Monitorizarea Parametrilor Unei Instalatii CU Panouri Solare Pentru Apa Calda Menajera Si Incalzire. Solutii DE Optimizare

MONITORIZAREA PARAMETRILOR UNEI INSTALAȚII CU PANOURI SOLARE PENTRU APĂ CALDĂ MENAJERĂ ȘI ÎNCALZIRE. SOLUȚII DE OPTIMIZARE

Introducere

În prezent este din ce în ce mai clar faptul că tindem spre folosirea surselor noi de energie în special energia solară. Energia solară persista pe tot globul și este o sursă de energie infinită, în cantități mai mult decât suficiente. Suprafața Terrei (Pământului) este „bombardata” in fiecare an cu o cantitate foarte mare de energie din care omenirea consuma foarte puțin. Putem spune că energia furnizată de soare este de 8000 de ori mai mare decât consuma omenirea după analiza specialiștilor. Această energie este gratuită și este în totalitate ecologică, nepoluantă , inepuizabilă și sigură.

Energia soarelui se poate utiliza la încălzirea locuințelor, la încălzirea apei menajere sau a apei dintr-o piscina cu ajutorul panourilor solare dar poate fi folosită și pentru producerea de energie electrică cu ajutorul panourilor foto-voltaice.

S-a considerat această sursa de energie ca fiind indispensabila omenirii pentru că specialiștii au făcut cercetări și au descoperit că resursele de petrol, gaze naturale, cărbuni, care se folosesc pentru a produce energie termica prin intermediul unor centrale termice, nu sunt infinite si vor ajunge pe durata a câțiva zeci de ani iar apoi energia soarelui va fii, poate, singura sursă de energie. Pe lângă faptul ca resursele spuse mai sus sunt limitate s-a dorit studierea acestei surse de energie și pentru că este gratis dar și pentru a economisi la factura de apă,de gaz sau de electricitate după caz. Aceste facturi o să crească odată cu trecerea timpului din cauza resurselor limitate iar prin aceste sisteme putem sa le reducem sau în unele cazuri chiar să „scăpam” de ele. Folosirea acestei energii reduce consumul de apa sau electricitate din rețea așa că putem reduce și emisiile de gaze și reziduri materiale pe care centralele care produc apă sau energie electrică le expun în atmosferă in urma proceselor de obținere a energiei. În ritmul actual de consum a combustibililor clasici este nevoie să folosim surse energetice ecologice și mai ieftine, mai ales din cauza faptului că începe să se vadă efectul negativ al acestora (emisii de noxe, efectul de seră).

Din aceste motive, în această lucrare ne-am propus sa analizăm o instalație de încălzire a apei menajere si a locuinței cu panouri solare.

Lucrarea este structurată în așa fel încât să cuprindă aspectele necesare pentru a putea ajunge la niște concluzii coerente și cât mai exacte posibil. Lucrarea este modulată pe 4 capitole, ele fiind următoarele:

Capitolul I – prezintă un scurt istoric al energiei solare urmat de o introducere în domeniul energiei solare-termice și parcursul undelor solare. După aceste generalității am încercat să prezint noțiunea de captator solar și o clasificare a acestor captatoare urmată de prezentarea aplicațiilor în care este folosită energia solară-termică.

Capitolul II – în acest capitol s-a realizat o prezentare detaliată a instalației analizate și pe care am făcut măsurarea parametrilor.

Capitolul III – este capitolul cel mai important pentru că aici s-au pus toate datele necesare pentru a putea trage concluziile asupra instalației solare. S-a realizat o analiză a datelor climatice și a măsurătorilor parametrilor ce puteau fi analizați pe acest sistem.

Capitolul IV – pentru această lucrare s-a realizat o mini instalație solară, o instalație de laborator, pentru a vedea și un alt tip de instalație solară. Am spus prea mult alt tip, pentru că este doar un alt tip de captator solar principiul rămânând același chiar și celelalte elemente care alcătuiesc sistemul doar că sunt la o scară mai mică.

Scopul acestei lucrări este de a studia parametrii unei astfel de instalații, pentru ca in viitor să folosim aceste panouri solare pe cât mai mult posibil din cauza celor spuse mai sus despre resursele de petrol, gaze naturale, cărbuni sau chiar sursele forestiere.

Capitolul I: Noțiuni de teorie a energiei solare-termice

I.1. Energia solară. Istoric

Primele utilizări ale energiei solare s-au produs încă din antichitate. Amintim ca „efectul de seră” a fost descoperit și folosit de către egipteni, Heron din Alexandria a construit un dispozitiv pentru pompare a apei folosind ca sursă primara energia solară, iar în secolul al III-lea î.H., matematicianul grec Arhimede a folosit oglinzi uriașe care orientau fasciculele de lumină focalizate spre navele inamice incendiindu-le.

Conceptul de energie solară a apărut in anul 1767 când omul de știință elvețian Horace de Saussure a inventat primul colector solar zis „cutia fierbinte” folosită de Sir John Hershel in 1830 pentru a gătii în timpul expediției sale în Africa. Încălzirea solară a început sa fie importantă când Clarence Kemp a făcut primul sistem termo-solar de încălzire.

În secolul XIX francezul Augustin Mouchot a dezvoltat panoul lui Saussure la care a adăugat oglinzi concave iar în anul 1878 a realizat o mașină cu aburi acționată cu energie solară si a propus sursa solară pentru generare de electricitate.

În 1903, un colonel spaniol pe nume Isidoro Cabanyes a descris într-o revistă un șemineu solar. În 1931 un autor german pe nume Hanns Gunther descris centrala electrică care avea la bază șemineurile solare.Din 1975, Robert E. Lucier a cerut brevet de invenție pentru un generator de putere de turn solar electric, dar aceste brevete au fost înregistrate în Australia, Canada, Israel si USA între 1978 si 1981.

Pe parcursul istoriei, oamenii au folosit căldura soarelui pentru diferite întrebuințări casnice. Astăzi, energia termo-solara este folosită aproape în orice climat pentru a furniza o sursa sigură și ieftină de energie. În ultimii ani energia termo-solară este folosită pentru crearea aburilor ce alimentează turbine generatoare de energie electrică.

I.2. Energia solară-termică. Generalități.

Energia solară este principala sursă de energie a pământului. Gradul de disponibilitate al energiei solare este foarte mare și depășește orice altă sursă de energie cunoscută până in prezent.

De aproape 5 miliarde de ani soarele trimite în spațiu o cantitate enormă de energie ,ca rezultat al reacțiilor termonucleare de fuziune care au loc în masa acestuia; atomii de H se unesc si formează atomi de He, proces în care se degaja o cantitate enormă de energie.

Specialiștii în domeniu asigură că, procesul va continua încă pe atâta, întrucât pierderea de masă în procesul de fuziune este mică (4,5 t/s, ceea ce, la nivelul masei solare, înseamnă practic, mai nimic).

Energia solară poate fi transformată in căldură prin captarea ei și poate fi folosită la producerea de apă caldă menajeră, încălzirea spațiilor, a apei din piscine etc. Această energie poate fi folosită și pentru a obține electricitate prin intermediul unor materiale semi-conductoare.

Energia termodinamică constă în concentrarea razelor solare cu scopul de a aduce un fluid la temperaturi ridicate și apoi ea fiind folosită mai departe in diferite aplicații.

Radiația solară este compusă din trei tipuri de raze:

– ultraviolete

– vizibile

– infraroșii

Fig. I.1. Scara lungimilor de undă [7]

Dacă ținem cont de mișcare de rotație a Terrei în jurul soarelui și de cea in jurul propriei axe, energia solară primită intr-un anumit loc de pe glob depinde de latitudine, anotimp si de oră dar de asemenea depinde si de condițiile meteo locale. În timpul iernii razele soarelui sunt mai razante, traversează un strat de atmosferă mai important și durează mai puțin în timpul zilei, deci energia ce va ajunge pe suprafața pământului este mai slabă.

În afara atmosferei terestre radiația energetica este aproximativ egală cu 1370 W/. Pentru a atinge toata suprafața pământului ,razele solare traversează atmosfera și, in timpul acestei traversări, sunt supuse unor variații de intensitate și direcție. Razele care străbat atmosfera sunt absorbite sau deviate in proporție mai mică sau mai mare până să ajungă pe suprafața pământului.

Interacțiunile care intervin atunci când radiația solară străbate atmosfera sunt:

– absorbția este însoțita de conversia energiei radiante în energie termică și este urmată de re-emisia unei radiații de lungime de undă mai mare

– dispersia, adică schimbarea direcției conform lungimii de undă a radiației este provocată de moleculele de aer, praf si de picăturile de apă. Culoarea albastră a cerului este rezultatul dispersiei mai puternice a radiației cu lungime de unda mică.

– reflecția este dependentă și ea de lungimea de undă. Din intensitatea radiației solare aproximativ 30% este reflectată înapoi în spațiu, de către nori, sau chiar de către suprafața pământului.

Fig.I.2. Radiația globală [7]

După cum se vede in figura 1.2. o parte din radiația solara se pierde pană ce ajunge pe suprafața globului terestru. În timpul verii când cerul este degajat nivelul radiației pe pământ poate ajunge la circa 800÷1000 în timp ce pe o vreme mohorâtă nivelul radiației nu este mai mult de 200 .

