UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULTATEA DE ALIMENTATIE SI TURISM

COLECTOARELE SOLARE FOLOSITE PENTRU INCALZIREA APEI CALDE

-2010-

CUPRINS

Introducere....................................................................................................pag. 2 Cap. I. Panouri solare ................................................................................. pag. 4 I.1. Colectoare solare plane-plate.........................................................pag. 4 I.2. Colectoare solare cu tuburi vidate..................................................pag. 10 I.3. Colectoare de tip jgheab............................................................ ....pag. 13 Cap. II. Schema sistemului...........................................................................pag. 15 Cap. III. Dimensionarea panourilor solare la cabana Cerasu...................pag. 21 III. 1. Descrierea colectorului solar IKED18 folosit pentru cabana.....pag. 22 III. 2. Incalzirea apei calde menaje......................................................pag. 24 Cap. IV. Standarde pentru sistemele solare termale si componentele lor....pag. 29 Concluzii......................................................................................................pag. 31 Bibligrafie.....................................................................................................pag. 34

INTRODUCEREEnegia exprima capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic atunci cand sufera o transformare dintr-o stare in alta stare. Termenul energie, de origine greaca, a fost folosit prima data de Kepler in sensul de "putere emanata de corpuri". In sensul actual energia este o marime care depinde de starea fizica instantanee a sistemului si care, daca sistemul nu interactioneaza cu mediul exterior, ramane constanta. O definitie mai putin stiintifica energiei, dar pe intelesul tuturor, ar fi: ceea ce trebuie furnizat sau luat unui sistem material pentru a-l transforma. Sursele de energie solara au fost considerate, chiar de ceva timp ca fiind cele mai bune, imediat profitabile optiuni pentru majoritatea oamenilor de pe Pamant, prin asigurarea energiei pentru diferite instalatii. Sursele de energie cele mai primitive sunt cele obtinute din carbune si petrol. Insa acestea sunt epuizabile si arderea acestora produce mari cantitati de CO2. De aceea sunt cautate noi surse de energie. Se incearca folosirea energiei solare captata cu ajutorul panourilor solare. Insa conversia energiei razelor solare n caldura sau electricitate se face cu o pierdere de 80-90% i acestea nu pot fi captate decat in timpul zilei si astfel energia trebuie sa fie stocata pentru a putea fi furnizata si pe timpul noptii. O alta sursa este forta apelor. Prin construirea hidrocentralelor se obtin mari cantitati de energie. Se poate folosi apa termala pentru incalzire sau a aburilor de apa pentru a produce electricitate. Astfel de centrale se gasesc n Italia, Japonia i California. La forajele de mare adancime se poate injecta apa rece care este incalzita si apoi extrasa pentru a produce energie electrica. nca din 1966 la Rance, n Franta functioneaza o centrala mareo-motrica care foloseste energia mareelor. Japonia incearca folosirea valurilor cu ajutorul unor dispozitive plutitoare. O alta sursa de energie este cea furnizata de curentii de aer de suprafata. Teoretic s-a stabilit ca acesti curenti raspandesc anual o energie de 200 de ori mai mare decat necesarul mondial. Insa pentru captarea acestei energii este nevoie de eoliene foarte mari.

