ENERGIA SOLARA TERMICA
Din punct de vedere functional, componenta principala a panoului solar este elementul absorbant care transforma energia razelor solare în energie termica si o cedeaza unui agent termic (apa, antigel). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluata de la panou si este fie stocata, fie utilizata direct (ex. apa calda menajera). Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o separare termica a elementului absorbant de mediul înconjurator. În functie de tehnica utilizata în acest scop deosebim:
Panouri plate. Panou solar termic. În principiu, un panou solar are o carcasa metalica de forma dreptunghiulara în care se afla montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticla, razele solare cad pe o suprafaaa care absoarbe aproape întregul domeniu spectral al acestora. Energia calorica rezultata nu se pierde, panoul fiind izolat termic în toate partile. Caldura de convectie spre exterior este limitata de unul sau mai multe geamuri. La panourile cu vacuum, aceasta este aproape în întregime eliminata. Caldura de radiatie, datorata temperaturii proprii, este deasemenea împiedicata de geamul de sticla care este opac pentru lungimile de unda mai mari. Aceasta caldura este retinuta în interiorul panoului, echilibrul termic conducând la o temperatura mai înalta decât în situatia fara geam. Acest efect este cunoscut sub numele de efect de sera. La panourile solare moderne se utilizeaza sticla speciala, cu un continut cât mai mic posibil de fier si cu o rezistenta marita la grindina si încarcare cu zapada.Elementul absorbant, mai ales la panourile cu vid, poate prezenta o selectivitate fata de lungimea de unda, astfel încât, pe de o parte, sa absoarba o gama cât mai larga de radiatie solara si pe de alta parte, sa aiba o emisie cât mai redusa în domeniul de infrarosu apropiat, pentru a reduce emisia de caldura. Elementul absorbant cedeaza caldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu atasate acestuia. Agentul termic transporta energia calorica la utilizator sau la un recipient de stocare. Unele instalatii solare au circuitul agentului termic deschis, ceea ce înseamna ca prin conductele panoului circula chiar apa necesara utilizatorului, cum este cazul în principal al instalatiilor functionând pe principiul termosifonului. În regiunile cu pericol de înghet mai mare, se apeleaza totusi de regula la circuite separate. Circuitul primar, cel al panoului contine un lichid rezistent la înghet (antigel). Din circuitul primar caldura este transferata prin intermediul unui schimbator de caldura apei din circutul secundar, cel al utilizatorului. Panouri cu tuburi vidate. Panou solar cu tuburi vidate. Detaliu panou solar cu tuburi vidate. O constructie speciala prezinta panourile solare cu tuburi vidate[1]. Ele se compun din tuburi paralele în spatele carora se afla reflectoare pentru concentrarea radiatiei solare. Tuburile vidate se compun din doua tuburi de sticla concentrice intre care este vid. Tubul din interior este înconjurat de o suprafata absorbanta de care este atasat un tub de cupru prin care circula un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de caldura prin convectie si conductie, pemitînd obtinerea de performante superioare (randament si temperaturi mai mari). Datorita temperaturilor mai mari instalatia de încalzire poate necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraîncalzirii. Astfel de panouri sunt mai eficiente în zonele cu temperatura moderata, utilizarea lor în zone calde justificându-se doar în instalatii tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari. Un alt avantaj îl reprezinta faptul ca suprafata absorbanta fiind mereu perpendiculara pe directia razelor solare, energia absorbita este aproape constanta în cursul zilei. Tehnologia utilizata la fabricarea acestui tip de panou este asemanatoare celei de la centralele termice cu jgheaburi parabolice. Elementul absorbant. Elementul absorbant trebuie sa capteze cât mai bine radiatia solara, atât cea directa cât ai cea difuza, si sa o transforme în caldura. În acelasi timp caldura cedata sub forma de radiatie sa fie cât se poate de mica. În termeni tehnici aceasta înseamna ca trebuie sa se comporte selectiv fata de lungimile de unda corespunzatoare celor doua procese.În tarile cu clima mai calda se întrebuinteaza adeseori componente acoperite doar cu asa numitele lacuri solare. Aceste lacuri sunt foarte rezistente la caldura si de regula sunt de culoare neagra pentru ca gradul de absorbtie sa fie cel mai mare posibil pentru radiatia solara. În acelasi timp aceste lacuri au un nivel destul de înalt de emisie în zona de mijloc a radiatiei infrarosii si ca urmare o parte a caldurii captate va fi emisa din nou.Pentru a reduce la minimum pierderile de energie, se va acoperi partea absorbanta cu un strat foarte selectiv. Astfel se pot obtine coeficienti de absorbtie de 94% în banda de 0,4 ... 