Majorarea Eficientei Conversiei Radiatiei Solare In Energie Termica In Colectoarele Termice Plane

Majorarea eficienței conversiei radiației solare în energie termică în colectoarele termice plane

CUPRINS

ADNOTARE

În scopul limitării dependenței față de importul resurselor energetice, pe teritoriul Moldovei, au fost efectuate studii și cercetări în domeniul utilizării surselor de energie regenerabilă (SER), în urma cărora, s-a concluzionat faptul că în prim plan este situată energia solară, care la rîndul său cu ajutorul colectoarelor solare este folosită în scopul preparării apei calde menajere, încălzirii încăperilor și îmbunătățirii climatului interior.

Urmărind modelele existente de colectoare solare, putem menționa că pînă la moment, pe scară largă rămîn a fi utilizate colectoarele plane, datorită prețului mai scăzut. Motiv pentru care ne-am propus cercetarea mai în detaliu a acestor tipuri de colectoare.

Parametrul principal de apreciere a calității colectoarelor solare plane, fiind randamentul conversiei energiei solare în energie termică, la rîndul său, influiențat de parametrii constructivi ai colectorului, cît și de mărimea și modul de variație a radiației solare. Acesta, ne-a orientat spre cercetarea soluțiilor pentru majorarea eficienței conversiei radiației solare în energie termică, cît și identificarea unor soluții noi de fabricare, caracterizate prin eficiență ridicată, costuri reduse, fiabilitate, adaptabilitate la condițiile de implementare.

Prin urmare, optimizarea randamentului, efectuată pe baza parametrilor constructivi identificați ca parametri principali și parametri secundari, a condus la o îmbunătățire a randamentului colectorului solar de referință cu peste 2%.

Memoriul explicativ este expus pe 92 foi, 56 figuri, 19 tabele.

ADNOTATION

In order to limit dependence on import of energy resources in Moldova, were conducted studies and research into renewable energy sources (RES), following which it was concluded that the foreground is located solar energy, which in turn using its solar collectors is used in order to prepare hot water, room heating and improving indoor climate.

Following existing models of solar collectors, we can mention that until now, remain to be widely used flat plate collectors, because of lower prices. Which is why we proposed research in more detail these types of collectors.

The main parameter for assessing the quality flat solar collectors, solar energy conversion efficiency in the heat, in turn, influenced the design parameters of the collector, as well as the amount and variation of solar radiation. This, we research oriented solutions to increase the conversion efficiency of solar radiation into heat energy, as well as identifying new solutions for manufacturing, characterized by high efficiency, low cost, reliability, adaptability to implementation.

Therefore, to optimize yield, carried out on the basis of constructive parameters identified as key parameters and secondary parameters, leading to an improvement in the efficiency of the solar collector of the reference by more than 2%.

Explanatory Memorandum is exposed on 92 sheets, 56 figures, 19 tables.

LISTA ABREVIERILOR

INTRODUCERE

Schimbările climatice din ultimii ani constituie o problemă stringentă în toată lumea. Utilizarea ineficientă a resurselor energetice fosile reprezintă una din sursele principale de poluare a mediului, ca urmare efectele negative ale acestora sunt tot mai evidente.

Încă din vremuri străvechi omenirea a avut o mare nevoie de sursele de energie primare cu care ne-a înzestrat natura. Odată cu trecerea timpului dependența omenirii de sursele primare de energie a devenit din ce în ce tot mai acută. Începînd cu a doua jumătate a secolului al XIX-lea, omenirea a început a folosi drept sursă de energie produsele petroliere, extragerea cărora a crescut considerabil către începutul secolului al XXI-lea.

În prezent, cei șase miliarde de locuitori ai planetei noastre consumă anual echivalentul în petrol a zece miliarde de tone și această necesitate energetică se estimează că va crește mai repede decît fenomenul demografic [1].

Există diverse păreri, precum și cifre despre volumul resurselor fosile încă existente pe Terra, precum și despre perioada pentru care aceste resurse o să fie deajuns pentru a îndestula necesitățile energetice.

Astfel potrivit [2], care citează [3] la data de 1 ianuarie 2011 rezervele demonstrate de petrol se estimează la 1471 mlrd. barili, ceea ce constituie cu 115 mlrd. barili, sau cu 6 % mai mult decît a fost estimat anterior în 2010. Conform aceluiași „Oil&Gas Journal” , 51 % din rezervele demonstrate de petrol globale se localizează în Orientul Mijlociu (OCDE – Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică).

Astfel aproximativ 79 % din rezervele mondiale de petrol sunt concentrate în 8 state ale lumii, dintre care doar 2 – Canada și Rusia nu sunt membre OPEC – Organizația Mondială a Exportatorilor de Petrol.

Cea mai mare creștere a rezervelor de petrol demonstrate în 2011 a fost înregistrată în Venezuela, care și-a mărit rezervele de petrol cu 113 mlrd. barili, atingînd cifra totală de 211,2 mlrd. barili.

O altă componentă importantă a combustibililor fosili este și gazul natural. Rezervele de gaze naturale estimate au crescut cu apx. 50 % în ultimii 20 de ani. Astfel conform [3] la data de 01.01.2011 rezervele globale demonstrate de gaze naturale atingeau cifra de 189036 mlrd. m3 , ceea ce constituie cu 1869,12 mlrd. m3, sau cu 1 % mai mult decît cele estimate în 2010.

Creșterea rezervelor de gaze naturale globale estimate se datorează revizuirii rezervelor din Egipt, acestea crescînd cu 529,58 mlrd. m3, și atingînd în 2011 cifra de 2186,3 mlrd. m3. Deasemenea creșteri în ceea ce privește rezervele estimate de gaze naturale în 2011 au fost sesizate în așa state ca Turkmenistan și Australia. În Turkmenistan rezervele au crescut de la 2662,08 mlrd.m3 pînă la 7504,8 mlrd.m3, iar în Australia de la 2265,6 mlrd.m3 pînă la 3115,2 mlrd. m3.

Aproximativ ¾ din rezervele de gaze naturale globale sunt concentrate în Orientul Mijlociu, iar țările ca Rusia, Qatar și Iran împreună însumează apx.54 % din aceste rezerve la data de 01.01.2011.

Astfel dacă aceste resurse de gaze naturale sunt raportate către producția de gaze naturale anual, atunci conform [2], pentru întreg globul pămîntesc aceste resurse ar fi deajuns pentru 60,2 ani, pentru America de Sud și Centrală această cifră este de 51,6 ani, pentru Rusia 82 ani, Africa 64,7 ani. Pentru Orientul Mijlociu acest raport va rezulta într-o perioada mai mare de 100 de ani.

Cea din urmă resursă analizată, dar de o importanță la fel de mare este cărbunele. Cu toate că cu ceva timp în urmă se spunea că era cărbunelui a fost perioada începutului sec.XX, pentru ca mai apoi să fie preferate petrolul și gazele naturale, în ultima perioadă sa intensificat atenția către acest combustibil. Acest fapt se datorează intensificării problemei epuizării resurselor energetice, cît și faptului că au apărut noi tehnologii de utilizare a acestui combustibil, cu mult mai „prietenoase” pentru mediul ambiant.

Astfel conform datelor [2] rezervele de cărbune sunt estimate la 948 mlrd. tone , sau fiind raportate către producerea momentană acestea ar fi deajuns pentru încă 126,3 ani. Istoric volumul resurselor de cărbune a fost unul destul de constant, cu toate că acesta a cunoscut o reducere graduală de la 1145 mlrd. tone în 1991, pînă la 909 mlrd. în 2008. Cu toate acestea volumul rezervelor la momentul actual a crescut pînă la 948 mlrd. tone. Această din urmă creștere se datorează unui așezămînt de lignit de 39 mlrd. tone descoperit în Germania.

Cu toate că zăcămintele de cărbune sunt distribuite pe întreg globul pămîntesc, 79 % din volumul total al zăcămintelor de cărbune se găsesc în 5 regiuni: SUA – 27 %, Rusia – 18 % , China – 13 %, Europa (țările non – OCDE) și Eurasia (cu excepția Rusiei) – 11 %, Australia și Noua Zeilandă – 9 %. În 2008 aceste 5 regiuni împreună au extras (produs) 5,4 mlrd. tone.

Începînd cu anul 1970, țările care aveau o rată înaltă de dezvoltare, au început să devină tot mai dependente de sursele neregenerabile de energie. Această tendință a contribuit la o deteriorare rapidă a situației energetice, care a culminat cu prima criză petrolieră, punînd în evidență două aspecte importante [4]:

– nivelul eficienței energetice existente la acea dată, care a determinat o dublare a consumului de energie pe cap de locuitor la fiecare 10 ani;

– necesitatea protecției mediului înconjurător prin limitarea consumului de energie, respectiv a noxelor asociate acestui proces.

Dintr-o perspectivă strict ecologică, indispensabilă analizei acestei probleme, apare o nouă dilemă, cea de limitare a emisiilor de gaze care provoacă efectul de seră, în condițiile în care activitățile industriale continuă să determine dereglări importante ale climei.

Către finele mileniului doi civilizația umană a devenit mult mai preocupată de consecințele impactului sectorului energetic asupra sănătății umane și mediului ambiental, precum și de necesitatea restabilirii ,,echilibrului durabil”. Se știe că producerea energiei, în continuare, prin folosirea tehnologiilor tradiționale poate avea consecințe fatale pentru umanitate. La nivel planetar, se întreprind măsuri de stopare a poluării atmosferei, de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră, pentru combaterea schimbărilor climatice.

Drept soluție pentru combaterea acestui impas sunt sursele de energie regenerabilă, care în prezent capătă o răspîndire tot mai mare. Prin „energie alternativă sau regenerabilă“ se înțelege energia derivată dintr-un larg spectru de resurse, toate avînd capacitatea de a se reînnoi, ca, de exemplu, energia hidraulică, solară, eoliană, geotermală și din biomasă. Aceste resurse de energie pot fi utilizate pentru generarea de energie electrică în toate sectoarele de activitate, pentru generarea de energie termică necesară proceselor industriale și încălzirii locuințelor și producerea de combustibili necesari transporturilor.

Consumul total de energie în anul 2010 s-a majorat, după scăderea acestuia în anul 2009, însă sursele de energie regenerabilă, nu au fost afectate de scăderea consumului în 2009. Astfel sursele de energie regenerabile au înregistrat o creștere puternică în toate domeniile de aplicare – energie electrică, termică și transport, și au generat aproximativ 16 % din consumul de energie finală la nivel global [5].

În momentul de față omenirea își acoperă necesarul de energie primară în proporție de circa 85% din cărbune, petrol și gaze naturale, resurse epuizabile și poluante, în special prin emisiile de gaze cu efect de seră, care reprezintă principala cauză a schimbărilor climatice. Energia hidro nu acoperă mai mult de 7% din energia primară, iar energia nucleară nu depășește 6.5%. Deoarece pe termen scurt și mediu nu se întrevede o creștere importantă a ponderii marilor amenajări hidro și a energiei nucleare, singurele energii a căror pondere poate și trebuie să crească masiv în anii ce vin sunt energiile regenerabile.

Astfel, Directiva Uniunii Europene privind energia din surse regenerabile, adoptată în anul 2009, stabilește ținte obligatorii pentru energia din surse regenerabile, concentrîndu-se pe atingerea unei ponderi de 20% a energiei din surse regenerabile în mixul energetic general al UE pînă în 2020 [6]. Contextul energetic mondial, conduce către o preocupare intensă în domeniul energiilor neconvenționale. Dintre acestea, energia solară ocupă un loc important. Energia solară poate fi captată și transformată fie în energie electrică prin utilizarea tehnologiilor fotovoltaice, fie în energie termică, prin utilizarea diferitelor tipuri de panouri solare termice.

În același context, aportul surselor de energie regenerabilă în producția globală de energie are o creșterea semnificativă în ultimii ani, începuturile utilizării pe scară largă a acestor surse fiind materializate prin adoptarea Convenției Cadru a Organizației Națiunilor Unite despre schimbările climaticeclimatice (Kyoto, 1997), prin care, cele 160 de state semnatare, s-au angajat să reducă emisiile de dioxid de carbon cu 5% în perioada 2008 – 2012, față de nivelul din 1990. Un impuls major în creșterea aportului surselor regenerabile de energie, în general și a sistemelor solar-termice în special, în producția de energie a Uniunii Europene, îl constituie semnarea în martie 2007 de către șefii de state și de guverne din UE27 a documentului cadru care impune atingerea obiectivului de 20% aport al energiei regenerabile în cadrul energiei totale utilizate de către fiecare stat membru UE, pînă în anul 2020. În concordanță cu acest obiectiv, prin European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) s-a stabilit ca pînă în 2020, 50% din energia utilizată pentru încălzire/răcire să fie obținută din sisteme solar termice.

Reieșind din Balanța energetică pe anul 2013, Republica Moldova importă circa 95% din resursele energetice necesare pentru acoperirea cererii de energie. Acest fapt determină vulnerabilitatea extremă a țării în ceea ce privește securitatea energetică și stabilitatea economică. Mai mult ca atît, țara este în mare măsură dependentă de o singură resursă principală de energie, din moment ce gazului natural îi revine o cotă de aproximativ 60% din consumul total de energie. Respectiv, lipsa resurselor energetice locale pune la încercare securitatea energetică a consumatorilor din Moldova.

Reieșind din informația deținută de Agenția pentru Eficiența Energetică, la momentul actual, pe teritoriul R. Moldova sunt montate panouri solare pentru producerea energiei termice cu o suprafață de cca. 1500 m2, ceea corespunde unui volum de energie de cca. 0.17 ktep.

Pentru a răspunde provocărilor creșterii prețului energiei, dependenței de importul de resurse energetice și impactului sectorului energetic asupra schimbărilor climatice, în ultimii ani au fost elaborate și aprobate un șir de acte legislative și normative care pun în prim plan valorificarea și utilizarea surselor de energie regenerabilă (SER), printre care:

Legea nr. 160 din 7 iulie 2007 energiei regenerabile;

Legea nr. 142 din 2 iulie 2010 cu privire la eficiența energetică;

Programul Național de Eficiență Energetică 2011-2020 aprobat prin Hotărîrea Guvernului nr. 833 din 10 noiembrie 2011;

Strategia Energetică a Republicii Moldova pînă în anul 2030, adoptată prin Hotărîrea Guvernului nr. 102 din 5 februarie 2013;

Planul Național de Acțiuni în Domeniul Eficienței Energetice pentru anii 2013-2015, aprobat prin Hotărîrea Guvernului nr. 113 din 7 februarie 2013;

Planul național de acțiuni în domeniul energiei din surse regenerabile pentru anii 2013-2020, aprobat prin Hotărîrea Guvernului nr. 1073 din 27 decembrie 2013;

Astfel, principalele obiective de economisire a energiei din legislația existentă cu privire la eficiența energetică și utilizarea surselor de energie regenerabilă au fost rezumate în tabelul 1.

Tabelul 1. Rezumatul obiectivelor de economisire a energiei în cadrul documentelor de politici la nivel național

Totodată, merita de menționat ca energia solară este una din formele cele mai răspîndite, deoarece se întîlnește practic peste tot, problema fiind doar în găsirea tehnologiilor corespunzătoare de conversie a acesteia. Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pămînt depinde, într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Utilizarea surselor de energie regenerabilă a impus dezvoltarea continuă a tehnologiilor de fabricare și implementare a sistemelor de conversie a energiei regenerabile în vederea identificării unor soluții caracterizate prin eficiență ridicată, costuri reduse, fiabilitate, adaptabilitate la condițiile de implementare.

Parametrul principal de apreciere a calității colectoarelor solare plane este eficiența acestora, exprimată prin randamentul conversiei energiei solare în energie termică. Acesta este influențat esențial atît de parametrii constructivi ai colectoarelor solare, cît și de mărimea și modul de variație al radiației solare pentru o locație geografică cunoscută. De aceea, este necesară corelarea parametrilor specifici soluțiilor constructive cu datele specifice locației geografice în care colectorul este implementat, în vederea asigurării unui randament optim.

În acest sens, prezenta teză de masterat își propune ca scop identificarea soluțiilor pentru majorarea eficienței conversiei radiației solare în energie termică în colectoarele solare termice plane.

Obiectivul principal al lucrării este îmbunătățirea parametrilor specifici construcției colectoarelor solare pentru asigurarea unui randament înalt al colectoarelor solare în condițiile specifice locației de implementare.

În vederea atingerii scopului sus menționat, în lucrare sunt urmărite următoarele obiective:

Reducerea consumului de combustibil fosil;

Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES);

Definirea randamentului colectoarelor solare plane și analiza influenței parametrilor caracteristici asupra mărimii randamentului, cu selectarea acestora în parametri principali (cu influență majoră) și secundari (cu influență neglijabilă) în condiții de radiație standard;

Îmbunătățirea construcției colectoarelor solare plane existente, funcție de parametrii principali în condiții de radiație solară standard;

Conceperea și dezvoltarea unui nou colector solar plan cu randament înalt;

Îmbunătățirea pe cale experimentală a construcției colectoarelor solare plane.

Atingerea obiectivului principal s-a realizat prin rezolvarea unor obiective operaționale, pe baza cărora s-a formulat tematica capitolelor prezentei teze:

Capitolul 1: este destinat stadiului actual în domeniul colectoarelor solare termice, prezentării succinte a tipurilor colectoarelor solare în dependență de clasificarea colectoare lor, inclusiv și elementele constructive a colectoarelor solare plane.

Capitolul 2: se analizează colectoarele solare plane utilizate în practică la momentul actual, factorii care influențează schimbul de căldură în colectorul solar plan, metodica de calcul a sarcinii termice a colectoarelor solare plane, cît și metodele de calcul a parametrilor.

