Din punct de vedere functional, componenta principala a panoului solar este elementul absorbant, care transforma energia razelor solare in energie termica si o cedeaza unui agent termic (apa, antigel sau glicol). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluata de la panou si este fie stocata, fie utilizata direct (ex. apa calda menajera).
Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, ca o cale de reducere a costurilor facturilor, este nevoie de o separare termica a elementului absorbant de mediul inconjurator.
In functie de tehnica utilizata in acest scop, deosebim:
• panouri ce utilizeaza materiale izolatoare obisnuite;
• panouri in care izolarea termica se realizeaza cu ajutorul vidului, dar au o tehnologie de fabricatie costisitoare;
• panouri ce se bazeaza pe tehnici simple si se utilizeaza la incalzirea bazinelor de inot.
Panoul solar termic
In principiu, un panou solar are o carcasa metalica de forma dreptunghiulara, in care se afla montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticla, razele solare cad pe o suprafata ce absoarbe aproape intregul domeniu spectral al acestora.
Energia calorica rezultata nu se pierde, panoul fiind izolat termic in toate partile. Caldura de convectie spre exterior este limitata de unul sau mai multe geamuri. La panourile cu vacuum, aceasta este aproape in intregime eliminata.
Caldura de radiatie, datorata temperaturii proprii este, de asemenea, impiedicata de geamul de sticla care este opac pentru lungimile de unda mai mari. Aceasta caldura este retinuta in interiorul panoului, echilibrul termic conducand la o temperatura mai inalta decat in situatia fara geam. Acest efect este cunoscut sub numele de efect de sera.
La panourile solare moderne se utilizeaza sticla speciala, cu un continut cat mai mic posibil de fier si cu o rezistenta marita la grindina si incarcare cu zapada.
Elementul absorbant, mai ales la panourile cu vid, poate prezenta o selectivitate fata de lungimea de unda, astfel incat, pe de o parte, sa absoarba o gama cat mai larga de radiatie solara si, pe de alta parte, sa aiba o emisie cat mai redusa in domeniul de infrarosu apropiat, pentru a reduce emisia de caldura.
Elementul absorbant cedeaza caldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu atasate acestuia. Agentul termic transporta energia calorica la utilizator sau la un recipient de stocare. Unele instalatii solare au circuitul agentului termic deschis, ceea ce inseamna ca prin conductele panoului circula chiar apa necesara utilizatorului, cum este cazul, in principal, al instalatiilor functionand pe principiul termosifonului.
In regiunile cu pericol de inghet mai mare, se apeleaza, totusi, de regula, la circuite separate. Circuitul primar, cel al panoului, contine un lichid rezistent la inghet (antigel). Din circuitul primar caldura este transferata, prin intermediul unui schimbator de caldura, apei din circuitul secundar, cel al utilizatorului.
Panoul solar cu tuburi vidate
Panourile solare cu tuburi vidate reprezinta o constructie speciala. Ele se compun din tuburi paralele, in spatele carora se afla reflectoare pentru concentrarea radiatiei solare. Tuburile vidate se compun, la randul lor, din doua tuburi de sticla concentrice intre care este vid. Tubul din interior este inconjurat de o suprafata absorbanta de care este atasat un tub din cupru, prin care circula un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de caldura prin convectie si conductie, permitand obtinerea de performante superioare (randament si temperaturi mai mari).
Datorita temperaturilor mai mari, instalatia de incalzire poate necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraincalzirii. Astfel de panouri sunt mai eficiente in zonele cu temperatura moderata, utilizarea lor in zone calde justificandu-se doar in instalatii tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari.
Un alt avantaj il reprezinta faptul ca, suprafata absorbanta fiind mereu perpendiculara pe directia razelor solare, energia absorbita este aproape constanta in cursul zilei.
Tehnologia utilizata la fabricarea acestui tip de panou este asemanatoare celei de la centrale termice cu jgheaburi paralele. Elementul absorbant trebuie sa capteze cat mai bine radiatia solara, atat cea directa cat si cea difuza, si sa o transforme in caldura. In acelasi timp, caldura cedata sub forma de radiatie sa fie cat se poate de mica. In termeni tehnici, aceasta inseamna ca trebuie sa se comporte selectiv fata de lungimile de unda corespunzatoare celor doua procese.
