CAPTATOARE SOLARE. Captator plan fără vitrare

Transcript

1 CAPTATOARE SOLARE Captatoarele solare reprezintă componenta de bază a ni sistem activ tilizând energia solară. Acesta este elementl ce asigră conversia radiaţiei electromagnetice solare în energie termică şi transferl către n agent caloportor. Există diferite tipri de captatoare solare. Orientarea către n anmit tip sa altl depinde de temperatra apei calde ce se doreşte la consmator şi de condiţiile climatice ale zonei respective. Cele mai zale tehnologii adoptate pentr captatoare snt: captatoare plane fără vitrare captatoare plane c vitrare captatoare c tbri vidate Captatoare plane fără vitrare Acest tip de captatoare snt realizate de reglă din material plastic polimerizat negr. Ele n a o izolaţie termică nici laterală şi nici la bază. Ele se amplasează pe acoperiş a pe n sport de lemn. A avantajl că snt ieftine şi captează bine energia solară. Pe de altă parte însă pierderile de căldră cresc odată c creşterea temperatrii apei, mai ales în zonele caracterizate de vânt pternic. Captator plan fără vitrare

2 Acest dezavantaj face în consecinţă ca aplicaţiile în care pretează astfel de captatoare să fie cele în care se solicită apă la o temperatră joasă (încălzirea apei de piscină, căldră necesară pentr aplicaţii indstriale etc.) în zone c climat n foarte cald şi c predilecţie în perioada de vară când intensitatea solară este maximă. Captatoare plane c vitrare De reglă n astfel de captator plan se compne din : n strat exterior transparent (sticlă) o placă absorbantă o izolaţie termică pe lateralele şi la baza captatorli Captator plan c vitrare Energia tilă (Q ) reprezintă energia incidentă pe captator (Q i ) diminată de pierderile optice (energia reflectată de materiall transparent de cele mai mlte ori sticla, şi de către materiall absorbant-factorl TA ) şi de pierderile termice pe feţele acestia. Considerând-se o zi tip c o însorire normală (fără nori) se constată că pentr n captator orientat către sd, energia captată este egală c prodsl dintre energia incidentă şi factorl optic F. Lând în calcl şi pierderile termice ale captatorli se constată că acesta îşi îndeplineşte roll atât timp cât bilanţl termic este pozitiv (energia captată mins

3 pierderile) până în momentl când el devine negativ (ceea ce se întâmplă de reglă la sfârşitl zilei). Intersecţia c axa ordonatei corespnde factorli optic iar intersecţia c axa abscisei reprezintă coeficientl de pierderi termice. Acest tip de captatoare snt de reglă tilizate când se solicită temperatri medii (apă caldă menajeră, încălzirea clădirilor, încălzirea apei din piscine, diverse aplicaţii indstriale etc.). Energia captată = Q i F Captatoare plane c tbri vidate Aceste captatoare snt alcătite dintr-o sprafaţă absorbantă îmbrăcată într-n înveliş selectiv vidat din sticlă. Captator c tbri vidate

4 Acest tip captează foarte eficient energia solară iar pierderile termice snt foarte mici. Pentr a extrage căldra din sprafaţa absorbantă este tilizat de reglă n dispozitiv de tip CALODUC. Acesta fncţionează pe principil vaporizării ni lichid în contact c sprafaţa absorbantă caldă, căldra fiind recperată la capătl tbli, în timp ce vaporii condensează iar condensatl este retrnat gravitaţional în tbl absorbant. Acest tip de captatoare snt tilizate atnci când se solicită energie la temperatri medii şi ridicate (apă caldă menajeră, încălzirea clădirilor, aplicaţii indstriale care solicită o C etc.). Aspecte teoretice ale captatoarelor solare Indiferent de tipl acestora (plane, cilindro-parabolice, c focalizare) captatoarele solare snt caracterizate de randamentl acestora. Se defineşte randamentl instantane al captatorli solar raportl dintre energia primită de acesta şi energia solară incidentă pe captator. Acesta se exprimă în fncţie de n nmăr egal c diferenţa de temperatra medie t m între captator şi ambient t a, raportat la flxl total incident. Randamentl instantane al ni captator plan c simplă vitrare t m temperatra medie a captatorli-media temperatrilor intrare, ieşire din captator; t a - temperatra medili ambiant; Q i - flxl total incident. Performanţa oricări captator solar este descrisă de bilanţl să energetic global, care este de forma: S [( Q m TA ) + ( Q m TA) ] = Q + Q + E c o D o d p c nde S reprezintă sprafaţa activă a captatorli; Q o -densitatea de ptere radiantă c incidentă pe sprafaţa orizontală; m-factorl de raportare al pterii radiante pe n plan orizontal faţă de nl înclinat; TA - prodsl echivalent transmisie-absorbţie în ansambll geam-placă absorbantă; Q energia tilă, transmisă flidli caloportor; Qp- energia pierdtă de la captator în medil ambiant prin radiaţie, condcţie şi convecţie; E c energia acmlată în captator.

