Utilizarea energiei solare

Utilizarea energiei solare

Prima varianta analizata, utilizarea energiei solare, este foarte atragatoare datorita faptului ca energia consumata, in scopul producerii energiei termice, nu costa nimic, altfel spus, acest tip de instalatie necesita doar o investitie initiala care sa acopere pretul de cost al instalatiei, dupa care aceasta va functiona captand caldura, gratuita, emanata de soare, care va fi acumulata intr-un rezervor de lichid (colector) pentru a putea fi ulterior folosita pentru incalzirea cladirii

Captarea energiei solare se face prin intermediu unor componente ale instalatiei numite captatori solari. Aceștia pot fi diferentiati, in functie de modul in care capteaza energia solara, in doua categori captatori activi si captatori pasivi. Caracteristica captatorilor activi este faptul ca se pot regla automat, la un unghi variabil, in functie de traiectoria diurna a soarelui in timp ce cei pasivi se pozitioneaza in asa fel incat sa fie intr-o cat mai buna amplasare fata de radiatia solara.

In figura 4.1. sunt prezentate doua moduri de amplasare a celor doua categori de colectori solari, a colector pasiv, b colector activ:

captator pasiv  captator activ

Fig.4.1. Moduri de amplasare a captatorilor solari

Marele avantaj al utilizarii panourilor solare este ca se foloseste drept sursa de energie soarele. Reacțiile termonucleare care au loc in interiorul acestuia genereaza o imensa cantitate de energie care este livrata in toate direcțiile, in Sistemul Solar (figura 4.2). Distanța fața de soare face ca, din aceasta energie, Pamantul sa beneficieze la nivelul superior al atmosferei exterioare, de o putere radianta echivalenta cu aproximativ 1400 W/m². La trecerea prin atmosfera intensitatea radiației se diminueaza (prin absorbție la nivelul particulelor de aer, apa, corpuri solide, prin reflexie și/sau prin difuzie), astfel incat la nivelul scoarței terestre putem conta pe aproximativ 1000 W/m².

In mod normal aceasta radiație este absorbita de scoarța terestra, transformata in caldura, rezultatul fiind printre altele și incalzirea atmosferei pamantului. Mare parte din aceasta caldura se pierde, prin atmosfera, in exterior. Ideea utilizarii panourilor solare consta in recuperarea acestei radiații și transformarea ei in caldura utilizabila in instalații domestice (cea mai raspandita utilizare fiind obținerea apei calde menajere).

Fig.4.2.Cantitatea de energie la nivelul superior si la nivelul scoartei terestre

Statistic vorbind, numarul de zile din an in care este posibila utilizarea energiei solare este de 150 care, inmulțit cu o medie de 8 ore cu soare pe zi, duce la un total anual de peste 1000 de ore in care se poate beneficia de energia solara. Rezulta deci 1000 kWh anual pentru fiecare m² de suprafața utilizata pentru conversie in caldura.

Prin urmare, utilizand un panou solar de 1.8 x 1.5 m este posibila obținerea unei cantitați de energie de 2700 kWh / an / panou.

Aceasta valoare depinde totuși de mai mulți factori:

- intensitatea radiației solare: momentul de varf este vara, la mijlocul zilei și cu cerul perfect senin. In toate celelalte situații cantitatea de caldura obținuta este doar un procent din valoarea maxima (minimul fiind inregistrat iarna, aproximativ 15…20% din valorile pe care le obținem vara).

- unghiul de incidența al radiațiilor solare cu suprafața panourilor : maximul se obține in cazul in care acest unghi este de 90°, insa datorita caracteristicilor elementelor de captare și faptului ca radiația solara are și o importanta componenta de difuzie (datorata reflexiei pe corpuri statice, nori, particule solide din aer), se obține conversia in caldura și la alte unghiuri (90…95%).

- zona geografica (altitudine, temperatura medie anuala, numarul mediu de zile cu soare).

In calculul de eficiența se ia in considerare suprafața totala a panoului și nu numai suprafața activa (a tuburilor), intrucat prin reflexie pe suprafața panoului și datorita formei cilindrice a tuburilor se recupereaza intreaga radiație solara, atat componenta directa cat și cea difuza.