Capitolul 3: se prezintă studiile și cercetările efectuate pentru îmbunătățirea randamentului colectoarelor solare plane, forma analitică a randamentului, influența parametrilor colectorului solar plan asupra randamentului, îmbunătățirea randamentului pe baza unora dintre parametrii constructivi identificați anterior ca avînd influență sensibilă asupra mărimii randamentului.

La fel sunt prezentate restricțiile impuse în procesul de îmbunătățire a randamentului colectoarelor solare plane, cît și programul de calcul utilizat pentru maximizarea funcției randamentului și determinarea valorilor parametrilor principali ai colectorului solar plan, folosit la studiul de îmbunătățire a randamentului colectorului.

Structural lucrarea este alcătuită din introducere, trei capitole, concluzii, bibliografie.

Prin urmare, cercetarea soluțiilor pentru majorarea eficienței conversiei radiației solare în energie termică, în colectoarele solare termice plane, va permite identificarea unor soluții noi de fabricare, caracterizate prin eficiență ridicată, costuri reduse, fiabilitate, adaptabilitate la condițiile de implementare.

1 TIPURILE COLECTOARELOR SOLARE, CLASIFICAREA ȘI ELEMENTELE CONSTRUCTIVE A COLECTOARELOR SOLARE PLANE

1.1 Colectoarele solare

Sistemele de încălzire solare sunt foarte utile și au prins o dezvoltare deosebită la momentul actual. Ele au o serie de avantaje nete, ce pot fi utilizate în scopul acoperirii sarcinii termice pentru încălzire și alimentarea cu apă caldă menajeră [7]. Sistemele solare reprezintă un pas important în direcția micșorării consumurilor de surse de energie fosilă.

Principalele tipuri de colectoare solare folosite în aplicațiile obișnuite sunt colectoarele plane si cele cu tuburi vidate. Colectoarele plane s-au folosit pe scară largă datorită prețului mai scăzut. Colectoarele cu tuburi vidate – mai scumpe dar mai performante se utilizează de mai bine de douăzeci de ani. În ultima vreme prețurile au devenit accesibile datorită seriilor mari de fabricație și a avansului tehnologic.

Spre deosebire de panourile solare fotovoltaice, un colector solar, (captator solar, panou solar termic) este o instalație ce captează energia solară conținută în razele solare și o transformă în energie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiației solare este utilizat pentru producerea de energie termică, randamentul acestor colectoare este ridicat fiind în jur de 60 % – 75 % raportat la energia razelor solare.

Scurt istoric

Concentrarea luminii solare s-a utilizat pentru a realiza lucruri utile încă din timpul Chinei antice. O legendă spune că Arhimede a utilizat lumina soarelui concentrată pe o "oglindă cu care a dat foc" flotei romane invadatoare, îndepărtînd-o astfel de Siracusa. In 1973 un savant grec, Dr. Ioannis Sakkas, a avut curiozitatea să vadă dacă Arhimede ar fi putut într-adevăr să distrugă flota romană în 212 ÎC și a aliniat aproape 60 de marinari greci, fiecare ținînd în mîini o oglindă ovală înclinată, astfel încît să capteze razele de soare și să le direcționeze către o siluetă din placaj situată la 160 picioare depărtare. Corabia a luat foc după cîteva minute, totuși istoricii continuă să se îndoiască de povestea lui Arhimede.

In 1866, Auguste Mouchout a utilizat un jgheab parabolic pentru a produce abur pentru primul motor cu abur produs cu ajutorul energiei solare. Primul patent pentru un Colector Solar a fost obținut deitalianul Alessandro Battaglia din Genova, Italia, in 1886. În ani următori, inventatori cum ar fi John Ericsson și Frank Shuman au realizat dispozitive pentru irigații, refrigerare și transport care funcționează cu energie obținută prin concentrarea energiei solare. In 1913 Shuman a realizat o centrală termoelectrică de 55 HP prin concentrarea energiei solare cu sisteme parabolice în Meadi, Egipt, utilizată la irigații.

Un alt genovez, Profesorul Giovanni Francia (1911–1980), a proiectat și a construit prima centrală solară cu concentrare care a intrat în funcțiune în Sant'Ilario, lîngă Genova, Italia în 1968. Această instalație are arhitectura centralelor solare cu concentrare actuale, cu un receptor solar în centrul unui cîmp de colectoare solare. Instalația putea să producă 1 MW cu abur supraîncălzit la 100 bari și la 500 grade Celsius. În California de sud s-a realizat o centrală solară de 10 MW cu un turn solar construit în 1981, dar tehnologia cu cuvă parabolică a Sistemelor generatoare de energie pe baza energiei solare (SEGS) din apropiere care a început în 1984, a fost mult mai ușor de dezvoltat. SEGC de 354 MW este încă cea mai mare centrală solară din lume.

Principiu de funcționare

Din punct de vedere funcțional, componenta principală a colectorului solar este elementul absorbant care transformă energia razelor solare în energie termică și o cedează unui agent termic (apă, antigel). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluată de la colector și este fie stocată, fie utilizată direct (ex. apă caldă de consum).

Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o izolare termică a elementului absorbant de mediul înconjurător. În funcție de tehnica utilizată în acest scop se deosebesc:

colectoare ce utilizează materiale izolatoare obișnuite;

colectoare în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricație costisitoare;

colectoare ce se bazează pe tehnici simple și care se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

Utilizări

Colectorul solar este componenta principală a unei instalații termice solare și pînă în anul 2002 a fost utilizat îndeosebi pentru prepararea de apă caldă, iar recent își găsește aplicare și în furnizarea energiei necesare încălzirii clădirilor. Dacă este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura încălzirea clădirii numai cu energie solară.

Vehicularea energiei termice între colectorul solar și locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fără utilizarea unei surse de energie externă. În primul caz avem de-a face cu sisteme ce utilizează pompe acționate electric, sisteme de reglare automată etc., în al doilea caz se utilizează principiul termosifon bazat pe diferența de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa caldă se ridică în sus, pe cînd cea rece coboară. Altfel decît la încălzire centrală funcționînd pe același principiu, în acest caz rezervorul trebuie să se găsească deasupra colectorului solar. Adesea colectorul solar și rezervorul constituie un bloc comun.

Cele mai cunoscute și frecvente utilizări ale colectoarelor solare este în prepararea apei calde menajere. La montare corespunzătoare a colectoarelor și a rezervorului, în Europa Centrală se poate asigura apa necesară pentru spălat și baie pe întreg pe o perioadă de cca. o jumătate de an (sezonul de vară). Teoretic se poate asigura căldura necesară consumului casnic pe parcursul întregului an, dar în acest caz este nevoie de o suprafață mai mare acoperită cu colectoare, rezultînd un exces de apă caldă pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investiției semnificativ mai mari va fi redus și nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, păcură, lemn etc.) sau electricitate devenind nerentabil. Colectoare dimensionate economic, pot înlocui sau completa sursele de energie termică într-un procent suficient de mare contribuția la prepararea apei calde variind între 30 % și 100 % raportat la un an întreg.

Primele suprafețe mari acoperite cu colectoare solare au apărut după criza petrolieră din anii 70 fiind utilizate la încălzirea apei din bazinele de înot publice și private. Instalarea de colectoare solare a primit un impuls suplimentar în Germania datorită sprijinului guvernamental federal și celui al landurilor. Chiar și procese industriale utilizează energia termică solară. Un exemplu în acest sens îl prezintă încălzirea biomasei în procesul de preparare al biogazului.

Dacă instalațiile cu colectoare solare se racordează și la instalațiile de încălzire, se poate contribui și la reducerea costului cu încălzirea cu pînă la cîteva zeci de procente. În cazul unei exigențe mai mari la întregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezonieră a căldurii ceea ce va permite acumularea de suficientă energie calorică pentru a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de căldură, în cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficientă de apă sau pietriș (cca. 20 t) din mijlocul clădirii sau subsolul acesteia.

Amortizarea unei instalații solare pentru producerea apei calde este posibilă în cca. 8 ani în condițiile unei construcții optime, a unei utilizări raționale și a existenței unui sprijin din partea statului la tendințele actuale de pe piața combustibililor fosili. Producătorii livrează colectoare solare cu o durată de viață previzibilă de cca. 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar dacă instalația a fost necorespunzător proiectată, respective utilizată.

Pentru a dispune de apă caldă suficientă și în zilele ploioase colectoarelor solare li se atașează din construcție un rezervor special de apă caldă cu schimbător de căldură care în funcție de numărul de membri de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru clădirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorită mărimii au o utilizare aproape continuă, putînd avea un termen de amortizare mai redus, se construiesc rezervoare de stocare a căldurii industriale dimensionate corespunzător consumului. În rezervoarele obișnuite, circuitul primar al colectorului încălzește doar jumătatea de jos a acestuia, apa caldă ridicîndu-se datorită convecției și temperatura ajungînd pînă la valoarea admisă de 95 °C.

Considerente economice

Colectoarele solare transformă energia radiației solare în căldură atunci cînd aceasta cade pe suprafața de absorbție

Pentru a obține o temperatură de 40-60 °C în rezervor, este necesar ca în colector să se atingă cel puțin 65 °C. Dacă colectorul solar este montat în circuit doar pentru a preîncălzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatură pot fi mai mici.

Izolarea termică împiedică schimbul de căldură între două medii.

Scopul și locul instalării sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficienței în exploatare și ca urmare al economicității instalației.

Cele de mai sus au o greutate considerabilă în analiza economicității utilizării colectoarelor solare unde întrebarea de bază se referă la recuperarea investiției. Tendința este de a utiliza capacitatea colectoarelor la maximum fără perioade de mers în gol.

Pentru prepararea apei calde menajere de exemplu, este nevoie să se cunoască nevoia zilnică de apă caldă. În acest caz este bine ca instalația să se dimensioneze la 70 % din necesarul de energie din cauza diferențelor de capacitate în funcție de anotimp. Dacă se dimensionează la o capacitate de 100 % din energia necesitată iarna, în vară vom avea un exces de apă caldă care nu se poate utiliza, deci o suprafață de colector neutilizată în care s-a investit. Dacă se dimensionează rezervorul astfel încît să stocheze toată energia calorică produsă, apar pierderile în timp datorită izolației imperfecte a acestuia. Rezultă că atît din punct de vedere economic cît și ecologic, este rațional să se apeleze la un sistem hibrid care combină colectoarele solare cu sisteme clasice de încălzire.

1.2 Tipuri de colectoare solare

1.2.1 Colectoarele solare termice plane

Colectoare plane cunoscute sub numele de panouri solare (v.figura1.1), sunt formate dintr-un registru de capilare fabricate dintr-un metal termoconductor (cupru, în general) cu aripioare din tablă tratata selectiv pentru creșterea suprafeței de captare. Tot acest ansamblu este așezat într-o cutie plată, bine izolată termic. Această cutie are un transparent peret, fabricat de regula din sticlă cu transparență ridicată la radiația infraroșie. Suprafața de captare este acoperită cu un strat selectiv care facilitează absorbția radiației solare și limitează în același timp reflexia acesteia. La suprafețele de captare echivalente, eficiența acestui tip de colectoare solare este mai redusă față de colectoarele solare cu tuburi vidate, însă și prețul de cost este mai scăzut.

Există asemenea panouri solare în multiple variante constructive. Recent eficiența lor a fost îmbunătățită într-o oarecare măsură prin utilizarea sticlei cu emisivitate redusă și prin umplerea cutiei cu gaz inert.

Avantaje

• construcție simplă, robustă;

• instalare facilă;

• durată lungă de viață;

• funcționează sub presiune;

• cost redus.

Caracteristici tehnice

Corpul colectorului este fabricat din profil de aluminiu protejat prin plastifiere, capacul din spate este fabricat din tablă de oțel galvanizat. Capacul frontal este fabricat din sticlă specială tratată termic, cu conținut scăzut de fier, avînd transmitanță optică ridicată și rezistență bună la șocuri mecanice. Izolația termică a colectorului este realizată din vată minerală bazaltică. Racordurile colectorului sunt fabricate din țeavă de cupru de 22 mm diametru, iar tecile pentru senzor din țeavă de cupru de 12 mm diametru.

Figura 1.1 Colectoare solare termice plane

1.2.2 Colectoarele solare termice cu tuburi vidate

În cazul colectoarelor cu tuburi vidate (v.figura1.2), tuburile vidate constituie elementul cheie al captării energiei solare. Acest sistem este larg utilizat în Germania, Canada, Marea Britanie și China datorită performanțelor tehnice superioare.

Fiecare tub este format din două tuburi concentrice din sticlă borosilicat (cu rezistență mecanică bună și un grad de transparență ridicat), închise la un capăt și sudate între ele la celălalt. Spațiul dintre cele două tuburi se videază iar suprafața exterioară a tubului interior se acoperă cu un strat selectiv cu excelente proprietăți de absorbție a radiației solare (> 96%) și cu o emisivitate foarte redusă (<4%). Căldura este transferată agentului termic sau direct prin intermediul unui tub termic. Vacuum-ul dintre cele două tuburi formează un termos astfel încît exteriorul tubului va fi rece deși temperatura din interior poate ajunge la 160°C. Această proprietate face instalația utilizabilă în climate reci și în condiții de cer acoperit.

Există și alte tipuri de colectoare cu tuburi vidate, dintre acestea amintim colectoarele cu tuburi vidate simple, cu suprafață de absorbție plană. Tuburile de acest tip au în interior un capilar din cupru cu aripioare din tablă tratată selectiv, iar capilarul poate fi un tub termic care transferă căldura absorbită la unul dintre capete, de unde este preluată de agentul termic. Acest tip de tuburi au inerție termică mai redusă și randament ceva mai bun. Cu toate acestea, costul lor ridicat a limitat uzul colectoarelor cu astfel de tuburi la scară largă.

Colectoarele solare de uz general cu tuburi vidate superconductoare se pot folosi în cadrul unor aplicații casnice diverse: la prepararea apei calde menajere, încălzirea spațiilor de locuit, a piscinelor, etc. Domeniul lor de utilizare se extinde dincolo de aplicațiile casnice uzuale. Transferul energiei către agentul termic se realizează indirect, prin intermediul unor tuburi termice. Acestea sunt produse din sticlă borosilicat, avînd o structură tub-în-tub. Spațiul dintre cele două tuburi concentrice este vidat pentru a îmbunătăți proprietățile termoizolante ale tubului din sticlă. Spre deosebire de tuburile vidate obișnuite, aceste tuburi conțin un tub termic cu ajutorul căruia căldura este transmisă agentului termic din colector.

Este de menționat că, tuburile vidate rezistă la impact cu grindină de pînă la 35 mm. Un colector solar are între 12 și 30 de tuburi de 47×1500 mm sau 58×1800 mm, în funcție de model.

Avantaje

• construcție simplă, modulară;

• randament ridicat;

• instalare facilă;

• durată lungă de viață;

• funcționează sub presiune.

Caracteristici tehnice

Corpul colectorului este fabricat din profil de aluminiu protejat prin plastifiere; capacele de la extremitățile acestuia sunt produse din material plastic ABS, rezistent la radiațiile UV. Izolația termică a corpului colectorului este realizată din vată minerală bazaltică. Racordurile colectorului sunt fabricate din țeavă de cupru de 22 mm diametru.

Tuburi vidate superconductoare

Există și colectoare solare cu tuburi vidate și rezervor de apă integrat (v.figura1.3), nepresurizat, cu serpentină, acestea se folosesc la prepararea apei calde menajere. Funcționează pe baza principiului de termosifonare, apa încălzită solar în tuburile vidate ridicîndu-se în rezervor, fiind înlocuită de un volum echivalent de apă mai rece. Căldura este transferată direct apei din rezervor, care umple interiorul tuburilor duble din sticlă. Instalația se racordează la rețeaua de apă prin intermediul unui separator de presiune. Serpentina este folosită pentru încălzirea indirectă a apei menajere, deci circuitul acesteia poate funcționa sub presiune.

Avantaje

• construcție simplă, modulară;

• instalare facilă;

• randament ridicat;

• durată lungă de viață;

• rezervor de acumulare integrat;

• nu necesită pompă de recirculare;

• serpentina funcționează sub presiune.

Caracteristici tehnice

Rezervorul interior este fabricat integral din oțel inoxidabil, exteriorul fiind fabricat din oțel protejat prin plastifiere. Izolația termică a rezervorului este realizată din spumă poliuretanică de 50-60 mm grosime, avînd caracteristici termoizolante foarte bune. Diametrul exterior al rezervorului este de 480 mm. Rezervorul are o capacitate cuprinsă între 200 și 300 de litri, în funcție de model. Racordurile rezervorului sunt fabricate din țeavă de oțel inoxidabil de ½".

Tuburile vidate sunt produse din sticlă borosilicat, avînd o structură tub-în-tub. Spațiul dintre cele două tuburi concentrice este vidat pentru a îmbunătăți proprietățile termoizolante ale tubului din sticlă. Tuburile vidate rezistă la impact cu grindină de pînă la 35 mm. Dimensiunile unui tub vidat pentru instalațiile de tipul P-xx-1800 sunt 1800 mm lungime și 58 mm diametru. Modulele au între 20 și 30 de tuburi, în funcție de model.

Figura 1.2 Colectoare solare termice cu tuburi vidate

Figura 1.3 Colectoare solare termice cu tuburi vidate și rezervor de apă integrat

1.2.3 Colectoarele solare termice cu concentratoare

Sistemele solar-termice cu concentrare (v.figura 1.4), se utilizează pentru a produce căldură și frig, sau pentru a produce energie electrică din energie regenerabilă (denumită termoelectricitate solară, generată de obicei cu ajutorul aburului). Sistemele solar termice utilizează lentile sau oglinzi și dispozitive de urmărire pentru a concentra o suprafață mare de lumină solară pe o suprafață mică. Lumina concentrată se utilizează apoi sub formă de căldură sau sursă de căldură pentru o centrală electrică convențională (termoelectricitate din energie solară).

