalul scop pentru care a fost construit fiind acela de studiere a structurilor antiradiante. Din acest motiv dupa doi ani de incercari cazanul conic a fost mutat la Genova pentru a fi folosit in scop didactic.

Captatorul cu concentrator paraboloid de revolutie. Dintre toate tipurile de concentratori cu reflexie, forma ideala pentru obtinerea unui raport de concentrare maxim o are paraboloidul de revolutie. In figura de mai jos se prezinta schematic un captator heliotermic cu concentratorul oglinda parabolica. Pentru ca radiatia solara sa fie permanent focalizata in receptor este necesara urmarirea continua a Soarelui ceea ce se asigura prin miscarea intregului ansamblu concentrator-receptor in jurul a doua axe de rotatie.

Necesitatea urmaririi continue a Soarelui, precum si imposibilitatea maririi acestor concentratori peste anumite valori ale diametrului, din cauza vantului, limiteaza aplicarea acestui tip de concentrator in energetica solara fie la instalatii cu caracter experimental fie la unele aplicatii spatiale. Cea mai mare oglinda parabolica mobila construita are diametrul de 13,5 m si este destinata pentru un turbogenerator cosmic cu puterea de 15 kW .

0 varianta a captatorului cu oglinda parabolica este cea in care ansamblul oglinda-receptor este mentinut fix si radiatia solara este trimisa in concentrator folosindu-se un heliostat sau un camp de heliostate. Aceasta solutie este folosita atunci cand nu intereseaza prea mult costul energiei solare captate, ci se urmaresc alte efecte, de exemplu obtinerea unor temperaturi ridicate (de ordinul 3000-3500°C) in asa-numitele cuptoare solare.

Fig.22 Captatorul cu concentrator paraboloid de revolutie

In ceea ce priveste varianta energetica a concentratorului parabolic, adica cea care urmareste captarea energiei solare la un cost convenabil, exista unele proiecte si realizari cu caracter experimental care se orienteaza pe urmatoarele directii:

a). utilizarea concentratorilor parabolici pentru producerea energiei mecanice cu ajutorul motoarelor Stirling plasate in focarul oglinzii, pentru puteri de ordinul a 50W pana la 500-1000 W;

b). utilizarea concentratorilor parabolici pentru producerea in receptor a vaporilor dintr-un fluid organic (de exemplu difenil) sau apa in scopul intretinerii unei turbine cu vapori pentru producerea de electricitate la nivelul puterilor de ordinul 1,5 kW - cu diametrul D = 3 m - in scopuri spatiale, sau cu puteri de cca. 2,5 kW - cu diametrul de cca. 8m in scopuri terestre (proiectul francez THEK);

c). utilizarea concentratorilor parabolici pentru captarea energiei solare la temperaturi in jur de 700 - 800°C pentru descompunerea termica a unor substante in vederea stocarii chimice a energiei;

d). utilizarea concentratorilor parabolici pentru captarea energiei solare la temperaturi in jur de 1000 - 1100°C pentru producerea de lucru mecanic, si in final energie electrica folosind un ciclu Brayton de turbine cu gaze (cu aer sau heliu - proiect american cu diametrul D = 16,5 m).

Cuptoare solare

Constructia si functionarea cuptoarelor solare. Denumirea de cuptor solar este data unui sistem format, in principal, dintr-o instalatie de captare-concentrare a radiatiei solare si un receptor, situat in zona focala, in care se obtin temperaturi foarte inalte. Pentru obtinerea unor factori de concentrare foarte ridicati sunt utilizate concentratoare adecvate, care pot fi:

• de tip reflectant - cu oglinzi concave
• de tip refractant - cu lentile Fresnel

Lavoisier a construit in 1772 un cuptor solar cu lentile, in care a atins aproape punctul de topire al platinei (1773°C). Mai recent, in anii 1930-1932, la Institutul de Tehnologie din California a fost construit un cuptor tot cu lentile dar cu posibilitatea obtinerii unor temperaturi mult mai ridicate, destinat unor studii spectroscopice. Cuptoarele solare cu concentratoare de tip reflectant s-au dovedit, insa, a fi mai practice si mai usor de realizat decat cele de tip refractant si de aceea, practic, s-a renuntat la acestea din urma.

Concentratorul optim pentru cuptoarele solare de tip reflectant este cel de forma unui paraboloid de revolutie, eventual usor modificat. Exista mai multe posibilitati de realizare a cuptoarelor cu concentratoare parabolice, utilizarea unui tip constructiv sau a altuia depinzand de cerintele specifice pe care trebuie sa le satisfaca cuptorul.