In tarile cu clima mai calda se intrebuinteaza, adeseori, componente acoperite doar cu asa-numitele lacuri solare. Aceste lacuri sunt foarte rezistente la caldura si, de regula, sunt de culoare neagra, astfel incat gradul de absorbtie a radiatiei solare sa fie mai mare. In acelasi timp, lacurile au un nivel destul de inalt de emisie in zona de mijloc a radiatiei infrarosii; ca urmare, o parte a caldurii captate va fi emisa din nou.
Una dintre primele acoperiri cu materiale cu absorbtie selectiva, utilizabila in productia in serie, a fost acoperirea cu crom. Acesta se aplica, pe suprafetele de aluminiu sau cupru, prin procedeu galvanic. Pe suprafata metalului apar firicele de crom care capteaza intre ele razele de lumina; datorita dimensiunii lor reduse nu permit emiterea de lungimi de unde mai mari. O modalitate elaborata, care, insa, nu a mai fost pusa in fabricatie, a avut ca baza acoperirea cu nichel.
Pana prin anul 1977 procedeul de cromare era dominant pe piata. Intre timp au aparut noi modalitati de acoperire cu strat absorbant care, pe de o parte, permit obtinerea de randamente mai mari iar, pe de alta parte, prin renuntarea la procesele galvanice, sunt mai ecologice din punct de vedere al productiei si reciclarii.
Actualmente, cel mai extins procedeu este cel al depunerii, in atmosfera de gaz inert, a unui strat de titan de culoare albastra (procedeul PVD) care, cu toate ca in comparatie cu negrul din cazul acoperirii cu crom are un coeficient de absorbtie mai mic, prezinta o emisie mult mai slaba si, ca atare, un randament total mai mare. Primele acoperiri de acest tip s-au elaborat in Germania. Teoretic se pot obtine si alte culori ale stratului de acoperire care, insa, nu au acelasi randament.
In anii ’90 a aparut o alta tehnologie, care creeaza o structura de ceramica-metal (probabil tot pe baza de titan) ce straluceste intr-un ton de negru-albastrui.
Pana mai recent, cele doua procedee de acoperire erau posibile doar pe suprafete de cupru. Pentru aluminiu, tehnici corespunzatoare au aparut doar de putin timp pe piata. Chiar si in acest caz, pentru transportul caldurii cu ajutorul agentului termic, se utilizeaza conducte din cupru care se racordeaza cu partea absorbanta prin sudare cu laser.
Pe langa materialul de acoperire utilizat, producatorii se disting si prin forma de realizare a partii absorbante. Frecvente sunt solutiile care utilizeaza o placa metalica ce acopera toata suprafata interioara a panoului. In acest caz conducta este sudata/lipita in forma de harfa sau serpentina pe spatele placii.
Exista si constructii pe baza de benzi de cca. 10 cm – 15 cm latime, pe reversul carora se afla cate o conducta sudata. Mai apoi, benzile sunt racordate, prin sudura la cele doua capete, la o conducta colectoare.
O a treia forma este asemanatoare unei perne, pe spatele placii absorbante fiind sudata o a doua placa formata prin stantare. Agentul termic circula printre cele doua placi.
In principiu, prima varianta de realizare prezinta eficienta cea mai mare. Dar, pentru ca producatorii au putut utiliza, la inceput, noile procedee de obtinere a straturilor foarte selective doar in cazul placilor de cupru cu dimensiuni limitate, mai ales in cazul modelelor mai vechi, a fost posibila utilizarea doar a benzilor.
Intre timp, noile tehnologii permit fabricarea de placi de pana la 1.200 mm latime, ceea ce asigura o mai mare flexibilitate in variantele de fabricatie. In schimb, utilizarea benzilor face posibila, pe de o parte, doar asamblarea in forma de harfa, pe de alta parte, permite adaptarea mai usoara la forma acoperisurilor (panouri cu dimensiuni la cerere).
Panoul solar este componenta principala a unei instalatii termice solare si, pana in anul 2002, a fost utilizat, indeosebi, pentru prepararea de apa calda, iar recent isi gaseste aplicare si in furnizarea energiei necesare incalzirii cladirilor. Daca este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura incalzirea cladirii numai cu energie solara.
Vehicularea energiei termice intre panoul solar si locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fara utilizarea unei surse de energie externa. In primul caz, avem de a face cu sisteme care folosesc pompe actionate electric, sisteme de reglare automata etc. In al doilea caz se utilizeaza principiul termosifon, bazat pe diferenta de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa calda se ridica in sus, pe cand cea rece coboara, altfel decat la incalzire, centrala functionand pe acelasi principiu. In acest caz, rezervorul trebuie sa se gaseasca deasupra panoului solar. Adesea, panoul solar si rezervorul constituie un bloc comun.
