Construcţia captatorilor solari

Transcript

1 Construcţia captatorilor solari Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice. Colectori plani Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 12. Fig. 12. Construcţia colectorilor plani Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material absorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer a radiaţiei termice. Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face faţă solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant. Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativ reduse ale investiţiei. Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, la diferenţe mari de temperatură între agentul termic şi mediul ambiant.

2 Colectori cu tuburi vidate Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura 13. Fig. 13. Principiul de funcţionare a colectorilor cu tuburi vidate Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, din sticlă. între pereţii din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material absobant, pentru a capta cât mai eficient radiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcţie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită diferenţei de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare. Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţiei solare, fără intermediul unui schimbător de căldură. Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţi mecanice bune. Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruşte în tuburi.

3 În figura 14, este prezentată o construcţie de colector solar cu tuburi vidate, în care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă. Fig. 14. Colector cu tuburi vidate şi schimbător de căldură coaxial Această construcţie, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de căldură în mediul ambiant (chiar la diferenţe mari de temperatură între acesta şi apa din tuburi), cu avantajele circulaţiei agentului termic prin elemente metalice. În figura 15, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul prezentat anterior, la conductele de apă rece şi caldă. Fig. 15. Sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate la conductele de apă caldă şi rece

4 În figurile 16 şi 17 sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector cu tuburi vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazul spargerii accidentale a acestora. Fig. 16. Schema unui colector cu tuburi vidate, interschimbabile Fig. 17. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalaţie nu se pierde, fenomen care ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl deserveşte.

5 Colectori cu tuburi termice Principiul de funcţionare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura 18. Fig. 18. Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi termice În interiorul unui tub de sticlă cu pereţi dubli, între care se realizează vid, pentru diminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanş, încărcat cu o substanţă care vaporizează sub acţiunea radiaţiei solare. Vaporii astfel formaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găseşte în contact termic cu agentul termic din instalaţia solară. Acest agent, răceşte capătul superior al tubului termic şi determină astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel încăt capătul superior al tubului termic, poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalaţia solară, care curge prin conducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice. Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.

6 În figurile 19 şi 20, sunt prezentate schema, respectiv construcţia unui colector cu tuburi termice. În ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice. Fig. 19. Schema unui colector cu tuburi termice Fig. 20. Colector cu tuburi termice Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate. Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, în condiţii caracterizate prin radiaţie solară nu foarte intensă, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiaţiei solare. Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat şi de necesitatea asigurării unui contact termic foarte bun între condensator şi agentul termic din conducta colectoare a instalaţiei solare.

7 Captarea radiţiei solare Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă. Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 8 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 9. Fig. 8. Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală Fig. 9. Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)

8 Figura 10 prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile. Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentru România. Fig. 9. Influenţa combinată a unghiului de înclinare şi a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile Analizând figura 10, se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea optimă a radiaţiei solare, este de cca , iar abaterea de la direcţia Sud, poate să se situeze între ±40 fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5 65, radiaţia solară poate fi recuperată în proporţie de 90 95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeţei captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutăţirea performanţelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcţia Sud, de ±60, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90 95% din radiaţia solară. Chiar şi colectorii montaţi vertical, cu o abatere de până la ±20 faţă de direcţia Sud, pot recupera 80% din radiaţia solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe faţadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30 şi a unei abateri de la direcţia Sud de 45, care corespunde direcţiei SV, gradul de captare a radiaţiei solare este de 95%. Ca o consecinţă a celor menţionate, se poate spune că orientarea captatorilor solari faţă de orizontală şi faţă de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară la prima vedere.

9 Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităţii de captare a energiei solare, este tehnologia utilizată pentru o construcţia colectorilor solari, deoarece în mod inevitabil, conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea fiind evidenţiate în figura 11. Fig. 11. Pierderi care apar la conversia energiei solare în energie termică A radiaţia difuză; B radiaţia directă; C convecţie datorată vântului, ploilor şi zăpezii; D pierderi prin convecţie; E pierderi prin conducţie; F radiaţia suprafeţei absorbante; G radiaţia panoului din sticlă; H fluxul termic util; K radiaţie reflectată Evoluţiile tehnologice ale colectorilor solari, de la captatorul plan reprezentat în figură, până la cele mai moderne construcţii existente la ora actuală, au avut ca scop creşterea capacităţii de absorbţie a radiaţiei solare şi reducerea într-o proporţie cât mai mare a diverselor tipuri de pierderi.