Există o gamă largă de tehnologii de concentrare, care includ cuva parabolică, farfuria Stirling, reflectorul Fresnel cu concentrare liniară, coș solar și turn solar. Fiecare metodă de concentrare poate să producă temperaturi înalte și corespunzător și eficiente termodinamice mari, dar ele variază în ceea ce privește modul în care urmăresc soarele și concentrează lumina. Datorită noilor inovații ale tehnologiei, concentrarea solar termică devine din ce în ce mai eficientă din punct de vedere al costului.

Cuvă parabolică

O cuvă parabolică este alcătuit dintr-un reflector parabolic liniar care concentrează lumina pe un receptor poziționat de-a lungul liniei focale a reflectorului. Receptorul este un tub poziționat direct deasupra mijlocului oglinzii parabolice și este umplut cu un lichid de lucru. Reflectorul urmărește soarele în timpul zilei prin rotirea în jurul unei singure axe. Un fluid de lucru (de ex. sare topită) se încălzește la 150-350oC (423-623 K (302- 662 F)), deoarece curge prin receptor și este apoi utilizat ca sursă de căldură pentru un sistem care produce energie electrică . Sistemele cu cuvă reprezintă tehnologia termică solară cu concentrare cea mai bine dezvoltată. Sistemele (centralele) de generare a energiei din energie solară (SEGS) din California, Acciona's Nevada Solar One de lîngă Boulder City, Nevada (v.figura 1.4) și Plataforma Solar de Almerfa's SSPS-DCS din Spania sunt reprezentative pentru această tehnologie [8].

Figura 1.4 Colectoare solare termice cu concentratoare

Reflectoarele Fresnel (v.figura 1.5) cu concentrare liniară sunt instalații care utilizează multe fîșii de oglindă subțiri în loc de oglinzi parabolice pentru a concentra lumina soarelui pe două tuburi cu fluid de lucru. Acesta are avantajul că se pot utiliza oglinzi plane care sunt mult mai ieftine decît oglinzile parabolice și că se pot amplasa mai multe reflectoare pe același spațiu, permițînd să se utilizeze mai mult din lumina solară disponibilă. Reflectorul liniar Fresnel cu concentrare poate fi utilizat în instalații de dimensiuni mari sau în unele mai compacte.

Figura 1.5 Colectoare solare termice cu concentratoare de tip reflector liniar Fresnel

Farfuria parabolică Stirling

O farfurie Stirling (v.figura 1.6), sau un sistem cu farfurie, este alcătuit dintr-un reflector parabolic independent care concentrează lumina pe un receptor poziționat în punctul focal al reflectorului . Reflectorul urmărește Soarele pe două axe. Fluidul de lucru din receptor este încălzit la 250-700°C (523-973 K (482-1,292°F)) și utilizat apoi de un motor Stirling pentru a genera energie electrică.

Sistemele parabolice cu farfurie au cea mai mare eficiență solar-electrică dintre tehnologiile termice-solare cu concentrare, iar faptul că sunt modulare le asigură scalabilitatea. Sistemele energetice Stirling (SES) și farfuriile de la Science Applications International Corporation (SAIC) de la UNLV, precum și Marea Farfurie de la Australian National University din Canberra, Australia, sunt reprezentative pentru această tehnologie.

Figura 1.6 Sistemele de tipul farfurie cu motoare elimină necesitatea de a transfera căldura la un cazan, amplasînd un motor Stirling în punctul focal [9].

Există două fenomene cheie pentru a înțelege proiectarea unei farfurii parabolice. Unul este faptul că forma de parabola permite ca razele care vin și care sunt paralele cu axul farfuriei să fie reflectate către focar, indiferent de farfuria la care ajung. Cel de-al doilea fenomen cheie este acela că razele de lumină de la soare care ajung pe suprafața pămîntului sunt aproape paralele . Astfel, dacă farfuria poate fi aliniată cu axul său îndreptat către soare , aproape toată radiația care vine va fi reflectată către punctul focal al farfuriei — majoritatea pierderilor datorîndu-se imperfecțiunilor formei parabolice și reflectării imperfecte.

Pierderile determinate de atmosfera dintre farfurie și punctul focal sunt minime , deoarece farfuria este proiectată suficient de mică astfel încît acest factor să fie nesemnificativ într-o zi însorită, fără nori. Comparați acest proiect cu alte proiecte și veți vedea că acest lucru ar putea fi un factor important și, dacă vremea locală este înnorată , sau cețoasă, se poate reduce eficiența unei farfurii parabolice în mod semnificativ.

În unele proiecte de centrală electrică, un motor Stirling cuplat la un dinam, este amplasat în focarul farfuriei, unde absoarbe căldura radiației solare incidente și o transformă în energie electrică.

Turn solar prin tiraj forțat

Un turn solar cu tiraj (v.figura 1.7), constă dintr-o cameră transparentă mare (de obicei complet din sticlă) care este înclinată ușor către o porțiune centrală goală din interiorul turnului sau coșul turnului. Soarele încălzește aerul din această structură de tip seră. Apoi, aerul se ridică în sus, pe coș, punînd astfel în mișcare o turbină pe măsură ce se ridică. Această turbină cu aer produce astfel energie electrică. Coșurile solare au un proiect simplu și pot constitui, prin urmare, o opțiune viabilă pentru proiecte în lumea în curs de dezvoltare [10].

Turnul solar care produce energie electrica este format dintr-o rețea de reflectoare de urmărire cu ax dublu (heliostate) care concentrează lumina pe un receptor central amplasat pe turn, receptorul conține un depozit de fluid care poate fi apă de mare. Fluidul de lucru din receptor este încălzit la 500-1000 C (773-1,273 K (932-1,832 F)) și apoi utilizat ca sursă de căldură pentru a genera energie electrică, sau ca un sistem de stocare a energiei. Realizarea turnului care produce energie electrică este mai puțin avansată decît sistemele cu cuvă, dar este mai eficient și are o capacitate de stocare a energiei mai bună.

Solar Two din Daggett, California și Planta Solar 10 (PS10) din Sanlucar la Mayor, Spania sunt reprezentative pentru această tehnologie. Turnul solar termic cu concentrare este principala tehnologie propusă Trans-Meditarranean Renewable Energy Cooperation DESERTEC pentru a obține atît energie electrică cît și apă desalinizată în regiunile aride din Africa de Nord și din sudul Europei.

Figura 1.7 Turn solar prin tiraj forțat

Avantaje – Dezavantaje ale sistemelor cu concentrare

Avantaje

Se ating temperaturi foarte înalte. Temperaturile mari sunt necesare pentru generarea energiei electrice prin metode tradiționale, cum ar fi turbina cu abur, sau a unor reacții chimice directe de temperatură înaltă;

O eficiență bună. Sistemele curente cu concentrarea luminii solare au o eficiență mai mare decît celulele solare obișnuite;

Se poate acoperi o suprafață mai mare utilizîndu-se oglinzi relativ ieftine in locul celulelor solare scumpe;

Lumina concentrară poate fi redirecționată către o locație convenabilă prin intermediul cablului cu fibră optică, de exemplu pentru iluminatul clădirilor;

Căldura se poate stoca pentru a se produce energie electrică atunci cînd este înnorat, sau pe timpul nopții, adeseori într-un rezervor cu fluide încălzite amplasat sub pămînt. În acest scop s-au utilizat cu succes săruri topite.

Dezavantaje

Sistemele cu concentrare trebuie să urmărească lumina soarelui pentru a menține concentrarea luminii solare pe colector;

Imposibilitatea de a furniza energie în condiții de lumină difuză. Celulele solare pot produce într-o oarecare măsură, chiar dacă afară cerul este un pic înnorat, dar sistemul cu concentrare nu.

1.3 Clasificarea colectoarelor solare plane

Conform STAS 12903-90, colectoarele solare plane se clasifică după următoarele criterii: natura agentului termic (v.tabelul 1.1), modul de asigurare a absorbției energiei solare (v.tabelul 1.2), forma constructivă a ansamblului absorbant (v.tabelul 1.3), forma constructivă a canalului prin care circulă agentul termic (registrul de țevi) (v.tabelul 1.4).

Tabelul 1.1: Clasificare după natura agentului termic [STAS 12903-90]

Tabelul 1.2: Clasificare după modul de asigurare al absorbției

Tabelul 1.3: Clasificare după forma constructivă a ansamblului absorbant

Tabelul 1.4: Clasificare după canalul prin care circulă agentul termic

1.4 Componentele colectoarelor solare plane

Colectoarele solare plane reprezintă partea cea mai importantă a sistemelor proiectate să opereze în intervale joase de temperatură (de la temperatură ambientală pînă la 60°) sau în intervale medii de temperatură (de la temperatura ambientală pînă la 100°). Acestea sunt utilizate pentru absorbția radiației solare, conversia ei în căldură iar apoi transferul acesteia către un agent termic lichid sau gazos., fiind divizate astfel în două categorii. Principiul funcțional îl constituie circuitul purtător de căldură care se prezintă sub diferite forme de serpentine în care circulă un anumit fluid.

Divizarea pe categorii a colectoarelor plane cu placă absorbantă plană:

Colector plan cu lichid:

Cu circuit;

Tip sandwich cu apă;

Tip semi-sandwich.

Colector plan cu aer:

Cu placă absorbantă nervurată;

Cu placă absorbantă metalică;

Placă ondulată cu suprafață selectivă.

Caracterizarea colectoarelor plane utilizate pentru încălzirea apei:

cu circuit, cu o suprafață mică străbătută de apă și cu o capacitate de apă redusă, se utilizează materiale cu o bună conductivitate, ca și cuprul sau aluminiul. Permit utilizarea lor la temperaturi înalte;

tipul sandwich, în care atît suprafața udată cît și capacitatea de apă sunt ridicate; se pot utiliza materiale cu o conductivitate redusă, ca plasticul sau oțelul. Se utilizează la încălzirea piscinelor;

tipul semi-sandwich, în care se utilizează materiale cu conductivitate medie ca și oțelul sau aluminiul.

În cazul colectoarelor cu agent termic aer, clasificarea este realizată din punct de vedere al plăcii absorbante:

nervurată, putînd prezenta diverse profile;

ondulată avînd acoperiri selective;

plană, metalică [11], [12].

În general, colectoarele sunt montate pe acoperișurile clădirilor sau a altor structuri și absorb atît radiația directă, cît și cea difuză.

Într-un colector plan intervin următoarele componente principale (v.figura 1.8):

plăcile transparente (1) se referă la unul sau mai multe rînduri de plăci de sticlă cu grosimea de 3-4mm. Majoritatea colectoarelor plane sunt executate din două rînduri de plăci, din care cea montată la exterior este din sticlă, iar cea din interior este o folie din material plastic. Rolul suprafeței transparente este de a permite trecerea spre placa absorbantă (3) a radiațiilor solare cu lungimi de undă λ=0,3…0,4μm și de a opri trecerea în sens invers a radiațiilor cu lungimi de undă ridicate (infraroșii) emise de suprafața absorbantă. De asemenea pentru a reduce curenții convectivi între plăcile transparente și implicit pierderile de căldură prin convecție, distanța dintre plăci nu trebuie să depășească 20-30 mm [63];

circuitul fluidului purtător de căldură (registru țevi) (2) conduce sau direcționează agentul termic de la intrare la ieșire. El se află plasat între două plăci și curge printr-un registru de conducte prinse pe placa absorbantă, legăturile cu exteriorul realizîndu-se cu ajutorul canalelor de alimentare și distribuire a fluidului [68], [64];

placa absorbantă (3) este în general executată dintr-o placă metalică sau din alt material, acoperită cu un strat negru, în vederea creșterii gradului de absorbție a radiației solare și a scăderii gradului de emisivitate;

izolația termică (4) reduce pierderile de căldură din părțile inferioară și laterale ale colectorului; se realizează din materiale cu conductivitate redusă ca: vata de sticlă, vată de pîslă minerală, polistiren etc. [57];

carcasa (5) conține toate componentele colectorului și le protejează de praf, umezeală, șocuri mecanice etc.; se execută din materiale rezistente la șocuri și coroziune ca: tablă din oțel zincată sau vopsită, tablă din aluminiu, plăci din material plastic etc. [68].

Figura 1.8 Principalele componente ale unui colector solar plan

În prezenta lucrarea, studiul este orientat către colectoarele solare plane cu lichid, în special analiza și îmbunătățirea eficienței energetice a randamentului. Componentele colectoarelor solare descrise anterior prezintă caracteristici care influențează eficiența acestora. O sistematizare a lor este prezentată în tabelul 1.5.

Tabelul 1.5: Caracteristicile componentelor colectoarelor solare, care influențează eficiența acestora

2 ANALIZA COLECTOARELOR SOLARE PLANE ȘI METODELE DE CALCUL A PARAMETRILOR

2.1 Analiza colectoarelor solare plane utilizate în practică la momentul actual

În prezent pe piața mondială există numeroase firme producătoare de colectoare solare. Acestea au fost proiectate și testate în condiții standard avînd aceiași construcție indiferent de locația unde urmează a fi implementate. Cîteva dintre cele mai performante colectoare existente pe piață sunt prezentate în continuare.

Firma Viessmann produce colectoare solare, unul dintre acestea fiind Vitosol 100 cu aria suprafeței de 2,53 m2. Acesta are o placă transparentă cu o grosime de 3,2 mm, placă absorbantă din cupru acoperită cu cermeți și dioxid de titan, circuit de tip paralel (meandre) din cupru, izolație din fibră minerală, carcasa din aluminiu (v.figura 2.1a). Eficiența optică referitoare la placa absorbantă este de 81%.

Firma Sonnenkraft produce colectorul SK500 (v.figura 2.1b), cu aria suprafeței de 2.57m2, cu o placă transparentă de 4 mm săracă în fier, absorber din cupru cu acoperiri selective (coeficient de absorbție 0,95 și de emisie 0,05), izolație de 50 mm din vată minerală, carcasă de aluminiu și un randament de 82%.

a b

Figura 2.1 Colectoare solare plane produse de Viessmann și Sonnenkraft

Firma Vaillant este producătoare a colectorului VFK 900 S (v.figura 2.2a), acesta avînd o suprafață de 2,24 m2, o placă absorbantă cu un coeficient de absorbție de 0,95, coeficient de emisie de 0,05, izolație din vată minerală cu o grosime de 40 mm și un randament de 79.1%.

Cosmo Sol produce colectorul Bluetec cu o suprafață de 2,53 m2 care are o placă transparentă de 4 mm, absorber din cupru cu un coeficient de absorbție de 0,95, coeficient de emisie de 0,05, izolație din vată minerală cu grosimea de 50 mm, carcasă din aluminiu și un randament de 90%.

Firma ESTEC produce colectorul solar FK7210 Elite (v.figura 2.2b), cu aria de 2,11 m2, cu placă transparentă din sticlă cu un conținut scăzut de fier, circuit tip harpă, placă acoperită cu strat absorbant prin tehnologie în vid, carcasă ambutisată din aluminiu și un randament de 82%.

a b

Figura 2.2 Colectoare produse de Vaillant și ESTEC

Stiebel Eltron produce colectorul SOL 25 PLUS (v.figura 2.3a), cu aria de 2,5 m2, placă transparentă de 4 mm fără conținut de fier, absorber de cupru acoperit prin tehnologie în vid, carcasă din aluminiu rezistent la umezeală, izolație din vată minerală de bază de 40 mm iar laterală de 10 mm și un randament de 78,1%.

Rotex produce colectorul solar Solaris V26 (v.figura 2.3b), cu aria de 2,6 m2, suprafață transparentă din sticlă cu o transmisie de aproximativ 0,92, circuit tip harpă, absorber cu acoperiri cu un coeficient de absorbție de 0,97, coeficient de emisie de 0,04, izolație la baza colectorului de 50 mm, laterală de 20 mm, din vată minerală, cu o fracție solară (procentul de energie din totalul necesar care poate fi suplinit de către energia solară) de 40%.

a b

Figura 2.3 Colectoare produse de Stiebel Eltron și Rotex

Datele referitoare la firmele producătoare de colectoare solare sunt cele furnizate în propriile prospecte. Valoarea randamentului este dată în condiții standard de testare unde intensitatea radiației solare are o valoare constantă de 1000W/m2.

2.2 Factorii care Influențează schimbul de căldură în colectorul solar plan

Pe lîngă factorii care influențează fenomenul de conversie a radiației solare, ca: radiația solară (ca element principal al conversiei radiației solare), factorii de mediu – vînt, zăpadă, grindină, gheață (ca elemente ce pot periclita suprafața colectoarelor solare), temperatura, umiditatea, viteza aerului și precipitațiile [14], care influențează schimbul de căldură în colectoarele solare plane, un rol foarte important îl are fiecare element din construcția colectorului solar.

Astfel, în continuare este prezentat rolul și caracteristica fiecărui element în parte printr-o analiză și deetalizare amănunțită.

Plăcile transparente

Plăcile transparente prin care se transmite radiația solară trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

să transmită o cantitate de radiație solară cît mai mare către placa absorbantă (transmitanță, τ și emitanță, ε);

să reducă pierderile de căldură de la placa absorbantă la mediu;

să protejeze placa absorbantă de agenții atmosferici;

să capteze o cît se poate de mare cantitate de radiație solară pentru o perioadă cît mai mare de timp în fiecare zi.