Cele mai cunoscute si frecvente utilizari ale panourilor solare termice sunt la prepararea apei calde menajere. Prin montarea corespunzatoare a panourilor si a rezervorului, in Europa Centrala se poate asigura apa necesara pentru spalat si baie (cu randament de 100%), pe o perioada de cca. o jumatate de an (sezonul de vara).
Teoretic, se poate asigura caldura necesara consumului casnic pe parcursul intregului an, dar in acest caz este nevoie de o suprafata mai mare acoperita cu panouri, rezultand un exces de apa calda pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investitiei, semnificativ mai mare, va fi redus si nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, pacura, lemn etc.) sau electricitate, devenind nerentabil.
Panourile dimensionate economic pot inlocui sau completa sursele de energie termica intr-un procent suficient de mare, contributia la prepararea apei calde variind intre 30% si 100%, raportat la un an intreg.
Daca panourile solare se racordeaza si la instalatiile de incalzire, ele pot contribui si la reducerea costului cu incalzirea cu pana la cateva zeci de procente. In cazul unei exigente mai mari, la intregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezoniera a caldurii, ceea ce va permite acumularea de suficienta energie calorica pentru a putea elimina complet utilizarea altor combustibili.
Amortizarea unei instalatii solare termice pentru producerea apei calde este posibila in cca. 8 ani, in conditiile unei constructii optimale, a unei utilizari rationale si a existentei unui sprijin din partea statului la tendintele actuale de pe piata combustibililor fosili.
Producatorii livreaza panourile solare termale cu o durata de viata previzibila de cca. 20 ani. Durata de amortizare de peste 16 ani este posibila doar daca instalatia a fost corespunzator proiectata, respectiv utilizata.
Pentru a dispune de apa calda suficienta si in zilele ploioase, panourilor solare li se ataseaza, din constructie, un rezervor special de apa calda cu schimbator de caldura care, in functie de numarul de membri de familie, poate avea o capacitate de 300 l – 1.500 l.
Pentru cladirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri etc.), care, datorita marimii, au o utilizare aproape continua, putand avea un termen de amortizare mai redus, se construiesc rezervoare de stocare a caldurii industriale dimensionate corespunzator consumului. In rezervoarele obisnuite, circuitul primar al panoului incalzeste doar jumatatea de jos a acestuia, temperatura apei calde ridicandu-se, datorita convectiei, pana la valoarea admisa de 95 0C.
Panouri solare pentru incalzirea apei unui bazin de inot
In acest caz panourile solare transforma energia radiatiei solare in caldura, atunci cand aceasta cade pe suprafata de absorbtie.
Pentru a obtine o temperatura de 40-60 0C in rezervor, este necesar ca in panou sa se atinga cel putin 165 0C. Daca panoul solar este montat in circuit doar pentru a preincalzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare, deoarece nivelele de temperatura pot fi mai mici.
Izolarea termica impiedica schimbul de caldura intre doua medii.
Scopul si locul instalarii panourilor solare sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficientei in exploatare si, ca urmare, al economicitatii instalatiei la incalzirea apei unui bazin de inot.
Concluzii
Cele de mai sus au o greutate considerabila in analiza eficientei panourilor solare termice unde intrebarea de baza se refera la recuperarea investitiei. Tendinta este de a utiliza capacitatea panourilor la maximum, fara perioade de mers in gol.
Pentru prepararea apei calde menajere, de exemplu, este necesar sa se cunoasca nevoia zilnica de apa calda. In acest caz, este bine ca instalatia sa se dimensioneze la 70% din necesarul de energie, din cauza diferentelor de capacitate in functie de anotimp. Daca se dimensioneaza la o capacitate de 100% din energia necesara iarna, vara vom avea un exces de apa calda, care nu se poate folosi. Deci, o suprafata de panou nefolosita in care s-au investit bani.
Daca se diminueaza rezervorul, astfel incat sa stocheze toata energia calorica produsa, apar pierderile in timp din cauza izolatiei imperfecte a acestuia. Rezulta ca, atat din punct de vedere economic, cat si ecologic, este rational sa se apeleze la un sistem hibrid care combina panourile solare cu sisteme clasice de incalzire.
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 70 – mai 2011, pag. 38
Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Lasă un răspuns