Colectoare solare termice: bilanț energetic și randament

Colectoarele solare plane reprezintă cele mai răspândite echipamente utilizate pentru conversia energiei solare în energie termică. Acestea sunt folosite, în principal, pentru încălzirea apei menajere, încălzirea spațiilor și în unele procese tehnologice. Datorită construcției simple, costurilor reduse și randamentului bun, colectoarele plane sunt utilizate pe scară largă în instalațiile solare termice rezidențiale și comerciale. Colectorul solar plan funcționează pe baza absorbției radiației solare și a transformării acesteia în căldură. Suprafața absorbantă a colectorului captează radiația solară și o transformă în energie termică, care este transferată unui agent termic (de obicei, apă sau soluție antigel). Agentul termic încălzit este transportat către un rezervor de acumulare sau către consumatori.

1.8.1. Colectoare plane.

Colectoarele plane sunt destinate încălzirii unui agent termic fluid (apă, aer sau o soluţie cu lichid antigel) la temperaturi de până la 80°C. De obicei, se utilizează pentru producerea de apă caldă pentru aplicaţii rezidenţiale sau comerciale, pentru încălzirea piscinelor, a spaţiilor închise, dar şi pentru furnizarea de căldură pentru unele procese industriale. Suprafaţa expusă radiaţiei solare este, de obicei, acoperită, în acest scop utilizându-se sticlă solară securizată cu conţinut redus de fier sau policarbonat transparent, cu rezistenţă mecanică la grindină şi la încărcarea cu zăpadă, fiind recomandat un grad de transparenţă cât mai ridicat (peste 90% pentru sticlă). Materialele utilizate pentru acoperire trebuie să aibă transmitanţa cât mai mare în domeniul vizibil al spectrului de lungimi de undă, dar cât mai mică în domeniul radiaţiei infraroşii pentru a menţine în interior căldura reradiată de absorbant. Alte caracteristici importante ale materialelor de acoperire constau în absorbtivitatea scăzută a căldurii, stabilitate ridicată la temperaturile de lucru ale panoului, rezistenţă la solicitări mecanice şi durabilitate la condiţii vitrege de mediu, precum şi un cost redus. Variaţia transmitanţei prin radiaţie a materialelor transparente depinde de procesul de fabricare, compoziţia chimică şi structura moleculară. De exemplu, majoritatea materialelor plastice au transmitanţa radiaţiei din domeniul vizibil mai mare de 0,85, însă în cazul radiaţiei infraroşii, transmitanţa variază într-un domeniu larg, de la 0,01 pentru polimetilmetacrilat la 0,77 în cazul polietilenei. În prezent, materialul de acoperire utilizat cel mai frecvent este sticla, datorită transmitanţei mari în domeniul vizibil al spectrului şi scăzute în domeniul radiaţiei infraroşii, precum şi datorită stabilităţii în condiţii de temperaturi ridicate. Dezavantajele constau în rezistenţa mecanică scăzută (în raport cu masele plastice), masa relativ mare şi preţul de cost ridicat. Ca alternativă se pot utiliza masele plastice transparente, care au rezistenţă sporită şi a căror masă reprezintă aproximativ 10% din masa unei suprafeţe de sticlă ce acoperă aceeaşi arie. Pe de altă parte, materialele plastice ridică probleme legate de stabilitate la temperaturile de funcţionare ale colectoarelor, dar şi de durabilitate, degradându-se în timp sub acţiunea radiaţiei solare ultraviolete. De aceea au fost dezvoltate tehnologii de tratare chimică prin care o parte dintre problemele enumerate pot fi soluționate. Schema clasică a unui panou plan este prezentată în figura 1.35. Agentul termic lichid rece pătrunde pe la partea inferioară (6) a panoului, circulă prin sistemul de conducte (3) aflate în contact cu suprafaţa fierbinte a plăcii metalice absorbante (4) şi este evacuat pe la partea superioară a panoului. Izolaţia termică şi carcasa etanşă împiedică, în mare măsură, pierderile de căldură prin convecţie şi conducţie, maximizând astfel transferul termic către agentul din sistemul de conducte. În acelaşi scop, suprafaţa plăcii absorbante este acoperită cu un strat selectiv faţă de lungimea de undă, de culoare închisă, care absoarbe energia solară şi împiedică pierderea căldurii acumulate. Placa absorbantă poate fi metalică (aluminiu, oţel sau cupru) sau dintr-un polimer stabil din punct de vedere termic. Deşi este mai scump, cuprul are un coeficient de schimb de căldură superior şi este mai puţin predispus la coroziune decât aluminiul.