I.3. Captarea energiei solare. Tipuri de captatoare

Pentru a putea folosi radiația solară în diverse aplicații, ea trebuie „prinsă” adică captată. Această captare se face prin intermediul unor dispozitive care se numesc colectoare sau captatoare solare. Ele captează radiația solară prin intermediul fenomenelor de convecție, conducție și radiație transformând-o în energie termică.

Un captator solar termic trebuie sa aibă următoarele caracteristici:

o performanța bună în convertirea energiei solare în căldură

o rezistență mare la factorii agresivi externi (praf, zăpadă, grindină, vânt)

o rezistența buna la temperaturi ridicate și la temperaturi joase

durata mare de viața (20-30 de ani) si păstrarea performanțelor în timp

ușurință în montare

Captatoarele solare sunt de mai multe tipuri după cum urmează:

I.3.1. Captatoare plane cu sticlă

Principalele elemente care compun un captator plan sunt:

o cutie sau casetă

un absorbant sau o placă absorbantă

un izolator termic pe partea din spate a cutiei

un circuit de tuburi pentru fluidul termoconductor

geam

Fig.I.3. Captator plan de sticlă [9]

Geamul are mai multe funcții cum ar fi o funcție de izolare care limitează pierderile termice prin convecția aerului exterior ,dar și creează efectul de seră blocând razele infraroșii emise de suprafața absorbantă. Acest capac transparent este în general din sticlă călită cu conținut mic de fier, de grosime 3-5 mm și se caracterizează printr-un factor de transmisie solară între 85 și 92% din raza incidentă.

Absorbantul captează radiația solară transformând-o în căldură și pe care o transferă fluidului termoconductor (în general un amestec de apă și glicol) care circulă printr-o tubulatură. Placa absorbantă este în general din cupru sau aluminiu și este acoperită cu un strat de vopsea mată și închisă la culoare, caracterizată prin coeficientul său de absorbție. Fluidul circulă prin tubulatură cedând căldură rezervorului de stocare prin intermediul unui schimbător de căldură.

Rezervorul de stocare este o cuvă metalică bine izolată în care se află rezerva de apă caldă menajeră. Apa caldă consumată se înlocuiește cu apă rece din rețea și care este la rândul ei încălzită de schimbătorul de căldură prin care circulă lichidul termoconductor.

Cutia este confecționată din oțel acoperit cu aluminiu sau un material compozit. Pe fundul cutiei trebuie să fie un izolator termic care este de obicei polistiren sau spumă poliuretanică în grosime de 5 cm.

I.3.2. Captatoare plane fără sticlă

Aceste captatoare constau într-o rețea de tuburi negre, în general din material plastic flexibil de tip elastomer sau propilen etilen dienă monomeri și se folosește pentru ape care nu au nevoie de o temperatură mai mare de 30°C , de exemplu apa dintr-o piscină. Captatoarele sunt instalate fie pe sol sau pe un acoperiș din apropierea apei încălzite și sunt alimentate direct cu apa ce trebuie încălzită. Ele permit ridicarea temperaturii în medie cu 5°C.

Fig.I.4. Mochetă solară pentru încălzirea apei dintr-o piscină [11]

I.3.3. Captatoare pavate cu sticlă

Aceste tipuri de captatoare sunt construite din plăci de policarbonat alveolar în interiorul cărora circulă apa din piscină și sunt acoperite cu sticlă de decor dar care trebuie să fie transparentă. Ele pot fi instalate ca și captatoarele fără sticlă pe o sol sau pe o terasă. Policarbonatul este rezistent mecanic și chimic (la sare, la clor, etc).

I.3.4. Captatoare solare sub vid

Tuburi sub vid cu flux direct

Un astfel de captator este constituit dintr-o serie de tuburi de sticlă prin care trece un tub colector de căldură. Peretele acestor tuburi este dublu, idem sticlei de termos, acolo făcându-se vidul in scopul limitării pierderilor de căldură prin convecție.

Captatoarele sub vid au un coeficient ridicat de ordinul 1; ele sunt aproximativ de 4 ori mai eficiente deoarece pierd mai puțin în putere și conducție decât un captator plan în aceleași condiții de temperatură exterioară. Aceste captatoare permit obținerea de temperaturi mai ridicate decât captatoarele plane.

Fig.I.5. Principiul captatorului sub vid cu flux direct [12]

Tuburi sub vid conducătoare de căldură

În aceste captatoare tubul absorbant conține o cantitate mică de lichid care sub acțiunea radiațiilor solare se evaporă, vaporii urcând în partea superioară unde se condensează prin contactul cu schimbătorul de căldură și transferă căldura lichidului termoconductor. Aceste captatoare trebuie montate la un unghi de 30-45°. Acest sistem de tuburi are ca avantaj principal în comparație cu cel precedent că un tub defect poate fi înlocuit fără demontarea întregului captator. Ele au și un avantaj termic, acela de a furniza temperaturi ridicate (peste 100̊C ).

Fig.I.6. Principiul captatorului sub vid conducător de căldură [10]

Radiația care este trimisă spre panul solar nu este transformată toată în energie termică pentru că intervin și pierderile care se împart în două categorii:

– pierderi termice

– pierderi optice

Pierderi optice

Captatoarele de sticlă au aceste pierderi din cauza sticlei care este o „oglindă” pentru radiațiile care ar trebui să fie absorbite de către panou. Pierderile optice nu pot fi eliminate 100% dar ele pot fi reduse prin înlocuirea sticlei normale cu o sticlă solară care are un conținut scăzut de fier.

Pierderile termice

Aceste pierderi au loc atunci când fluidul termoconductor se încălzește, iar el circulând prin panou cedează căldură prin convecție și prin radiații către mediul ambiant. Pierderile termice depind de temperatura mediului ambiant. Ele sunt invers proporționale cu temperatura mediului.

Fig. I.7. Pierderile optice și termice [13]

Eficiența unui panou solar este definita prin relația:

Tmp – temperatura medie din panoul solar (̊C)

Tma – temperatura mediului ambiant (̊C)

Radiația solară are ca unitate de măsură

Pierderile optice și termice nu sunt la fel la toate panourile solare. La captatoarele vidate pierderile termice sunt cu până la 50% mai mici decât la captatoarele plane.

I.4. Producerea apei calde menajere și încălzirea locuinței

I.4.1. Producerea apei calde menajere

Un sistem solar care produce apă caldă menajeră funcționează în două faze. În prima fază, radiația solară este captată de panoul solar și transformată în căldură. Lichidul termic este pompat în panou de unde absoarbe căldura și o transportă la rezervorul acumulator. A doua fază se manifestă în rezervor, care, cu rolul unui schimbător de căldură încălzește apa din instalațiile sanitare. Putem spune că un sistem de alimentare cu apă caldă menajeră alimentat de energia solară este compus din 5 sub-elemente:

sub-sistem colector

sub-sistem de transfer de energie

sub-sistem de stocare

sub-sistem de energie auxiliară

sub-sistem de distribuție

Pentru încălzirea apei menajere la o locuința individuala pot fi folosite 4 tipuri de sisteme solare:

sistemul solar cu circulație forțată

sistemul solar termosifon monobloc

sistemul termosifon cu elemente separate

autodepozitul

Sistem solar termic cu circulație forțată

Acesta este cel mai folosit tip de instalație solară. Principalele elemente ale acestui tip de instalație sunt panoul solar si rezervorul de apă cu schimbător de căldură. În plus sistemul mai are o pompa controlata de un sistem de control care realizează circulația lichidului termoconductor prin conducte atunci când există o diferență de temperatură de 5-8 ̊C între lichidul din panoul solar și apa din rezervor.

Fig. I.8. Instalație solară cu circulație forțată [20]

Sistem solar termosifon monobloc

Caracteristica acestei instalații este că panoul si rezervorul de depozitare sunt situate pe același cadru exterior. Principiul de funcționare este simplu, apa încălzită de captator urcă în mod natural, fără ajutorul unei pompe, în rezervorul dispus în partea de sus a panoului. Dezavantajul acestui tip de sistem solar este că rezervorul fiind situat în exterior va avea pierderi termice destul de mari mai ales la temperaturi exterioare joase chiar dacă el este izolat corespunzător. Avantajul sistemului solar termosifon monobloc constă în faptul că este simplu conceput și este autoreglabil, deci riscul de întrerupere a funcționării este foarte mic.

Fig. I.9. Captator solar cu sistem monobloc [21]

Sistemul termosifon cu elemente separate

Tipul acesta de instalație are același principiu de funcționare ca si cel monobloc. Diferența este că rezervorul de apă este situat în interiorul clădirii fapt ce face ca pierderile termice să fie mai mici mai ales când temperatura din afara clădirii este scăzută. Singura problemă este că trebuie să fie respectată condiția ca rezervorul să fie mai sus decât panoul solar, ceea ce face de multe ori ca panoul solar să nu fie montat pe acoperișul locuinței.

Autodepozitul

Autodepozitul solar este o instalație la care captatorul și rezervorul îl constituie același element. El este propriu-zis un rezervor din oțel izolat la exterior și este închis cu sticlă simplă sau sticlă solară pentru a putea absorbi cât mai bine radiația solară. Autodepozitele solare sunt mai puțin folosite pe continentul nostru, el este folosit în țările cu o climă mult mai caldă.