10 Randamentul colectorilor solari Randamentul colectorilor solari η, reprezintă eficienţa cu care este transformată radiaţia solară în căldură şi poate fi calculat cu relaţia: q u η = unde: 2 - q u [ W m ] densitatea fluxului de căldură utilă, acumulată în agentul termic din colectori; 2 - I g [ W m ] este densitatea fluxului radiaţiei solare globale. O variantă simplificată de calcul a randamentului colectorilor solari, permite utilizarea relaţiei: q q 0 q u p q q 0 p η = = = unde 2 - q 0 [ W m ] este densitatea fluxului termic produs pe suprafaţa absorbantă, sau fracţia din densitatea fluxului radiaţiei solare globale I g, care pe suprafaţa absorbantă şi este transformă efectiv în căldură transmisă agentului termic din colectorul solar; 2 - q p [ W m ] este densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant, de la agentul termic. Raportul dintre q 0 şi I g, reprezintă o mărime caracteristică importantă a colectorilor solari, denumită randament optic şi notată η 0 : q 0 η 0 = Utilizând această notaţie, randamentul colectorilor solari se poate calcula cu relaţia: q p η = η0 Densitatea fluxului termic q 0 produs de colectorul solar, depinde atât de proprietăţile sticlei colectorului solar, cât şi de proprietăţile materialului care acoperă suprafaţa absorbantă. Randamentul optic poate fi determinat în funcţie de cele două proprietăţi de material, menţionate anterior, cu ajutorul relaţiei: η 0 = τ α unde: - τ este factorul de transmisie, al materialului transparent (de regulă sticlă), care acoperă şi izolează colectorul asigurând şi rezistenţa mecanică a acestuia, având valorile prezentate în tabelul 4, pentru câteva materiale uzulale; - α este factorul de absorbţie al materialului absorbant. Tab. 4. Valori ale factorului de transmisie, pentru diferite materiale Material Grosime [mm] Factor de transmisie τ Radiaţie directă Radiaţie difuză Sticlă cu fier 4 0,81 0,74 Sticlă solară (săracă în fier) 4 0,87 0,8 Plăci duble din policarbonat ,77 0,83

11 Procesul de absorbţie a radiaţei solare pe suprafaţa absorbantă a colectorilor solari, este caracterizat de coeficientul de absorbţie al materialului absorbant. Astfel ul negru pentru metale, are un coeficient de absorbţie α=0,9 ceea ce înseamnă că 90% din radiaţia solară care ajunge pe acest material, este transformată în căldură. În mod normal, materialele absorbante utilizate în construcţia colectorilor solari, asigură valori ale coeficientului de absorbţie, în intervalul α=0,85 0,98, aşa cum se observă şi în tabelul alăturat. Valori ale absorptanţei pentru diferite materiale absorbante Absorbtanţă (α) Material Emisivitate (ε) vizibil infraroşu negru pentru metal Absorbant neselectiv Crom negru Nichel negru Cupru fară oxigen Absorbant selectiv TiNOX Observaţie: Sticla utilizată la construcţia captatorilor solari, pe lângă valori ridicate ale factorului de transfer, datorat conţinutului redus de fier din compoziţie, este caracterizată şi printr-o rezistenţă mecanică foarte mare. Astfel numeroşi producători de colectori solari, testează rezistenţa mecanică a acestora cu ajutorul unor bile de oţel, având diametrul de cca. 1 inch (1inch 2,54cm). Aceste bile sunt lăsate să cadă pe colectorii solari, în timpul testelor, de la o înălţime de cca. 1m. Având în vedere că majoritatea colectorilor solari trec asemenea teste de rezistenţă mecanică, există un grad ridicat de probabilitate, ca ele să reziste în condiţii foarte bune la cele mai grele condiţii care ar putea să apară în timpul exploatării, din punct de vedere al solicitărilor mecanice, şi anume la grindină cu bucăţi mari de gheaţă. Cu toate acestea, producătorii recomandă clienţilor să încheie poliţe de asigurare care să acopere integral valoarea colectorilor solari. Revenind la calculul randamentului colectorilor solari, densitatea fluxului termic pierdut în mediul ambiant q p, se poate determina cu o relaţie de tipul: q p = k t unde - k [ W m K] 2 este coeficientul global de transfer termic între colector şi mediul ambiant. Valorile uzuale ale coeficientului global de transfer tremic sunt de 2 4[ W m K] 2 ; - t este diferenţa dintre temperatura medie a colectorului (care poate fi considerată temperatura medie a agentului termic) şi temperatura mediul ambiant. Înlocuind în relaţia prezentată anterior pentru calculul randamentului colectorilor, se obţine: k t t η = η0 = η0 k I I g g