5 a) Ecaţii valabile pentr n captator plan Prima ecaţie a captatorli plan fără concentrare este descrisă în fncţie de temperatra medie a plăcii absorbante t p : Q = Qi ( TA) K( t p ) nde t a - temperatra medili ambiant; K are semnificaţia ni coeficient global de pierderi de căldră (prin părţile laterale şi feţele acestia). Valorile li K snt date în literatra de specialitate pentr diverse tipri de captatoare, c nl, doă sa trei geamri, pentr diverse temperatri ale medili ambiant, la diverse viteze ale vântli şi diferite tipri de plăci absorbante. Introdcând o mărime denmită factor de eficienţă a captatorli F şi temperatra medie a flidli prtător de căldră, căldra tilă totală a captatorli poate fi exprimată ca fiind descrisă de cea de-a doa ecaţie a captatorli plan: Q = F[ Qi ( TA) K( tm )] Factorl de eficienţă F al captatorli este o mărime constantă pentr n anmit tip de captator şi pentr n debit de flid stabilit. Întrcât este dificil a estima temperatra plăcii absorbante sa cea flidli prtător de căldră s-a procedat la introdcerea temperatrii la intrarea în captatorl solar. Astfel, notând : G c F K = [1 exp( )] K G c nde G este debitl masic de flid; c-căldra specifică a flidli rezltă cea de-a treia formă a ecaţiei ni captator plan şi anme: Q = FT [ Qi ( TA) K( t fi )] nde t fi reprezintă temperatra flidli la intrare în captator; t a - temperatra medili ambiant; K are semnificaţia ni coeficient global de pierderi de căldră (prin părţile laterale şi feţele acestia). Factorl de transport sa aşa nmitl coeficient de eficienţă globală a captatorli reprezintă de fapt raportl dintre căldra

6 reală, tilă, transferată flidli şi căldra primită de către sprafaţa absorbantă a captatorli solar. Acest factor depinde în mare măsră de debitl ce circlă prin canalele din placa absorbantă. Se face precizarea că o creştere a debitli flidli prtător de căldră condce la o creştere a factorli de transport al căldrii şi deci la o creştere a căldrii tile totale a captatorli, ceea ce corespnde realităţii (informativ, o creştere a debitli de 10 ori condce la o creştere c 40% eficienţei captatorli). Creşterea debitli condce în acelaşi timp şi la micşorarea diferenţei de temperatră intrare/ieşire a flidli rezltând o temperatră medie a captatorli mai mică şi la redcerea pierderilor termice. Ecaţia este valabilă şi pentr captatoarele c tbri vidate. Câteva valori informative pot fi date şi anme: - pentr captatoare plane (TA) = 0,68 şi 0 K = 4,9W / m 2 / C - pentr captatoare c tbri vidate ( TA) = 0, 58 şi F T K = 0,7W / m 2 / 0 C Observaţii: Fncţionarea majorităţii instalaţiilor solare este în realitate tranzitorie. În fncţie de capacitatea lor calorică, captatoarele înregistrează diverse performanţe. Factorii ce inflenţează performanţele snt legate de încălzirea captatorli de la o temperatra mică ce se înregistrează la începtl zilei la o temperatra finală de fncţionare care se atinge dpă-amiaza. Pe de altă parte, o altă inflenţă o a viteza vântli, variaţiile intermitente ale însoririi şi temperatrii ambientale. Klein, Dffie şi Beckman, a demonstrat că încălzirea zilnică a captatoarelor solare în crsl dimineţii condce la pierderi de căldră ce pot fi import ante, dar că ele pot fi considerate neglijabile. În general, variaţiile parametrilor ce intervin în proces snt determinate şi cnoscte c valorile orare. Astfel, orice predeterminare a comportării tranzitorii a captatorilor pe drata nor intervale poate fi doar aproximativă. Deci, n este jstificată o analiză extrem de rigroasă, preferând-se calcle c ipoteze simplificatoare (regiml termic este staţionar, proprietăţile materialli snt independente de temperatră, energia absorbită de geamri n inflenţează sensibil pierderile termice, căderile de temperatră în geamri n snt importante, pierderile termice pe feţele captatorli a loc către aceeaşi temperatră exterioară, efectele mrdăririi şi mbririi captatoarelor snt neglijabile etc.). b) Ecaţii valabile pentr captatoarele fără vitrare: Pentr acest tip de captatoare este valabilă ecaţia dată de Solta:

