ENERGIA SOLARA-PANOURI SOLARE

I.1. Generalitati

In momentul de fata, la nivel mondial, principala resursa energetica (aproximativ 70 %) o constituie combustibilii: carbune, petrol, lemn, reziduuri combustibile. O alta parte este reprezentata de energia produsa in hidrocentrale si in centralele nucleare. Din total energie consumata,aproximativ o treime, sub diverse forme, este utilizata pentru incalzirea locuintelor, si pentru producerea de apa calda menajera.

La ritmul actual de crestere a populatiei si dezvoltarii tehnologice este vizibil ca nevoia de resurse energetice ieftine si utilizabile pe scara larga, creste foarte mult. Incepe totodata sa se vada foarte clar ca utilizarea resurselor clasice, prezinta anumite efecte negative (emisiile de noxe, riscuri de accidente, efectul de sera, dependenta de resurse si retele comune, costuri tot mai mari etc.).

Este, prin urmare, nu numai interesant ci chiar obligatoriu sa gasim si sa promovam noi tehnologii privind utilizarea resurselor energetice neconventionale (solara, eoliana, termala etc).

Energia astfel obtinuta prezinta clar o intreaga serie de avantaje in raport cu cea clasica:

- este in totalitate ecologica, nu emite noxe, nu produce reziduuri,

- este practic inepuizabila,

- nu implica instalatii de prelucrare sau transport a resurselor, inainte de utilizare,

Din pozitia sa de lider de necontestat in domeniul instalatiilor in Romania, Compania Romstal nu poate ignora un astfel de domeniu si, este prezenta pe piata cu o gama completa de panouri solare si accesoriile aferente, pentru incalzirea apei.

Principiul de functionare se bazeaza pe conversia radiatiei solare in caldura si utilizarea acesteia pentru incalzirea apei. Apa calda obtinuta poate fi utilizata ca atare, sub forma de apa calda menajera sau ca agent termic primar pentru prepararea apei calde menajere intr-un acumulator. In cazuri mai rare se poate utiliza si ca agent termic pentru incalzire.

I.2. Sursa de caldura

Marele avantaj al utilizarii panourilor solare este ca se foloseste drept sursa de energie, soarele. Reactiile atomice care au loc in interiorul acestuia genereaza o imensa cantitate de energie care este livrata, in toate directiile, in Sistemul Solar. Distanta fata 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 radiatiei se diminueaza (prin absorbtie la nivelul particulelor de aer, apa, corpuri solide, prin reflexie si/sau prin difuzie), astfel incat la nivelul scoartei terestre putem conta pe aproximativ 1000 W / m².

Figura 1.

In mod normal aceasta radiatie este absorbita de scoarta terestra, transformata in caldura, rezultatul fiind printre altele si incalzirea atmosferei pamantului. Mare parte din aceasta caldura se pierde, prin atmosfera, in exterior. Ideea utilizarii panourilor solare consta in recuperarea acestei radiatii si transformarea ei in caldura utilizabila in instalatii domestice (cea mai raspandita utilizare fiind obtinerea apei calde menajere). Forma cilindrica a tuburilor permite absorbtia atat a componentei directe a radiatiei solare cat si a componentei difuze (fig. 2).

I.3. Studiu de eficienta

Conform studiilor de specialitate, in zona geografica a Europei Centrale si de Est radiatia solara poate produce o cantitate de caldura echivalenta cu 1 Kwh / m². Tara noastra desi are un relief extrem de divers beneficiaza de zone cu mult soare (litoralul, Dobrogea, Campia Romana si de Vest), deci putem spune ca se incadreaza in media europeana in ceea ce priveste cantitatea de caldura receptata de la soare. Statistic vorbind, numarul de zile din an in care utilizarea energiei solare este posibila, este de 150, inmultit cu o medie de 8 ore cu soare pe zi, rezulta un total anual de peste 1000 de ore in care se poate beneficia de energia solara, rezultand deci, 1000 Kwh anual pentru fiecare m² de suprafata utilizata pentru conversie in caldura. Prin urmare, utilizand un panou solar de 1.8 x 1.5 m ( una din variantele oferite de Romstal) este posibila obtinerea unei cantitati de energie de 2700 Kwh /an/panou.

Aceasta valoare depinde totusi de mai multi factori:

intensitatea radiatiei solare: momentul de varf este vara, la mijlocul zilei si cu cerul perfect senin. In toate celelalte situatii cantitatea de caldura obtinuta este doar un procent din valoarea maxima (minimul fiind inregistrat iarna, aproximativ 15.20% din valorile pe care le obtinem vara).

unghiul de incidenta al radiatiilor solare cu suprafata panourilor : maximul se obtine in cazul in care acest unghi este de 90°, insa datorita caracteristicilor elementelor de captare si faptului ca radiatia solara are si o importanta componenta de difuzie (datorata reflexiei pe corpuri statice, nori, particule solide din aer), se obtine conversia in caldura si la alte unghiuri (90.95%).

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

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

De asemenea, in cazul unor temperaturi exterioare mici, pierderile prin radiatie si convectie se maresc, deci randamentul total scade.