12 Considerând că materialul din care sunt realizaţi colectorii solari este sticla solară, cu o valoare medie a factorului de transmisie τ=0,84, între valoarea de 0,87 corespunzătoare radiaţiei directe şi cea de 0,8 corespunzătoare radiaţiei difuze (conform tabelului 4) şi considerând că materialul absorbant este de cea mai bună calitate, având un coeficient de absorbţie α=0,98, pentru randamentul optic, se obţine valoarea η 0 = τ α = 0,84 0,98 = 0,82. Considerând o valoare medie şi pentru coeficientul global de transfer termic k=3w/m 2 K, cu ajutorul relaţiei prezentate anterior, se pot determina prin calcul, curbe de variaţie a randamentului colectorilor solari în funcţie de diferenţa de temperatură t pentru diferite valori ale densităţii fluxului radiaţiei solare globale I g. Asemenea curbe sunt prezentate în figura 12. Fig. 12. Variaţia randamentului colectorilor solari, calculată considerând o dependenţă liniară de diferenţa de temperatură Curbele de variaţie a randamentului colectorilor solari, de tipul celor prezentate în figura 12, considerând o variaţie liniară a randamentului, cu diferenţa de temperatură, sunt obţinute aşa cum s-a arătat deja, prin utilizarea unei relaţii de calcul simplificate dar intuitive. Această relaţie, ca şi curbele trasate cu ajutorul ei, sunt valabile numai pentru diferenţe de temperatură relativ reduse şi numai pentru colectori plani. O variantă corectată de calcul a randamentului colectorilor solari, recomandată în numeroase lucrări de specialitate publicate în străinătate, se poate aplica atât pentru colectori plani cât şi pentru colectori având construcţii mai performante (de exemplu colectori cu tuburi vidate sau cu tuburi termice). Relaţia de calcul corectată este: 2 t t η = η0 k1 k 2 unde: - η 0 este randamentul optic, ce ţine seama de eficienţa cu care este absorbită energia radiaţiei solare; - k 1 [ W m K] 2 şi k 2 [ W m ] 2 K 2 sunt factori de corecţie caracteristici pierderilor termice; - t este diferenţa dintre temperatura medie a agentului termic din colector şi temperatura mediului ambiant;

13 Factorii de corecţie k 1 şi k 2 caracteristici pierderilor termice care se manifestă în colectorii solari, datorită diferenţei de temperatură dintre agentul termic încălzit de radiaţia solară şi mediul ambiant, depind de construcţia colectorilor. În tabelul 5, sunt prezentate valorile randamentelor optice şi ale coeficienţilor de corecţie k 1 şi k 2, pentru câteva tipuri de colectori solari produşi în Germania. Analizând valorile din acest tabel, se observă că deşi colectorii plani au cele mai bune randamente optice, acestea prezintă şi cele mai ridicate valori ale pierderilor termice. Valori tipice ale randamentului optic şi ale factorilor de corecţie, pentru diferite tipuri de colectori Coeficienţii de corecţie Tipul colectorului Modelul colectorului η 0 [%] k 1 [Wm -2 K -1 ] k 2 [Wm -2 K -2 ] Neacoperit Energie Solaire Plan Winkler VarioSol A-antireflex Plan Rehau Solect Fassadenkollektor Plan Arge Integral Holz Vidat Riomay Ecotube Vidat Enertech EnerSol HP Vidat Spring Solar SK-8 CPC Vidat Thermomax Mazdon Vidat Dallinger Sonnenpower Vidat Kilimeko KS 1800/ Observaţie: Asemnea date sunt disponibile pe site-urile unor laboratoare de testare independente sau în literatura tehnică de specialitte. Un asemenea laborator este Solartechnik Prüfung Forschung of Swiss ( Observaţie: Trebuie menţionat că dacă se efectuează comparaţii ale performanţelor colectorilor cu tiburi vidate şi cu tuburi termice, este dificil de menţionat care dintre aceste tipuri sunt mai performante. Astfel există producători pentru care construcţiile cu tuburi vidate sunt mai performante decât cele cu tuburi termice sau decât cele cu tuburi termice ale altor producători şi invers. Diferenţele dintre performanţele aceste tipuri de colectori sunt relativ reduse. În consecinţă cele două tipuri de colectori pot fi denumite simplu: colectori cu tuburi vidate, deoarece şi colectorii cu tuburi termice, prezintă tuburi vidate în care se montează tuburile termice. Analizând valorile prezentate în tabelul anterior, se observă că deşi de regulă coletorii neacoperiţi şi cei plani prezintă valori ridicate ale randamentului optic, aceşti colectori sunt caracterizaţi şi de pierderile de căldură cele mai ridicate. Influenţa unor materiale uzuale pentru construcţia colectorilor solari termici, asupra randamentului optic pe care îl asigură, este prezentată în figura alăturată. Randament optic [%] Crom negru Nichel negru negru Cupru fara oxigen Absorbant selectiv TiNOX Absorbnt neselectiv Policarbonat dublu 8-16mm Sticla solara 4mm Sticla solara antireflex Influenţa proprietăţilor unor materiale asupra randamentului optic