I.4.2.Încălzirea locuinței

Pe lângă necesarul de apă caldă menajeră mai avem nevoie de o „apă caldă” pentru încălzirea locuinței. Un panou solar sau un sistem de panouri solare poate reduce până la 60% iarna și până la 100% în celelalte anotimpuri, costurile cu încălzirea unei locuințe. Încălzirea solară trebuie luată ca un sistem care asigură o reducere considerabilă a costurilor cu încălzirea.

Încălzirea locuinței se bazează pe același principiu ca și cel al producerii de apă caldă menajeră. Panoul captează energia soarelui, încălzind agentul termic primar acesta din urmă este condus către rezervorul „tanc in tanc”. Energia produsă de către panoul solar este distribuită agentului termic din instalația de încălzire a clădirii prin intermediul serpentinei din rezervor. În rezervorul pentru încălzire sau rezervorul principal este încastrat și rezervorul mic de apă caldă menajeră care se încălzește prin absorbția căldurii create în rezervorul mare. Grupul de pompare și sistemul de comandă asigură automat recircularea agentului termic din panou și din caloriferele de încălzire.

Fig.I.10. Principiu de funcționare – încălzire locuință [15]

I.4.3. Instalațiile suplimentare

Din cauză că iarna radiația solară este foarte slabă panourile solare nu pot acoperii tot necesarul de energie termică a unei locuințe doar aproximativ 20% avem nevoie de un plus de energie pentru a compensa acel 80% rămas.

Această compensare se face cu ajutorul următoarelor sisteme:

Rezervorul solar cu dublu schimbător de energie

Acest rezervor este cel în care este amplasat schimbătorul de căldură de la panoul solar. Pe lângă schimbătorul de căldură de la panoul solar, în acest rezervor se mai află un schimbător de căldura în partea de sus care poate fi o rezistența electrică sau poate proveni de la o centrală pe gaz sau lemne. Are ca avantaj costurile reduse dar nu are o eficacitate foarte ridicată.

Rezervorul în serie cu rezervor suplimentar

Instalația este formată din două rezervoare unul de la panoul solar iar celălalt de la o instalație auxiliară. Al doilea rezervor poate fi cu încălzire electrică sau racordat la o sobă de lemne, motorină sau gaz și este legat în serie cu primul rezervor ajutând la compensarea necesarului de energie termică.

Capitolul II: Prezentarea și funcționarea instalației solare

II.1. Colectorul solar

Colectoarele solare (panourile solare) folosite la această instalație sunt cele de tip cu tuburi vidate tehnologie heat-pipe. S-a zis panouri pentru că nu există un singur panou ci trei panouri legate în serie pentru ca instalația sa aducă aportul necesar de energie calculat pentru locuință. Funcționarea la temperaturi ridicate și pierderile foarte mici fac din aceste panouri cu tuburi vidate să fie ideale pentru încălzirea locuinței și a apei calde menajere.

Fig.II.1. Panourile solare „Webstech WT-B58-30”

Acestea se compun din tuburi paralele în spatele lor aflându-se reflectoare pentru concentrarea radiației solare. Tuburile la rândul lor sunt compuse din doua tuburi puse unul in altul și între care se creează vacuum sau vid. Vidul dintre tuburi împiedică pierderile prin conversie și oferă o performanță mai mare panourilor. Tuburile folosite pentru panourile din instalația analizată sunt heat-pipe adică în interiorul tuburilor de sticlă există o conductă de căldură, dispozitiv de evaporare și condensare pentru transferul de căldură rapid. Căldura latentă de vaporizare este transferată prin intermediul unui lichid pe bază de apă în regiunea de admisie a căldurii solare evaporate și condensate în regiunea de descărcare. Sursa de căldură este placa absorbantă, care este în mod continuu legat la conducta de căldură.

Condensatorul (zona de descărcare de căldură a conductei de căldură) este în contact direct cu un colector, care servește ca schimbător de căldură. În plus conducta de căldură are o funcție de diodă, transferul de căldură este întotdeauna într-o singură direcție – de la absorbant la colector.

O supapă termodinamică reglează fluxul de căldură al conductei încălzite atunci când temperatura de funcționare se apropie de un punct maxim prestabilit. Ajustarea valvei se face prin utilizarea unui metal de „memorie” adică metalul își schimba modul său de elasticitate la temperatura programată și împinge mufa spre pasajul conductelor de căldură întrerupând condensarea și de astfel schimbul de căldură dintre tuburi și conducta de căldură. Conducta de căldură are un ciclu de evaporare și condensare, acceptând căldură de la o sursă externă. Această sursă de căldură externă ridică lichidul din conducta de căldură spre regiunea de fierbere. Lichidul din conducta de căldură se evaporă apoi se eliberează căldura latentă de transformare inversă la secțiunea radiator. Acest proces se repetă continuu, lichidul condensat se întoarce înapoi în zona de căldură prin intermediul gravitației știind că apa rece e mai grea decât apa caldă. Datorită proprietăților fizice și termice ale cuprului conducta de căldură este realizată din acest material iar placa absorbantă din aluminiu (poate fi și din cupru). La capătul fiecărei conducte de căldură este inserat un mic condensator din cupru. Acest condensator este introdus într-o cameră bine izolată, camera schimbătorului de căldură a sistemului colector solar.

Odată cu strălucirea soarelui radiațiile termice „bombardează” placa absorbantă, lichidul din conducta de căldură fierbe și aburii se ridică spre condensator. Fluidul ce curge prin colectorul de căldură răcește condensatorul dar prin absorbție de căldură pe care o transferă la rândul lui rezervorului de apă caldă.

Tuburile fiind realizate din sticlă trebuie să aibă proprietăți bune de sigilare, vidare, de amortizare de șocuri și cea mai importantă fiind absorbția. Ca absorbția să fie cât mai bună trebuie să avem cât mai multe raze termice pe placa absorbantă. Din această cauză sticla se acoperă cu un strat de titan – nitrat -oxid (tinox). Acest strat făcând ca pe placa absorbantă să ajungă 98% din totalul radiațiilor termice care sunt orientate spre panoul solar. Dar mai există un factor care poate împiedica radiațiile să ajungă pe placa absorbantă acela fiind reflexia.

Acest impediment este realizat prin aplicarea unui strat anti-reflector care are un index de reflexie foarte mic lăsând să treacă 98-99% din razele incidente ce cad pe tubul solar.

Vidarea dintre cele doua tuburi elimină pierderile prin conducție și convecție. Vidarea, la Torr, imprimă o foarte bună performanță cu mult superioară oricărui tip de colector solar. Tubul vidat poate aduce lichidul din conducta de căldură până la 300 ̊C. Aceste panouri „Webstech WT-B58-30” sunt produse în Germania și au o eficiență foarte ridicată de 730 kW /h/㎡/an.

Fig.II.2. Date tehnice panou solar

II.2. Rezervorul de stocare și schimbătorul de căldură

În instalația analizată rezervorul de stocare este de tipul boiler în boiler (tanc în tanc), adică în boilerul principal care este folosit pentru încălzirea locuinței mai există un boiler mai mic care este pentru apă caldă menajeră.

Fig.II.3. Rezervorul solar „boiler în boiler Siss 900/200”

Acesta din urmă este încălzit de către apa din boilerul principal iar apa din boilerul principal este încălzită de către schimbătorul de căldură.

Tipul acesta de boiler are și o abreviere „siss” el fiind fabricat din oțel ST 37-2 emailat. Modelul acesta se poate folosi în toate sistemele de încălzire solară a apei calde menajere și aport la căldură. Vasul din interior este special conceput și emailat pentru ca apa să fie potabilă și folosită ca apă igienică în bucătărie. Rezervorul are o izolație de culoare argintie iar grosimea este de 100 mm tip ECO SKIN, asigurând pierderi minimale de energie termică 4,8 kW/24 h. El are 2 canale longitudinale concepute pentru montarea senzorilor de tip „Pt 1000”. Boilerul poate fi legat nu doar la instalații solare ci și la alte tipuri de generatoare de căldură cum ar fi cazan, sobă pompa termică, etc. Acest rezervor are o temperatură de lucru de până la 95 ̊C, dimensiune de 2150 mm și un diametru total de 990 mm. Presiunea din interiorul boilerului mic este limitată la 6 bari iar la cel mare la 3 bari.

Schimbătorul de căldură este format dintr-o singură serpentină de cupru cu protecție anticorozivă care are o arie totală de 3 în care încape 19,3 litri de apă. Serpentina este bine amplasată pentru un transfer eficient de căldură. Ea este concepută pentru o presiune de până la 10 bari și o temperatură maximă de 110 ̊C.

Ca instalații auxiliare sistemul solar folosește o rezistență electrică dar și o centrala termică pe gaz. Rezistența electrică este dotată cu un termostat reglabil și are o putere de 6 kW, alimentată trifazat (400 V). Ea poate fi folosită fără nici o problemă și la boilerele simple, monovalente.

II.3. Sistemul de recirculare și tubulatura

Stația solară „FV 70 TACOSOL ZR” îndeplinește funcția de recirculare a instalației solare analizate. Această stație este formată în principiu din pompa de recirculare „Wilo ST 25/3” ,regulator și sistem de aerisire, prin acestea putându-se regla debitul de apă și aerisi instalația.

Dispozitivul „Setter” care este încorporat în stație permite reglarea cantității de apă din circuitul primar. Stația este reglată pentru glycol dar se poate seta valoarea debitului de apă. Componentele stației nu sunt sensibile de aceea se poate folosi în instalație apă sau/și aditivi folosiți împotriva înghețului sau coroziunii.