Eficienta utilizarii panourilor solare poate fi, in modul cel mai elocvent, evidentiata prin comparatie cu metodele si echipamentele clasice de obtinere a caldurii (microcentrale, cazane pe combustibil gazos, lichid sau solid)

Exemplu: O microcentrala cu puterea de 23 Kw poate produce apa calda menajera, in regim instantaneu, la urmatorii parametri:

Debit acm: 11 litri/min (660 litri/ora),

∆T = 30 °C. (∆T fiind diferenta dintre temperatura apei calde la iesire si temperatura de intrare a apei reci).

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 obtine 28 litri de a.c.m pe ora (la ∆T = 30 °C).

Rezulta ca folosind cantitatea de energie obtinuta de la un singur panou solar livrat de Romstal, se pot obtine:

- Cantitatea de caldura: Q = 2.700 Kw h,

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

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

Tabelul 1- Consumuri normate de apa calda menajera

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 instalatii cu un singur panou solar se pot satisface consumurile de a.c.m. pentru 4 persoane in regim de confort mediu si pentru 2 persoane in regim de confort ridicat.

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

Spre exemplu, o microcentrala pe combustibil gazos (gaz metan) consuma pentru a produce 2700 Kwh (necesar pentru 75 m³ de a.c.m.), urmatoarele:

- aproximativ 300 m³ de gaz metan. S-a luat in calcul un consum specific de 0.11 m³/Kwh la un randament al arderii de 90 %. La pretul de 7.000 lei/mc rezulta costuri de 2.100.000 lei (7.500.000 lei in cazul GPL si 8. 000.000 lei in cazul motorinei).

- 636 m³ de oxigen din aerul atmosferic (consum specific: aproximativ 10 m³ de aer/ m³ de gaz, procentul de oxigen in aer fiind de 21 %).

- cheltuieli de intretinere, autorizare de functionare, service, piese de schimb etc.

Un alt aspect foarte important este faptul ca prin arderea combustibililor, de orice tip, se elibereaza in atmosfera o serie de substante mai mult sau mai putin toxice, 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 stim bioxidul de carbon este principalul vinovat de efectul de sera si de aparitia ploilor acide cu toate consecintele lor asupra atmosferei. Celelalte intra in categoria substantelor toxice (chiar letale) si prezenta lor in aerul atmosferic genereaza numeroase boli si accidente.

Toate aceste cheltuieli referitoare la combustibili si emisiile de substante nocive au valoare zero in cazul obtinerii caldurii prin utilizarea panourilor solare.

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

I.4. Principiul de functionare

Panourile solare au ca element functional de baza un tub captator, din sticla, de forma cilindrica (fig. 2), acelasi pentru toate modelele de panouri, care are drept rol conversia energiei solare in caldura si transmiterea acesteia la nivelul unui schimbator de caldura in care se gaseste apa.

Figura 2.

tub din sticla, exterior,

tub din sticla interior,

table din aluminiu pentru fixare,

garnitura de etansare,

dop metalic,

spatiu de condensare,

teava din cupru,

spatiu de vaporizare,

spatiu vidat,

clema metalica de centrare, Figura 3.

piesa de fixare la partea inferioara.

Pozitia normala de functionare a tubului este inclinat, sub un unghi de 30° . 70°, cu capatul din dreapta in sus. Nu exista un unghi de montaj optim intrucat pozitia soarelui se schimba pe parcursul unei zile. Cantitatea de caldura recuperata este maxima atunci cand razele soarelui cad perpendicular pe suprafata panoului. Figura 4.

Cele doua tuburi concentrice din sticla (1 si 2) sunt lipite la capatul superior (din dreapta) si spatiul dintre ele este vidat (9). La capatul inferior (din stanga) cele doua tuburi din sticla sunt mentinute la distanta, de patru lamele elastice din otel inox (10). Radiatia solara traverseaza spatiul vidat si se acumuleaza sub forma de caldura in spatiul din jurul tevii de cupru (7) din centru. Teava de cupru este, la randul ei vidata si contine o cantitate mica de apa distilata care, datorita temperaturii crescute vaporizeaza iar vaporii se acumuleaza la partea superioara, in tubul de condensare (6). Datorita depresiunii din spatiul 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 si o transporta gravitational (de aici rezulta impunerea ca tuburile sa fie montate cu o inclinatie de 30°.70°) in spatiul 6 unde, daca intalnesc suprafata unui schimbator de caldura cu temperatura sub cea de condensare, cedeaza caldura si se intorc la baza tubului sub forma de picaturi de condens. Ciclul se reia atata timp cat exista o diferenta pozitiva de temperatura intre incinta 8 si incinta 6. Temperatura in spatiul 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.

In functie de tipul schimbatorului de caldura utilizat, au rezultat cele doua tipuri de panouri solare din oferta.