7 Q ε = ( FT A)[ Qi + ( ) L] FT K( t fi ) A nde ε este emisivitatea în infraroş a sprafeţei absorbante şi L este lngimea de ndă în infraroş. Datorită lipsei de informaţie privind măsrători exectate la nivell captatoarelor c tbri vidate, informativ se pot la valori ce ţin seama de viteza vântli V: ( TA) = 0,85 0, 04V şi K = 11,56 + 4, 37V W / m 2 / 0 C CAPTATOARE SOLARE - EFICIENŢA Eficienţa sa randamentl ni captator solar este reprezentată printr-o crbă de eficienţă. Această crbă descrie dependenţa eficienţei η a captatorli în fncţie de o mărime adimensională x, definită ca raportl dintre diferenţa medie de temperatră captator aer ambiant, şi radiaţia solară totală I T pe sprafaţa captatorli (în W/m 2 ) t m t x = a, I T în care: temperatra medie a flidli ce parcrge captatorl solar (în ºC); t m t a - temperatra aerli ambiant (exterior) în care este amplasat captatorl (în ºC). Un captator solar plan, normal, vitrat, are n tip de crbă de eficienţă ca în figra alătrată. Crba de eficienţă a ni captator plan, nevitrat

8 Ecaţia crbei de eficienţă a captatorli poate fi scrisă ca n polinom de gradl al doilea, prin intermedil a trei parametri: c 0, c 1 şi c 2 dpă cm rmează: η ( x) = c c x c I x T 2 în care: c 0 - eficienţa obţintă atnci când temperatra medie a captatorli este egală c temperatra medili ambiant cât mai mare posibil, şi, c 1, c 2 factori de pierdere de căldră ale captatorli către exterior cât mai mici posibil (pentr n captator bine izolat faţă de exterior). Există trei mari tipri de captatoare solare plane, ce se disting şi din pnct de vedere al crbei de eficienţă: - captatoarele plane nevitrate, la care: c 0 = 0,9 0,95 W/mK şi c 1 = 10 W/m 2 K; - captatoarele plane vitrate, la care: c 3-6 W/m 2 0 = 0,75 0,85 W/mK şi c 1 = K; - captatoarele c tbri vidate, la care: c 0 = 0,65 0,8 W/mK şi c 1 = 1 2 W/m 2 K. Comparatie între cele trei tipri de captatoare plane dpă eficienţă Figra alătrată compară celei trei eficienţe pentr tiprile de captatoare descrise. C albastr este reprezentată crba de eficienţă pentr captatorl plan nevitrat, c negr (mijloc) cea corespnzătoare captatorli pla vitrat, iar c roş cea aferentă captatorli c tbri vidate. Comparaţie între cele trei tipri de captatoare plane dpă eficienţă

9 Exempll din figră arată că, de exempl pentr x = 0,10 W/m 2 K şi n I T = 800 W/m 2, corespnde o diferenţă de temperatră t m t a = 80 ºC. În aceste condiţii de operare, captatorl c tbri vidate indicat prezintă o eficienţă de 60%, cel plan vitrat o eficienţă de 40%, iar cel plan nevitrat n mai poate fi deloc tilizat în acest domeni de temperatri pentr a prodce energie. Acest lcr demonstrează c claritate că eficienţa este maximă la tbrile vidate, medie la captatoarele plane vitrate şi minimă la cele plane nevitrate, păstrând aceleaşi condiţii de temperatră şi însorire pentr comparaţie. Conform standardli de măsrare EN 12975, captatoarele plane nevitrate snt descrise prin intermedil ni parametr adiţional c : ( c c )( 1 2 tm η = η 0 ( 1 c), I iar I (W/m 2 K) este radiaţia solară exprimată prin relaţia: ) în care coeficienţii η 0, c, c 1 şi c 2 se obţin prin identificare c rezltatele măsrate, ( ε 4 )( I LW σta ) I = I T + α, nde I LW este radiaţia de lngime mare de ndă incidentă pe sprafaţa captatorli, iar T a (în K) este temperatra absoltă a medili ambiant. Pentr raportl ε dintre α emisivitate şi coefficient de absorbţie a captatorli, se poate adopta o valoare de 0,85 daca n snt disponibile alte informaţii.