Cel mai simplu aranjament geometric se obtine montand oglinda parabolica astfel incat axa sa sa fie indreptata mereu spre Soare (folosind un sistem de urmarire dupa doua coordonate). Cu toata simplitatea sa, sistemul are o serie de dezavantaje, si anume:

• focarul cuptorului se afla deasupra oglinzii, ceea ce face dificil accesul in zona de lucru;
• cuptorul este greu de folosit pentru topirea materialelor intrucat creuzetul este, practic, rasturnat cu gura in jos ;
• structura necesara pentru sustinerea si ghidarea oglinzii parabolice devine foarte grea si costisitoare, o data cu cresterea dimensiunii cuptorului.

Se pare ca unicul avantaj al acestei geometrii este absenta oglinzilor plane secundare, necesare in celelalte aranjamente descrise mai jos, ceea ce conduce la pierderi minime de energie.

Fig.23 Aranjamente geometrice posibile pentru cuptoare solare

cu concentratoare parabolice.

0 alta posibilitate este aceea de a monta cuptorul solar cu oglinda parabolica avand axa in pozitie orizontala indreptata spre nord (in emisfera nordica), fara a se deplasa dupa Soare. Razele solare cad pe una sau mai multe oglinzi plane (heliostate) si sunt reflectate spre oglinda parabolica. De data aceasta, heliostatele sunt acelea care urmaresc miscarea aparenta a Soarelui. In aceasta configuratie zona focala ramane fixa fata de sol si este usor accesibila. Se pare ca ea constituie singura configuratie practica si economica pentru cuptoarele solare de mari dimensiuni. Cuptorul cu axa orizontala poate fi folosit si pentru topirea materialelor, cu conditia ca creuzetul sa fie rotit in jurul axei sale cu o viteza suficienta pentru a crea forta centrifuga necesara retinerii materialului topit in interiorul creuzetului.

Un al treilea tip de geometric a cuptorului solar este acela in care axa paraboloidului este verticala. Exista doua posibilitati de a realiza aceasta, asa cum se arata in figura de mai sus (c si d). In primul caz heliostatul se afla sub oglinda parabolica, ceea ce implica asigurarea unei anumite distante intre ele - care poate fi destul de mare, mai ales in locurile situate la latitudini scazute. Pentru a evita o astfel de conditie, se poate folosi o oglinda plana dispusa la o distanta relativ mica de paraboloid iar heliostatul poate fi plasat convenabil pe sol, la o distanta oarecare de aceasta oglinda. Desigur, in acest caz apar pierderi suplimentare de energie datorita introducerii unei a treia suprafete reflectante. Cuptorul solar parabolic cu axa verticala are proprietatea unica de a oferi conditii de lucru foarte convenabile pentru topirea materialelor, intrucat reprezinta singura geometrie in care creuzetul se afla in pozitie verticala normala. Cuptorul este insa limitat in dimensiuni datorita problemelor de structura pe care le implica sustinerea unor paraboloizi mari in pozitie verticala.

Primul cuptor solar modern, utilizand o oglinda parabolica cu deschidere mare, a fost construit de Straubel, in 1921, si utilizat de Conn, in 1935, pentru topirea oxidului de zirconiu.

Fig.24 Schema constructiva a cuptorului solar de 1000 kW de la Odeillo (Franta).

Cel mai mare cuptor solar realizat pana in prezent este cel de la Odeillo-Font Romeu, Franta, situat in Pirinei la o altitudine de cca 1820 m, unde numarul anual al zilelor senine ajunge la 180, iar densitatea puterii radiante incidente atinge frecvent 1kW/m². Construit sub conducerea profesorului Felix Trombe, si dat in folosinta in anul 1970, cuptorul a furnizat o putere maxima de 1000 kW in zona focala, permitand obtinerea unor temperaturi de peste 3500^oC.