Factorii cei mai importanți care se iau în considerare la alegerea materialelor plăcilor transparente sunt: rezistența, durabilitatea, non-degradabilitatea și transmiterea energiei solare modelată prin noțiunea de transmitanță. Transmitanța (τ) reprezentînd fracția din energia radiantă incidentă care strabate una sau mai multe plăci transparente și atinge un strat de suprafață absorbantă.

Efectul numărului de suprafețe de acoperire asupra transmisivității este ilustrat în figura 2.4, [50].

Sticla termorezistentă constituie cel mai utilizat material pentru suprafețele transparente ale colectoarelor solare datorită durabilității ridicate și datorită faptului că nu este afectată de radiația UV. Experiența a arătat că dacă sticla nu se tratează, ciclul temperaturilor zilnice poate provoca spargerea plăcii. Sticla termorezistentă, montată corect într-un colector, prezintă o rezistență superioară la spargeri datorate ciclurilor termice și altor fenomene naturale. Sticla reduce pierderile de căldură, fiind opacă la radiațiile cu lungimi mari de undă emise de placa absorbantă [26], [27], [28], [29].

Figura 2.4 Efectul numărului de suprafețe asupra transmitanței [51]

Materialele plastice sunt de asemenea frecvent utilizate în manufacturarea plăcilor transparente, dintre acestea se remarca: plasticul policarbonat acrilic, folii de plastic Tedlar și Mylar și plasticul comercial precum cel de tip Lexan. Materialele plastice tind să aibă viața limitată din cauza efectului luminii UV, acesta reducîndu-i transmisivitatea. De asemenea, ele transmit parțial radiațiile cu lungimi mari de undă și din această cauză sunt mai puțin eficiente în reducerea pierderilor de căldură. Unele materiale plastice nu sunt rezistente la temperaturile maxime de echilibru care apar în colectoarele solare plane, mai ales atunci cînd colectorul este uscat. Principalele avantaje ale materialelor plastice sunt rezistența la spargere, reducerea masei și în unele cazuri, reducerea costurilor.

Cele mai multe din materialele de tip sticlă și plastic au un indice de refracție situat in jurul valorii de 1,5, prin indice de refracție se întelege mărimea optică, specifică materialelor transparente, definită ca raport între sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție ale unei raze de lumină care pătrunde din vid în mediul considerat.

Transmisitanța sticlei depinde de conținutul său de fier. Apa de sticlă, un alt material utilizat în confecționarea plăcilor transparente, are cel mai redus conținut de fier și de aceea are cel mai mare coeficient de transmitanță al energiei solare.

În ceea ce privește rezistența la șoc termic, spre deosebire de sticla obișnuită decălită, sticla temperată are o rezistenta de aproximativ cinci ori mai mare. Alegerea sticlei pentru plăcile transparente trebuie să se facă astfel încît aceasta să reziste la spargeri considerînd forțe maxime datorate vîntului sau zăpezii și la impact. Rezistența mecanică este proporțională cu pătratul grosimii sticlei. Principalele aspecte ce trebuie luate în considerare la alegerea materialelor placilor transparente se referă la: șocuri termice, rigiditate, limitarea suparafeței active (apertura), temperatura de operare a etanșărilor. Alegerea grosimii plăcii de sticlă reprezintă rezultatul unui compromis între transmitanță și rezistența mecanică.

Șocurile termice pot fi generate zilnic, în primul rînd, de încălzire și răcire cauzate de creșterea intensității solare de-a lungul orelor de dimineață, respectiv de scăderea intensității după-amiază. Rigiditatea unei plăci transparente de sticlă este proporțională cu cubul grosimii, datorită rigidității, pot să apară tensiuni mecanice cauzate de dilatarea aerului dintre 2 plăci. Pentru evitarea acestora, se pot face anumite curburi pentru a permite aerului să se extindă atunci cînd acest tip de colector este încălzit. Apertura reprezintă suprafața activă a unui colector. Vîntul și alte forțe care solicită placa transparentă limitează apertura colectorului. Colectoarele cu placă din sticlă sunt limitate de obicei la 3 m2 datorită considerentelor de masă, pe cînd cele cu placă acrilică pot ajunge pînă la 6 m2. Pierderile de căldură convective în colector sunt aproape imperceptibile dacă distanța dintre placa absorbantă și placa transparentă se află într-un interval de 46 – 91,5 mm. Temperatura de operare a etanșărilor rezistente la umezeală este mult mai ridicată decît în cazul celor utilizate în construcții. Etanșările trebuie să fie capabile să se dilate atunci cînd colectorul funcționează în condiții de temperatură stagnantă. Acest lucru necesită proiectarea atentă a garniturilor și a îmbinărilor. Etanșările pot fi din silastic, cauciuc siliconic, cauciuc butil sau EPDM. Etanșările trebuie protejate de expunerea directă la soare prin acoperire cu benzi [30], [27], [31], [32], [28], [29], [50], [46], [48].

Procedurile de instalare a plăcilor transparente depind de tipul și grosimea acestora. Ele pot fi calsificate în:

clasa 1: rigide, transparente, autoportante (sticla, Lexan sau Acrilicul);

clasa 2: plastice consolidate cu fibră de sticlă, neautoportante, dar susținute mecanic sau bine întinse pentru a evita deformările;

clasa 3: pelicule subțiri din plastic ca Teflon sau Tedlar.

Figura 2.7 Asamblare în cazul utilizării a două plăci transparente

Cadrele colectoarelor sunt prevăzute cu garnituri iar suprafețele transparente cu etanșări. Etanșările și garniturile trebuie să susțină placa transparentă, să permită dilatarea și contracția termică și să împiedice pătrunderea particulelor atmosferice. Umezeala și praful trebuie păstrate în afara colectorului, deoarece umezeala produce distrugeri ale plăcii absorbante și a izolației, iar depunerea prafului va face ca transmisivitatea plăcii absorbante să scadă. Există cîteva metode de a monta placa transparentă, etanșările și garniturile pe carcasa colectorului; una dintre cele mai obișnuite, ilustrată în figura 2.5, se referă la montarea pe sticlă a unui cauciuc, o garnitură în formă de U, care este introdusă într-un canal de aluminiu extrudat. În alte variante sticla și garnitura sunt așezate pe carcasa colectorului, se utilizează un capac de protecție, ca cel ilustrat în figura 2.6. Cînd se folosesc două plăci transparente, acestea se pot monta în conformitate cu figura 2.7, dacă cele două plăci sunt separate, [33], [31], [34], [48].

Circuitul fluidului purtător de căldură (registrul de țevi)

Radiația solară ce trece prin plăcile transparente este transformată în căldură de către placa absorbantă și este transferată unui agent termic care circulă printr-un circuit către un schimbător de căldură [32], [67].

Sunt cunoscute șase tipuri de circuite de tuburi cu agent termic. În figura 2.8 sunt prezentate 4 circuite de tip paralel (coloanele de tuburi sunt paralele între ele), care diferă prin modul de legare la tuburile principale de intrare și ieșire. Alte două în figura 2.9 sunt circuite meandru (a) și tip spirală (b), ceea ce elimină problemele legate de curgerea fluidului dar au diferențe de presiuni mai mari; sunt mai ușor de fabricat. Circuitele de tip pararel sunt mai puțin eficiente decît cele de tip serpentină, datorită influenței reciproce pe care și-o manifestată ramurile tubulaturii [59].

a b

c d

Figura 2.8 Circuite de tip paralel

a b

Figura 2.9 Circuite tip serpentină

Circuitele sunt realizate dintr-un material cu o conductivitate ridicată și coeficient de dilatare mic pentru a permite transferarea unei cantități cît mai mari de căldură către agentul termic evitînd fisurarea. În marea majoritate a cazurilor se utilizează cuprul. În același sens este necesară realizarea unui cît mai bun contact între circuit și placa absorbantă.

Circuitele de tip spirală (v.figura 2.9b) prezintă un avantaj de punct de vedere al curgerii fluidului aceasta fiind una uniformă. Circuitele de tip harpă (v.figura 2.8a) prezintă cele mai mari dificultăți în problemele de curgere necesitînd ajutorul pompei de circulație.

Secțiunea tuburilor poate avea diverse forme (circulară, dreptunghiulară, trapezoidală, parabolică etc.), iar poziția acestora în raport cu placa absorbantă poate avea diverse configurații.

Cîteva dintre acestea sunt ilustrate în figura 2.10: a– placă neagră ondulată cu canale pentru apă; b- tuburi prinse în placa absorbantă; c – tuburi așezate pe placa absorbantă; d – panou cu placa ondulată; e – panou cu ambele plăci ondulate; f – două plăci, din care cea absorbantă este total străbătută de lichid; g – profile hexagonale; h – tuburi concentratoare; i – profil de aluminiu extrudat cu tuburi închise; j – concentratoare parabolice; k – profile de sticlă cu vacuum, [51], [67], [71].

Figura 2.10 Variante de tubulaturi

Diametrul interior al țevilor registrului are valori cuprinse între 16 și 57 mm iar cel exterior între 17 și 60 mm. Distanța dintre țevi are valori cuprinse între 87 și 98 mm [51], [48] [65].

Placa absorbantă

Radiația solară este convertită în căldură prin placa absorbantă, transferul de căldură prin aceasta putînd fi îmbunătățit prin alegerea unor materiale bune conducătoare din punct de vedere termic și prin maximizarea contactului între suprafețele conjugate: fluid-canale și canale-placă absorbantă. Materialul de bază al plăcii absorbante nu trebuie să fie prea subțire. Uzual, în practică sunt utilizate table din cupru sau aluminiu cu o grosime de 0,2 – 0,3 mm. Conductivitatea termică a cuprului este în mod clar mai bună decît cea în cazul aluminiului, care la rîndul ei este mai bună decît cea a celor din oțel sau oțel inoxidabil.

Transmiterea căldurii de la tuburi la fluid este în mod decisiv influențată de proprietățile fluidului, amestecuri de apă și glicol sunt utilizate în numeroase țări datorită condițiilor climatice, acestea au o capacitate termică mai mică decît apa pură, dar și de curgerea în tuburi. Atunci cînd curgerea în tuburi trece de la turbulent la laminar, transmiterea căldurii se reduce drastic. În cazul curgerilor lente, placa absorbantă proiectată pentru un flux mare poate scade considerabil în randament. Este necesar să se asigure un flux constant în placa absorbantă. Dacă anumite părți ale plăcii absorbante nu au un flux suficient sau chiar deloc atunci randamentul colectorului scade proporțional cu acea arie. Această distribuție egală depinde de legătura dintre pierderile de presiune în tuburile de colectare și distribuție și cele din canalele plăcii absorbante. Pierderile din tuburile de colectare și cele de distribuție trebuie să reprezinte maxim 20-30% din pierderile din canalele plăcii. Mărimea care caracterizează transferul de căldură la țevile registrului este coeficientul de transfer termic de la placa absorbantă la tuburi, hf, [66], [32], [35], [29].

Materialul absorbant depus pe placa de bază se numește absorber. El trebuie să aibă un coeficient mare de absorbție (α) pentru întregul spectru de radiație solară și emitanță (ε) redusă în infraroșu. Pentru a menține pierderile de căldură cît mai mici, absorberul este așezat într-o carcasă bine izolată, o carcasă în cazul colectoarelor plane cu lichid și un tub vidat în cazul colectoarelor plane cu vacuum. Pierderile cauzate emisivității pot fi reduse prin aplicarea de acoperiri selective pe placa absorbantă.

Alegerea materialului de bază pentru placa absorbantă se face dintr-o plajă largă de variante. Un material cu o utilizare redusă este oțelul, în diferite variante:

plăci absorbante din meandre din oțel obținute prin presarea a două meandre între două plăci de oțel care sunt apoi sudate între ele;

plăci absorbante din oțel captușite obținute din table de oțel sudate prin puncte.

Plăcile absorbante din oțel căptușit au tendință la coroziune. Aceasta intervine mai ales în instalațiile în care sau inhibitorii din agentul termic sunt epuizați sau placa absorbantă nu a fost pe deplin umplută cu fluid după ce a funcționat în gol după o perioadă de stagnare. Absorberele din oțel nu au manifestat un succes pe piața colectoarelor solare de aceea acestea sunt rar utilizate.

Oțelul inoxidabil se folosește de asemenea în construcția plăcilor absorbante ca și tuburi de oțel inoxidabil presate între două table de aluminiu corespunzînd celor două semi-tuburi. Tablele și tuburile sunt apoi legate. Acestea nu au arătat tendințe la coroziune. Au apărut în schimb desprinderi ale tuburilor de table datorită adezivului care nu era stabil. Acestea au condus la scăderi considerabile ale randamentului. Astăzi nu se mai folosesc astfel de adezivi ceea ce înseamnă că astfel de defecte nu mai apar.

Aluminiul se utilizează în trei forme: absorber laminat din aluminiu în care două plăci de aluminiu sunt mai întîi acoperite liniar în structura rețelei de canale iar apoi presate pe întreaga suprafață, mai puțin zonele acoperite, canalele luînd naștere în zonele neunite, absorber cu tubulatură din aluminiu, table din aluminiu care sunt lipite, prinse sau legate la presiuni mari cu tuburi realizate din alte materiale (cupru, oțel inoxidabil).

Dacă transferul de căldură se realizează direct prin aluminiu atunci este necesară o atenție mărită asupra prezenței inhibitorilor din agentul termic care pot provoca coroziuni și asupra evitării de toleranțe mici între aluminiu și alte materiale. Plăcile realizate din aluminiu nu arată o tendință de coroziune atunci cînd agentul termic conține inhibitori de coroziune. Distrugeri au apărut atunci cînd absorberul nu a fost corect tratat înainte de instalare, de exemplu din cauza depozitării în aer liber fără a se face etanșările la intrare și ieșire. Astfel umezeala penetrează materialul și începe să-l corodeze. Dacă aluminiul este manipulat corect atunci acesta este un material rezistent la coroziune.

Absorberele din aluminiu laminat sunt rar utilizate azi. Alte tipuri sunt cele care folosesc ca și placă pentru absorber aluminiul iar nervurile sunt realizate din oțel inoxidabil sau cupru. Acestea sunt cele mai utilizate pe piața de colectoare solare. Nu se cunosc distrugeri pentru acest caz de construcție, decît coroziuni pe acele locuri unde nu circulă agent termic.

Cuprul este de asemenea utilizat, din el fabricîndu-se nervuri pe table de aluminiu și absorber din cupru cu nervuri îmbinat cu table din cupru sau aluminiu. Distrugerile provocate de coroziune sunt rare. Acestea nu apar atunci cînd absorberul este corect construit, pot apărea doar după o perioadă de aproximativ 20 de ani.

Astăzi, în construcția tuburilor sau a nervurilor se folosește cuprul. Tablele din care se face placa absorbantă sunt din cupru sau aluminiu, oțelurile fiind rar utilizate. Plasticul sau oțelul inoxidabil se folosește doar în cazul aplicațiilor în care prin placa absorbantă curg agenți agresivi (de exemplu apa unei piscine) [63]. În continuare se vor prezenta formele structurale pe care le pot avea plăcile absorbante.

Există trei tipuri principale de absorbere:

cu canale înguste sau canale deschise, figura 2.13;

sandwich, figura 2.14;

tuburi separate de tablă, figura 2.15.

Figura 2.13 Placă absorbantă cu canale înguste

Figura 2.14 Plăci absorbante tip sandwich

Plăcile absorbante cu canale înguste sau deschise reprezintă cel mai ieftin tip existent. Ele constau într-o parte superioară din tablă nervurată cu canale pentru tuburile de alimentare cu apă și o parte inferioară cu nervuri pentru tuburi de-a lungul tablei. Găurile în tuburile superioare, sunt astfel situate încît apa să pătrundă în tuburi și să se scurgă apoi în cele inferioare, de colectare. În acest fel apa poate să preia căldura acumulată în metal. figura 2.13 reprezintă un astfel de tip de absorber unde a reprezintă tubul de alimentare perforat, b este tablă nervurată, iar c tub de colectare.

Acest tip de absorber permite transferul de căldură de la nervurile convexe la cele concave prin care circulă apa. Pentru a îndeplini acest lucru, este necesar ca nervurile să fie poziționate la mici distanțe între ele și să se utilizeze materiale bune conducătoare termic.

Aria suprafeței de contact poate fi mărită prin adăugarea în apă a unor detergenți. Aceasta va face ca apa să se mențină doar în nervuri fără a se împrăștia în părțile laterale.

Praful și murdăria pot pătrunde în colector și pot afecta circulația apei chiar dacă este filtrată, fiind necesară curățirea tuburilor în cazul unor blocaje.

În cazul tipului de absorber sandwich, apa este distribuită între două plăci, cea superioară formînd absorberul. În acest caz, apa este în contact cu aproape toată suprafața plăcii absorbante. Astfel, căldura trebuie să traverseze doar grosimea plăcii absorbante pentru a fi cedată apei. În cazul acestui tip, conductivitatea materialelor utilizate nu este atît de importantă atîta timp cît ele sunt suficient de groase. Aceste tipuri (v.figura 2.14a) pot fi realizate din diverse materiale plastice. Atunci cînd sunt folosite materiale cu o conductivitate ridicată, ele sunt prinse unele de altele, astfel apa nemaifiind în contact direct cu întreaga suprafață a absorberului, pot fi executate din aluminiu laminat (v.figura 2.14 b și c) [51], [57].

Figura 2.15 Plăci absorbante cu tuburi separate

În cazul tipului de plăci absorbante cu tuburi separate, este necesară alegerea atentă a materialelor, spațierii între tuburi și a fixării tuburilor pe placă. Configurația tuburilor poate varia. De exemplu, o serpentină în zig-zag (v.figura 2.15, a) poate crea o rezistență excesivă la curgere într-un sistem de circulație gravitațional. Pe de altă parte o rețea de tuburi paralele (v.figura 2.15, b) între două tuburi principale poate crea probleme din cauza blocajelor, dacă se utilizează metoda de scurgere în tub.