Componentele părții de aerisire (circuit tur):

Robinet cu bilă cu supapă de siguranță – supapa de siguranță protejează sistemul la presiuni mari care ar putea apărea în sistem; robinetul poate face ca circuitul de tur să fie împărțit între colector și stocător; există o supapă de unisens montată pentru a opri lichidul care circulă în direcția opusă.

Aerisitor cu supapă de scurgere – acest dispozitiv are rolul de a elimina aerul din interior, în cazul în care avem scăpării de etanșeitate a sistemului.

Manometru – indică presiunea din sistem de la 0 la 10 bar

Termometru – măsoară temperatura lichidului prin intermediul unui senzor cu teacă de protecție; intervalul de măsurare este de la 0 la 160 ̊C.

Fig.II.4. Stația solară „FV 70 TACOSOL ZR”

Componentele părții de aerisire (circuit tur):

Robinet cu bilă cu supapă de siguranță- supapa de siguranță protejează sistemul la presiuni mari care ar putea apărea în sistem; robinetul poate face ca circuitul de tur să fie împărțit între colector și stocător; există o supapă de unisens montată pentru a opri lichidul care circulă în direcția opusă.

Aerisitor cu supapă de scurgere – acest dispozitiv are rolul de a elimina aerul din interior, în cazul în care avem scăpării de etanșeitate a sistemului.

Manometru-indică presiunea din sistem de la 0 la 10 bar

Termometru – măsoară temperatura lichidului prin intermediul unui senzor cu teacă de protecție; intervalul de măsurare este de la 0 la 160 ̊C.

Componentele circuitului retur

Robinet cu bila , cu supapă de siguranță și robinet de umplere sau golire- ca și în circuitul tur robinetul poate diviza circuitul între colector și stocător, supapa asigură circulația lichidului într-un singur sens; există un robinet prin care se poate alimenta circuitul cu apă sau golirea lui.

Pompa „WILO ST 25/3”, versiune solar- această pompă asigură recircularea lichidului de la panoul solar la schimbătorul de căldură în momentul în care primește comanda de la controlerul Steca prezentat mai jos; pompa are 3 nivele de putere care se pot seta prin intermediul unui buton încorporat.

Debitmetru setter Inline PF- reglează debitul pe circuit; reglarea se face cu ajutorul indicatorului de debit.

Termometru – este același ca cel de pe circuitul de tur

Avantaje: – instalare rapidă

– ajustări de reglare simple și precise

– aerisire continuă

– pot fi separate secțiunile colector și rezervor

– conectare la orice regulator electronic

– nu e nevoie de operațiuni de întreținere

Date tehnice:

Temperatura maximă de lucru:

– tur (partea aerisitorului): 160°C

– retur (partea pompei): 110°C

Presiune maximă de lucru: 8 bar

Presiune activare supapa de siguranță: 6 bar.

precizia de măsurare: ±10

II.4. Sistemul de control și contorizare

În instalația solară este nevoie de un sistem de control a pompei de recirculare a agentului termic și contorizare a energiei termice produse de captatoarele solare. Instalația care s-a analizat folosește ca sistem de control un controler „Steca TR A502 TT”.

Fig.II.5. Controlerul solar ”Steca TR A502 TT”

Controlerul este o soluție ideală pentru circuitele sistemele solare cu circuit dublu, cu două rezervoare de apă. Acesta poate fi foarte bine integrat în stațiile solare, dar poate fi desigur instalat pe pereții sau alte locuri. Tensiunea de intrare variabilă face ca acest dispozitiv să poată fi folosit în întreaga lume.

Controlerul solar are 5 intrări pentru achiziția de temperaturi și 2 ieșiri. Acesta poate fi folosit și pentru comanda a pompelor de mare eficiență. Dispozitivul are un display foarte clar pentru citirea datelor. Împreună cu un decodor de pulsuri extern, sistemul integrat în sistem permite achiziția de informații numerice din câmpul sistemului solar.

Acest controler poate fi folosit într-un domeniu diversificat de aplicații și este foarte ușor de operat și configurat, având 11 configurații pre-programate de control. Intrările și ieșirile sunt definite așa că putem să vedem ce este conectat la fiecare ieșire sau intrare. Instalatorul trebuie doar să seteze parametri limită ai instalației.

Construcția specială a controlerului care permite ca tensiunea de intrare să fie variată, totuși asigură maximul de eficiență și economie a dispozitivului. Electronica de tehnologie nouă protejează dispozitivul împotriva supraîncărcării și împotriva erorilor de instalare ceea ce asigură o durată mare de funcționare în siguranță și o fiabilitate a întregului sistem solar. „Steca TR A502 TT” asigură o monitorizare complexă iar ecranul afișează orice eroare sau funcționare incorectă a sistemului pentru a putea fi corectată imediat.

Caracteristicile controlerului

Afișaj

ecran LCD cu backlight , multifuncțional

reprezentare animată a sistemului și fazelor de operare

Funcții

cantitate de căldură-calculează volumul de căldură dobândit în funcție de temperatura pe tur, temperatura pe retur,debitul pompei și transferul căldurii prin agentul termic

răcire activă – pornește un răcitor auxiliar când temperatura din rezervor depășește 10 ̊C peste temperatura setată

control de week-end și vacanțe – evită stagnarea sistemului la temperaturi mari; în timpul nopți rezervorul este golit pe cât posibil pentru stabilizarea temperaturii până spre temperatura setată

recuperare de căldură

termostat diferențial – comută pornit sau oprit o ieșire în funcție de 2 senzori selectați

funcție de circulație – pornește pompa în funcție de temperatură sau timp stabilit

funcție anti-îngheț – pornește circularea pentru a absorbi căldură din puffer , în cazul în care temperatura exterioară scade sub 5 ̊C

afișare de reducere a poluării (cantitatea de eliberată conform energiei termice produse)

alarmă – în cazul unei defecțiuni sau erori se activează automat alarma

Sistemul de control al turației pompei trebuie oprit în cazul în care se conectează un releu pe ieșire. Controlerului ii trebuie conectat doar senzori de temperatură de tip Pt1000 și trebuie să aibă un cablu prelungitor de minim 100mm, iar în cazul în care cablul senzorului e în apropierea unui câmp electromagnetic trebuie folosit cablu ecranat.

Fig.II.6. Date tehnice controler „Steca TR A502 TT”

Pentru fiecare schemă solară a controlerului, componentele externe(pompe, valve, senzori de temperatură) trebuie conectate la terminali proprii fiecărei componente. Din cele 11 scheme solare instalația analizată este setată pe schema 1, care este formată dintr-un singur panou solar,un singur rezervor (puffer)cu un singur senzor de temperatură și o pompă de recirculare. Fiecare schemă poate fi pusă pe automat, toate operațiile sun controlate automat cu setările prestabilite, sau manual modificările operaționale și ieșirile pentru pompe, senzori de temperatură făcându-se de către personalul locuinței. Detaliile despre setarea propriu-zisă și alte informații le aflăm în manualul de utilizare al controlerului.

Toate elementele acestei instalații, cum ar fi pompele auxiliare, rezistența electrică sau centrala pe gaz sunt comandate prin intermediul unui tablou de automatizări în care se regăsesc mai multe relee, și disjunctoare pentru protecție. Acest tablou automatizează întreaga instalație ajutând foarte mult personalul pentru ca nu este nevoie de intervenția sa.

II.5. Sistemele de protecție

Toate instalațiile proiectate și realizate în prezent trebuie să aibă implementate și montate sisteme care să realizeze protecția atât a instalației cât și a personalului ce folosește aceste instalații.

Spre deosebire de instalațiile clasice tip cazan unde puterea este pe deplin controlată, la instalațiile solare unde soarele este sursa de energie nu se poate realiza controlul. Radiația solară cade pe captatoarele solare chiar și atunci când ele nu mai au cui să cedeze energia primită de la soare. Asemenea situație se întâmplă frecvent vara când avem temperaturi foarte ridicate iar energia termică nu este consumată acumulându-se în rezervorul de stocare până la un moment dat. Agentul termic din panourile solare atinge temperaturi incontrolabile putându-se transforma în vapori crescând foarte mult presiunea.

Din acest motiv ca un prim sistem de protecție a acestei instalații solare este vasul de expansiune. El preia aceste excesuri de presiune dar mai poate să compenseze dilatațiile termice ale lichidului din instalație. Vasul de expansiune(de volum mare) poate susține, fără a fi necesară o creștere mare a presiunii în instalație, tot conținutul lichid al câmpului de captatoare atunci când condensul format din cauza temperaturii excesive golește colectoarele. Vasele de dimensiuni (volum) reduse împiedică condensarea fluidului în câmpul de colectoare generându-se o creștere adecvată a presiunii. Datele tehnice pentru vasul de expansiune folosit la sistemul solar pe care am realizat măsurătorile sunt: dimensiune în litri – 24 litri; presiune maximă de lucru – 8 bari; greutate – 4.7 Kg.

Fig.II.7. Vase de expansiune

Alt sistem de protecție, dacă putem să-i spunem sistem, este supapa de siguranță care are rolul de a evita suprapresiunile în tubulatura instalației. Există mai multe supape de siguranță montate în anumite părți ale instalației pentru protecție. O astfel de supapă avem montată și pe modulul de recirculare al instalației ( bulbul acela negru de pe conducta de tur). Supapele au maximul de presiune de 3 bari iar temperatura maximă suportată este de 160 ̊C. Pe lângă acestea doua mai sunt montate și aerisitoare automate rezistente până la 180 ̊C.

