Panou solar termic

Spre deosebire de panourile solare fotovoltaice panourile solare termice sunt instalaţii ce captează energia conţinută în razele solare şi o transformă înenergie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiaţiei solare este utilizat pentru producerea de energie termică, randamentul acestor panouri este ridicat fiind în jur de 60%-75% raportat la energia razelor solare incidente (200 - 1000 W/m² în Europa, în funcţie de latitudine, anotimp şi vreme).

Expresii cu semnificaţie identică sau apropiată: captatoare solare, colectoare solare.

Istoric

Ideea utilizării efectului termic al radiaţiei solare este veche. Încă din antichitate Archimede a incendiat flota romană concentrând razele solare cu ajutorul oglinzilor.

În secolul al XVIII-lea naturalistul Horace-Bénédict de Saussure a construit precursorul panoului solar de azi, o cutie simplă de lemn, cu interiorul vopsit în negru şi acoperită cu sticlă. Cu acest prim panou solar s-a atins o temperatură de 87°C.

La mijlocul secolului al XIX-lea francezul Augustin Mouchot a dezvoltat panoul lui Saussure adăugându-i oglinzi concave, iar în anul 1878 la expoziţia mondială din Paris a expus o maşină cu aburi acţionată cu energie solară şi a făcut propunere utilizării acesteia pentru generarea de electricitate.

Principiu de funcţionare

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

Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o separare termică a elementului absorbant de mediul înconjurător. În funcţie de tehnica utilizată în acest scop deosebim:

• panouri ce utilizează materiale izolatoare obişnuite;
• panouri în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricaţie costisitoare;
• panouri ce se bazează pe tehnici simple şi se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

Mod de construcţie

Panouri plate

În principiu, un panou solar are o carcasă metalică de formă dreptunghiulară în care se află montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticlă, razele solare cad pe o suprafaţă care absoarbe aproape întregul domeniu spectral al acestora. Energia calorică rezultată nu se pierde, panoul fiind izolat termic în toate părţile. Căldura de convecţie spre exterior este linitată de unul sau mai multe geamuri. La panourile cu vacuum, aceasta este aproape în întregime eliminată. Căldura de radiaţie, datorată temperaturii proprii, este deasemenea împiedicată de geamul de sticlă care este opac pentru lungimile de undă mai mari. Această căldură este reţinută în interiorul panoului, echilibrul termic conducând la o temperatură mai înaltă decât în situaţia fără geam. Acest efect este cunoscut sub numele de efect de seră. La panourile solare moderne se utilizează sticlă specială, cu un conţinut cât mai mic posibil de fier şi cu o rezistenţă mărită la grindină şi încărcare cu zăpadă.

Elementul absorbant, mai ales la panourile cu vid, poate prezenta o selectivitate faţă de lungimea de undă, astfel încât, pe de o parte, să absoarbă o gamă cât mai largă de radiaţie solară şi, pe de altă parte, să aibă o emisie cât mai redusă în domeniul de infraroşu apropiat, pentru a reduce emisia de căldură

Elementul absorbant cedează căldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu ataşate acestuia. Agentul termic transportă energia calorică la utilizator sau la un recipient de stocare. Unele instalaţii solare au circuitul agentului termic deschis, ceea ce înseamnă că prin conductele panoului circulă chiar apa necesară utilizatorului, cum este cazul în principal al instalaţiilor funcţionând pe principiul termosifonului. În regiunile cu pericol de îngheţ mai mare, se apelează totuşi de regulă la circuite separate. Circuitul primar, cel al panoului conţine un lichid rezistent la îngheţ (antigel). Din circuitul primar căldura este transferată prin intermediul unui schimbător de căldură apei din circutul secundar, cel al utilizatorului.

Panouri cu tuburi vidate

Panou solar cu tuburi vidate

Detaliu panou solar cu tuburi vidate

O construcţie specială prezintă panourile solare cu tuburi vidate.
Ele se compun din tuburi paralele în spatele cărora se află reflectoare pentru concentrarea radiaţiai solare. Tuburile vidate se compun din două tuburi de sticlă concentrice intre care este vid. Tubul din interior este înconjurat de o suprafaţă absorbantă de care este ataşat un tub de cupru prin care circulă un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de căldură prin convecţie şi conducţie, pemiţînd obţinerea de performanţe superioare(randament şi temperaturi mai mari). Datorită temperaturilor mai mari instalaţia de încălzire poate necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraîncălzirii. Astfel de panouri sunt mai eficiente în zonele cu temperatură moderată, utilizarea lor în zone calde justificându-se doar în instalaţii tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari. Un alt avantaj îl reprezintă faptul că suprafaţa absorbantă fiind mereu perpendiculară pe direcţia razelor solare, energia absorbită este aproape constantă în cursul zilei. Tehnologia utilizată la fabricarea acestui tip de panou este asemănătoare celei de la centralele termice cu jgheaburi parabolice.