Sistemul de transfer de căldură poate avea următoarele configuraţii:

• Conducte dispuse în sistem harpă (figura 1.35). Acestea sunt cuplate la o conductă de colectare aflată în partea superioară a panoului. Sistemul este folosit, în general, pentru instalaţiile care funcționează la presiuni scăzute, agentul termic putând fi antrenat prin pompare sau circulând pe principiul termosifonului.
• Conducte în serpentină. Sunt mai eficiente decât varianta cu dispunere în harpă şi se folosesc pentru producerea de apă caldă menajeră, însă nu şi pentru încălzirea spaţiilor închise. În locul conductei, se poate utiliza o placă metalică, profilată prin ştanţare şi sudată pe spatele plăcii absorbante. Forma obţinută prin ştanţare creează o zonă de circulaţie pentru agentul termic. Se obţine o suprafaţă de contact mai mare în raport cu varianta cu conducte, rezultând o eficienţă sporită a transferului de căldură.
• Sisteme cu un strat de foi transparente, respectiv opace. Pierderile de căldură sunt minimizate, întrucât o parte din radiaţia reflectată de o foaie din strat va fi direcţionată către o altă foaie, fără a se pierde în mediu, în final, un procent mai mare din radiaţia solară incidentă fiind concentrat pe stratul absorbant.

Mai rar întâlnite sunt colectoarele plate cu suprafaţa neacoperită, întregul sistem fiind expus în mod direct radiaţiei solare. Materiale uzuale pentru absorbant sunt polipropilena, cauciucul siliconic sau cauciucul EPDM (Etilen-Propilen-Dien-Monomer) cu stabilitate la radiaţia ultravioletă. Din cauza pierderilor ridicate de căldură prin convecţie, acestea se utilizează, de obicei, în situaţiile în care este necesară obţinerea unor temperaturi mai scăzute ale fluidului, de exemplu, încălzirea piscinelor. Panourile plane pentru încălzirea aerului au o construcţie similară. În interiorul carcasei este montată placa absorbantă. Aerul circulă de la partea inferioară la cea superioară a panoului prin convecţie sau sub acţiunea unui ventilator, trecând peste placa absorbantă, de la care primeşte energie sub formă de căldură. Din punctul de vedere al transferului de căldură, eficienţa este mai redusă decât în cazul panourilor pentru încălzirea apei sau a soluţiei de lichid antigel, însă sunt evitate problemele legate de supraîncălzirea agentului termic care apar atunci când pompa de recirculare a lichidului nu funcţionează.

De asemenea, este evitată folosirea lichidului antigel, care necesită înlocuire la perioade cuprinse între 3 şi 5 ani în funcţie de tipul şi caracteristicile acestuia şi de temperaturile la care a fost supus. În condiţii optime de funcţionare, eficienţa tipică a acestor panouri este de 40-50%, însă aceasta variază în funcţie de calitate şi de valoarea temperaturii care trebuie obţinută.

1.8.2. Colectoare cu tuburi vidate.

Colectoarele solare din această categorie sunt formate din tuburi colectoare dispuse paralel (figura 1.36). Fiecare tub este realizat din sticlă borosilicat cu o bună rezistenţă mecanică şi are perete dublu, spaţiul dintre pereţi fiind vidat pentru a întrerupe pierderile de căldură prin transfer termic între interiorul tubului colector şi mediu. Pentru a menţine vidul, se depune în interiorul peretelui dublu, la capătul inferior, o peliculă de bariu de culoare argintie. Aceasta va absorbi o serie de gaze care pot fi emise pe parcursul ciclului de viață al tubului, cum ar fi CO, CO², N², O², H₂O şi H², menţinând astfel starea de vacuum. Atunci când această stare se pierde, pelicula îşi schimbă culoarea din argintiu în alb, oferind o modalitate facilă de identificare a tuburilor defecte. Pornind de la aceste principii, au fost dezvoltate mai multe variante constructive.

În figura 1.37 se prezintă varianta în care tuburile sunt conectate la un rezervor cilindric, dispus în partea superioară a acestora.