Capitolul III: Măsurarea și analizarea parametrilor instalației

III.1. Analiza datelor climatice

România are o climă temperat continentală de tranziție, specifică pentru Europa centrală, cu cele patru anotimpuri distincte, primăvară, vară, toamnă și iarnă. Clima României este influențată de poziția pe glob, precum și de poziția sa geografică pe continent. Deși extinderea teritoriului țării pe latitudine ( 5 ̊ ) este mai mică decât cea pe longitudine ( 10 ̊ ), există totuși diferențieri mai mari între sudul și nordul țării în privința temperaturii, decât între vest și est.

Temperaturile aerului: – temperatura medie anuală scade ușor de la sud (10-11 ̊C) spre nord (8,5-9 ̊C), scade și cu altitudinea (6 ̊C la 1000 m și 0 ̊C la 2200 m)

– temperatura medie a verii este în jur de 21 ̊C, luna cea mai călduroasă fiind iulie cu zile tropicale de 30-35 ̊C

– temperatura medie a iernii este aproximativ -2 ̊C în luna ianuarie

– temperaturile maximă înregistrată a fost de 44,5 ̊C iar temperatura minimă a fost de -38,5 ̊C.

Față de creșterea temperaturii medii anuale globale de 0,6 ̊C pe perioada 1901-2000, în România media anuală a înregistrat o creștere de doar 0,3 ̊C. Au existat însă diferențieri regionale: o încălzire mai pronunțata a avut loc în sudul și estul țării ( ajungând până la 0,8 ̊C) și nesemnificativă în regiunile intra-carpatice, cu excepția stației Baia Mare unde a avut loc o încălzire de 0.7 ̊C. După anul 1961 această încălzire a fost mai pronunțată și a cuprins aproape toată țara.

În ceea ce privește schimbările climatice viitoare este de știut că schimbările în regimul climatic al României se încadrează în spectrul global, ținând seama de condițiile regionale: creșterea temperaturii va fi mai pronunțată în timpul verii în timp ce în nord-vestul Europei creșterea temperaturii se așteaptă să fie mai pronunțată în timpul iernii. După estimările AR 4 al IPCC, în România se așteaptă o creștere a temperaturii medii anuale față de perioada 1980-1990 similare întregii Europe. O creștere a temperaturii între 0,5 ̊C și 1,5 ̊C în perioada 2020-2029. În ceea ce privește viitorul mai îndepărtat se prezice o creștere a temperaturii între 2,0 ̊C și 5,0 ̊C pentru perioada 2090-2099.

România se află în zona europeană B de însorire, ceea ce oferă locuitorilor avantaje reale pentru a economisii energie termică, respectiv bani, dacă utilizează energia solară. Nivelul de insolație este foarte bun, comparativ cu a altor țări cu climat temperat, iar diferențele, funcție de zona geografică, sunt foarte mici.

Fig.III.1. Harta solară a României [19]

România este împărțită în trei zone principale de însorire:

– zona roșie (>1450 kWh//an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia, Dobrogea și sudul Moldovei;

– tona galbenă (1300 – 1450 kWh//an), include regiunile carpatice și sub carpatice ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc și nord a Moldovei și tot Banatul;

Zona albastră (1150 – 1300 kWh// an), cuprinde, în principal, regiunile de munte.

III.2. Diagrama date climatice-energie produsă și alți parametri

În vederea analizării acestei diagrame pentru instalația solară a fost nevoie de înregistrarea datelor climatice. Datele climatice au fost înregistrate cu ajutorul unui site care afișa în fiecare zi datele meteo pentru ziua respectivă. Înregistrarea datelor climatice am făcut-o pe perioada 16 martie-31 martie și11aprilie – 16 mai, aproape 2 luni de zile. Energia termică produsă de către instalația solară analizată s-a înregistrat în fiecare zi din această perioadă. Am ales realizarea a trei grafice pentru lunile martie, aprilie și mai.

Fig.III.2. Datele meteo pentru luna martie 2013 [4]

Aceste grafice climatice s-au introdus în lucrare pentru a observa câte ore de soare sunt în fiecare zi calendaristică și pentru a observa temperaturile zilei în cauză. O sa observăm în figura III.3 că pentru panourile solare sunt mai importante orele de soare decât temperatura mediului ambiant.

Fig.III.3. Graficul energiei produse și a altor parametrii pentru luna martie 2013

În figura III.3 s-a realizat un grafic care ne arată 4 parametri importanți ai instalațiilor solare. Datele pentru acest grafic dar și pentru următoarele grafice din lucrare au fost luate în fiecare zi pentru o exactitate cât mai mare. După cum se observă un prim parametru este energia produsă de către panourile solare, care are un maxim de 46 de kW de energie termică în ziua de 19 martie când temperatura maximă a mediului ambiant a fost de 10 °C. Cea mai mare temperatură a mediului ambiant a fost în 31 martie când panourile solare au produs 20 de kW de energie. Se poate spune că panourile au produs puțină energie în comparație cu alte zile în care nu am avut o temperatură exterioară așa ridicată dar cam aceeași energie produsă. Datele meteo din figura III.2 arată că nu prea au fost radiații solare care să producă energie de aici rezultă și consumul, să zicem, scăzut de energie. Este interesant faptul că în 16 martie panourile solare au produs 38 de kW de energie termică chiar dacă temperatura exterioară era de -3 °C. Dacă analizăm figura III.2 se observă că în 16 martie au fost 9 ore de soare acest fapt demonstrează că radiația solară este foarte importantă pentru panourile solare. Având 9 ore de soare chiar dacă temperatura exterioară era negativă panourile solare au produs energie timp de 8 ore cu o temperatură maximă de funcționare de 68 °C, temperatura fiind menținută la minim 55C de către centrala termică. De asemenea se observă că a fost un minim de energie de 7 kW în 22 martie chiar dacă temperatura din panourile solare a ajuns la 74 °C și au funcționat timp de 6 ore. Din datele meteo se observă ca nu a fost nici o oră de soare în acea zi. Această cantitate de energie se datorează faptului că în această lună aveam o suplimentare de energie din partea centralei pe gaz. Cantitățile mari de energie termică din luna martie produsă de panourile solare au fost posibile tocmai datorită suplimentului de energie pe care îl oferă centrala pe gaz. Deoarece centrala pe gaz încălzește rezervorul de apă se poate spune că panourile solare „merg în gol”. Ele au un aport foarte mic la încălzirea apei din rezervor de aceea avem și temperaturi mari in panourile solare. Acest fapt face ca sistemul „Steca” de pe care s-au colectat datele să înregistreze cantități destul de mari de energie.

Fig.III.4. Datele meteo pentru luna aprilie 2013 [4]

Fig.III.5. Graficul energiei produse și a altor parametrii pentru luna aprilie 2013

Se spune de la început că și in luna aprilie a fost adus acel supliment de energie din partea centralei pe gaz de care am vorbit la comentariile figurii III.3. Urmărind linia de energie produsă din figura III.5 în luna aprilie observăm multe fluctuații. Se pornește de la o producție medie de energie din 11 până în 15 aprilie când se înregistrează și minimul de energie, de 15 kW energie termică. Acest minim din ziua a 12-a se datorează faptului că temperatura exterioară (a mediului ambiant) nu a fost foarte ridicată dar și faptului că panourile nu prea au avut parte de radiație solară uitându-ne în figura III.4 la datele meteo. De asemenea se observă că au fost doar 5 ore de funcționare a instalației solare. Maxima de energie s-a produs în ultima zi a lunii, ea fiind de 68 kW. Analizând la datele meteo din această zi se observă că au fost doar 6 ore de soare și o temperatură maximă de 22 °C. Dar această cantitate mare de energie produsă se datorează faptului că în ziua precedentă a fost produsă o cantitate de energie destul de apropiată de cea din ultima zi. Apa din rezervor fiind încălzită destul de tare din ziua precedentă, nu a mai fost nevoie de atâta energie pentru a încălzi apa pentru că rezervorul are o rata foarte mică de pierdere a căldurii. De aici rezultă că energia produsă în ziua precedentă zilei în cauză contează foarte mult. Temperatura din panourile solare nu are fluctuații foarte mari dat faptului că temperaturile au crescut constant în luna aprilie față de luna martie când au fost destul de multe fluctuații ale temperaturii exterioare.