În cazul plăcilor absorbante cu tuburi separate căldura trebuie transferată lateral, conducînd energia colectată de-a lungul absorberului la apa din tuburi. Din acest motiv se vor utiliza doar materiale bune conductoare termice. Din păcate, există o legătură între conductivitatea termică ridicată și costuri. Cele mai bune conductoare sunt aurul și argintul. Dintre materialele disponibile cel mai la îndemînă este cuprul. Cu cît placa este mai subțire cu atît este mai mică rezistența la fluxul de căldură.

Cînd se urmărește realizarea unei bune fixări a tuburilor de placă, primul pas este acela de a maximiza contactul dintre ele. Aceasta se poate realiza prin crearea unor canale rotunjite în absorber pentru tuburi sau prin deformarea tuburilor pentru a realiza o suprafață de contact plană. Sistemul de fixare trebuie examinat pentru a se asigura faptul că se realizează un contact strîns pe toată lungimea tubului.

Pentru creșterea randamentului plăcilor absorbante se fac acoperiri cu diferite starturi anti-reflective și cu coeficienți de absorbție mari. Un alt mod de mărire a eficienței colectorului este de a mări aria efectivă a suprafeței absorbante și în același timp mărirea coeficientului de transfer termic prin diferite forme.

Așa cum s-a amintit, pentru mărirea eficienței plăcilor absorbante, acestea sunt acoperite cu diferite straturi selective. Pentru a realiza acest lucru sunt studiate diferite principii de proiectare și procese fizice. Șase din aceste principii sunt ilustrate în figura 2.16 [51].

Figura 2.16 Diferite tipuri de acoperiri și tratamente pentru absorbția selectivă [51]

Cele mai simple soluții sunt acelea în care se folosesc materiale cu proprietăți cu caracteristicile dorite în domeniul spectral selectiv. Vorbind la modul general, această soluție nu a fost foarte utilă, dar experiența căpătată în munca cu ZrB2 și cu alte componente indică faptul că aceste materiale selective există. În practică, plăcile absorbante utile sunt bazate pe două straturi din materiale cu proprietăți optice diferite. O acoperire semiconductoare sau dielectrică cu bune proprietăți absorbante și de transmitanță a luminii infraroșii la suprafața unui material neseleciv cu proprietăți reflectorizante (de ex. metalul) consituie un tip de absorber tandem. O altă alternativă este acoperirea cu un material cu bune proprietăți absorbante non-selectiv cu oglindă. Diferitele variante de combinații de materiale pentru absorberele tandem sunt descrise în cele ce urmează.

Tandemurile semiconductor-metal pot oferi selectivitatea spectrală dorită prin absorbția radiației de lungimi mici de undă într-un semiconductor a cărei bandă este de ~ 0,6eV și cu emitanță termică scăzută ca un rezultat al faptului că la bază se află un metal. Semiconductorii utilizați sunt cei care au indici mari de refracție ceea ce tind să creeze pierderi mari prin reflexia radiației. Din acest motiv este necesar să se reducă proprietățile refelectorizante ale suprafețelor. În acest sens se utilizează siliciul prin depuneri prin vaporizare.

Tandemurile cu mai multe straturi de metal sunt foarte eficiente pentru construcția plăcilor absorbante. Un exemplu de astfel de tandem este unul în care se formează trei straturi Al2O3/Mo/Al2O3.

Tandemurile metal-dielectric metal-compozit constau în particule foarte fine de metal într-un mediu dielectric. Acest tip de absorber este numit și cermet provenind din abrevierea ceramic-metal. Proprietățile optice obținute sunt acelea itermediare între metal și dielectric. Conceptul de metal-dielectric oferă un înalt grad de flexibilitate iar optimizarea selectivității se poate face luînd în considerare componentele, grosimea acoperirii, concentrația particulelor, forma și orientarea particulelor. Dimensiunea particulelor trebuie să fie mai mică decît lungimea de undă din spectrul solar pentru a absorbi lumina solară în schimbul dispersiei. Acoperirile compozite pot fi obținute printr-o varietate de tehnici cum ar fi conversia chimică, galvanizare, acoperire anodică, colorare anorganică cu aluminiu anodizat, depunere chimică prin vapori, evaporare reactivă sau dispersie pe metal, co-evaporare sau co-dispersie a metalului și dielectricului. Cîteva din aceste principii vor fi descrise în cele ce urmează.

Vopsele selective spectral cu grosime adaptabilă sunt bazate pe principiul tandemului și necesită un substrat metalic. Vopselele constau în pigmenți anorganici absorbanți dispersați în rășini. Pigmentul formează aglomerații mari și din această cauză ele sunt atît absorbante cît și dispersante. Este foarte important ca rășinile să aibă o bună transmitanță în spectrul infraroșu iar grosimea vopselei să fie cît se poate de mică astfel ca emitanța termică să fie redusă la minim, reducînd astfel pierderile de căldură și crescînd eficiența.

Suprafețele texturate absorb o mare cantitate de lumină prin reflexii multiple iar emitanța în spectrul cu lungimi mici de undă este neafectată de această textură.

Cel din urmă concept se referă la o acoperire selectivă a transmitanței energiei solare pe un corp negru așa cum este absorberul. Acesta poate fi realizat dintr-un material cu o mare durabilitate iar acoperirea poate fi un oxid semiconductor (de exemplu SnO2:F). Acest tip de acoperire nu se mai utilizează [26], [30], [28].

Izolația termică și etanșările

Pentru a reduce pierderile de căldură de la suprafața absorbantă se folosește izolație termică. Materialele utilizate în acest sens trebuie să aibă un coeficient de conducție termică scăzut, valorile în care se incadrează fiind cuprinse între 0,020 și 0,035 W/mK. Dacă colectorul este instalat pe o suprafață a unei clădiri, pe un perete sau acoperiș, căldura nu se pierde ci este transferată clădirii. Acest lucru constituie un avantaj pe timpul iernii, dar un dezavantaj pe timpul verii. Exceptînd climatele cu temperaturi scăzute pe timpul verii, colectorul trebuie izolat pentru a reduce pierderile și pentru a mări randamentul sistemului. O grosime de 1,6 cm de fibră de sticlă este suficientă pentru un colector instalat pe acoperiș iar una de 10 cm în cazul colectoarelor verticale. În cazul în care colectorul nu este așezat pe o clădire, se utilizează, în general, o izolație de 0,5-10 cm [65], [39], [41].

Fibra de sticlă este preferată în schimbul spumelor din polistiren și poliuretan datorită stabilității sale termice. Alegerea unui anume tip de poliuretan trebuie să se bazeze pe stabilitatea la temperaturi înalte: unele se deformează, se dilată și emană gaze toxice. Un alt criteriu de luat în considerare îl constituie inflamabilitatea. Este necesar ca și în mod particular pentru poliuretan, izolația să fie separată de partea posterioară a plăcii absorbante printr-un spațiu liber cu aer. Este necesar ca o folie cu proprietăți reflectorizante să acopere izolația, separînd-o astfel de spațiul cu aer. Aceasta ajută la reflexia căldurii înapoi către placa absorbantă ceea ce face ca randamentul colectorului să se mărească. Perimetrul și muchiile colectorului trebuie și ele izolate. Perimetrul colectorului se află la temperaturi mai joase, ceea ce reduce din eficiență datorită pierderilor. Testele arată că aceste pierderi prin muchii pot fi reduse în mare măsură dacă se izolează și dacă suprafața colectorului este mult mai mare decît perimetrul.

Figura 2.17 Plasarea izolației în colector

Zăpada nu a constituit o problemă în proiectele solare din trecut. În cele mai multe cazuri, colectoarele au fost proiectate să fie instalate la niște unghiuri la care zăpada alunecă de la sine de pe suprafața acestora. Cînd această metodă nu dă rezultate, sistemul este setat în așa fel încît să încălzească colectorul prin circularea agentului purtător termic, topind astfel zăpada. Zăpada ce se consideră așternută pe suprafața colectorului nu exercită o mai mare presiune decît cea de pe clădiri, și pentru că o parte din ea alunecă de pe acoperiș, aceasta este chiar mai mică [66], [36], [37], [40].

Izolația din interiorul colectorului trebuie să fie stabilă la temperaturile maxime pe care le atinge placa absorbantă în timpul zilei. Aceste temperaturi sunt atinse atunci cînd în colector nu circulă fluid. Temperaturile de stagnare depind de soluția adoptată pentru colector și de pierderile de căldură din acesta. Un colector plan bine proiectat poate avea placa absorbantă la o temperatură de stagnare de 2000C și prin urmare, în imediata vecinătate a plăcii absorbante, de-a lungul laturilor, izolația poate ajunge la temperaturi foarte înalte.

Izolația nu trebuie să emită vapori care pot acoperi suprafața inferioară a plăcii transparente și reduce transmitanța acestora, de asemenea, acestea nu trebuie să se topească, dilate sau să se contracte la temperaturile maxime.

Fibra de sticlă care nu conține liant rășinos constituie un tip de izolație. Culoarea roz, galbenă, portocalie indică existența liantului rășinos pe cînd cea albă indică inexistența acestuia. Pe lîngă fibra de sticlă se utilizează azbestul, spume poliuretanice și rășinile melaminice. În cazuri rare, unii producători prevăd colectoarele cu izolație din lînă de oaie, in sau alte materiale naturale.

Etanșările la punctele de îmbinare ale carcasei, la suprafața transparentă și la tubulatură previn penetrarea apei pe perioada de operare [51], [59], [38], [39].

În colectoarele investigate izolația constă aproape în mod exclusiv din plăci de poliuretan expandat sau din azbest, iar cîteodată ambele materiale în combinație. Izolația poate fi aluminiu laminat sau fără (laminat pe una sau ambele părți). Plăcile de poliuretan fără a fi în combinații sunt rare astăzi. Deși ideal ignifug, azbestul nu mai este astăzi utilizat datorită toxicității sale, fiind considerat cancerigen.

În figura 2.18 este ilustrată o secțiune prin izolația unui colector solar plan selectiv după 15 ani de funcționare [65].

Stratul de poliuretan, după o perioadă îndelungată de operare, se degradează și își schimbă culoarea în maro, așa cum apare în figura 2.18. Regiunile colorate în maro închis se află în centrul colectorului și în partea laturii superioare. Partea cea mai decolorată este în partea tubului de colectare. Chiar și în acest caz cu stratul de izolație protejat față de placa absorbantă de către azbest, s-au observat deteriorări ale spumei de poliuretan [58], [61].

Figura 2.18 Suprafață de izolație după o perioadă de operare de 15 ani [65]

Distrugerea materialului în vecinătatea plăcii absorbante are un efect asupra izolației, conducînd la pierderi de căldură ceea ce face ca randamentul colectorului să scadă. Structurile spumei de poliuretan sunt parțial distruse din cauza supraîncălzirii materialului și a scăpărilor de gaze din izolație. Astfel, conductanța termică a stratului de poliuretan este mărită, dar rămîne mai mică în comparație cu cea a azbestului. Chiar dacă straturile de spume poliuretanice nu sunt utilizate în construcția izolațiilor colectoarelor selective a celor mai mulți producători din cauza slabei rezistențe termice, distrugerile nu sunt critice pentru funcționarea colectorului.

Viessmann recomandă utilizarea sau a unei spume poliuretanice protejată de placa absorbantă încinsă de către un strat de azbest sau doar a azbestului, mai ales în cazul colectoarelor foarte eficiente din instalații de mari dimensiuni care sunt expuse la temperaturi mari de stagnare.

O mai mare atenție trebuie acordată etanșărilor din circuitul cu agent termic. Figura 2.19 ilustrează două exemple de etanșări, realizate dintr-un elastomer, după aproximativ 15 ani de operare cu anumite perioade de stagnare.

Depunerile pe partea interoară a plăcii transparente se produc continuu, chiar cu eforturile de menținere și curățare a colectoarelor. Unele dintre cauze se referă la fluctuațiile de calitate ale materialului izolator, defectele de producție dar și depozitarea necorespunzătoare. Interacțiunea cu alte materiale din colector, cum ar fi sticla sau acoperirile de pe placa absorbantă trebuie testată pentru toate materialele utilizate de producători, [65].

Figura 2.19 Etanșări între carcasa colectorului și tubulatură [65]

Materialele bazate pe un monomer-etilen-propilen-dienă sunt cele utilizate în construcția etanșărilor dintre geamul plăcii transparente și cadrul colectorului. Acestea au fost, de asemenea, utilizate cu succes în construcția de autovehicule. Adezivul cel mai des utilizat este pe bază de silicon. Este necesară acordarea unei atenții mărite substanțelor de bază ale adezivilor, existînd pe piață cazuri de aceleași denumiri cu compoziții ce diferă foarte mult. La alegerea materialelor trebuie să se testeze puterea de aderență a acestora și stabilitatea lor în timp. Etanșările din tubulatură trebuie să fie rezistente la temperaturi de stagnare (aprox. 1800C) pentru a proteja colectorul împotriva scurgerilor [65], [42], [34].

Carcasa

În cazul colectoarelor plane, carcasa adăpostește placa absorbantă și izolația, protejîndu-le de umezeală și distrugeri mecanice iar în cazul colectoarelor cu tuburi vidate, tuburile de sticlă consituie carcasa pentru placa absorbantă, iar vacuumul devine izolația termică. Cele mai multe colectoare aveau, în trecut, cadrele din aluminiu profilat, plastic sau oțel galvanizat dar și din fibră de sticlă cu plastic. Nu s-au constatat deteriorări în cazul celor din aluminiu profilat în decursul a 15 ani de operare.

În cazul oțelului galvanizat și a tablei zincate, tabla a fost adesea ruginită, din cauza condensului, datorită învechirii stratului de zinc pe unele porțiuni. Acest lucru nu a afectat colectorul într-o mare măsură, rugina fiind doar de suprafață (v.figura 2.20).

În unele cazuri tabla de acoperire a părții posterioare a colectorului a fost desprinsă. În acest fel apa a pătruns, izolația a devenit umedă iar placa absorbantă s-a corodat [65], [67],[26], [27], [31], [40].

Figura 2.20 Coroziunea pe o tablă de oțel galvanizat [65]

În unele tipuri de colectoare, suprafața transparentă este presată pe cadru cu o ramă de aluminiu jur împrejurul acestuia. Ramele de aluminiu sunt prinse la colțuri cu șuruburi. Placa absorbantă este și ea prinsă de cadru cu șuruburi. În unele cazuri acestea se autodesfac și cad undeva între placa absorbantă și cea transparentă (v.figura 2.21).

Figura 2.21 Șuruburile căzute între suprafața absorbantă și cea transparentă [65]

Aceste distrugeri apar din cauza punctelor slabe de construcție, care au fost eliminate cu succes în construcțiile recente. De aceea, aceste defecte nu se mai repetă. Oțelul galvanizat nu este recomandat de către Viessmann decît în cazul aplicării unui strat subțire de zinc.

Cele mai noi tipuri de colectoare au carcasele construite din aluminiu. Dacă pereții laterali și partea posterioară sunt construite din materiale subțiri, de exemplu izolația este laminată cu aluminiu, atunci există pericolul ca ele să fie afectate în timpul transportului sau al instalării. Acesta lucru ar afecta mult performanțele colectorului atîta timp cît în izolație nu trebuie să pătrundă apă.

În cazul colectoarelor plane instalate pe acoperiș se utilizează rame din lemn. În general acesta este complet acoperit cu un cadru pentru a nu permite umezirea izolației, [65], [34], [40].

La instalarea colectoarelor trebuie luată în considerare latitudinea locației unde acestea sunt implementate: colectorul se orientează către Sud, înclinate la un unghi egal cu latitudinea ± 50.

2.3 Metodica de calcul a sarcinii termice a colectoarelor termice solare

Caracterul variabil al radiației solare

Intensitatea radiației solare prezintă un caracter foarte variabil, atît în timpul anului, cît și zilnic, astfel încît este evident că și sarcina termică realizată de colectorii solari va fi la fel de variabilă.

În figura 2.22 este prezentată o variație tipică a intensității radiației solare, într-o zi foarte călduroasă de vară, în condiții de cer perfect senin, manifestată pe o suprafață unitară, plană și orizontală. Se observă că la ora 12, cînd intensitatea radiației solare este maximă, valoarea acesteia depășește 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarte ridicată, chiar și față de media din timpul verii, în timp ce pe durata nopții, valoarea intensității radiației solare este evident nulă. Dimineața și după-masa, intensitatea radiației solare, variază rapid între 0 și valoarea maximă, respectiv între valoarea maximă și 0. Pentru curba de variație a intensității radiației solare, valoarea medie a intensității radiației solare, pe durata zilei, este ușor superioară valorii de 500W/m2. În zilele anului, caracterizate prin radiație solară mai puțin intensă decît cea prezentată în figura 2.22, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime și medii ale intensității radiației solare, chiar și în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot să scadă mult sub valorile prezentate anterior.

Ca și radiația solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă un caracter variabil, astfel încît se poate vorbi despre valoarea maximă și medie a acestei mărimi. Pentru calcule termice de dimensionare, prezintă importanță cunoașterea valorii medii a sarcinii termice a colectorilor solari.

Cu cît randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atît fiecare suprafață unitară de colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată de valoarea medie a intensității radiației solare.

Figura 2.22 Curbă tipică de variație a intensității radiației solare

Calculul sarcinii termice a colectoarelor termice solare

Avînd în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorile sarcinilor termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este necesar de realizat o evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura sarcina termică necesară diverselor aplicații.