14 În figură se observă că absorbantul neselectiv asigură cele mai ridicate valori ale randamentului optic, însă datorită valorilor ridicate ale emisivităţii acestuor tipuri de materiale în domeniul infraroşu colectorii realizaţi cu acest material prezintă pierderi ridicate de căldură valori ridicate ale coeficienţilor de corecţie k 1 şi k 2. Aceeaşi observaţie este valabilă şi pentru suprafeţele acoperite cu negru pentru metale. În urma efectuării unei analize complexe, materialele cele mai recomandate pentru realizarea suprafeţelor absorbante sunt absorbantul selectiv (TiNOX) şi cuprul fără oxigen, datorită emisivităţilor reduse ale acestor materiale în domeniul infraroşu, care asigură pierderi termice minime. Ca suprafaţă transparentă de acoperire, cel mai recomandat material este sticla solară antireflex, caracterizată prin valorile cele mai ridicate ale transmitanţei. Combinaţia dintre sticla solară antireflex şi absorbantul selectiv (TiNOX) sau cuprul fără oxigen asigură cea mai bună comportare a colectorilor solari termici, datorită valorilor ridicate ale randamentului optic pe care le asigură. Aceste combinaţii de materiale asigură şi pierderilor termice minime datorită valorilor reduse ale coeficienţilor de corecţie k 1 şi k 2. Dacă se calculează randamentul colectorilor solari cu relaţia de calcul corectată, se pot trasa curbe de variaţie ale acestui parametru în funcţie de diferenţa de temperatură t şi de intensitatea radiaţiei solare globale I g, aşa cum sunt curbele prezentate în figura alăturată, obţinute pentru câteva modele de colectoare solare termice: plan - Winkler VarioSol A- antireflex; cu tuburi vidate - Riomay Ecotube sau cu tuburi termice - Thermomax Mazdon 20. Randament termic [-] Diferenta de temperatura [C] colector plan tuburi vidate tub termic Influenţa diferenţei de temperatură asupra randamentului termic, pentru I g =750W/m 2 Asemenea tipuri de curbe de variaţie a randamentului termic al colectorilor solari, sunt prezentate în fişele tehnice ale producătorilor sau ale unor laboratoare independente de testare. Relaţia de calcul necorectată introduce erori de calcul importante, mai ales pentru colectoarele cu tuburi vidate şi cu tuburi termice, în special în domeniul diferenţelor de temperatură mai ridicate. Din acest motiv în continuare va fi utilizată numai relaţia de calcul corectată pentru determinarea randamentului termic al colectorilor solari termici. Această afirmaţie este justificată şi de alura curbelor determiante experimental, care este apropiată numai de alura curbelor determinate cu ajutorul relaţiei de calcul corectate.

15 În figura 14 sunt prezentate câteva curbe de variaţie a randamentului, pentru câteva tipuri de colectori solari, produşi de firma Viessmann (Germania). Fig. 14. Variaţia randamentului în funcţie de diferenţa de temperatură, pentru câteva tipuri de colectori solari Viessmann (Germania) A colectori plani; B colectori cu tuburi vidate; C colectori cu tuburi vidate amplasate vertical; D colectori cu tuburi termice În regim de lucru nestaţionar, atât intensitatea radiaţiei solare, cât şi diferenţele de temperatură se modifică permanent. Pot fi menţionate variaţii diurne, lunare, sezonale şi chiar anuale. În aceste condiţii, valorile randamentelor termice indicate în figurile anterioare, pot fi utile numai pentru compararea performanţelor colectorilor solari termici între aceştia, însă nu pot fi utilizate pentru a descrie comportarea colectorilor solari în regim termic nestaţionar. Pentru analiza regimurilor nestaţionare de lucru, trebuie menţionat şi că valoarea intensităţii radiaţiei solare, care intervine în relaţia corectată, reprezintă valoarea normală la planul colectorului, iar unghiul dintre normala la planul colectorului şi direcţia soarelui este continuu variabil. Unghiurile de înclinare şi deorientare a colectorului solar faţă de direcţia Sud, sunt de asemenea variabile şi reprezintă parametrii importanţi ai unor asemenea analize.