Energia nucleara este una dintre cele mai folosite noi surse de energie la acest final de secol. Energia nucleara poate fi produsa in doua moduri: prin fisiune si prin fuziune. Se ncearca folosirea energiei termice a oceanelor. Astfel este captata apa calda dintr-o zona superioara si cu ajutorul amoniacului se antreneaza o turbina in deplasarea sa spre o zona cu apa rece. Energia solara este energia radianta produsa in Soare ca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara. Ea este transmisa pe Pamant prin spatiu in cuante de energie numite fotoni, care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamantului. Energia solara se refera la transferul energiei luminoase a radiatiei de Soare. Aceasta poate fi folosita pentru a genera energie electrica (panouri fotovoltaice) sau pentru incalzirea interiorului unei cladiri (panouri solare). Totodata, incalzind in mod diferit straturile atmosferice, energia solara determina indirect deplasarea acestora, deci, implicit, formarea curentilor de aer si a vantului. Fenomenele de evaporare a apelor de la suprafata, formarea norilor si a precipitatiilor au la baza, de asemenea energia solara. Si tot ei ii este datorat procesul de fotosinteza la plante si eliminarea in mediu a oxigenului, atat de necesar vietii pe Pamant. Soarele este o stea de marime si luminozitate medie ca si majoritatea celorlalte stele. Uriasa energie furnizata de Soare este datorata reactiilor de fuziune nucleara care au loc in interiorul sau. Energia solare poate fi utilizata intens in Dobrogea, Campia Romana, Campia de Vest, Banat, unde durata de stralucire a Soarelui este mare (2.400 de ore anual). Zone cu flux energetic similar important sunt si podisurile Transilvaniei si Moldovei. Sursele geotermale din vestul tarii au fost valorificate pe aliniamentul statiunilor Baile Felix , Tinca, Buzias. O instalatie solara este alcatuita din unul sau mai multe panouri solare (denumite si colectoare solare), carora li se adauga componente de racord la instalatia sanitara, de prindere in acoperis, unul sau doua boilere, pompa de recirculare, elemente electronice (controller). Cele mai importante colectoare solare pentru incalzirea apei calde sunt : colectoarele plane , colectoarele cu tuburi vidate si colectoarele de tip jgheab.

CAP. I : Panourile solare

La panourile solare se face diferenta intre cele fotovoltaice folosite pentru producerea de energie electrica si cele termice folosite pentru incalzire. Panourile solare termice sunt colectoare plate , colectoare cu tuburi vidate sau de tip jgheab. Colectoarele plane s-au folosit pe scara larga datorita pretului mai scazut. Colectoarele cu tuburi vidate - mai scumpe dar mai performante se utilizeaza de mai bine de douazeci de ani. n ultima vreme preturile au devenit accesibile datorita seriilor mari de fabricaie i a avansului tehnologic. Acestea din urma se utilizeaza in special la aplicatiile unde este necesara o temperatura mai ridicata sau la instalatiile complexe, care genereaza atat apa calda menajera cat si caldura pentru incalzirea locuintelor. La aceasta ora, recomandarea tehnicienilor se indreapta tot mai mult inspre colectoarele cu tuburi vidate datorita gradului ridicat de izolare termica, a eficientei lor mult crescute si a scaderii continue a pretului.

I . 1. Colectoare solare plane-plate

Colectoarele solare plane se clasifica dupa urmatoarele criterii: natura agentului termic, modul de asigurare a absorbtiei energiei solare , forma constructiva a ansamblului absorbant , forma constructiva a canalului prin care circula agentul termic.

Sunt cele mai utilizate colectoare din lume pentru incalzirea apei, folosita la uzul intern, dar si la diverse aplicatii ce necesita apa calda (piscine, sisteme de incalzire etc.). Aceste colectoroare au o gama de utilizare de la sub -20 C la aproximativ 85C, ce este exact in gama de operare necesare pentru aceste aplicatii. Ele sunt durabile si eficiente. Colectoarele plate au un avantaj major fata de alte tipuri ce nu sunt la fel de rezistente in zonele in care se ninge destul de mult. Acestea sunt un standard la care toate celelalte tipuri de colectoare sunt raportate. Componentele colectoarelor solare plane solutii constructive Colectoarele solare plane reprezinta partea cea mai importanta a sistemelor proiectate sa opereze in intervale joase de temperatura (de la temperatura ambientala pana la 600) sau in intervale medii de temperatura (de la temperatura ambientala pana la 1000). Intr-un colector plan intervin urmatoarele componente principale: placile transparente (1): se refera la unul sau mai multe randuri de placi de sticla cu grosimea de 3-4mm; majoritatea colectoarelor plane sunt executate din doua randuri de placi, din care cea montata la exterior este din sticla, iar cea din interior este o folie din material plastic; circuitul fluidului purtator de caldur (registru Tevi) (2): conduce sau directioneaz agentul termic de la intrare la iesire; el se afla plasat intre doua placi, si curge printr-un registru de conducte prinse pe placa absorbanta; placa absorbanta (3): este in general executata dintr-o placa metalica sau din alt material, acoperita cu un strat negru, in vederea cresterii gradului de absorbtie a radiatiei solare si a scaderii gradului de emisivitate; izolatia termic (4): reduce pierderile de caldura din partile inferioare si laterale ale colectorului; carcasa (5): contine toate componentele colectorului si le protejeaza de praf, umezeala, In continuare sunt analizate in detaliu aspecte constructive, functionale si parametrii caracteristici pentru toate componentele anterior prezentate. socuri mecanice etc.