1. Panou solar cu schimbator sub presiune

Schimbatorul de caldura (colectorul) este constituit dintr-o teava de cupru in care se introduce un numar de 18 sau 24 de teci sudate si printre care circula apa (agentul termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat si inchis intr-o carcasa exterioara din tabla de inox. Tuburile se introduc in decuparile cilindrice practicate in carcasa, bulbul superior al tevii de cupru (nr.6 in fig.2) patrunzand in teaca colectorului astfel incat sa se asigure un contact termic cat mai bun. Rigidizarea tubului pe pozitia de functionare 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 tevi de cupru, intre vaporii de apa din capul tubului captator si apa din colector (A). Evident ca cele doua capete ale tevii colectorului sunt cuplate intr-un circuit hidraulic inchis prin care, cu o pompa de circulatie, caldura este transferata in preparator (ex: boiler cu 2 serpentine).

Varianta de utilizare recomandata este cea cu boiler bivalent, pompa de circulatie si panou electronic de comanda.

Montajul panoului 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 acoperisuri inclinate sau, cu un suport adecvat, pe suprafete orizontale sau pe fatada cladirilor.

Figura 5.

2. Panou solar cu vas de acumulare la presiunea atmosferica

Figura 6.

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), asezat orizontal la partea superioara a suportului pentru panou (C). Tuburile sunt introduse in cele 18 sau 24 de orificii care traverseaza peretii rezervorului, fixarea lor facandu-se cu ajutorul suportului inferior (D). Etansarea este asigurata cu garnituri speciale (E). Vasul de acumulare este conectat la reteaua de alimentare cu apa rece, printr-un sistem cu flotor (F) si cu reteaua de consumatori de acm printr-un stut de la partea inferioara (G). Pe peretele lateral al vasului se poate monta un senzor de temperatura, intr-un racord filetat (H).

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 suprafete orizontale.

Exista posibilitatea montarii unei rezistente electrice (accesoriu), la partea inferioara ca protectie antiinghet.

Figura 7. Figura 8.

Comanda acesteia este asigurata, in functie de temperatura apei din vas, de regulatorul electronic de comanda.

Acest tip de panou este destinat celor mai simple aplicatii:

alimentare manuala, cu apa rece, a rezervorului. Atentie insa ca ramanerea fara apa, poate duce la supratemperaturi pe capatul superior al tubului si chiar la distrugerea acestuia.

alimentare de la o sursa de apa prin cadere libera,

alimentare de la reteaua de distributie centralizata, presiunea minima a retelei fiind impusa doar de inaltimea de montaj a panoului.

alimentare de la un sistem propriu cu instalatie de hidrofor.

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

I.5. Amplasare

Pentru un maxim de eficienta in ceea ce priveste procentul de radiatie solara recuperata modul si locul de amplasare a panourilor solare au o importanta deosebita.

Se recomanda montajul cu fata spre SUD cu o abatere stanga /dreapta, in plan orizontal, de maxim +/- 60°, in locuri ferite de umbra pe toata durata zilei.

In plan vertical, unghiul optim este de 45° fata de orizontala, dar se pot monta in plaja 30° . 70°.

Montajul la alte unghiuri de inclinare duce la scaderea randamentului din cel putin doua puncte de vedere: Figura 9.

1. circuitul de vaporizare / condensare, la nivelul tubului cu lichid de vaporizare, nu se mai desfasoara in conditii normale, procesul avand nevoie de o componenta gravitationala.

2. incidenta razelor solare pe suprafata panoului nu mai este perpendiculara si se maresc pierderile de energie prin reflexie pe suprafata tuburilor.

Panourile pot fi amplasate (fig.9 ):

a. pe acoperisuri orizontale (tip terasa),

b. pe acoperisuri inclinate,

c. pe fatada cladirilor,

d. pe sol.

In kit-ul de livrare standard cele doua variante constructive de panouri sunt dotate cu suporturi de fixare diferite. In functie de locul de montaj aceste suporturi trebuie sau nu modificate:

Montajul panourilor cu rezervor atmosferic este recomandat pe suprafete orizontale, intrucat se poate monta pe suportul standard, continut in kit-ul de livrare, fara alte modificari. Utilizarea unui alt suport trebuie sa tina cont de caracteristicile tehnice ale panoului (unghi de inclinare, greutate, sistem de fixare etc.). In calculul greutatii totale se va tine cont si de cantitatea maxima de apa continuta in rezervor: 150 l sau 200 l.

La montajul pe acoperisuri inclinate sau pe fatada cladirii se va tine cont de:

- acces facil pentru montaj si interventii de intretinere si reparare:

- siguranta operatorului,

- rezistenta materialelor din care este construit acoperisul,

- izolarea trecerii conductelor si pieselor de fixare prin acoperis,

- existenta si rezistenta elementelor de fixare.

- grosimea stratului de zapada, functie de zona geografica,

- directia si intensitatea vantului in zona,

- cantitatea de zapada care se poate acumula la partea de sus a panoului cand acesta este montat la distanta de coama acoperisului (eventual se prevad parazapezi),

- suportul confectionat de beneficiar trebuie sa fie din materiale rezistente la coroziune sau cu acoperire corespunzatoare (vopsire, galvanizare) pentru a nu se deteriora rapid in timp.

Important:

Se va asigura protectia impotriva descarcarilor electrice prin legarea partilor metalice ale panoului la centura de impamantare a locuintei, conform normelor specifice.

I.6. Caracteristici tehnice

I.7. Accesorii