0,8 µm lungime de unda si coeficienti de emisie de 6% pentru lungimea de unda de 7,5 µm corepunzatoare radiatiei proprii a materialului absorbant. Una din primele acoperiri cu materiale cu absorbtie selectiva, utilizabila în productia în serie, a fost acoperirea cu crom. Acesta se aplica pe suprafetele de aluminiu sau cupru prin procedeu galvanic. Pe suprafata metalului apar firicele de crom care capteaza între ele razele de lumina, dar datorita marimii lor reduse nu permit emiterea de lungimi de unda mai mari. O modalitate elaborata dar care însa nu a mai fost pusa în fabricatie a avut ca baza acoperirea cu nichel. Pâna prin anul 1977 procedeul de cromare era dominant pe piata. Între timp au aparut noi modalitati de acoperire cu strat absorbant care permit obtinerea de randamente mai mari pe de o parte, si prin renuntarea la procesele galvanice sunt mai ecologice din punct de vedere al productiei si reciclarii pe de alta parte. Actualmente cel mai extins procedeu este cel de depunere în atmosfera de gaz inert a unui strat de titan de culoare albastra (procedeul PVD), care cu toate ca în comparatie cu negrul din cazul acoperirii cu crom are un coeficient de absorbtie mai mic, prezinta o emisie mult mai slaba si ca atare un randament total mai mare. Primele acoperiri de acest tip s-au elaborat în Germania si au fost lansate pe piata de catre TiNOX GmBH[2]. Teoretic se pot obtine si alte culori ale stratului de acoperire, care însa nu au acelasi randament. O alta tehnologie a fost elaborata în anii 90 de catre firma Interpane [3] care creeaza o structura de ceramica cu metal (probabil tot pe baza de titan) care straluceste într-un ton de negru-albastrui. Cele doua procedee de acoperire, pâna mai recent, erau posibile doar pe suprafete de cupru, pentru aluminiu tehnici corespunzatoare au aparut doar de putin timp pe piata. Chiar si în acest caz pentru transportul caldurii cu ajutorul agentului termic se utilizeaza conducte de cupru care se racordeaza prin sudare laser cu partea absorbanta. Pe lânga materialul de acoperire utilizat, producatorii se disting si prin forma de realizare a partii absorbante. Frecvente sunt solutiile ce utilizeaza o placa metalica ce acopera toata suprafata interioara a panoului. În acest caz conducta este sudata/lipita în forma de harfa sau serpentina pe spatele placii. Pe lânga aceasta exista constructii pe baza de benzi de cca 10-15cm latime pe reversul carora se afla câte o conducta sudata. Benzile sunt racordate prin sudura la cele doua capete la o conducta colectoare. O a treia forma este asemanatoare unei perne, pe spatele placii absorbante fiind sudata o a doua placa formata prin stantare. Agentul termic circula printre cele doua placi. În principiu prima varianta de realizare prezinta eficienta cea mai mare. Dar pentru ca producatorii, la început au putut utiliza noile procedee de obtinere a straturilor foarte selective doar în cazul placilor de cupru cu dimensiuni limitate, mai ales în cazul modelelor mai vechi a fost posibila utilizarea doar a benzilor. Între timp noile tehnologii permit fabricarea de placi de pâna la 1200mm latime, ceea ce asigura o mai mare flexibilitate în variantele de fabricatie. În schimb utilizarea benzilor pe de o parte face posibila doar asamblarea în forma de harfa, pe de alta parte permite adaptarea mai usoara la forma acoperisurilor (panouri cu dimensiuni la cerere). Utilizari. Principiul termosifon. Schema simplificata de prepararea apei calde menajere cu panou solar. 1. Panou solar; 2. Comanda; 3. Pompa; 4. Vas de presiune; 5. Rezervor de apa; 6.Sursa de caldura complementara. Panoul solar este componenta principala a unei instalatii termice solare si pâna în anul 2002 a fost utilizat îndeosebi pentru prepararea de apa calda, iar recent îsi gaseste aplicare si în furnizarea energiei necesare încalzirii cladirilor. Daca este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura încalzirea cladirii numai cu energie solara.Vehicularea energiei termice între panoul solar si locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fara utilizarea unei surse de energie externa. În primul caz avem de a face cu sisteme ce utilizeaza pompe actionate electric, sisteme de reglare automata, etc., în al doilea caz se utilizeaza principiul termosifon bazat pe diferenta de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa calda se ridica, pe când cea rece coboara, în acest caz rezervorul trebuie sa se gaseasca deasupra panoului solar. Adesea panoul solar si rezevorul constituie un bloc comun. Cele mai cunoscute si frecvente utilizari ale panourilor solare termice