Colectoarele plane sunt impartite n doua categorii in functie de scopul utilizrii lor, cele destinate inclzirii apei si cele destinate nclzirii aerului. Conditiile in care diferite tipuri de colectoare plane sunt utilizate pentru incalzirea apei sunt: inalte; piscinelor; tipul semi-sandwich, in care se utilizeaza materiale cu conductivitate medie ca si otelul sau aluminiul. In cazul colectoarelor cu agent termic aer, clasificarea este realizata din punct de vedere al placii absorbante: nervurata, putand prezenta diverse profile; ondulata avand acoperiri selective; plana, metalica . tipul sandwich, in care atat suprafata udata cat si capacitatea de apa sunt ridicate; se pot utiliza materiale cu o conductivitate redusa, ca plasticul sau otelul; se utilizeaza la ncalzirea cu circuit, cu o suprafata mica strabatuta de apa si cu o capacitate de apa redusa, se utilizeaza materiale cu o buna conductivitate, ca si cuprul sau aluminiul; se utilizeaza la temperaturi

Cum functioneaza: Un sistem este format din 2 parti: panou solar (colector) si rezervor (boiler). Panoul este partea cea mai importanta deoarece radiatia solara este captata de suprafata absorbanta a acestuia formata dintr-o tabela de cupru tratata cu un strat selectiv din titan, iar sub aceasta sunt sudate tevile de cupru prin care circula agentul termic. Acest lichid, in momentul cand se incalzeste urca in partea de sus a colectorului dupa care ajunge in boiler. Aici el transfera caldura catre apa menajera care circula liber in rezervor, apoi cand se raceste , coboara din nou in colector pentru a-si relua ciclul. Agentul termic poate ajunge la 120 C, astfel ca temperatura apei din rezervor poate atinge 75-90 C pe timp de vara si 30-45 C pe timp de iarna. In rezervor apa se mentine tot timpul calda datorita faptului ca este izolat cu un strat de poliuretan. Pentru sezonul rece rezervorul poate sa-si foloseasca si siguranta de 4 Kw cu termostat, care este privita ca un ajutor. Un lucru foarte important de stiut este ca temperatura exterioara nu afecteaza functionarea instalatiei solare. In perioada de iarna radiatia solara este mai mica, deoarece si ziua dureaza mai putin, insa pentru a avea randament maxim pentru cele 3 luni de iarna, exista posibilitatea de marire a capacitatii suprafetei de absorbtie , prin adaugarea unui simplu colector. In general, colectoarele plane sunt formate dintr-o retea de tevi din material termoconductor (cupru, in general) cu aripioare din tabla pentru cresterea suprafetei de captare. Tot acest ansamblu este asezat intr-o cutie bine izolata termic. Aceasta cutie are peretele dinspre soare transparent (din sticla cu transparenta ridicata), iar suprafata tevii si a aripioarelor metalice este acoperita cu un strat selectiv care faciliteaza absorbtia radiatiilor solare si limiteaza in acelasi timp reflexia acestora. Eficienta acestui tip de colectoare este mai redusa decat a colectoarelor cu tuburi vidate - la suprafete de captare similare - dar pretul de cost este si el mai scazut. Exista asemenea colectoare plane in multiple variante constructive, iar recent eficienta lor a fost imbunatatita simtitor.