În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectoarelor solare va fi determinată utilizînd informatiile privind selecția acestor echipamente, furnizate de diverși producători.

Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea apei calde menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicații pentru colectoarele solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, în primul rînd pentru că în perioadele reci ale anului, cînd necesarul de sarcină termică pentru încălzire este importantă, intensitatea radiației solare prezintă valori foarte reduse și este dificil de captat și de utilizat în aceste condiții. Chiar dacă există și numeroase realizări interesante în care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorul energiei solare, aceste aplicații nu vor fi abordate în continuare, deoarece reprezintă situații speciale.

2.3.1 Încălzirea apei calde menajere

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Qacm, se poate calcula cu relația:

[kW], (2.1)

unde:

n – este numărul de persoane;

m – este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca și consum zilnic, [kg];

cw – este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperature [kJ/kgK], dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186 kJ/kgK;

tb – este temperatura apei din boiler, [°C];

tr – este temperatura apei reci, la intrarea în boiler, [°C];

τ – este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, avînd o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice, [h].

Se va considera n =1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere necesare unei persoane, m =50kg – valoare medie recomandată de literatura de specialitate, tb =45°C – valoare recomandată pentru temperatura apei calde din boiler, tr =10°C – valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarna ceva mai rece și τ =8h – valoare care coincide aproximativ și cu durata medie în care se manifestă radiația solară, deci cu durata medie în care poate fi captată aceasta.

Înlocuind valorile numerice, se obține pentru sarcina termică necesară în vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:

Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizarea unor suprafețe diferite ale colectori solari în funcție de tipul colectorilor și de procentul din necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1: Suprafața necesară de colectoare solare pentru prepararea a.c.m. [m2/pers.]

Se observă că suprafețele colectoarelor solare plane, recomandate ca necesare, sunt aceleași în cazul colectoarelor solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă performanțele colectoarelor solare cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decît cele ale colectoarelor solare cu tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferențele de performanță sunt totuși reduse, iar avantajul colectoarelor solare cu tuburi termice, față de cei cu tuburi vidate nu se va concretiza printr-o suprafață mai redusă de colectoare solare, ci printr-un procent ceva mai ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, decît în cazul colectoarelor solare cu tuburi vidate.

Avînd în vedere că suprafețele colectoarelor solare, recomandate în tabelul 2.1, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectoarelor solare Qacm1, în regim de preparare a apei calde menajere, este:

[W/m2], (2.2)

unde:

S1 – reprezintă suprafața colectoarelor solare recomandată în tabelul 2.1.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2: Sarcina termică unitară a colectoarelor solare, pentru prepararea a.c.m. [W/m2]

Analizînd valorile din tabelul 2.2, se constată că sarcina termică unitară a colectoarelor solare este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal, deoarece acești colectori sunt prevăzuți să funcționeze mai ales în perioada de vară, cînd intensitatea radiației solare este mai mare.

În tabelul 2.3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai ușor de utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale suprațelor de colectori solari, destinați preparării apei calde menajere.

Tabelul 2.3: Sarcini termice unitare particulare ale colectoarelor solare pentru prepararea a.c.m.

Este evident că dacă colectoarele solare sunt utilizate doar vara, sarcina termică unitară medie a acestora poate fi considerată mai mare decît dacă sunt utilizate din primăvară pînă în toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redusă, pentru că și valoarea medie a intensității radiației solare este mai redusă. Din acest motiv și suprafața necesară a colectoarelor solare care sunt utilizate doar vara, este mai redusă decît cea necesară pentru o utilizare din primăvară pînă în toamnă, dar și procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dacă aceste colectoare solare sunt dimensionate pentru a funcționa doar pe durata sezonului cald.

Considerînd valorile particulare ale sarcinor termice unitare Qacm1, prezentate în tabelul 2.3, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectoarelor solare utilizate pentru prepararea apei calde menajere.

[m2], (2.3)

Cu ajutorul acestei relații pot fi calculate suprafețele necesare de colectoare solare, pentru orice tip de aplicație în care este necesară prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei solare. Exemple de asemenea situații pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri, vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.

Suprafețele colectoarelor solare adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 2.1.

2.3.2 Încălzirea apei din piscine

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex, care să țină seama de temperatura apei din piscină și de o serie de pierderi de căldură, între care o importanță deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei, transferul termic prin convecție de la suprafața apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.

Cu toate acestea, producătorii colectoarelor solare, dimensionează sistemul solar de încălzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerînd doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiții reale în piscine, duc la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.

În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectoarelor solare pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de colectoare solare.

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Qp, se poate calcula cu relația:

[kW], (2.4)

unde:

m – este cantitatea de apă din piscină, [kg];

cw – este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperature [kJ/kgK], dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186 kJ/kgK;

Δt – este variația temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de căldură, [°C];

τ – este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, avînd o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice, [h].

Observație: Producătorii de colectoare solare recomandă valori diferite pentru suprafețele colectoarelor solare, destinate încălzirii apei din piscine, pentru diferite condiții de exploatare a piscinelor, indicînd aceste suprafețe, dar nu precizează adîncimea considerată a apei din piscine. Lipsa acestui element în tabelele de alegere a colectoarelor solare, reprezintă o deficiență importantă a sistemului de dimensionare propus de producători, care a fost eliminată în continuare, prin considerarea unei valori medii a adîncimii apei din piscine, de 1,3m. În urma finalizării calculelor efectuate cu ajutorul algoritmului prezentat în continuare și în urma comparării valorilor sarcinilor termice unitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectoare solare, cu valorile sarcinilor termice unitare ale acelorași colectoare, utilizate la prepararea apei calde menajere, s-a dovedit că această ipoteză este corectă și că probabil aceeași valoare medie a adîncimii apei din piscine a fost considerată și de producătorii colectoarelor solare, la întocmirea tabelelor de selecție a colectoarelor solare.

Cantitatea de apă din piscine se determină cu relația:

[kg], (2.5)

unde:

Sp – este suprafața piscinei, [m2];

H – este adîncimea medie a apei din piscină, [m];

ρ – este densitatea apei [kg/m3], mărime care depinde de temperatură, dar pentru care se poate considera valoarea ρ =1000 kg/m3.

În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafața unitară a piscinei, deci se va considera Sp =1m2.

[kg],

Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeței unitare a piscinei, considerînd că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C și că durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:

,

În cazul în care variația temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de 0,5°C, situație posibilă în cazul piscinelor realizate în spații închise, sarcina termică unitară pentru încălzirea apei s-ar reduce și aceasta la jumătate.

Acoperirea suprafei apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atît în cazul celor închise cît și în cazul celor aflate în aer liber, pe lîngă faptul că previne producerea accidentelor, permite și reducerea substanțială a pierderilor de căldură prin convecție și prin evaporarea apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei. Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera că acoperirea suprafeței apei, în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei.

În tabelul 2.4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafață a piscinei, pentru diferite condiții de lucru, considerînd adîncimea medie a apei, de 1,3m.

Tabelul 2.4: Valori orientative ale sarcinilor termice pentru încălzirea apei din piscine, considerînd adîncimea medie a apei de 1,3m [W/m2 piscină]

Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare de colectoare solare recomandă utilizarea unor suprafețe diferite de colectoare solare, în funcție de tipul piscinelor, de tipul colectoarelor și de perioada prevăzută pentru funcționarea sistemului de încălzire cu energie solară, așa cum se observă în tabelul 2.5.

Tabelul 2.5: Suprafața necesară de colectoare solare pentru încălzirea apei

din piscine [m2/m2 piscină]

În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul piscinelor în aer liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 1°C/24h.

Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeași suprafață de colectoare solare, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece în condițiile în care intensitatea radiației solare este mare, performanțele tuturor tipurilor de colectoare solare sunt relativ apropiate.

Avînd în vedere că suprafețele de colectoare solare recomandate în tabelul 2.5, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectoarelor solare Qp1, în regim de încălzire a apei din piscine, este:

[W/m2], (2.6)

unde:

S1 – reprezintă suprafața colectoarelor solare recomandată în tabelul 2.5.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 2.6, considerîndu-se pentru sarcinile termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 2.4. Faptul că valorile obținute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleași condiții de lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt corecte și în nici un caz nu introduc erori semnificative.

Tabelul 2.6: Sarcinile termice unitare ale colectoarelor solare, pentru

încălzirea apei din piscine [W/m2 colector]

Considerînd valorile particulare ale sarcinor termice unitare Qp1, prezentate în tabelul 2.6, se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectoarelor solare utilizați pentru prepararea apei calde menajere.

[m2], (2.7)

Suprafețele colectoarelor solare adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 2.5.

În tabelul 2.7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obținute pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerînd funcționarea acestora în regim de preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din piscine situate în aer liber fără acoperire, ca și valorile medii obținute pentru sarcina termică unitară a colectoarelor solare utilizate pentru încălzirea piscinelor.

Tabelul 2.7: Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizați în diferite regimuri de lucru [W/m2 colector]

Valorile obținute pentru sarcina termică unitară a colectoarelor solare utilizate la încălzirea piscinelor în aer liber fără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizarea numai în lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decît în cazul preparării apei calde menajere. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu s-a considerat o perioadă atît de scurtă de funcționare, ci una care să asigure totuși acoperirea a 40…50% din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceea ce reprezintă mult mai mult decît doar două luni de funcționare. În cele două luni, intensitatea radiației solare este maximă și atunci se pot atinge valori mai ridicate pentru sarcina termică unitară a colectoarelor solare.

În afara acestei situații, se observă că așa cum era normal, indiferent de tipul aplicației, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip de colector solar asigură aproximativ aceleași valori ale sarcinilor termice unitare medii pe care le realizează.

În consecință pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare ale colectoarelor solare, indiferent de tipul de aplicație, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 2.8.

Tabelul 2.8: Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectoarelor solare, în funcție de perioada de exploatare [W/m2 colector]

Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu ușurință în calcule orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectoare solare, fiind cu atît mai utile cu cît, de regulă, asemenea valori nu sunt indicate de firmele producătoare.

Considerînd pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vîrf pentru cele mai calde zile ale anului și nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puțin raportat la condițiile climatice din Moldova, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectoare solare:

η =60% pentru colectoarele plane;

η =76% pentru colectoarele cu tuburi vidate și pentru colectoarele cu tuburi termice. Considerînd tot pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condițiile medii din Moldova, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectoare solare:

η =67% pentru colectoarele plane;

η =84% pentru colectoarele cu tuburi vidate și pentru colectoarele cu tuburi termice.

Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată, că ipotezele considerate în calculele prezentate, ca și valorile obținute pentru sarcinile termice unitare medii ale diverselor tipuri de colectoare solare sunt corecte.

2.3.3 Proiectarea unei instalații solare

Un rol important în proiectarea și gîndirea unei instalații solare îl joacă de asemenea tipul colectoarelor, înclinarea și orientarea acestora.

La montajul mai multor rînduri de colectoare solare unul după celălalt, trebuie respectate anumite distanțe (dimensiunea z) pentru a evita umbriri nedorite.

Se deretmină unghiul β al poziției soarelui. Acesta trebuie ales astfel ca soarele la amiază să fie orientat direct pe colectoare fără a lăsa umbră (v.figura 2.23).

Figura 2.23 Montarea a mai multor rînduri de colectoare solare:

z – distanța între rîndurile de colectoare, l – înălțimea colectoarelor, α – unghiul de înclinare a colectoarelor, β – unghiul față de poziția soarelui.

Pentru dimensionare este determinat:

, (2.8)

Ca exemplu pentru tipul de colector Vitosol 050, tip SH0: l = ; α = 450, β = 150.

, (2.9)

= .

Deși pentru diferențe mici de temperatură valoarea practică a lui poate ajunge la 0,8, pentru calcule tehnico-economice valoarea medie a randamentului se recomandă [13]:

– pentru condiții de vară: η = 0,5-0,55;

– pentru sisteme sezoniere: η = 0,4-0,45;

– pentru sisteme care funcționează pe tot parcursul anului: η = 0,3-0,35.

Întrucăt sistemul de încălzire solar și de alimentare cu apă cală menajeră de regulă funcționază pe tot parcursul anului, pentru proiectări se adoptă o valoare a randamentului = 0,35.

2.4 Orientarea după soare a colectoarelor solare plane

2.4.1. Aspecte generale privind orientarea controlată a colectoarelor solare plane

Eficiența de conversie a energiei solare în energie termică a unui colector solar fără orientare după soare, este limitată de obicei la valori maxime de cca. 60-75% [15][16]. O soluție cunoscută de creștere a eficienței de captare a radiației solare, pentru un colector solar, se referă la orientarea după soare, cu ajutorul unor sisteme similare celor utilizate pentru orientarea sistemelor fotovoltaice [16][18].

Colectoarele solare pot avea:

orientare biaxială – folosită de obicei în cazul colectoarelor cu concentrare de tip farfurie;

orientare monoaxială – intalnită cu precădere în cazul colectoarelor cu concentrare de tip jgheab;

orientare fixă – de regulă înclinată, în cazul colectoarele solare plane [17].

Relativ recent, în Europa și UK, s-au implementat primele platforme de colectoare plane, colectoare cu tuburi vidate, LaZer2 [19], cu o suprafață de 54 m2 și o putere de pană la 40 kW, dotate cu orientare biaxială de tip azimutal, o variantă similară este descrisă în brevetul german DE 10 2007 044 063 A1 apărut în 2009, o altă variantă, de tip pseudoecuatorial cu elevația reglabilă manual, este descrisă în brevetul WO 2011/001118 A2 [20], apărut în 2011, iar o variantă prevăzută cu elevație fixă reglabilă este prezentată în brevetul american US 6,722,357 B2, apărut în 2004. În prezentările acestor soluții nu se oferă însă informații privind programele de orientare ale colectoarelor.

Ne privind la toate progresele tehnologice din ultimii ani, există un șir de dificultăți care limitează orientarea controlată a colectoarelor plane, acestea se referă cu precădere la masa relativ ridicată a acestora, la necesitatea utilizării de racorduri elastice și la performanțele tehnico-economice în general inadecvate, în raport cu acest tip de receptori solari, ale actuatoarelor, ceea ce motivează încă o dată tematica prezentei teze, privind majorarea eficienței conversiei radiației solare în energie termică în colectoarele termice plane.

Spre deosebire de sistemele fotovoltaice, în care orientarea controlată este utilizată exclusiv pentru creșterea eficienței de captare a radiației solare, în cazul colectoarelor termice plane, orientarea controlată ar putea fi folosită și pentru rezolvarea unei dificultăți specifice acestei categorii de receptoare solare: problema stocării energiei termice excedentare. Această problemă intervine în cazul în care sarcina termică devine nulă (sistemul colectoarele solare termice stagnează), precum și în cazul sarcinii nenule, în care diferența dintre energia termică debitată de colectoarele solare și sarcina termică a acestuia crește peste anumite valori limită acceptabile. În primul caz, apare riscul atingerii temperaturii de fierbere a agentului termic, iar în cazul secund, devine necesară utilizarea unor recipiente de stocare, a energiei termice excedentare, supradimensionate. În cazul sistemelor colectoarele solare cu orientare controlată, minimizarea energiei solare captate ar putea fi realizată prin orientarea acestora în contra-fază: de dimineața pînă la amiază colectorul să fie orientat spre vest, iar de la amiază pînă seara, să fie orientat spre est.

În consecință, orientarea controlată a sistemelor colectoarelor solare plane poate asigura: a) complexitate redusă și implicit rentabilitate ridicată, în varianta orientării monoaxiale diurne cu acționare bazată pe folosirea actuatoarelor liniare; b) creșterea eficienței de captare a energiei solare (similar sistemelor fotovoltaice cu orientare controlată); c) optimizarea corelării energiei solare receptate cu sarcina termică impusă sistemului colectoarelor solare.

2.4.2. Sisteme de orientare: ecuatoriale, pseudo-ecuatoriale, azimutale

Principalele perechi de unghiuri, utilizate frecvent în orientarea razei solare față de Pămînt, sunt sistematizate în tabelul 2.9 [21], din acestea s-au derivat sistemele de orientare biaxiale ilustrate în figura 2.24, figura 2.25 a [21]. În consens cu figura 2.24, sistemele de orientare biaxiale se clasifică în sisteme ecuatoriale, sisteme azimutale și sisteme pseudo-ecuatoriale [23], [24], [25], [21], [22].

Tabelul 2.9: Perechile de unghiuri ecuatoriale, azimutale și pseudo-ecuatoriale utilizate pentru orientarea razei solare față de Pămînt [21].

Figura 2.24 Sisteme de orientare biaxiale și pozițiile acestora fată de suprafața Pămîntului: a) sistemul ecuatorial; b) sistemul pseudo-ecuatorial;

c) sistemul azimutal; [21]

Figura 2.25 Sisteme de orientare pseudo-ecuatorială a) biaxială, b) monoaxială

În plus, optimizarea orientării diurne a sistemului colectoarelor solare monoaxial are și scopul realizării unei corelații adecvate între variațiile sarcinii termice și energia solară captată, implicit, energia termică debitată de colector. Sunt considerate 3 situații relevante: a) sarcina termică maximă, cînd sistemul colectoarelor solare trebuie să debiteze maximum de energie termică, b) sarcina termică nulă, cînd aportul energetic al sistemului colectoarelor solare trebuie să fie cît mai aproape de zero și c) sarcina termică parțială, cînd energia termică debitată de sistemul colectoarelor solare este limitată la un anumit procent din capacitatea energică maximă a acestuia. Aceasta presupune ca programul de orientare diurn să conțină 3 sub-programe de bază: a) un subprogram pentru funcționare la capacitate maximă, care utilizează orientarea în pași pe cursa unghiulară diurnă maximă, b) un subprogram de stagnare, cu orientare în contra-fază, colectorul este orientat dimineața spre vest și după-masa spre est, la valorile extreme ale unghiului de orientare diurnă și c) cel puțin un sub-program de funcționare cu sarcină parțială, în care este folosită atît reducerea cursei unghiulare diurne, cît și orientarea în contra-fază. Prin corelarea adecvată a orientării cu sarcina termică, se realizează, pe de o parte, simplificarea instalației termice a colectoarelor solare orientate, prin minimizarea recipientelor de stocare a energiei termice excedentare și, pe de alta parte, se asigură protecția sistemului, în zilele toride, în care sarcina sistemului colectoarelor solare este foarte redusă sau nulă.