Fig.III.6. Datele meteo luna pentru luna mai 2013 [4]

Fig.III.7. Graficul energiei produse și a altor parametrii pentru luna mai 2013

În figura III.7 se observă că în luna studiată sunt două maxime de energie produsă în ziua a 7-a și a 16-a, ele fiind de 85 kW. În a 7-a zi se observă o temperatură a panourilor solare de 80 °C, care a fost și temperatura maximă din cele 16 zile pentru panourile solare, pe când în 16 mai doar 69 °C, dar o egalitate a orelor de funcționare (11). Temperaturile exterioare sunt aproximativ egale, 26 °C în ziua a 7-a și 25 °C în a 16-a zi. Dat fiind faptul că se observă aceeași energie produsă și în cele 2 zile dar avem o diferență de 11 °C în panourile solare chiar dacă restul parametrilor sunt aproximativ egali rămâne să se analizeze orele de soare pentru fiecare zi pentru observa de unde vine această diferență. În figura III.6 se observă că în 16 mai au fost mai multe ore de soare decât în 7 mai de acolo se clarifică problema cu diferența de temperatură din panourile solare. Minimul de energie produsă, parametrul cel mai important, s-a realizat în două zile ca și maximul acestei luni. Acesta a fost de 16 kW energie termică în a 13-a și a 15-a zi. În acest caz nu există egalitatea a niciunui parametru. În 13 mai instalația a funcționat 6 ore cu o temperatură maximă în panourile solare de 54 °C pe când în 15 mai a funcționat 9 ore la o temperatură maximă în panourile solare mai mică, doar 49 °C. Temperatura mediului ambiant a fost aproximativ 18 °C în ambele zile,dar cantitatea de radiație solară a fost mai mare în ziua a 15-a. Temperatura exterioară minimă nu s-a înregistrat în aceste 2 zile ci în ziua dintre cele două, 14 mai, aceasta fiind de 13 °C. Energia produsă în această zi de 14 a fost puțin mai mare decât minimul de energie produs, 20 kW. În această lună s-a renunțat la suplimentul de energie din partea centralei pe gaz, deci instalația solară a adus întregul necesar de energie pentru locuință.

Fig.III.8. Graficul energiei produse, a orelor de funcționare și a temperaturii exterioare medii pentru cele 3 luni analizate

După cum se observă în figura III.8 s-a realizat un grafic care ajută la compararea celor 3 luni în care s-a analizat instalația solară. S-a ales realizarea unui grafic pe 16 zile calendaristice pentru fiecare lună, chiar dacă existau date pentru mai multe zile (în luna aprilie),pentru a avea o perioadă egală contorizată pentru toate cele 3 luni. Se observă faptul că perioada lunii martie a fost cea mai slabă din toate punctele de vedere. Acest fapt este foarte ușor de înțeles, perioada lunii martie fiind mai slabă din cauza temperaturilor foarte scăzute, după cum se vede și media temperaturilor este de 6.5 °C, dar și din cauza numărului redus de soare. Dacă se compară parametrii din perioada lunilor aprilie și mai, se observă că deși temperatura medie exterioară a fost mai scăzută comparativ cu perioada lunii mai, energia produsă a fost mai multă în perioada lunii aprilie. Instalația a funcționat aproximativ la fel de mult în luna mai ca și în perioada lunii aprilie,diferența e doar de 4 ore în favoarea lunii aprilie. Analizând temperatura se observă că a fost mai ridicată în perioada lunii mai de aici ar trebui să rezulte o energie mai multă în perioada lunii mai decât în perioada lunii aprilie,dar este chiar invers. Acest fapt se datorează suplimentului de căldură din partea centralei pe gaz care a fost pornită în perioada lunii aprilie iar în mai a fost oprită. Această diferență este și din cauza orelor de soare, în perioada lunii aprilie fiind aproximativ 100 de ore de soare iar în perioada lunii mai doar 80 de ore de soare.

III.3.Măsurarea și analizarea parametrilor instalației

În figura III.9 s-a realizat un grafic care ne arată variația tuturor parametrilor măsurați ai instalației solare. Dacă se analizează parametrul cel mai important, care este energia produsă se observă o creștere substanțială până la 85 de kW de energie solară. În acest interval de ore s-a înregistrat o temperatură maximă de 33.3 °C la ora 14:30. Normal temperatura se înregistrează la umbră după observațiile specialiștilor meteo dar s-a vrut determinarea temperaturii la soare pentru a putea observa cât mai bine cantitatea de radiație solară care cade pe captatoarele solare. Dacă se face un calcul împărțind cantitatea de energie produsă la intervalul de ore de funcționare instalația ne rezultă 8.5 kW/h de energie termică.

Fig.III.9. Graficul parametrilor instalației solare în 16 mai 2013

La temperatura din panourile solare se observă o creștere constantă până la 70 °C la ora 17:30, apoi scade tot constant,și dacă se interpretează temperatura din panourile solare de la 8:00 vedem că este circa 35 °C, deci cam până la această temperatură se va ajunge într-o zi cu temperaturi normale de vară. Ajungându-se la temperaturile din puffer (rezervor) care au o mică iregularitate, dacă se poate spune așa, pentru că se observă că temperatura inferioară este mai mare decât temperatura superioare și noi știm că apa caldă fiind mai ușoară ar trebui să se afle în partea superioară. Pentru această iregularitate există o singură explicație și aceea ar fi schimbătorul de căldură care se află în partea de jos a rezervorului și de aceea temperatura inferioară este mai mare decât cea superioară. Aceste temperaturi sunt destul de ridicate maximul amândurora fiind de 62 °C. Se observă că ele cresc deodată cu o diferență de 2-3 °C între ele, ajungând la un moment dat la aceleași valori pentru că la ora 17:30 temperatura din panourile solare scade și nu mai încălzesc schimbătorul de căldură care la rândul lui nu mai cedează căldură apei din rezervor de aceea apa din rezervor va avea aceeași temperatură și în partea inferioară și în partea superioară. În ceea ce privește temperatura de pe turul și returul instalației ele cresc constant tot cu o diferență de aproximativ 2 °C iar la ora 18:00 ajung la aceleași valori. După ce ajung la aceleași valori cum este în cazul de față 63 °C ele scad constant având aproximativ aceeași valoare dacă ne uităm la temperaturile de pe tur și retur la 8:00. S-a vrut analizarea presiunii din instalație pentru a vedea dacă este direct proporțională cu temperatura. În cazul de față nu se observă o creștere majoră a presiuni, ea a crescut de la 2.6 bar la 2.84 bar, doar 0.24 bari ceea ce nu este foarte mult, se poate spune că presiunea este aproximativ constantă.

Fig.III.10. Graficul parametrilor instalației solare în 18 mai 2013

În acest grafic (figura III.10), care este realizat pe baza măsurătorilor dintr-o altă zi decât graficul din figura III.10, se observă o mică diferență a multora dintre parametri, presiune și energia produsă rămânând aproximativ aceeași. Dar după cum se observă această diferență este din cauză că temperaturile de la începutul zilei au pornit de la valori mai mici decât în 16 mai( grafic prezentat în figura III.9) și avem o temperatură exterioară puțin mai mică. O temperatură minimă mai mică (16°C față de 17.5°C în 16 mai ) dar și o temperatură maximă tot mai mică( 32°C față de 33.3°C în 16 mai). Analizând temperaturile din puffer se observă aceeași diferență între cele două grafice (figura III.9 și figura III.10), dar se observă și faptul că cele din figura III.10 pornesc de la temperaturi puțin mai scăzute față de cele din figura III.9. La temperatura din panourile solare și la temperaturile de tur-retur este aceeași diferență ca și la temperaturile din puffer și nu există decât tot aceeași explicație, temperaturile de la începutul zilei de 18 mai sunt mai mici decât cele din 16 mai.

III.4. Necesarul de energie termică

În acest subcapitol s-a vrut realizarea unui necesar de energie termică pentru apă caldă menajeră și pentru încălzirea locuinței. S-a ales introducere acest subcapitol pentru a putea trage concluzii cat mai coerente mai ales dacă există necesar de energie și apoi se analizează subcapitolele 2 și 3 din cadrul capitolului III pentru a observa câtă energie a produs instalația analizată.

Pentru o familie formată din 4 persoane este necesar în medie 200 de litri de apă caldă menajeră pe zi. Dacă temperatura apei este 10°C și este nevoie să o încălzim la 55°C, care este tocmai potrivită atât în uz casnic cât și pentru duș, necesarul de energie este de aproximativ 11 kWh/zi. Din măsurătorile propriu-zise făcute în perimetrul instalației am observat că temperatura apei care trebuie încălzită este de 13-14°C deci necesarul de energie termică va fi de maxim 10 kwh/zi.

Factura la gaz pentru imobilul în cadrul căruia funcționează și panourile solare are o medie de aproximativ 400 Ron/lună pe lunile reci ale anului aproximativ 7 luni. Pe lunile călduroase ale anului factura de gaz este aproximativ 10 Ron/lună rezultând un total de 2860 Ron/an. În perioada în care a fost calculat acest cost au funcționat și panourile solare. În lunile de vară panourile au adus un aport de 100% iar în lunile reci aportul a fost de aproximativ 20 %.

Factura de gaz fără aportul panourilor solare ar avea o medie în lunile reci de aproximativ 480 Ron/lună. În lunile călduroase pentru că este nevoie doar de apă caldă menajeră factura la gaz ar fi de aproximativ 40 de lei. Calculul pentru totalul facturii = (480*7)+(40*6) deci factura va fi de 3600 Ron.

Câștigul pe care îl înregistrează panourile solare este de 740 Ron/an. Costul total al instalației solare împreună cu tubulatura aferentă și alte componente a fost de aproximativ 18000 Ron. Perioada de amortizare a investiției va fi de aproximativ 24,5 de ani. Dat fiind faptul că vara panourile produc mult mai mult decât necesarul de energie, deci energia termică „rămasă” se poate folosi în alte scopuri deci perioada de amortizare s-ar micșora.