Strat selectiv (acoperire selectiva) Toate corpurile emit radiatie termica. Suprafata ideala a unui colector solar absoarbe maximum de radiatie solara si emite foarte putina din aceasta. Stratul de la suprafata colectoarelor are rolul de a creste in mod selectiv absortia radiatiilor solare si de a reduce la minim emisivitatea termala. Aceasta acoperire selectiva creste foarte mult eficienta colectoarelor solare. Exista diverse tehnologii pentru crearea acestui strat selectiv al colectorului prin care circula agentul termic: vopsire cu materiale speciale, tratamente termochimice, tratamente electro-chimice, etc. Colectorul plat este o tehnologie mai veche decat colectoarele cu tuburile vidate. Sub unui sau mai multor straturi de sticla transparenta se afla stratul cu substanta absorbanta. Sub acest strat este pompat agentul termic printr-un sistem de capilare unde preia caldura captata de stratul absorbant. Avantaje : eficienta in prepararea apei calde menajere, incalzirea spatiului locativ; pret relativ ieftin; usor de instalat, se poate si incadra in acoperis ; Dezavantaje: pierdere relativ mare de caldura in conditii de temperaturi joase; nu are expunere optima/perpendiculara permanenta; poate fi afectat de vant; necesita spatiu mai mare pentru performante comparabile cu colectoare cu tuburi vidate; randament redus in conditii nefavorabile sau temperaturi joase; performante mai reduse decat colectorul cu tuburi vidate;

Principiul de incalzire Heat pipe / Circulatia Agent Termic Direct Asa numita heat pipe sau tubul termic este o tija din cupru purificat fara insertii de oxigen evacuata in interior, asemenea tubului vidat care functioneaza pe principiul vaporizare-condensare. In interiorul tubului termic se afla o cantitate mica de apa purificata impreuna cu cateva aditive speciale. La nivelul marii apa fierbe la 100C, la altitudini mari datorita presiunii atmosferice reduse la temperaturi mai joase. Bazat pe acest principiu ca apa fierbe la temperaturi mai joase in conditii de presiuni atmosferice mai mici prin evacuarea tubului termic se ajunge la rezultatul dorit. Apa in interiorul tubului termic folosit in colectoarele Apricus fierbe deja la 30C. Daca tubul termic e incalzit peste acest nivel apa se gazifica, vaporii urca la schimbatorul de caldura in varf unde predau caldura. Caldura este transferata, gazul se lichefiaza, ajunge din nou la baza tubului termic si tot procedeul reincepe. In sistemele cu circulatia agentului termic direct acesta este pompat printr-o teava in forma de U prin tubul colector. Este incalzit direct agentul termic fara intermediul heat pipe/tubului termic.

I . 2 . Colectoarele solare cu tuburi vidateColectoarele cu tuburi vidate reprezinta cea mai avansata tehnologie in domeniu. Tubul vidat este compus din doua tuburi coaxiale intre care se creeaza vid. Primul tub din sticla extrem de rezistent , rezista la grindina de pana la 25 mm, permite razelor solare sa patrunda, fara a le reflecta. Tubul interior sau tubul colector este acoperit cu substanta absorbanta (AL-N/AL). Vidul dintre tuburi este sustinut pe o durata indelungata de un strat subtire de barium in interiorul tubului. Stratul de barium absoarbe activ orice molecula de gaz CO, CO2, N2, O2, H2O, H2 pentru ca avantajul vidului (izolatia termica fata de temperatura mediului) sa fie mentinut. Daca vidul este compromis, stratul de barium semnaleaza acest fapt prin schimbarea de culoare de la argintiu la alb, iar tubul respectiv trebuie schimbat. Aceasta procedura este simpla, poate fi executata de orice persoan cu abilitati tehnice minime. Colectoarele cu tuburi vidate au performante bune chiar si pe timp nefavorabil, noros sau ploios. In acest caz este posibil ca sistemul de rezerva sa intervina si sa ridice nivelul temperaturii la cea dorita dar in orice caz nu atat cat era nevoie fara colector solar. Tuburile vidate constituie elementul cheie al captarii energiei solare. La origine un proiect dezvoltat de Universitatea din Sydney, Australia, acest sistem de tuburi este actualmente larg utilizat n Germania, Canada, Marea Britanie i China datorit performanelor lor tehnice i a pretului scazut. Fiecare tub este format din doua tuburi concentrice din sticla borosilicat (foarte rezistenta i cu un grad de transparenta ridicat), sudate intre ele. Spatiul dintre cele doua tuburi se videaza

iar suprafata interioara a tubului interior se acopera cu un strat selectiv cu excelente proprietati de absorbtie a radiatiei solare (>92%) si cu o reflexivitate foarte redusa (