Deoarece antrenarea directă a mișcării diurne printr-un actuator liniar, limitează cursa diurnă la maximum 120°-130°, pot să apară situații în care orientarea în contra-fază pe o astfel de cursă, la sarcina termică nulă, să nu fie suficientă pentru evitarea temperaturii de fierbere a agentului termic.

Pentru creșterea eficienței orientării în contra-fază, se preconizează folosirea unor paravane dispuse pe laturile N-S ale colectorului, paravanele laterale pot amplifica captarea de energie solară, în cazul sarcinilor termice ridicate, prin dispunerea de oglinzi pe fețele adiacente colectorului, se poate realiza astfel o anumită concentrare joasă a radiației solare pe colector și, implicit, o anumită creștere a eficienței de captare a radiației solare.

Din analiza stadiului actual reiese că în cazul în care diferența dintre energia solară captată și sarcina termică a colectorului generează o energie termică excedentară care depășește capacitatea de stocare a instalației, sunt folosite următoarele soluții principale de protecție a instalației:

agentul termic este răcit, prin recirculare, în perioada nopții, cînd temperatura colectorului este redusă;

se acoperă, parțial sau total, cu huse suprafațele active ale colectoarelor, cu scopul reducerii sau anulării energiei solare captate;

apa caldă (energia termică excedentară) este folosită în alte scopuri (de exemplu, încălzirea de piscine) sau, în situații de urgentă, este aruncată.

O soluție de protecție mai economică decît cele existente, poate fi obtinută prin utilizarea orientării diurne în contrafază, combinată, cînd este cazul, cu paravane laterale de umbrire: adică prin orientarea colectorului dimineața spre vest și după-amiază, spre est. În plus, printr-o orientare diurnă adecvată, sinfazată și contrafazată, se poate maximiza energia solară captată, în cazul sarcinii termice maxime, și, de asemenea, se poate adapta energia solară captată la mărimea sarcinii termice, în cazul sarcinilor parțiale.

3 ÎMBUNĂTĂȚIREA RANDAMENTULUI COLECTOARELOR SOLARE PLANE

Randamentul colectorelor solare exprimă eficiența conversiei radiației solare în energie termică. Acesta este influențat de parametrii fizici și constructivi ai subansamblelor ce alcătuiesc colectoarele solare. Obținerea unui randament maxim impune un proces de optimizare a construcției colectoarelor solare.

În acest scop este necesară cunoașterea formei analitice a randamentului pentru a identifica parametrii de care depinde, studiul influenței parametrilor colectoarelor asupra mărimii randamentului, urmată de optimizarea construcției colectoarelor pe baza parametrilor cu influență majoră, pentru obținerea randamentului maxim.

3.1 Forma analitică a randamentului

În interacția cu colectorul, radiația solară este implicată în procesele descrise în fig. 3.1:

Reflexia, care reprezintă fenomenul de întoarcere parțială a radiației în mediul din care a venit, atunci cînd întîlnește o suprafață de separare între două medii. Acest fenomen este prezent la nivelul plăcii transparente și a celei absorbante.

Absorbția la nivelul suprafețelor componentelor colectorului solar. Absorbția reprezintă micșorarea intensității radiației care cade pe un corp și apare la nivelul componentelor colectorului pe care radiația este incidentă.

Radiația, convecția și conducția, care generează pierderi de energie în colector. Radiația reprezintă emisia și propagarea în toate direcțiile a energiei de la componetele colectorului. Convecția reprezintă fenomenul prin care se produce transmiterea căldurii cu ajutorul curenților de fluid. În fig.4.1 convecția este reprezentată la nivelul

spațiului dintre placa transparentă și absorber și deasupra plăcii transparente

(exteriorul colectorului). Prin fenomenul de conducție se transmite căldură prin masa

unui corp. Cea mai mare parte a pierderilor ce apar din cauza acestui fenomen este la

nivelul izolației laterale și de la baza colectorului [DEX], [48].

Figura 3.1 Procesele într-un colector solar plan

În definirea formei analitice a randamentului se pornește de la ecuația bilanțului energetic, considerînd procesele care au loc într-un colector solar plan.

Ecuația bilanțului energetic pentru un colector plan care operează în regim staționar se descrie prin relația:

HTAc (τα)e = Qu + Ql , (3.1)

unde:

HT – reprezintă intensitatea radiației solare incidente pe colector, în [W/m2];

Ac – suprafața de apertură a colectorului, în [m2];

Qu – căldura utilă (instantanee) furnizată de colector, în [W];

Ql – pierderile (instantanee) de căldură din colector, în [W];

(τα)e – produsul efectiv de transmisie – absorbție, care se calculează cu:

, (3.2)

unde:

α – reprezintă coeficientul de absorbție pe suprafața neagră absorbantă;

ρd – factorul de reflexie difuză a vitrajelor care poate fi estimat prin calcularea factorului de reflexie ρ pentru un unghi de incidență de 600;

τ – transmitanța suprafețelor – vitraj, dat de:

, (3.3)

unde: expresiile pentru ρp și ρs sunt definite în relațiile (3.5) și (3.6);

N – este numărul suprafețelor de vitraj;

K – reprezintă coeficientul de extincție (micșorare a intensității radiației [DEX]) al materialului vitrajului transparent (absorbanța materialului de vitraj);

X – grosimea totală a celor N suprafețe vitraj;

ψ́ – unghiul de refracție dat de legea lui Snell [51].

, (3.4)

unde:

ψ – reprezintă unghiul de incidență;

n – indicele de refracție a suprafețelor transparente.

Reflexia unei suprafețe transparente este diferită pentru cele două componente descompuse ale radiației incidente suprafeței, cea paralelă ρp și cea perpendiculară ρs , și este dată de [51]:

, (3.5)

, (3.6)

În cazul luminii naturale, cele două componente ale luminii sunt egale:

, (3.7)

La incidență normală a radiației, cele două componente reflectate sunt de asemenea egale, adică:

, (3.8)

unde n reprezintă indicele de refracție.

Căldura utilă furnizată de colector este [50]:

Qu =Ac [HT(τα)e – UL(Tp – Ta)] , (3.9)

unde:

Tp – este temperatura medie a suprafeței superioare a plăcii absorbante;

Ta – temperatura mediului ambiant;

UL – reprezintă coeficientul global al pierderilor.

Coeficientul pierderilor are trei componente: coeficientul pierderilor de la bază Ub, coeficientul pierderilor superioare Ut și cel al pierderilor din părțile laterale Ue , adică:

UL = Ub +Ue +Ut , (3.10)

Coeficientul pierderilor de la bază depinzînd în principal de calitatea izolației este definit prin raportul (3.11) și se măsoară în W/m2K:

, (3.11)

unde:

k – este conductivitatea termică a izolației;

L – grosimea ei.

De asemenea, coeficientul pierderilor laterale influențat de asemenea de izolație este descris de expresia (3.12) și se măsoară în W/m2K:

, (3.12)

unde:

U – este conductivitatea termică a izolației laterale;

Liz – este grosimea izolației;

Al – este aria laterală a colectorului;

Ac – aria colectorului.

Coeficientul pierderilor de la partea superioară depinde de un complex de factori care includ suprafețele vitrate, absorberul, elementele de etanșare. Acesta se poate determina în W/m2K prin relația:

, (3.13)

cu:

f = (1+0,089hw – 0,1166hwεp)(1+0,07866N) , (3.14)

C = 520(1-0,000051β2) , (3.15)

, (3.16)

unde:

Tp – este temperatura plăcii absorbante;

Ta – temperatura ambientului;

N – numărul plăcilor transparente;

εp – emisivitatea termică a suprafeței plăcii absorbante;

εg – emisivitatea termică a suprafeței transparente;

β – unghiul de înclinare al colectorului (în grade),

σ = 5,67*10-8W/m2K2 – constanta lui Stefan – Boltzmann;

hw – coeficientul transferului de căldură convectiv din cauza vîntului dat de hw=2,8+3,0*V, în care V este viteza vîntului în m/s [48].

Introducînd factorul emanației de căldură FR , relația (3.9) devine:

, (3.17)

unde: Ti – reprezintă temperatura fluidului din interiorul colectorului.

Factorul emanației de căldură FR se exprimă prin [51]:

, (3.18)

unde:

reprezintă debitul masic al fluidului;

Cp – căldura specifică a fluidului;

coeficientul de eficiență al colectorului.

Factorul eficienței colectorului are expresia:

, (3.19)

unde:

D – reprezintă distanța dintre tuburi;

d0 – diametrul exterior al tuburilor;

di – diametrul interior al acestora;

hf – coeficientul de transfer termic al plăcii absorbante care variază în funcție de tipul de curgere laminar sau turbulent din interiorul conductei, dat de:

, (3.20)

unde:

, în care ka este conductivitatea termică a plăcii absorbante iar x este grosimea plăcii absorbante.

Randamentul instantaneu al colectorului solar se definește prin raportul dintre energia utilă și energia captată de colector, adică:

, (3.21)

Ținînd seama de (3.17) se obține expresia randamentului instantaneu dată de:

, (3.22)

Aceasta indică faptul că, în raport cu (Ti-Ta)/HT, graficul randamentului este o dreaptă de pantă FRUL, cu intersecția pe axa Y: FR(τα)e .

Înlocuind în expresia randamentului din (3.22) relațiile (3.2), (3.8), (3.18) se obține:

, (3.23)

unde:

UL – este dată de (3.10 … 3.16);

este dat de (3.19, 3.20).

Parametrii care influențează randamentul colectoarelor solare sunt cei prezentați în tabelul 3.1, alături de domeniile recomandate de valori:

Tabelul 3.1 Parametrii care influențează randamentul colectoarelor solare

3.2 Influența parametrilor asupra randamentului

În vederea studierii influenței parametrilor se consideră, ca referință, un colector comercial existent pe piață, al cărui randament indicat de firma producătoare este 82%.

Influența fiecărui parametru asupra randamentului se analizează față de această referință, ținînd seama de limitele de variație din tabelul 3.1 și calculînd valoarea randamentului dată de relația (3.23). Intensitatea radiației solare incidentă pe colector (HT) este aleasă 800 W/m2 (standardul prevede pentru intensitatea radiației solare valori de cel puțin 700 W/m2, pentru testări în condiții speciale intensitatea radiației poate sa aibă valori cuprinse între 300 W/m2 și 1000 W/m2) [SR EN 12975-2: 2006].

Un colectorul comercial este caracterizat de următorii parametri (v.tabelul 3.2), conform cu documentația tehnică a colectorului și ținînd seama de standardele în vigoare:

Tabelul 3.2 Parametrii colectorului comercial

3.2.1 Influența parametrilor plăcilor transparente

Numărul plăcilor transparente, N

Scopul existenței plăcilor transparente este acela de a transmite radiația solară pe întreg spectrul, de a bloca radiația reflectată de la placa absorbantă și de a reduce pierderile de căldură convective de la suprafața superioară a plăcii absorbante. Sticla este cel mai utilizat material pentru plăcile transparente. Plasticele transparente, ca policarbonatul sau sticlele acrilice sunt de asemenea folosite. Principalul dezavantaj al acestora este absorbanța lor ridicată pentru lungimile mari de undă. Alte dezavantaje se referă la deteriorarea lor datorită radiației solare ultraviolete urmată de opacizare. Principalul avantaj îl constituie rezistența la distrugere. Acesta contituie un dezavantaj în cazul sticlei, motiv pentru care este preferată utilizarea sticlei temperate [63], [66], [68], [29].

Figura 3.2 Influența numărului de plăci transparente asupra eficienței colectorului

Pentru minimizarea pierderilor de căldură din partea superioară a colectorului se pot utiliza mai multe plăci transparente. Influența singulară pe care o are numărul plăcilor de vitraj asupra eficienței colectorului este prezentată în figura 3.2. Prin utilizarea a două plăci transparente randamentul scade cu un procent de 7,01% față de cazul utilizării uneia, respectiv cu 13,88% în cazul utilizării a trei plăci din cauza modificării transmitanței plăcilor.

Creșterea numărului N de plăci transparente determină modificări pentru:

transmitanței lor, τ (v.figura 3.4), în calcule se consideră τN;

emitanța plăcii transparente, εg (v.figura 3.3).

Coeficientul de emisie al plăcii transparente, εg, influențează randamentul nesemnificativ, așa cum se observă în figura 3.3, obținîndu-se o creștere maximă a randamentului de 0,0065%.

Figura 3.3 Influența emitanței vitrajului asupra randamentului

Comportamentul transmisiei optice este caracterizat de indicele de refracție, n. Indicele de refracție determină viteza radiației în material (v.tabelul 3.3).

Tabelul 3.3 Comportamentul transmisiei optice în material.

Influența indicelui de refracție n al materialului vitrajului asupra randamentului este ilustrată în figura 3.4, exemplificîndu-se diverse materiale. Se observă influența asupra eficienței colectorului solar, creșterea obținută pentru randament la trecerea de la sticlă la plexiglas de 0,0549%, iar de la sticlă la policarbonat de 0,0059%.

Figura 3.4 Influența indicelui de refracție al vitrajului asupra randamentului

În funcționarea lor, colectoarele pot genera pelicule de condens (la o izolare defectuoasă) formînd pelicule de apă sub stratul vitrat interior. Indicele de refracție al apei (1,333) va conduce la modificarea radiației spre absorber.

3.2.2 Influența parametrilor absorberului

În figura 3.6 este prezentată influența Coeficientul de emisie, εp.

Figura 3.5 Influența coeficientului de emisie al absorberului asupra eficienței

colectorului

Figura 3.6 Influența conductivității termice a absorberului asupra randamentului

Influența coeficientului de conductivitate termică al materialului plăcii absorbante este prezentat în figura 3.6. Valoarea cea mai ridicată a randamentului se obține în cazul utilizării unui material cu un coeficient de conductivitate ridicat, argintul. Cea mai mică valoare se obține pentru oțel. Diferența de randament între cazul utilizării cuprului și cel al aluminiului (cel mai des utilizate) ca plăci absorbante este de 1.1852%. În această situație costul devine un factor important în alegerea materialului.

Grosimea plăcii absorbante, x, influențează eficiența colectorului solar așa cum se arată în figura 3.7, creșterea grosimii plăcii absorbante determină creșterea randamentului, aceasta acționînd ca stocator de căldură.

Figura 3.7 Influența grosimii absorberului asupra randamentului

Suprafețele selective sunt capabile să absoarbă radiație solară și în același timp să emită căldură. Cele mai multe din suprafețele selective sunt compuse din straturi foarte subțiri de oxizi metalici negri aplicate pe o bază metalică lucioasă.

Acoperirile cu oxizi negri sunt suficient de groase ca să acționeze ca bune suprafețe absorbante, cu coeficienți de pînă la 0,96. Atîta timp cît metalele lucioase au coeficient de emisiune mic pentru radiația termică și acoperirile subțiri cu oxid sunt transparente unor astfel de radiații, combinația respectivă este slabă radiatoare de căldură. Astfel, pierderile de la suprafețele selective sunt considerabil mai mici decît cele convenționale ale suprafețelor nonselective. Coeficientul pierderilor de căldură UL este redus atunci cînd se utilizează acest tip de suprafață.

Influența coeficientului de absorbție al plăcii absorbante α asupra randamentului este ilustrată în figura 3.8: la valoarea 0,9 (suprafețe acoperite selectiv) se atinge un randament de 78,1461% iar la 0,96 (suprafețe neacoperite) un randament de 82,8625%. Creșterea valorii coeficientului de absorbție determină creșterea randamentului: la trecerea de la 0,94 (oxid de aluminiu) la 0,95 (vopsea selectivă) a coeficientului, eficiența se îmbunătățește cu 0,7851%.

Figura 3.8 Influența coeficientului de absorbție al absorberului asupra randamentului

În concluzie, odată cu creșterea coeficientului de emisie εp, de la valoarea de 0,03 (cazul unei plăci cu acoperiri selective) la valoarea de 0,9 (cazul unei plăci acoperite cu vopsea neagră) randamentul scade cu 2,62757%, pierderile de căldură fiind mai mari.

Creșterea grosimii plăcii absorbante x determină creșterea randamentului, aceasta acționînd ca stocator de căldură. Creșterea grosimii de la 0,2 la 3 mm determină creșterea eficienței cu 1,7095%, acest parametru fiind important în proiectarea colectorului solar.

Creșterea randamentului în cazul în care coeficientul de absorbție al plăcii absorbante variază de la valoarea 0,9 (suprafețe acoperite selectiv) la 0,96 (suprafețe neacoperite) este de 0,78%, prin reducerea pierderilor de căldură.

Creșterea coeficientului de conductivitate termică k al materialului plăcii absorbante conduce la creșterea randamentului, astfel, diferența de randament între cazul utilizării cuprului și cel al aluminiului (cel mai des utilizate) ca plăci absorbante este de 1,1852%.