este în prepararea apei calde menajere. La montarea corespunzatoare a panourilor si a rezervorului, în Europa Centrala se poate asigura apa necesara pentru spalat si baie pe o perioada de cca o jumatate de an (sezonul de vara). Teoretic se poate asigura caldura necesara consumului casnic pe parcursul întregului an, dar în acest caz este nevoie de o suprafata mai mare acoperita cu panouri, rezultând un exces de apa calda pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investitiei semnificativ mai mare va fi redus si nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, pacura, lemn, etc.) sau electricitate devenind nerentabil. Panouri dimensionate economic, pot înlocui sau completa sursele de energie termica într-un procent suficient de mare contributia la prepararea apei calde variind între 30% si 100% raportat la un an întreg. Primele suprafete mari acoperite cu panouri solare termice au aparut dupa criza petroliera din anii 70 fiind utilizate la încalzirea apei din bazinele de înnot publice si private. Instalarea de panouri solare termice a primit un impuls suplimentar în Germania datorita sprijinului guvernamental federal si al landurilor. Chiar si procese industriale utilizeaza energia termica solara. Un exemplu în acest sens îl prezinta încalzirea biomasei în procesul de preparare al biogazului. Daca instalatiiile cu panouri solare se racordeaza si la intalatiile de încalzire, se poate contribui si la reducerea costului cu încalzirea cu pâna la câteva zeci de procente. În cazul unei exigente mai mari la întregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezoniera a caldurii ceea ce va permite acumularea de suficienta energie calorica pentu a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de caldura, în cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficienta de apa sau pietris (cca. 20T) din mijlocul cladirii sau subsolul acesteia. Amortizarea unei instalatii solare termice pentru producerea apei calde este posibila în cca 8 ani în conditiile unei constructii optimale, a unei utilizari rationale si a existentei unui sprijin din partea statului la tendintele actuale de pe piata combustibililor fosili. Producatorii livreaza panourile solare termale cu o durata de viata previzibila de cca. 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar daca instalatia a fost necorespunzator proiectata, respective utilizata.Pentru a dispune de apa calda suficienta si în zilele ploioase panourilor solare li se ataseaza din constructie un rezervor special de apa calda cu schimbator de caldura care în functie de numarul de membri de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru cladirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorita marimii au o utilizare aproape continua, putând avea un termen de amortizare mai redus, se contruiesc rezervoare de stocare a caldurii industriale dimensionate corespunzator consumului. În rezervoarele obisnuite, circuitul primar al panoului încalzeste doar jumatatea de jos a acestuia, apa calda ridicându-se datorita convectiei si temperatura ajungând pâna la valoarea admisa de 95 grade C. Considerente economice Panourile solare transforma energia radiatiei solare în caldura atunci când aceasta cade pe suprafata de absorbtie Pentru a obtine o temperatura de 40-60 °C în rezervor, este necesar ca în panou sa se atinga cel putin 65 °C. Daca panoul solar este montat în circuit doar pentru a preîncalzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatura pot fi mai mici. Izolarea termica împiedica schimbul de caldura între doua medii. Scopul si locul instalarii sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficientei în exploatare si ca urmare al economicitatii instalatiei. Cele de mai sus au o greutate considerabila în analiza economicitatii utilizarii panourilor solare termice unde întrebarea de baza se refera la recuperarea investitiei. Tendinta este de a utiliza capacitatea panourilor la maximum fara perioade de mers în gol. Pentru prepararea apei calde menajere de exemplu, este nevoie sa se cunoasca nevoia zilnica de apa calda. În acest caz este bine ca instalatia sa se dimensioneze la 70% din necesarul de energie din cauza diferentelor de capacitate în functie de anotimp. Daca se dimensioneaza la o capacitate de 100% din energia necesara iarna, în vara vom avea un exces de apa calda care nu se poate utiliza, deci o suprafata de panou neutilizata în care s-a investit. Daca se dimensioneaza rezervorul astfel încât sa stocheze toata energia calorica produsa, apar pierderile în timp datorita izolatiei imperfecte a acestuia. Rezulta ca atât din punct de vedere economic cât si ecologic, este rational sa se apeleze la un sistem hybrid care combina panourile solare cu sisteme clasice de încalzire. |
