Realizarea acestui proiect va face posibila integrarea cunostintelor si echipamentelor noi din domeniul energiilor neconventionale in domeniul industrial, cu aplicabilitate directa in procesarea termica a materialelor. Astfel se poate afirma ca aceasta tema va „dizolva” frontiera tehnico-stiintifica dintre domeniul energiilor neconventionale si cel al procesarii termice a materialelor.

Importanta stiintifica a temei propuse este data de impactul energiilor neconventionale asupra industriei prelucratoare de materii prime si materiale. Energia solara este un subiect foarte popular deoarece omenirea a realizat ca energia constituie o componenta vitala a existentei noastre in conditiile civilizatiei moderne. Soarele ofera o alternativa posibila la solutionarea crizei de energie, care devine din ce in ce mai accentuata odata cu cresterea populatiei globului, ridicarea standardului de viata, dezvoltarea tehnologica, simultan cu epuizarea rezervelor de combustibili conventionali (gaze naturale, petrol, carbune etc.).

Caracterul de cercetare fundamentala este concretizat prin dezvoltarea unui concept nou si original pentru Romania: sisteme termice solare sau cuptoare solare care vor putea fi utilizate la diferite aplicatii terestre: incalzirea apei, producerea de energie electrica prin conversie fotoelectrica, distilarea apei, obtinerea unor combustibili si produse chimice prin bioconversie, producerea energiei electrice prin ciclu termodinamic, procesarea materialelor etc.

Denumirea de cuptor solar este data unui sistem format dintr-o instalatie de captare–concentrare a radiatiei solare si un receptor, situat in zona focala, in care se obtin temperaturi foarte inalte. Lavoisier a construit primul cuptor solar cu lentile in 1772, in care a atins punctul de topire al platinei (1773 °C). Cuptoarele solare cu concentratoare de tip reflectant sunt cele mai practice si mai usor de realizat. Concentratorul optim pentru cuptoarele solare de tip reflectant este cel de forma unui paraboloid de revolutie.

Cel mai simplu aranjament geometric se obtine montand oglinda parabolica astfel incat axa sa sa fie indreptata mereu spre Soare cu ajutorul unui sistem de urmarire dupa doua coordonate. Varianta constructiva cea mai rentabila din punct de vedere economic se obtine prin montarea cuptorului solar cu oglinda parabolica avand axa in pozitie orizontala indreptata spre nord (in emisfera nordica, Romania).

Primul cuptor solar modern care a utilizat o oglinda parabolica cu deschidere mare a fost construit de Straubel in 1921 si utilizat de Conn in 1935 pentru topirea oxidului de zirconiu. Un cuptor solar de dimensiuni impresionante a fost construit la Odeillo–Font Romeu, Franta, situat in Pirinei la o altitudine de 1820 m, unde numarul anual al zilelor senine ajunge la 180, iar densitatea puterii radiante incidente atinge 1kW/m². A fost dat in folosinta in 1970 si a furnizat o putere maxima de 1000 kW in zona focala, permitand obtinerea unor temperaturi de peste 3500 °C. 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. 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.

Au fost realizate si alte cuptoare solare, de dimensiuni mai mici, in Franta, S.U.A., Japonia si Egipt. Acestea au fost utilizate la studiul materialelor refractare, tehnici speciale de topire a metalelor si aliajelor, reactii in gaze, cercetari asupra sintezelor in gaze etc. Un reactor chimic solar a fost realizat in 2004 la Paul Scherrer Institut (PSI) in cadrul unui proiect cu denumirea Solar Production of Lime care a fost proiectat in ideea de a avea loc reactia: CaCO₃→CaO + CO₂. Cuptorul rotativ consta dintr-un cilindru din otel cu izolatie termica ceramica si care contine in interiorul camerei de lucru un sistem multi-tub de temperatura foarte inalta realizat din SiC. Radiatia solara concentrata patrunde prin deschiderea circulara a cuptorului si incalzeste cavitatea, respectiv sistemul multi-tub, care transmit caldura particulelor de minereu de calciu. Au fost procesate particule de 1-5 mm, producand var de mare puritate cu un grad de ardere de 98%. Temperatura de lucru: 1200–1400 K.

Factorii care influenteaza performantele cuptorului solar utilizat in aplicatiile industriale care impun obtinerea unor densitati mari ale puterii radiante si deci necesita o perfectiune geometrica a concentratorului sunt impartiti in trei categorii:

• prima categorie este legata de geometria de baza a concentratorului parabolic, definita prin distanta focala, f, si deschiderea acestuia, D. Odata alese acestea, rezulta dimensiunile imaginii solare, factorul de concentrare, precum si valorile maxime ideale ale temperaturii si densitatii de putere radianta in imagine, indiferent de constructia concentratorului si de locul unde este instalat acesta.

• a doua categorie cuprinde factorii care reduc performantele cuptorului solar datorita constructiei sale si a locului unde este el instalat. Acesti factori sunt: factorul energetic de transmisie al atmosferei, factorul energetic de reflexie directionala al oglinzilor si indicele de perfectiune geometrica al concentratorului parabolic.

• a treia categorie include factorii legati de proprietatile receptorului: factorii energetici de absorbtie si de emisie ai acestuia, precum si pierderile de caldura care au loc prin conductie si convectie.

Puterea potential disponibila P_f in imaginea Soarelui din planul focal al unui cuptor solar este data de relatia:
P_f = πR_dD_aE₀f²θ_max
in care:
R_d – factorul energetic de reflexie directionala al oglinzii parabolice (inclusiv heliostatele, daca acestea exista);
D_a – factorul energetic de transmisie al atmosferei in locul de instalare a cuptorului;
E₀ = 1353 W/m² – constanta solara;
f – distanta focala;
θ_max – unghiul de deschidere al concentratorului parabolic.
Daca in imaginea solara se dispune un corp solid, fractiunea din energia potential disponibila care este absorbita efectiv de corp va fi determinata de factorul de absorbtie si de forma acestui corp–receptor. Ca atare, temperatura maxima care poate fi obtinuta intr-un cuptor solar depinde de proprietatile receptorului dispus in zona focala a cuptorului:
T_max = T_S(R_dD_a)^¼(sinθ_max)½
in care T_S = 5800 K – temperatura la suprafata soarelui.
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, iar mediul contaminant, flacarile, campurile electric si magnetice sunt absente.