Elementul absorbant

Elementul absorbant trebuie să capteze cât mai bine radiaţia solară, atât cea directă cât şi cea difuză, şi să o transforme în căldură. În acelaşi timp căldura cedată sub formă de radiaţie să fie cât se poate de mică. În termini tehnici aceasta înseamnă că trebuie să se comporte selectiv faţă de lungimile de undă corespunzătoare celor două procese.

În ţările cu climă mai caldă se întrebuinţează adeseori componente acoperite doar cu aşa numitele lacuri solare. Aceste lacuri sunt foarte rezistente la căldură şi de regulă sunt de culoare neagră pentru a gradul de absorbţie cel mai mare posibil pentru radiaţia solară. În acelaşi timp aceste lacuri au un nivel destul de înalt de emisie în zona de mijloc a radiaţiei infraroşii – ca urmare o parte a căldurii captate va fi emisă din nou.

Pentru a reduce la minimum pierderile de energie, se va acoperi partea absorbantă cu un strat foarte selectiv. Astfel se pot obţine coeficienţi de absorbţie de 94% în banda de 0,4 ... 0,8 µm lungime de undă şi coeficienţi de emisie de 6% pentru lungimea de undă de 7,5 µm corepunzătoare radiaţiei proprii a materialului absorbant

Una din primele acoperiri cu materiale cu absorbţie selectivă, utilizabilă în producţia în serie, a fost acoperirea cu crom. Acesta se aplică pe suprafeţele de aluminiu sau cupru prin procedeu galvanic. Pe suprafaţa metalului apar firicele de crom care captează între ele razele de lumină, dar datorită mărimii lor reduse nu permit emiterea de lungimi de undă mai mari. O modalitate elaborată dar care însă nu a mai fost pusă în fabricaţie a avut ca bază acoperirea cu nichel.

Până prin anul 1977 procedeul de cromare era dominant pe piaţă. Între timp au apărut noi modalităţi de acoperire cu strat absorbant care permit obţinerea de randamente mai mari pe de o parte, şi prin renunţarea la procesele galvanice sunt mai ecologice din punct de vedere al producţiei şi reciclării pe de altă parte.

Actualmente cel mai extins procedeu este cel de depunere în atmosferă de gaz inert a unui strat de titan de culoare albastră (procedeul PVD), care cu toate că în comparaţie cu negrul din cazul acoperirii cu crom are un coeficient de absorbţie mai mic, prezintă o emisie mult mai slabă şi ca atare un randament total mai mare. Primele acoperiri de acest tip s-au elaborat în Germania şi au fost lansate pe piaţă de către TiNOX GmBH. Teoretic se pot obţine şi alte culori ale stratului de acoperire, care însă nu au acelaşi randament.

O altă tehnologie a fost elaborată în anii 90 de către firma Interpane care creează o structură de ceramică – metal (probabil tot pe bază de titan) care străluceşte într-un ton de negru-albăstrui.

Cele două procedee de acoperire, până mai recent, erau posibile doar pe suprafeţe de cupru, pentru aluminiu tehnici corespunzătoare au apărut doar de puţin timp pe piaţă. Chiar şi în acest caz pentru transportul căldurii cu ajutorul agentului termic se utilizează conducte de cupru care se racordează prin sudare laser cu partea absorbantă.

Pe lângă materialul de acoperire utilizat, producătorii se disting şi prin forma de realizare a părţii absorbante. Frecvente sunt soluţiile ce utilizează o placă metalică ce acoperă toată suprafaţa interioară a panoului. În acest caz conducta este sudată/lipită în formă de harfă sau serpentină pe spatele plăcii. Pe lângă aceasta există construcţii pe bază de benzi se cca 10-15cm lăţime pe reversul cărora se află câte o conductă sudată. Benzile mai apoi sun racordate prin sudură la cele două capete la o conductă colectoare. O a treia formă este asemănătoare unei perne, pe spatele plăcii absorbante fiind sudată o a doua placăformată prin stanţare. Agentul termic circulă printre cele două plăci. În principiu prima variantă de realizare prezintă eficienţa cea mai mare. Dar pentru că producătorii, la început au putut utiliza noile procedee de obţinere a straturilor foarte selective doar în cazul plăcilor de cupru cu dimensiuni limitate, mai ales în cazul modelelor mai vechi a fost posibilă utilizarea doar a benzilor. Între timp noile tehnologii permit fabricarea de plăci de până la 1200mm lăţime, ceea ce asigură o mai mare flexibilitate în variantele de fabricaţie. În schimb utilizarea benzilor pe de o parte face posibilă doar asamblarea în formă de harfă, pe de altă parte permite adaptarea mai uşoară la forma acoperişurilor (panouri cu dimensiuni la cerere).

