Revista >> Noiembrie 2016 [ Nr. 189] >> Cover Story

INCDTIM Cluj-Napoca, în avangarda eficientizării sistemelor de producție energie alternativă

Dr. ing. Adrian Bot, director general INCDTIM Cluj-Napoca

21 Noiembrie 2016

Colectivul de cercetători pe domeniul energiei din INCDTIM a stabilit ca obiectiv principal schimbarea conceptelor strategice pentru producerea și utilizarea energiei din surse alternative, astfel:
• Producerea distribuită în teritoriu, pe comunități mici, prioritar în zonele neelectrificate sau cu deficit major de energie electrică și utilizarea off-grid ;
• Utilizarea unui mix de energie, cu resurse disponibile în zonă, astfel ca alimentarea să nu depindă de o singură sursă: panouri fotovoltaice, turbine eoliene de mici dimensiuni, microhidrocentrale, grupuri generatoare cu motoare ce folosesc combinat concentratoare solare și biogaz/biomasă, cogenerarea de energie electrică prin toate instalațiile de încălzire utilizând dispozitive termoelectrice;
• Stocarea de energie în baterii, cu capacitate limitată la strictul necesar echipamentelor electrice neîntreruptibile în timpul comutării surselor (UPS);
• Reducerea cheltuielilor de investiție și eficientizarea la maximum a activității de cercetare/dezvoltare – utilizăm componente comerciale de ultimă generație și dezvoltăm doar acele componente de concepție proprie, care pot crește eficiența energetică a ansamblului. Echipamentele vor fi gândite ca sisteme de dezvoltare, astfel ca să poată fi îmbunătățite cu costuri minimale în viitor.

Panourile fotovoltaice: Obținerea unui maxim zilnic de energie electrică se poate obține prin montarea panourilor fotovoltaice pe un cadru suport care compensează mișcarea solară diurnă - „tracker“, rotindu-se după două axe (altitudine/azimut). Conform măsurătorilor noastre și datelor din literatură, câștigul energetic este de circa 45%, ceea ce reprezintă foarte mult. Noi lucrăm în prezent la câteva proiecte de trackere care să suporte panouri fotovoltaice în gama 12 panouri / 18 m2 / 3 kW… 80 panouri / 120 m2 / 20 kW. Problemele de rezolvat sunt rezistența structurii la vânt puternic și grupurile de acționare a rotației în două regimuri diferite – viteză foarte mică și precizie mare în regim normal de urmărire, respectiv viteze mari în situațiile critice (furtuni cu grindină, vânt extrem), când panoul trebuie „parcat“ în poziție protejată. Traiectoria zilnică fiind diferită în funcție de amplasare și alta în fiecare zi a anului, rezultă că e nevoie de comanda motoarelor de un echipament de calcul corelat cu GPS.

Montarea pe tracker, în zone însorite de deal și munte, are următoarele avantaje:
• Suprafață la sol mult diminuată și înălțime care permite circulația sub panouri;
• Temperatura ambiantă mai mică, curenții atmosferici pe văi prezenți aproape permanent și spectrul radiației solare balansat spre ultraviolet, conduc la o încălzirea a panourilor semnificativ mai mică;
• Praful și smogul sunt mult mai reduse, iar panoul concentrat poate fi spălat foarte ușor cu mecanisme de spălare culisante pe șine montate în planul trackerului;
• Cantitatea de cabluri de conexiune este minimă, iar invertoarele performante care generează direct tensiune alternativă pentru utilizator pot fi montate, împreună cu toate echipamentele de comandă ale motoarelor și bateriile de stocare, în zona inferioară de lestare a piciorului trackerului;
• Consumul propriu de electricitate al întregului tracker este semnificativ mai mic decât pierderile de conversie multiplă și transport pe cabluri în marile ferme.

Turbine eoliene: În zonele de deal și de munte circulația atmosferică este prezentă în marea majoritate a timpului, predominând curenții de-a lungul văii, astfel că există oportunitatea de a utiliza turbine eoliene cu ax vertical, de mică putere (1-5 kW). Trackerele cu panouri fotovoltaice, încălzite, modifică traiectoria acestor curenți, creând ascendențe verticale; amplasarea adecvată a turbinelor eoliene în spatele trackerelor, la înălțimea potrivită, utilizează eficient aceste zone de turbulență, producând în același timp o circulație accelerată a aerului și implicit răcirea panourilor fotovoltaice. Activitatea noastră de cercetare urmărește modelarea, proiectarea și construcția unor pale de turbine verticale eficiente în zone cu curenți orizontali și ascendenți, cu gamă dinamică mare – respectiv de la viteze mici ale vântului (1 m/s), care să reziste și la viscole specifice zonelor de munte. Un element de care trebuie să ținem cont este acela că turbinele eoliene, ca și celelalte echipamente energetice de altfel, să nu perturbe de loc ecosistemul – din acest motiv sunt limitate dimensiunile, respectiv puterea.