Capitolul IV: Proiectarea și realizarea unei instalații solare de laborator pentru apă caldă menajeră

IV.1. Dimensionarea și realizarea panoului solar

La această instalație de laborator s-a optat pentru realizarea unui panou solar plan. S-a făcut această alegere pentru că toată realizarea panoului și instalației se face manual. Pentru dimensionarea panoului s-a pornit de la faptul că pentru încălzirea a 100 de litri de apă caldă menajeră este nevoie de o suprafață colectoare de 2. S-a decis realizarea instalației de laborator la scară de 1:8, deci dimensiunea panoului este: lungime (L)=60 cm ; lățime (l)=40 cm; înălțime (h) =8 cm. Dat fiind faptul că sticla (sticlă normală) ,care s-a pus deasupra panoului ,reduce 1 cm din înălțimea panoului atunci înălțimea va fi de 7 cm. Această sticlă obișnuită lasă să treacă până la 90% din razele incidente ce cad pe suprafața ei. Dacă se ia în considerare faptul că pe fundul panoului s-a amplasat o placă de poliester extrudat de 2 cm pentru a reduce pierderile de căldură, înălțimea va mai scădea cu 2 cm. Urmează placa absorbantă care este o tablă zincată cu bune proprietăți de absorbție și cedare de căldură de 0.3 cm. Luând în considerare placa absorbantă și sticla care are 0.4 cm, înălțimea netă finală va fi: h = 8-2-1-0,3-0,4=4,3 cm

Aceasta este înălțimea în care poate să „circule” aerul cald. Pereții panoului sunt realizați din pal de 1.8 cm iar fundul panoului din placă OSB de 1cm. După ce s-a determinat înălțimea netă trebuie să se calculeze lungimea și lățimea netă . Ținând cont că există 2 pereți și în lungime și în lățime se determină următoarele mărimi:

L = 60 – (2*1,8) =56,4 cm

l =40-(2*1,8)=36,4 cm

Aria plăcii absorbante va fi:

A=L*l=56,4*36,4=2052

Volumul în care aerul va putea să se „miște” este:

36,4*56,4*4,3= 8827,73

Serpentina din cadrul panoului s-a construit din țeavă de cupru de 15 mm (1,5 cm) și are o lungime de 275 cm. Volumul serpentinei () este:

r – este raza cercului care este jumătatea diametrului ( 1,5/2 = 0.75 cm)

Pereții panoului și fundul acestuia s-au cuplat cu ajutorul unor holșuruburi de 35 mm. Pentru a avea contact serpentina cu placa absorbantă a fost nevoie ca serpentina să fie prinsă prin intermediul unor cleme de metal prinse de placa absorbantă cu holșuruburi autofiletante. Pentru o bună atragere a radiațiilor solare s-a vopsit placa absorbantă și serpentina din cupru cu o vopsea de culoare neagră rezistentă la temperaturi mari, umiditate, lumină și agenții chimici. Pentru design s-a vopsit și suprafața panoului cu aceiași vopsea. Panoului i s-au atașat doua „piciorușe” , din metal (două țevii la care s-au sudat câte două platbenzi pentru prindere în panou și în placa susținătoare a întregii instalații) , cu care s-a realizat unghiul de înclinare de 33 ̊ pentru a prelua cât mai multe radiații solare.

IV.2. Realizarea tubulaturii ,schimbătorului de căldură și rezervorului

Conductele de legătură de la panou la schimbătorul de căldură, de la schimbătorul de căldură la pompă și de la pompă la panou sunt tot din țeavă de cupru cu diametru de 15 mm. Cuplarea acestora s-a făcut cu cositor (la care mai trebuie adăugat pastă decapantă) cum e normal la instalațiile de cupru. S-a montat un teu de cupru la ieșirea din panou prin care o să se introducă lichid termic în instalație (la această instalație lichidul termic îl constituie apa). Lungimea totală a conductelor spuse mai sus este de: 150 cm deci volumul lor va fi:

Schimbătorul de căldură este de tip serpentină în formă de spirală. Aceasta este făcută din țeavă de cupru dreaptă îmbinată sub forma de spirală la care i se taie vârfurile, este o spirală pătrățoasă( din cauză că nu s-a putut îndoi țeava moale de cupru cât trebuia ca să ajungă la forma dorită) . Această serpentină s-a realizat tot din țeavă de cupru cu diametru de 15 mm, lungimea ei totală fiind de 100 cm.

Volumul acesteia este:

Volumul total al instalației este totalul celor 3 volume:

344,42+176,63 = 1006,77

Transformat în decimetri cubi volumul total al instalație este de aproximativ1 . Se știe că un decimetru cub este egal cu un litru deci volumul instalației (în litri) va fi egal cu 1 litru. Daca se ia în considerare și volumul pompei care este aproximativ 200 ml și se mai adăugă 100 ml pentru manșoanele din conductă maleabilă volumul total al instalației va fi de 1,3 litri sau aproximativ 1300.

Pentru o simplificare a instalației, rezervorul este confecționat din plastic (bidon de plastic) și are o capacitate de 10 litri. Pe rezervor s-a montat un robinet prin care va curge apa încălzită de schimbătorul de căldură. S-a realizat și un suport din cadru metalic pentru susținerea rezervorului.

IV.3. Alegerea și montarea grupului de recirculare

Pentru volumul de apă calculat la instalația de laborator grupul de recirculare nu trebuie să fie foarte puternic, mai ales că nu trebuie să pompeze apa la înălțime mare doar la 50 de cm. După multe căutări și după consultații cu personal calificat în instalații solare s-a ajuns la alegerea unei pompe de evacuare de la mașina de spălat rufe. La mașina de spălat ea are rolul de a evacua apa în urma procesului de spălare sau centrifugare. În instalația de laborator ea va avea rolul de a recircula apa din circuitul închis al instalației.

Pompa are în componența sa 3 piese importante:

– electropompa care este partea activă, prin rotația elicei antrenează apa spre evacuare

– corpul pompei la care este racordat manșonul gofrat de intrare și manșonul spre furtunul de evacuare. Corpul pompei este prins de electropompă cu șuruburi

– filtrul de scame care are rolul de protecție a pompei împotriva înfundării.

Pompa se alimentează monofazat (220 V, 50 Hz) și are o putere de 30 W. Debitul pompei este de 15 litri/minut. Racordul de ieșire al pompei cu țeava de cupru de 15 mm s-a făcut cu ajutorul unui manșon(un furtun de cauciuc moale prins la ambele capete cu colier). Legătura de intrare de la țeava de cupru s-a făcut cu ajutorul unei reducții de la 15 la 22 al țevii, apoi cuplarea tot cu ajutorul unui manșon prins cu colier. Montarea pompei se va face pe placa de susținere a instalației. Pompa este prinsă cu un holșurub de placă și este amplasată în apropierea rezervorului.

IV.4. Realizarea și montarea grupului de control

Grupul de control s-a realizat electronic și este un termostat diferențial sau controler solar „home made” pentru simplitate și pentru a reduce costurile acestei instalații de laborator. Nu era nevoie de un controler ca cel folosit în instalația analizată pentru că acela are foarte multe funcții de care noi nu prea aveam nevoie pentru mini-instalația de laborator.

Fig. IV.1. Schema electronică a termostatului diferențial [22]

Termostatul diferențial programabil este folosit pentru a controla operarea grupului de recirculare( în cazul de față pompa de evacuare de la mașina de spălat folosită ca pompa de recirculare) în relație cu diferența de temperatură dintre panoul solar și apa din rezervor. Termostatul diferențial are la bază un comparator de tensiune LM 393. Acesta din urmă compară tensiunea primită de la cei doi termistori S1 și S2 care eu rolul de senzori de temperatură. Convertirea temperaturii în tensiune este simplă pentru că la termistor tensiunea este direct proporțională cu temperatura. Deci cei doi senzori se încălzesc în funcție de temperatura din panoul solar/apa din rezervor . După ce LM 393 compară tensiunile dintre cei doi senzori trimite semnalele obținute către un tranzistor IRF51002N60P. La rândul lui tranzistorul face comanda releului care va acționa pompa de recirculare. Releul poate comanda o tensiune alternativă de până la 240 V și un curent de maxim 10 A. Dacă am dori să comandăm un alt dispozitiv care are o putere mai mare de 250 W se poate lega alături de releu un contactor care suportă curenți mult mai mari. Pentru a seta diferența de temperatură la care să pornească pompa s-a introdus în schemă un potențiometru R11(10 KΩ) de la care vom putea face această operație. Pentru a vedea când pompa este pornită sau mai bine spus când este pusă sub tensiune s-a pus un led care să ne arate vizual că pompa funcționează. Acestea sunt cele mai importante piese din schema controlerului, iar celelalte piese sunt folosite pentru limitarea de curenți sau tensiuni și asigură buna funcționare a ansamblului. Termostatul diferențial trebuie alimentat la o tensiune continua de 12V. Acesta este montat între rezervor și panoul solar. Senzorii de temperatură (termistorii) sunt lipiți unul pe țeava de la ieșirea din panou și altul este lipit pe rezervor.