Este de menționat ca, in cazul unor temperaturi exterioare mici, pierderile prin radiație și convecție se maresc, deci randamentul total scade.

Eficiența utilizarii panourilor solare poate fi, in modul cel mai elocvent, evidențiata prin comparație cu metodele și echipamentele clasice de obținere a caldurii (microcentrale, cazane pe combustibil gazos, lichid sau solid)

Principiul de functionare

Panourile solare au ca element funcțional de baza un tub captator, din sticla, de forma cilindrica (fig.4.3), același pentru toate modelele de panouri, care are drept rol conversia energiei solare in caldura și transmiterea acesteia la nivelul unui schimbator de caldura in care se gasește apa.

Figura 4.3 Elementele functionale ale unui panou solar

1. tub din sticla exterior;

2. tub din sticla interior;

3. table din aluminiu pentru fixare;

4. garnitura de etanșare;

5. dop metalic;

6. spațiu de condensare

7. țeava din cupru;

8. spațiu de vaporizare;

9. spațiu vidat;

10. clema metalica de centrare;

11. manșon de protecție la partea inferioara.

 

Figura 4.4 Elementele componente   Figura 4.5 Elemente de conectare

Poziția normala de funcționare a tubului este inclinat, sub un unghi de 30° … 70°, cu capatul din dreapta in sus (Fig. 4.3). Nu exista un unghi de montaj optim intrucat poziția soarelui se schimba pe parcursul unei zile, astfel ca unghiul recomandat mai sus reprezinta un compromis.

Cantitatea de caldura recuperata este maxima atunci cand razele soarelui cad perpendicular pe suprafața panoului.

Cele doua tuburi concentrice din sticla (1 si 2) sunt lipite la capatul superior (din dreapta) și spațiul dintre ele este vidat (9). La capatul inferior (din stanga) cele doua tuburi din sticla sunt menținute la distanța, de patru lamele elastice din oțel inox (10). Radiația solara traverseaza spațiul vidat și se acumuleaza sub forma de caldura in spațiul din jurul țevii de cupru (7) din centru. Țeava de cupru este, la randul ei vidata și conține o cantitate mica de apa distilata care, datorita temperaturii crescute vaporizeaza iar vaporii migreaza la partea superioara, in tubul de condensare (6). Datorita depresiunii din spațiul de vaporizare (8), apa din interior se transforma in vapori la temperaturi sub valoarea normala (punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferica este de 100°C). Vaporii preiau caldura și o transporta gravitațional (de aici rezulta impunerea ca tuburile sa fie montate cu o inclinație de 30°…70°) in spațiul 6 unde, daca intalnesc suprafața unui schimbator de caldura cu temperatura sub cea de condensare, cedeaza caldura și se intorc la baza tubului sub forma de picaturi de condens. Ciclul se reia atata timp cat exista o diferen†a pozitiva de temperatura intre incinta 8 și incinta 6. Temperatura in spațiul de condensare (6) poate ajunge la valori destul de mari (aprox. 150°C-200°C) in cazul in care capatul tubului nu este introdus intr-un schimbator de caldura.

Schimbatorul de caldura (colectorul) este constituit dintr-o țeava de cupru in care sunt introduse un numar de 18 sau 24 de teci sudate și printre care circula apa (agentul termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat și inchis intr-o carcasa exterioara din tabla de inox. Tuburile se introduc in decuparile cilindrice practicate in carcasa, bulbul superior al țevii de cupru (nr.6 in fig.4.3) patrunzand in teaca colectorului astfel incat sa se asigure un contact termic cat mai bun. Rigidizarea tubului pe poziția de funcționare se face prin fixarea acestuia cu bridele metalice (E), pe latura inferioara a cadrului. Schimbul de caldura are loc la contactul direct dintre cele doua țevi de cupru, intre vaporii de apa din capul tubului captator și apa din colector (A). Evident ca cele doua capete ale țevii colectorului sunt cuplate intr-un circuit hidraulic inchis prin care, cu o pompa de circulație, caldura este transferata in preparator (ex: boiler, schimbator de caldura sau un simplu rezervor de acumulare).