Utilizări

Principiul termosifon

Schemă simplificată de prepararea apei calde menajere cu panou solar 1. Panou solar; 2. Comandă; 3. Pompă; 4. Vas de presiune; 5. Rezervor de apă; 6.Sursă de căldură complementară)

Panoul solar este componenta principală a unei instalaţii termice solare şi până în anul 2002 a fost utilizat îndeosebi pentru prepararea de apă caldă, iar recent îşi găseşte aplicare şi în furnizarea energiei necesare încălzirii clădirilor. Dacă este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura încălzirea clădirii numai cu energie solară.

Vehicularea energiei termice între panoul solar şi locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fără utilizarea unei surse de energie externă. În primul caz avem de a face cu sisteme ce utilizează pompe acţionate electric, sisteme de reglare automată, etc., în al doilea caz se utilizează principiul termosifon bazat pe diferenţa de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa caldă se ridică în sus, pe când cea rece coboară. Altfel decât la încălzire centrală funcţionând pe acelaşi principiu, în acest caz rezervorul trebuie să se găsească deasupra panoului solar. Adesea panoul solar şi rezevorul constituie un bloc comun.

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

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

Dacă instalaţiiile cu panouri solare se racordează şi la intalaţiile de încălzire, se poate contribui şi la reducerea costului cu încălzirea cu până la câteva zeci de procente. În cazul unei exigenţe mai mari la întregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezonieră a căldurii ceea ce va permite acumularea de suficientă energie calorică pentu a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de căldură, în cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficientă de apă sau pietriş(cca. 20T) din mijlocul clădirii sau subsolul acesteia.

Amortizarea unei instalaţii solar termice pentru producerea apei calde este posibilă în cca 8 ani în condiţiile unei construcţii optimale, a unei utilizări raţionale şi a existenţei unui sprijin din partea statului la tendinţele actuale de pe piaţa combustibililor fosili. Producătorii livrează panourile solare termale cu o durată de viaţă previzibilp de cca 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar dacă instalaţia a fost necorespunzător proiectată,respective utilizată.

Pentru a dispune de apă caldă suficientă şi în zilele ploioase panourilor solare li se ataşează din construcţie un rezervor special de apă caldă cu schimbător de căldură care în funcţie de numărul de membri de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru clădirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorită mărimii au o utilizării aproape continuă, putând avea un termen de amortizare mai redus, se contruiesc rezervoare de stocare a căldurii industriale dimensionate corespunzător consumului. În rezervoarele obişnuite, circuitul primar al panoului încălzeşte doar jumătatea de jos a acestuia, apa caldă ridicându-se datorită convecţiei şi temperatura ajungând până la valoarea admisă de 95°C.

Considerente economice

Panouri solare pentru prepararea apei calde la un hotel din Mallorca

Panouri solare pentru încălzirea apei unui bazin de înot

• Panourile solare transformă energia radiaţiei solare în căldură atunci când aceasta cade pe suprafaţa de absorbţie
• Pentru a obţine o temperatură de 40-60 °C în rezervor, este necesar ca în panou să se atingă cel puţin 65 °C. Dacă panoul solar este montat în circuit doar pentru a preîncălzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatură pot fi mai mici.
• Izolarea termică împiedică schimbul de căldură între două medii.
• Scopul şi locul instalării sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficienţei în exploatare şi ca urmare al economicităţii instalaţiei.

Cele de mai sus au o greutate considerabilă în analiza economicităţii utilizării panourilor solare termice unde întrebarea de bază se referă la recuperarea investiţiei. Tendinţa este de a utiliza capacitatea panourilor la maximum fără perioade de mers în gol.

Pentru prepararea apei calde menajere de exemplu, este nevoie să se cunoască nevoia zilnică de apă caldă. În acest caz este bine ca instalaţia să se dimensioneze la 70% din necesarul de energie din cauza diferenţelor de capacitate în funcţie de anotimp. Dacă se dimensionează la o capacitate de 100% din energia necesitată iarna, în vară vom avea un exces de apă caldă care nu se poate utiliza, deci o suprafaţă de panou neutilizată în care s-a investit. Dacă se dimensionează rezervorul astfel încât să stocheze toată energia calorică produsă, apar pierderile în timp datorită izolaţiei imperfecte a acestuia. Rezultă că atât din punct de vedere economic cât şi ecologic, este raţional să se apeleze la un sistem hybrid care combină panourile solare cu sisteme clasice de încălzire.

Sursa: http://ro.wikipedia.org