3.2.3 Influența parametrilor registrului de țevi

Cu privire la circuitul fluidului purtător de căldură, parametrii care influențează eficiența colectorului solar, sunt distanța dintre tuburi, D, diametrele exterior, d0, și interior, di al acestora. Considerațiile legate de acești parametri se referă la diferențele de presiune, debitele fluidului vector și costuri [57].

Figura 3.9 Influența valorii distanței dintre tuburi

Valorile considerate pentru studiul influenței diametrului interior și celui exterior asupra randamentului colectorului sunt prezentate în figura 3.10 respectiv figura 3.11.

Figura 3.10 Influența valorii diametrului interior al conductei

Figura 3.11 Influența valorii diametrului exterior al conductei

Figura 3.12 Influența grosimii țevii la di=16 mm

Figura 3.13 Influența grosimii țevii la di=36mm

Figura 3.14 Influența grosimii țevii la di=56mm

Diametrele interior și exterior ale țevilor registrului au influență asupra randamentului: randamentul crește cu creșterea valorii acestora cu pînă la 0,6%. Grosimea țevii influnțează nesemnificativ randamentul.

3.2.4 Influența parametrilor izolației

Figura 3.15 Influența conductivității termice a izolației asupra randamentului

Grosimile straturilor de izolație sunt cuprinse uzual între 5 și 100 mm [57]. Influențele grosimii izolației de la baza colectorului, L, și a celei laterale, Liz, sunt ilustrate în figura 3.16 și 3.17.

Figura 3.16 Influența grosimii izolației de la bază asupra randamentului

Figura 3.17 Influența grosimii izolației laterale asupra randamentului

Cei doi parametrii influențează randamentul în mod similar. Creșterea grosimii izolației, atît laterale cît și a celei de la baza colectorului de la 5 mm la 100 mm, produce o creștere între 1,42% și 4,26%. Acest lucru dovedește influența semnificativă, în comparație cu alți parametri, pe care o au acești doi parametrii asupra randamentului colectoarelor solare.

În concluzie randamentul crește puțin prin scăderea conductivității izolației de la baza colectorului și celei laterale. Grosimile celor două izolații, prin creșterea valorii acestora, determină creșterea randamentului cu pînă la 4,26%.

3.2.5 Influența parametrilor agentului termic

Căldura specifică a fluidului vector, Cp

Agentul termic care circulă prin registrul de țevi al colectorului solar are o căldură specifică Cp cunoscută care depinde numai de compoziție, acesta se consideră constantă în ecuația randamentului colectorului. Pentru o compoziție dată de apă cu 44% glicol, care rezistă la temperaturi de -400C, căldura specifică este 3570 J/kg*K [48], [65].

Debitul,

Funcționarea sistemului cu colectoare solare la un debit scăzut implică reducerea randamentului datorită creșterii temperaturii în condițiile unei temperaturi la intrare dată [58]. Variația randamentului cu debitul de la 0,15 la 3 l/min m2 este ilustrată în figura 3.18. Un debit scăzut de 0,3-0,5 l/min implică o reducere a eficienței cu 1,3-28,8% în comparație cu debitele ridicate de 1,5 l/min [65].

Figura 3.18 Variația randamentului funcție de debit

Influența diferenței dintre temperatura de intrare în colector și cea a mediului ambiant asupra randamentului este ilustrată în figura 3.19, creșterea diferenței de temperatură determină scăderea randamentului cu pînă la 11,2871%. Acesti parametrii aparțin factorilor externi și sunt variabili.

Figura 3.19 Influența diferenței de temperatură asupra eficienței colectorului

Debitul influențează major randamentul colectorului solar cu valori de pînă la 28,8%. Acest parametru este menținut constant în timpul funcționării sistemului. Temperatura la intrarea în colector influențează major randamentul, însă acesta este un parametru care nu poate fi controlat.

3.2.6 Influența parametrilor carcasei

Aria suprafeței colectorului, Ac este, de asemenea, constantă pentru un colector dat.

Acest parametru determină valoarea ariei laterale a colectorului, A1.

Figura 3.20 Influența ariei suprafeței colectorului asupra randamentului

Eficiența colectorului este influențată într-un procent de 2-4% de umbrirea plăcii transparente asupra absorberului și de diversele valori ale distanței dintre placa transparentă și cea absorbantă. Conform literaturii, cele mai eficiente distanțe sunt cuprinse între 46 mm – 91,5 mm [65], [37], parametru ce nu apare în expresia randamentului.

În concluzie, randamentul colectorului este influențat nesemnificativ de aria suprafeței colectorului cu valori de pînă la 0,0486%.

3.2.7 Influența orientării colectorului

Unghiul de înclinare al colectorului, β influențează eficiența conversiei. Funcția primară a suprafeței absorbante este de a converti în căldură cantitatea maximă posibilă de radiație solară. Această cantitate diferă în funcție de unghiul de înclinare, la incidență normală absorbția suprafeței este maximă, cu cît unghiul scade, absorbția scade de asemenea așa cum reiese și din figura 3.21 [67], [69], [28].

Figura 3.21 Influența unghiului de înclinare asupra eficienței colectorului

Unghiul de înclinare al colectorului este considerat fix, respectînd regulile de orientare pentru o locație dată, orientare către S și înclinat la un unghi egal cu latitudinea ±5 grade. Pentru Chișinău unghiul optim poate fi considerat de 450.

Figura 3.22 Influența intensității radiației asupra eficienței colectorului

3.2.8 Influența factorilor externi

Temperatura mediului exterior, Ta nu poate fi controlată.

Figura 3.23 Influența temperaturii mediului exterior asupra eficienței colectorului

Viteza vîntului, v, influențează eficiența sistemului producînd pierderi de căldură convective la suprafața colectorului. Acest parametru nu poate fi controlat.

În concluzie, randamentul crește semnificativ cu creșterea temperaturii mediului exterior cu valori de pînă la 5%, acest parametru fiind practic incontrolabil.

Influența singulară a temperaturii plăcii absorbante, Tp este ilustrată în figura 3.24. Diferențele maxime obținute pentru valorile temperaturii de 350 K la 395 K sunt de 0,2823% pentru randament, însă cea a plăcii absorbante este crucială în procesul de optimizare a designului colectorului solar, influența prezentată în figura 3.24 fiind una de natură calitativă. Așa cum s-a menționat, aceasta este influențată, la rîndul ei, de alți factori precum:

debitul din circuitul colectorului, ;

tipul fluidului vector (gaz sau lichid);

temperatura la intrarea în colector;

unghiul de înclinare al colectorului;

coeficientul transferului de căldură între fluidul vector și placa absorbantă;

coeficientul de conducție între tubulatura circuitului și placa absrbantă;

eficiența nervurilor plăcii absorbante, care este influențată de materialul plăcii, grosimea sa și spațierea dintre tuburile circuitului.

Figura 3.24 Influența temperaturii absorberului asupra eficienței colectorului

Așa cum s-a arătat temperatura plăcii absorbante este influențată de alți parametri, neputînd fi însă modificată în mod direct.

Influența intensității radiației solare asupra eficienței este în strînsă legătură cu unghiul de înclinare al colectorului, așa cum s-a arătat anterior. Cu cît intensitatea este mai mare, cu atît energia utilă este mai mare și implicit eficiența crește. Valoarea intensității radiației nu poate fi însă impusă.

3.3 Îmbunătățirea randamentului

Îmbunătățirea randamentului se face pe baza unora dintre parametrii constructivi identificați anterior ca avînd influență sensibilă asupra mărimii randamentului.

Dintre aceștia se selectează parametrii geometrici:

Grosimea stratului de izolație de la baza colectorului L;

Grosimea stratului de izolație laterală a colectorului Liz;

Distanța dintre tuburi D;

Diametrul interior al tubulaturii di;

Diametrul exterior al tubulaturii d0;

Grosimea plăcii absorbante x.

Intervalele de valori de care aparțin acești parametri sunt alese ținînd seama de cele prezentate anterior, de recomandările producătorilor și de alte surse bibliografice citate în fiecare caz.

3.3.1 Restricții impuse în procesul de îmbunătățire

Restricțiile reprezintă intervalele de valori în care sunt cuprinși parametrii selectați anterior. Restricțiile legate de grosimea stratului de izolație (atît cel de la baza colectorului cît și cel lateral)

[48]:

Lmin ≤ L ≤ Lmax , (3.24)

unde:

Lmin = 5mm și Lmax = 100mm.

Distanțele dintre tuburi, conform recomandărilor producătorilor [48]:

Dmin ≤ D ≤ Dmax , (3.25)

distanța minimă dintre tuburi fiind recomandată ca fiind Dmin = 86…88 mm, iar cea maximă:

Dmax = 97…99 mm.

Diametrul interior al tubului circuitului [48]:

di min ≤ di ≤ di max , (3.26)

unde:

valoarea diametrului interior minim al tubulaturii este di min = 16 mm și cea maximă di max = 57 mm.

Diametrul exterior al tubului circuitului [48]:

d0 min ≤ d0 ≤ d0 max , (3.27)

unde:

d0 min = 16…18 mm și d0 max = 59…61 mm.

Grosimea plăcii absorbante trebuie să se încadreze de asemenea între valori optime, recomandate la rîndul lor de producători [65]:

xmin ≤ x ≤ xmax , (3.28)

valoarea minimă fiind cuprinsă între xmin = 0,1…0,3 mm și cea maximă xmax = 1,99…2,1mm.

Pentru a obține valori pozitive pentru grosimea țevii registrului se impune condiția ca d0>di.

Astfel, conform relațiilor prezentate în subcapitolul 3,1, funcțiile de optimizare se obțin particularizînd în relațiile (3.29 … 3.35), parametrii secundari cu valorile nominale ale colectorului de referință:

, (3.29)

, (3.30)

unde:

, (3.31)

, (3.32)

Ca urmare se obțin funcțiile:

UL=UL(L,Liz) , (3.33)

= (UL, D, di, d0, x) , (3.34)

Funcția (3.23), ținînd seama de relațiile pentru UL și , anterior determinate, și de parametrii colectorului solar standard, devine:

, (3.35)

3.3.2 Programul de calcul folosit la studiul de îmbunătățire a randamentului colectorului solar plan

Pentru maximizarea funcției randamentului și determinarea valorilor parametrilor principali pentru care această funcție este maximă, se folosește programul MATLAB 7.0.1.

Pentru optimizarea randamentului, se folosește funcția de minimizare, considerată însă cu semnul minus pentru a transforma procesul de minimizare în maximizare.

Există nouă tipuri de funcții de minimizare, listate în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4 Cele nouă tipuri de funcții de minimizare

Pentru a introduce programul, se alege funcția fmincon care are capacitatea de a găsi valoarea minimă a funcției scalare cu restricții avînd diverse variabile. Aceasta se referă la modul general de optimizare neliniară cu restricții sau programare neliniară.

Funcția fmincon se folosește în cazul căutării valorii minime a funcției multivariabile neliniare cu restricții [Help MATLAB ]:

f(x) min = x , (3.36)

cu restricțiile:

, (3.37)

, (3.38)

, (3.39)

unde:

x, b, beq, lb și ub – sunt vectori;

A și Aeq – sunt matrici;

f(x) – este funcția care va fi calculată.

Expresia:

x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub) , (3.40)

definește un set de valori mici și mari pentru variabile în x, astfel încît lb ≤ x ≤ ub.

[x,fval] = fmincon(…) , (3.41)

Astfel se calculează valoarea funcției obiectiv pentru soluția x.

Relația cu care se calculează valorile variabilelor este f(val):

(3.42)

Pentru definirea funcției obiectiv se scrie într-un M-file:

function f = objfun(x), (3.43)

iar f se înlocuiește cu relațiile amintite anterior cu semnul minus în față.

Constrîngerile se definesc pentru MATLAB:

lb ≤ x ≤ ub , (3.44)

Se calculează maximul funcției din relația (3.35) și se obține valoarea:

fval = 0,833444 , (3.45)

Pentru această valoare, variabilele sunt:

(3.46)

În concluzie, pe baza funcției obiectiv modelată anterior s-a efectuat optimizarea acesteia prin identificarea valorii maxime și a argumentelor care asigură maximizarea. Folosind programul MATLAB se obțin, pe lîngă randament, valorile pentru care se atinge acest maxim. S-a obținut o îmbunătățire a randamentului cu un procent de 2,0515% (v.figura 3.25).

Figura 3.25 Valorile comparate ale eficiențelor

CONCLUZII ȘI RECOMANDĂRI

Analizînd stadiului actual în dezvoltarea colectoarelor solare plane și efectuînd cercetări teoretice în scopul dezvoltării unei metodologii de îmbunătățire a randamentului colectoarelor solare plane, putem deduce următoarele concluzii generale:

Sursele de energie regenerabilă sunt surse cu un mare viitor atît în lume, cît și în Republica Moldova, deoarece în ritmul creșterii actuale a poluării atmosferii cu gaze cu efect de seră (GES) omenirea merge conștient spre o catastrofă globală. Pentru ameliorarea situației ecologice, se impune elaborarea unor norme în care să fie stipulate măsurile de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră, cît și creșterea performanțelor tehnico-economice a colectoarelor solare, în scopul majorării eficienței conversiei radiației solare în energie termică;

Dintre diferitele forme de energie utilizate, la etapa actuală de dezvoltare a tehnicii, energia termică are ponderea cea mai mare în balanța energetică a unei țări. Datorită acestui fapt, se depun eforturi susținute pentru gasirea căilor optime de folosire a energiei termice, cu scopul economisirii resurselor energetice primare de combustibili;

Datorită performanțelor tehnico-economice a colectoarelor solare, radiația solară capătă un viitor tot mai amplu, bazînduse pe rentabilitatea mărită a posibilității de transformare a acesteia în energie termică, ceea ce le permite oamenilor să-și monteze un astfel de sistem, deoarece prețul la combustibilii fosili crește, iar prețul pentru 1 kWh de energie regenerabilă scade datorită noilor tehnologii de producere. Astfel, prin implementarea sistemelor solare de încălzire și preparare a apei calde menajere consumatorul este mai puțin dependent față de stat și politica lui externă;

Colectoarele solare plane realizează conversia radiației solare totale (directă + difuză) cu lungimi de undă λ =0,8…2,5 mm, în spectrul infrarosu care reprezintă peste 95% din energia solară, asigurînd unui agent termic (lichid, aer) temperaturi joase (pînă la 600C) sau medii (pînă la 1000C);

Radiația solară este o mărime variabilă care depinde de mișcarea pămîntului față de soare, de locația geografică, de ziua efectuării măsurătorii, de factorii meteorologici specifici locației, de unghiurile de orientare a colectoarelor solare;

Firmele producătoare indică eficiența colectoarelor solare pentru condiții standard de radiație solară, radiație policromatică de 1000W/m2 la care acestea se dimensionează și se optimizează constructiv. Evident, eficiența în exploatare este influențată de condițiile concrete ale locației de implementare. Asigurarea unei eficiențe bune a colectoarelor implementate într-o locație geografică concretă impune îmbunătățirea construcției și a orientării acestora. Există o mare diversitate de colectoare solare plane, după natura agentului termic, a modului de asigurare a absorbției energiei solare și a formei constructive a ansamblului absorbant, a canalului prin care circulă agentul termic;

Componentele specifice colectoarelor solare plane cu lichid (plăcile transparente, circuitul fluidului purtător de căldură, placa absorbantă, izolația termică, carcasa) sunt definite de parametri specifici cu valori cuprinse în domenii cunoscute;

Randamentul unui colector solar plan se poate exprima printr-o funcție analitică în care se regăsesc parametrii constructivi: ai plăcilor transparente, absorberului, registrului de țevi, izolației și carcasei, cît și cei funcționali: agent termic, radiație solară, orientare colector, factori externi – temperatura ambientului și viteza vîntului;

Prin studiul influenței acestor parametri asupra mărimii randamentului unui colector solar de referință s-au determinat sensul în care fiecare parametru influențează randamentul și mărimile influențelor determinate de modificările parametrilor în limitele recomandate în literatură;

În urma studiului influenței parametrilor constructivi asupra randamentului, aceștia au putut fi selectați în: parametri principali (cu influență sensibilă asupra randamentului) și parametri secundari (cu influență mică asupra randamentului);

Parametrii constructivi principali sunt: numărul plăcilor transparente, emisivitatea termică a suprafeței plăcii absorbante, materialul plăcii absorbante, grosimea plăcii absorbante, absorbanța suprafeței absorbante, distanța dintre tuburi, diametrul interior al tubulaturii, grosimea izolației laterale și de la baza colectorului, conductivitatea termică a izolației colectorului;

Dintre parametrii funcționali influențele cele mai mari le au debitul agentului termic și factorii externi (temperatura ambientului, diferența dintre temperatura agentului termic la intrarea în colector și cea a mediului ambiant);

Optimizarea randamentului, efectuată pe baza parametrilor geometrici dintre parametrii constructivi identificați anterior ca fiind principali (grosimea izolației, distanța dintre tuburi, diametrul interior al tubulaturii, grosimea plăcii absorbante), a condus la o îmbunătățire a randamentului colectorului solar de referință cu peste 2%.

Recomandări aduse prin cercetarea teoretică sunt:

Necesitatea identificării parametrilor radiației solare, esențiali în conversia acesteia în energie termică (tipul radiației, lungimea de undă, factorii de variație);

Identificarea corectă a unghiurilor de poziționare a colectoarelor solare plane în vederea asigurării unei eficiențe optime a colectorului;

Efectuarea unei analize comparative, a unui mare număr de soluții constructive ale colectoarelor produse de principalele firme în domeniu;

Necesitatea îmbunătățirii construcției și a orientării colectoarelor solare în funcție de locația geografică concretă;

BIBLIOGRAFIE

BIBLIOGRAFIE