Varianta de utilizare recomandata este cea cu boiler bivalent, pompa de circulație și panou electronic de comanda.

Montajul panoului solar se face pe un cadru metalic dreptunghiular (D), sistemul de fixare la locul de montaj cazand in sarcina instalatorului (proiectantului). Se pot monta direct pe acoperișuri inclinate sau, cu un suport adecvat, pe suprafețe orizontale sau pe fațada cladirilor.

Fig.4.6 Panou solar cu schimbator sub presiune

Fig.4.7 Panou solar cu vas de acumulare la presiunea atmosferica

In locul schimbatorului de la varianta precedenta se monteaza un vas de acumulare a apei calde (A), capatul tubului captator fiind introdus direct in apa. Rezervorul de acumulare este un cilindru din inox dublu perete, izolat cu spuma poliuretanica (B), așezat orizontal la partea superioara a suportului pentru panou (C). Tuburile sunt introduse in cele 18 sau 24 de orificii care traverseaza pere†ii rezervorului, fixarea lor facandu-se cu ajutorul suportului inferior (D) prezentate in figurile 4.7, 4.8, 4.9.

Etanșarea este asigurata cu garnituri speciale (E).

Vasul de acumulare este conectat la rețeaua de alimentare cu apa rece printr-un rezervor de alimentare cu flotor (F) și cu rețeaua de consumatori de apa calda pentru consum menajer printr-un ștuț de la partea inferioara (G). Pe peretele lateral al vasului se poate monta un senzor de temperatura, intr-un racord filetat (H).

 

Fig. 4.8 Vas de acumulare Fig. 4.9 Fixarea panoului solar pasiv

Acest tip de panou se livreaza cu suportul de montaj standard, unghiul de inclinare fiind fix. Cu suportul standard panoul se poate monta numai pe suprafețe orizontale.

Exista posibilitatea montarii unei rezistente electrice (accesoriu), la partea inferioara ca protecție antiingheț și a unor regulatoare electronice dotate cu sonde de nivel și temperatura sau electovane.

Comanda este asigurata, in funcție de temperatura și nivelul apei din vas, de regulatorul electronic de comanda.

Acest tip de panou este destinat celor mai simple aplicații:

- alimentare manuala, cu apaa rece, a rezervorului. Atenție insa ca ramaanerea fara apa, poate duce la supratemperaturi pe capatul superior al tubului și chiar la distrugerea acestuia;

- alimentare de la o sursa de apa prin cadere libera;

- alimentare de la rețeaua de distribuție centralizata, presiunea minima a rețelei fiind impusa doar de inalțimea de montaj a panoului;

- alimentare de la un sistem propriu cu instalație de hidrofor.

Daca utilizarea apei calde se face numai prin cadere libera, sistemul nu este dependent de rețeaua electrica, in schimb trebuie sa fie amplasat la o inalțime superioara celui mai de sus consumator.

Calculul necesarului de caldura pentru obtinerea apei calde menajere folosind energie solara

Aspecte teoretice ale captatoarelor solare

Indiferent de tipul acestora (plane, cilindro-parabolice, cu focalizare) captatoarele solare sunt caracterizate de randamentul acestora.

Se definește randamentul instantaneu al captatorului solar ca fiind raportul dintre energia primita de acesta și energia solara incidenta pe captator care se exprima funcție de raportul:

(4.1)

Fig. 4.10. Diagrama pentru determinarea randamentelor panourilor solare

t_m-temperatura medie a captatorului (media intre temperatura de intrare și cea de ieșire din captator) [sC];

t_a-temperatura mediului ambiant [sC];

Q_i-fluxul total incident [W/m²].

Performanta oricarui captator solar este descrisa de bilanțul sau energetic global care este de forma:

(4.2)

unde:

S_c -suprafața activa a captatorului [m²];

Q_i-densitatea de putere radianta incidenta pe suprafata orizontala [W/m²];

m-factorul de raportare al puterii radiante pe un plan orizontal fata de unul inclinat;

TA- produsul echivalent transmisie-absorbtie in ansamblul geam-placa absorbanta;

Q_u– energia utila, transmisa fluidului caloportor [kWh];

Q_p- energia pierduta de la captator in mediul ambiant [kWh].