Generatoare cu motoare termice: O formă alternativă de utilizare a energiei solare este aceea a folosirii efectului termic și transformarea căldurii în energie mecanică, în motoare cu ardere externă – Stirling, Ericsson, care acționează generatoare electrice. Temperatura mare necesară a impus utilizarea de concentratoare optice de tip reflector sau refractor. Colectivul nostru a ales să dezvolte un echipament care folosește un grup moto-generator Stirling comercial (Genoa Stirling) și concentratoare refractor comerciale - lentile Fresnel produse în China. Cercetările noastre vizează o componentă de bază a sistemului – receptorul de căldură din focarul lentilei, care transferă căldura spre cilindrul cald al motorului. Acesta este un element esențial al sistemului, care transferă un flux termic foarte mare, cu pierderi minime (rezistență termică zero) și care trebuie să aibă un coeficient de absorbție optică apropiat de 1 și să reziste în condiții atmosferice vitrege. Temperatura mare la care lucrează (în jur de 750°C) face construcția acestui element foarte dificilă. Practic, suprafețe care să asigure absorbție maximă, rezistente la asemenea temperaturi, sunt imposibil de obținut prin acoperire cu straturi negre. Din acest motiv am conceput un sistem cu cavitate cu reflexii multiple, care se comportă ca un corp negru cu structură spațială 3D. Forma constructivă și materialele folosite implică tehnologii avansate pentru execuție. La nivel de cercetare avansată studiem crearea unor suprafețe care să conțină mii de asemenea cavități minuscule prelucrate 3D prin tehnologii de micro și nano fabricație. Un alt domeniu în care efectuăm cercetări avansate privește elementul cheie al motoarelor cu ardere externă – regeneratorul, ale cărui performanțe sunt date de umplutura schimbătoare de căldură, la care se mai pot găsi îmbunătățiri.

Specificul aleatoriu al insolației, datorită norilor, conduce la variația cantității de căldură receptate. Elementul regulator pe scurtă durată poate fi o construcție inerțială a receptorului de căldură, dar acesta scade randamentul.

Din acest motiv, soluția tehnică cea mai potrivită o reprezintă aplicarea unui sistem de încălzire mixtă – radiație solară + arzător cu combustibil gazos. Sistemul presupune reglarea automată a debitului de gaz în arzător, în funcție de temperatura necesară. Calitatea gazului folosit nu este pretențioasă, astfel că se poate utiliza biogazul obținut prin fermentarea gunoiului de grajd sau prin gazeificarea deșeurilor lemnoase prin pirocataliză. Avantajul fundamental al acestui sistem mixt e dat de faptul că la limită motorul poate funcționa doar pe gaz – se ecranează cu un izolator termic receptorul (pentru a nu radia spre lentilă) și motorul poate produce energie imediat, atunci când nu sunt funcționale celelalte resurse. Avem astfel un grup motogenerator care are un randament net superior acelora cu motor cu ardere internă. În afară de electricitate, motorul produce și apă caldă, rezultată din răcirea sa, utilizabilă în gospodării.

Echipamentul utilizează pentru compensarea poziției solare diurne tot un dispozitiv de tip tracker, similar celui de la fotovoltaice, cu diferențe de structură dictate de suportarea motorului. Ne propunem ca anul viitor să terminăm execuția unui prototip de concentrator solar cu motor comercial Genoa Stirling de 2 kW și 6 lentile Fresnel fabricație de serie, cu suprafața totală de 6,7 m2, care va îngloba toate componentele rezultate ale cercetărilor noastre în domeniu (subiecte de brevete de invenție).

Elemente termoelectrice: O formă promițătoare de producere a energiei electrice o reprezintă modulele termoelectrice, care momentan au o eficiență de conversie mică, dar cunosc o dezvoltare accelerată în ultima perioadă. Am menționat anterior în acest articol, cercetările noastre în direcția creșterii acestei eficiențe. În prezent folosim module termoelectrice comerciale, care produc 16 W pe 32 cm², la o diferență de temperatură între fețe de 300° C. Folosim aceste module la execuția unor modele experimentale de schimbătoare de căldură stratificate – pentru montarea în centralele termice cu gazeificare, în zona de producere a agentului termic și respectiv a apei calde menajere. Deși producția de energie este încă relativ mică, aceasta se poate stoca în baterii de acumulatori și poate asigura necesarul unei case de vacanțe la munte iarna.