Soluții de optimizare. Concluzii

Soluții de optimizare

În primul rând se poate spune că funcțiile controlerului „Steca” sunt niște soluții bune de optimizare. Controlerul dă posibilitatea de legare a două rezervoare la panourile solare, care ar fi o soluție de optimizare pentru că cele 3 panouri care sunt montate produc prea multă energie termică pe perioada de vară încălzind prea tare apa din rezervor. Legând încă un rezervor în circuit panourile o să-și împartă energia deci energia produsă va putea fi controlată. Printre funcțiile controlerului de află și funcția de încălzire a apei dintr-o piscină. Pentru o piscină se știe că este nevoie să se încălzească o cantitate mare de apă deci energia produsă de cele 3 panouri este de ajuns pentru a încălzii apa din piscină. Piscina poate fi legată separat sau împreună cu rezervorul de apă caldă menajeră sau încălzire, ultima variantă ar fi preferată în cazul de față pentru că nu sunt temperaturii prea mari în rezervor cum se întâmplă în acest caz. Un singur panou ar fi de ajuns pentru apă caldă menajeră iar energia celorlalte doua ar putea fi transferată apei din piscină. Se poate lega și un jacuzzi în locul piscinei fapt ce are în plan și proprietarul instalației analizate. Până ce o sa fie pusă în practică instalația de jacuzzi proprietarul a decis să scoată două panouri solare din funcțiune pentru că nu avea unde să distribuie energia produsă. Pentru simplitate s-au demontat doar tuburile solare care alcătuiau panourile, tuburile colectoare și suporturile rămânând pe acoperișul imobilului.

Pentru a produce cât mai multă energie termică ar fi nevoie de un sistem automatizat de rotire a panourilor după soare, deci care să controleze unghiul azimutului și unghiul de înclinare față de orizontală. Controlarea unghiurilor este utilă prin simplul fapt că înclinând panoul la aproximativ 35° – 40° pentru apă caldă menajeră și 55°-65° pentru aport la încălzire. Această soluție de optimizare ar face ca panourile solare să aibă o eficiență mărită.

O altă soluție de optimizare este izolarea imobilului cât se poate de bine pentru a avea cât mai puține pierderi de căldură, și optimizarea întregii instalații adică a înlocui elementele învechite cu cele moderne, cum ar fi schimbarea țevilor de henko, metal, etc. cu cele de cupru pentru că țevile de cupru cedau căldură cel mai bine. Această soluție de optimizare ar putea economisii 25% din consumul de energie.

Pentru perioadele când proprietarul este plecat și nu folosește apa caldă menajeră, sau când nu are nevoie de atâta energie termică cât furnizează panourile solare se poate folosi un sistem automat de acoperire a panourilor solare pentru a nu capta radiația solară.

Concluzii

În primul rând o primă concluzie ce s-a desprins din studiul asupra parametrilor reprezintă faptul că este necesar atât temperaturi ridicate cât și radiație solară pentru ca panourile să aibă maximul de eficiență. S-a observat că și la temperaturi joase panourile solare produc energie termică dar este nevoie de radiații solare. Chiar dacă nu s-a analizat instalația în plină perioada de iarnă putem spune că ea aduce un aport de energie termică și în perioada rece a anului dar acesta este destul de slab. Panourile vor începe să funcționeze cu un aport mărit începând din luna aprilie când există mai multe raze de soare. Tot legat de studiul parametrilor s-a observat că energia termică poate fi stocată pe o perioadă de până la câteva zile în rezervorul solar care are pierderi termice foarte mici.

În al doilea rând după ce s-au făcut calculele pentru aflarea duratei de amortizare s-a ajuns la concluzia că se recuperă destul de repede capitalul investit în această instalație însă rămâne de văzut care va fi perioada de funcționare a acesteia. Firmele care comercializează aceste instalații cu panouri solare dau o garanție de funcționare de 25 de ani dar perioada de funcționare poate fi cu mult mai mare. În privința costurilor de întreținere putem să spunem că sunt destul de mici, tuburile vidate trebuie doar curățate pentru a capta cât mai multe radiații solare și mai trebuie schimbat lichidul termic la o perioada stabilită de furnizor.

Referitor la aspectul ecologic care este foarte important, fiind o problemă din cauza căreia s-a vrut studierea acestei instalații, spunem că această instalație și toate instalațiile solare în general sunt 100% ecologice deci nu produce daune mediului înconjurător.

Pentru că s-a participat la demontarea tuburilor vidate s-a observat că tuburile vidate sunt foarte ușor de montat și demontat dar și suportul tuburilor vidate, care constituie împreună cu tuburile panoul solar, este ușor de montat acestea constituind un avantaj pentru panourile cu tuburi vidate.

Pentru că s-a analizat puțin și datele climatice și ele indică o creștere a temperaturii deci putem să spunem că panourile solare o să fie din ce în ce mai avantajoase.

Bibliografie

Mohamed Amjahdi, Jean Lemale, Energia solară termică și fotovoltaică, Editura Matrix Rom, București ,2012

I.Luminosu, Fenomene termice și aplicații ale conversiei termo-solare, Editura Politehnică, 2007

Al. Stănescu, S. Bucurenciu, St Petrescu, Utilizarea energiei solare, Editura Tehnică 1980

http://vremea.acasa.ro/vremea-oradea

http://www.talentumsm.ro/images/termosolar/statie-solara-fv70.pdf

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_1.pdf

http://www.calorserv.ro/articole/panouri-solare/sistemul-solar-termic-lumina

http://nedavi-solar.ro/

http://www.ivp.ro/panou-solar-plan-vitosol-200-F

http://centrale.md/index.php?route=product/product&product_id=189

http://www.anunturigratuite.pro/panouri-solare-piscine-oku-apro114d6f74/

http://www.sisteme-solare.ro/123/promo/tehnologia-de-captare-a-energiei-solare-prin-panouri-cu-tuburi-vidate.html

http://www.phoenix-energy.ro/informatii-tehnice.html

http://www.steca.com/index.php?Steca_TR_A502_TT_en

http://www.velux.ro/Clienti/Produse/Sisteme_solare/Tipuri/Aport_incalzire

http://www.nedavi-solar.ro/boiler_in_boiler_german.html

http://nedavi.allshops.ro/produs/1358070/Boiler+in+boiler+siss+900+200.html

http://terraiii.ngo.ro/date/b2d1f2f8f1bb3ec1206dd2e29da29cba/GASC.pdf

http://ptn.ro/energie-solara/harta-solara-a-romaniei/

http://solara.ro/sisteme/sai.php

http://www.clubafaceri.ro/14968/colector-solar-aqua-premium-plus-200-2057601.html

http://byrev.org/images/2013/04/termostat-diferential-controller-solar.png

http://www.iasiweb.ro/websites/pansolmin/panouri_solare.html

http://tatimod.infoconstruct.ro/anunt_378022-Panouri+solare+yoursun.html

http://www.clubafaceri.ro/26251/sisteme-incalzire-cu-panouri-solare-118124.html

http://www.soltech.ro/panouri_solare_vidate.htm

Anexe

Demontarea tuburilor vidate

Elementul de contact între tubul vidat și colectorul panoului solar

Microcontrolerul digital pentru instalația de laborator

Instalația de laborator (faza de execuție)

Panouri solare înseriate [23]

Panou solar cu tub vidat [24]

Panou solar cu tub vidat (colectorul deschis) [25]

Tuburi vidate U-pipe (contact cu colector) [26]

Bibliografie

Mohamed Amjahdi, Jean Lemale, Energia solară termică și fotovoltaică, Editura Matrix Rom, București ,2012

I.Luminosu, Fenomene termice și aplicații ale conversiei termo-solare, Editura Politehnică, 2007

Al. Stănescu, S. Bucurenciu, St Petrescu, Utilizarea energiei solare, Editura Tehnică 1980

http://vremea.acasa.ro/vremea-oradea

http://www.talentumsm.ro/images/termosolar/statie-solara-fv70.pdf

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_1.pdf

http://www.calorserv.ro/articole/panouri-solare/sistemul-solar-termic-lumina

http://nedavi-solar.ro/

http://www.ivp.ro/panou-solar-plan-vitosol-200-F

http://centrale.md/index.php?route=product/product&product_id=189

http://www.anunturigratuite.pro/panouri-solare-piscine-oku-apro114d6f74/

http://www.sisteme-solare.ro/123/promo/tehnologia-de-captare-a-energiei-solare-prin-panouri-cu-tuburi-vidate.html

http://www.phoenix-energy.ro/informatii-tehnice.html

http://www.steca.com/index.php?Steca_TR_A502_TT_en

http://www.velux.ro/Clienti/Produse/Sisteme_solare/Tipuri/Aport_incalzire

http://www.nedavi-solar.ro/boiler_in_boiler_german.html

http://nedavi.allshops.ro/produs/1358070/Boiler+in+boiler+siss+900+200.html

http://terraiii.ngo.ro/date/b2d1f2f8f1bb3ec1206dd2e29da29cba/GASC.pdf

http://ptn.ro/energie-solara/harta-solara-a-romaniei/

http://solara.ro/sisteme/sai.php

http://www.clubafaceri.ro/14968/colector-solar-aqua-premium-plus-200-2057601.html

http://byrev.org/images/2013/04/termostat-diferential-controller-solar.png

http://www.iasiweb.ro/websites/pansolmin/panouri_solare.html

http://tatimod.infoconstruct.ro/anunt_378022-Panouri+solare+yoursun.html

http://www.clubafaceri.ro/26251/sisteme-incalzire-cu-panouri-solare-118124.html

http://www.soltech.ro/panouri_solare_vidate.htm

Anexe

Demontarea tuburilor vidate

Elementul de contact între tubul vidat și colectorul panoului solar

Microcontrolerul digital pentru instalația de laborator

Instalația de laborator (faza de execuție)

Panouri solare înseriate [23]

Panou solar cu tub vidat [24]

Panou solar cu tub vidat (colectorul deschis) [25]

Tuburi vidate U-pipe (contact cu colector) [26]