Necesarul de caldura pentru prepararea apei calde menajere, pentru cladirea considerata, este de 1,122 kW. Pentru ca sistemul de captare a energiei solare sa poata asigura necesarul de caldura trebuie sa aiba o putere nominala mai mare de 1,122 kW. In aceste considerente sistemul de captare a energiei solare, pentru cladirea considerata, trebuie sa aiba in componenta, cel putin doua panouri de 1,5x1,8 m².

Pentru evaluarea necesarului de acm ne vom raporta la consumurile standard de apa calda menajera, conform normelor europene, date in tabelul 1.

Tabelul 4.1 — Consumuri normate de apa calda menajera

Considerand ca temperatura medie de intrare a apei reci este de 10°C, ridicarea cu t = 30°C conduce la o temperatura a apei calde de 40°C, perfect utilizabila. Printr-un calcul destul de simplu putem deduce ca pentru fiecare kW consumat putem obține 28 litri de a.c.m (la t = 30°C).

Rezulta ca folosind cantitatea de energie obținuta de la un singur panou solar, se pot obține:

- cantitatea de caldura: Q = 2.700 kWh,

- cantitatea de acm: 2700 kWh • 28 litri / kWh = 75.600 litri (aproximativ 75 m³) de a.c.m. anual, la temperatura de 40°C.

La un consum standard mediu de 50 litri / zi x persoana, anual este necesar un consum de 18 250 litri de a.c.m. iar la un consum standard ridicat de 120 litri / zi x persoana, un consum anual de 43 800 litri.

Rezulta ca prin utilizarea unei instalații cu un singur panou solar se pot satisface consumurile de a.c.m. pentru 4 persoane in regim de confort mediu și pentru 2 persoane in regim de confort ridicat.

Proiectarea instalației de incalzire a apei calde pentru cladirea considerata s-a realizat in regim de confort mediu astfel incat sa satisfaca nevoile a 10 persoane.

Pentru satisfacerea consumului de a.c.m. sunt necesare montarea a doua panouri solare

Avantaje mari deriva insa din analiza de costuri și de impact asupra mediului.

Un alt aspect foarte important este faptul ca prin arderea combustibililor, de orice tip, se elibereaza in atmosfera o serie de substanțe mai mult sau mai puțin nocive, printre care: bioxid de carbon (CO₂), monoxid de carbon (CO), oxizi de azot (NOx), oxizi de sulf (SOx), cu toate efectele negative pe care le au asupra mediului inconjurator. Dupa cum știm bioxidul de carbon și oxizii de azot și sulf sunt principalii vinovați de efectul de sera și de apariția ploilor acide cu toate consecințele lor asupra atmosferei. Celelalte intra in categoria substanțelor toxice (chiar letale) și prezența lor in aerul atmosferic genereaza numeroase boli și accidente.

Toate cheltuielile referitoare la combustibili precum și emisiile de substanțe nocive, au valoare zero in cazul obținerii caldurii prin utilizarea panourilor solare.

Ca zone geografice de utilizare in Romania, panourile solare pot fi amplasate pe intreg teritoriul, eficiența maxima fiind obținuta pe litoral și in zonele de campie și deal (Muntenia, Oltenia, Banat, Crișana și Moldova) care beneficiaza de un numar mai mare de zile senine pe an.

Stabilirea solutiei tehnice privind dispunerea echipamentelor instalatiei cu panouri solare

Fig. 4.11. Vedere 3D a cladirii cu dispunerea panourilor solare

Fig. 4.12. Schema de principiu a instalatiei solare pentru preparare apa calda pentru consum menajer

Fig. 4.13. Instalatia solara proiectata

Fig. 4.14. Schema de racordare a panourilor solare

Fig. 4.15. Panou solar

Fig. 4.16. Schema de racordare a panourilor solare la boiler