Cuptorul are un concentrator parabolic cu axa orizontala fixa, distanta focala a acestuia fiind de 18 m, inaltimea de 40 m, iar latimea maxima - de 54 m. Suprafata parabolica este realizata din 9500 de oglinzi plane (curbate apoi prin tensionare mecanica) din sticla argintata, cu dimensiunile de 0,4 x 0,4 m². Un numar de 63 de heliostate, dispuse in opt terase si orientate automat dupa Soare, asigura reflectarea razelor solare spre concentratorul parabolic. Heliostatele au dimensiunile de 7,5 6m³ si sunt realizate, fiecare, din 180 de oglinzi din sticla argintata cu dimensiunile 0,5 0,5m². In figura urmatoare este prezentata o vedere a concentratorului si a cladirii in care se afla receptorul acestui cuptor, iar in figura de mai sus este prezentata o vedere generala a heliostatelor aceluiasi cuptor.

Cuptorul a fost folosit pentru o serie de cercetari privind comportarea unor metale si materiale refractare la temperaturi ridicate, pentru purificarea unor materiale precum si pentru realizarea unor sinteze chimice. In anul 1976 instalatia cuptorului solar a fost transformata intr-o centrala solar-electrica care furniza sistemului energetic al Frantei - pentru inceput - o putere electrica de 64 kW.

Fig.25 Cuptor din Odeillo-Font Romeu, Franta, situat in Pirinei

Au fost realizate si alte cuptoare solare, de dimensiuni mai mici, in Franta, S.U.A., Rusia, Japonia si Egipt. Principalele domenii de utilizare a cuptoarelor solare sunt cele care implica obtinerea unor temperaturi inalte si a unor fluxuri termice foarte mari. Cuptoarele solare ofera - in plus, fata de cuptoarele conventionale - conditii de lucru extrem de avantajoase, si anume:

• atmosfera poate fi controlata,
• materialul studiat este usor accesibil
• mediul contaminant, flacarile, campurile electrice si magnetice sunt absente.

Uzual, temperaturile inalte se pot obtine pe doua cai:

• pe cale chimica
• pe cale electrica.

Temperatura maxima posibil a fi obtinuta prin arderea produselor chimice nu poate fi determinata cu precizie. Este insa evident ca energia disponibila intr-o legatura chimica este limitata, si este foarte improbabila obtinerea unor temperaturi peste 5000^oC prin reactii chimice. Actualmente pot fi produse pe aceasta cale temperaturi de ordinul a 4000^oC, incat - din acest punct de vedere - cuptoarele care folosesc combustibili chimici pot concura cu cuptoarele solare. Dar o flacara este intotdeauna chimic activa si, ca atare, au loc interactiuni nedorite intre flacara si materialul studiat. In acest sens, cuptorul solar este incontestabil superior. Incalzirea electrica pentru obtinerea unor temperaturi inalte poate fi realizata cu rezistente, prin curenti de inductie de inalta frecventa sau cu arc electric. La incalzirea cu rezistente temperatura maxima realizabila depinde, in mare masura, de atmosfera in care se afla elementul incalzitor si este limitata de punctul de topire al elementului incalzitor. Ea este de circa 3300°C in conditiile in care se folosesc grafit sau metale refractare, cum este wolframul, in vid sau in atmosfera inerta.

Fig.26 Cuptoare cu arc- imagine

In cazul folosirii curentilor de inductie de inalta frecventa, daca materialul este neconductor (electric), acesta trebuie incalzit intr-o cavitate de tip corp negru si este necesara folosirea unui susceptor. Intrucat susceptorul trebuie sa fie bun conducator de electricitate, limitarile sunt identice cu cele din cazul incalzirii cu rezistente. Incalzirea cu arc electric permite obtinerea unor temperaturi foarte ridicate. Un arc electric de mare intensitate, sub presiune de fluid, genereaza, o plasma care - in anumite conditii - poate atinge temperaturi de ordinul a 10000°C. Pentru a evita contactul direct cu materialul studiat, se dispune arcul electric in focarul unei oglinzi parabolice. Refocalizand razele luminoase produse de arc, cu ajutorul unei a doua oglinzi parabolice, se poate obtine temperatura inalta in focarul celei de a doua oglinzi. Un astfel de cuptor, cu arc-imagine, este singurul concurent serios al cuptorului solar. Trebuie avut insa in vedere ca in cuptoarele solare pot fi obtinute, actualmente, imagini ale Soarelui cu diametre de ordinul a 15 - 30 cm. La cuptoarele cu arc-imagine, puterea necesara realizarii unor conditii similare devine prohibitiva; aceste cuptoare se bucura insa de marele avantaj al disponibilitatii continue. Totusi, deocamdata cuptorul solar pare sa ofere cea mai atractiva posibilitate de obtinere a unor temperaturi inalte si a unor fluxuri termice ridicate.