Pe peretele interior este depusă o peliculă absorbantă pentru îmbunătăţirea randamentului. Având o densitate mai redusă, stratul de apă care primeşte căldură datorită radiaţiei solare se va ridica în partea superioară a rezervorului, iar apa rece va coborî în tubul vidat, creându-se astfel un circuit natural permanent (efectul de termosifon). Acest sistem prezintă avantajul încălzirii directe a apei, fără necesitatea unui schimbător de căldură, dar nu poate fi utilizat în cazul presiunilor mai ridicate întâlnite în reţelele de alimentare cu apă din cauza fragilității tuburilor de sticlă. Acest dezavantaj a fost înlăturat prin utilizarea sistemelor prezentate în figura 1.38. Ţeava de cupru prin care circulă apa (sau agentul termic, pentru sistemele cu funcţionare în circuit închis) se află în contact cu o suprafaţă absorbantă, întregul ansamblu fiind montat în interiorul tubului vidat. Se remarcă faptul că această soluţie prezintă o similitudine constructivă cu panourile plane, având avantajul unei diminuări mult mai eficiente a pierderilor termice. Ţeava de cupru este realizată cu două circuite concentrice în interior, cu intrarea apei reci pe circuitul exterior şi ieşirea apei calde pe circuitul interior.

Cele două soluţii prezentate au dezavantajul fragilităţii tuburilor de sticlă, în ciuda rezistenţei superioare a acestora. În cazul deteriorării unui tub, va fi afectat întregul sistem. O variantă constructivă mai eficientă din acest punct de vedere constă în amplasarea în interiorul tuburilor colectoare a unor ţevi de cupru închise la ambele capete, numite tuburi termice, în interiorul cărora se află un agent termic care trece în stare de vapori sub acţiunea radiaţiei solare. Pe suprafaţa exterioară a tubului interior de sticlă se depune un strat absorbant selectiv de culoare închisă, eliminându-se astfel necesitatea utilizării unei plăci absorbante. Capătul tubului termic aflat în afara tubului vidat are rolul de condensator şi se află în contact termic (schimbător de căldură) cu apa sau cu agentul termic din circuitul panoului. Substanţa în stare de vapori se ridică spre acest capăt, unde condensează în contact cu suprafaţa mai rece, cedând căldura apei sau lichidului antigel din circuitul închis al panoului. Acest mod de funcţionare poate fi observat în figura 1.39. Deteriorarea unui tub nu întrerupe funcţionarea sistemului, ci îi afectează doar capacitatea de încălzire. Deşi este o soluţie mai costisitoare, randamentul este superior celorlalte variante constructive, temperaturile realizate putând depaşi 180°C în interiorul tubului termic. În raport cu panourile plane, tuburile vidate au o eficienţă uşor redusă în condiţii perfect însorite, însă sunt mai eficiente în perioadele reci şi foarte reci, precum şi pe vreme înnorată. Pe parcursul unui an, performanţa colectoarelor cu tuburi vidate poate fi de până la două ori mai mare decât în cazul panourilor plane, la aceeaşi suprafaţă de expunere la radiaţia solară.

1.8.3. Concentratoare solare.

Colectoarele cu concentrarea radiaţiei solare utilizează oglinzi cu suprafaţa curbată pentru a concentra radiaţia asupra unui receptor prin care circulă apa sau aerul care trebuie încălzite. Cele mai răspândite sunt colectoarele parabolice şi cele de tip Fresnel. În funcţie de forma utilizată, în continuare se prezintă pe scurt câteva caracteristici şi performanţe ale acestor tipuri de concentratoare.

Concentratorul cu jgheab reflector parabolic concentrează fluxul de radiaţie solară asupra unui receptor liniar (tub absorbant) amplasat în linia focală. Coeficientul de concentrare C se poate afla în intervalul [70, 100] iar temperaturile realizate sunt cuprinse între 65 şi 300°C. Ca receptor se utilizează un sistem de două tuburi, unul în interiorul celuilalt. Suprafaţa tubului metalic interior, prin care curge agentul termic, este acoperită cu o peliculă absorbantă selectivă. Tubul exterior este confecţionat din sticlă borosilicat, acoperită cu un strat antireflectorizant. Spaţiul dintre tuburi este vidat în vederea reducerii pierderilor de căldură prin convecţie. În general, dispun de sisteme automate, care le rotesc în jurul axei soarelui pe parcursul întregii zile pentru o eficienţă maximă. Concentratorul parabolic compus păstrează performanţele jgheabului reflector parabolic, dar nu impune necesitatea urmăririi traiectoriei soarelui pe parcursul zilei, deşi varianta mobilă conferă performanţe uşor superioare. Se simplifică astfel construcţia instalaţiei suport, însă realizarea reflectorului este mult mai complexă. Profilul acestuia reprezintă intersectia a două parabole care au liniile focale coincidente. Dacă funcţionează în regim staţionar, coeficientul de concentrare C se poate afla în intervalul [1, 5], iar temperaturile realizate pot atinge 240°C. În regim mobil, de orientare automată, temperaturile pot atinge valoarea de 300°C.

1.8.4. Bilanțul energetic al colectorului solar termic.

Bilanțul energetic reprezintă analiza fluxurilor de energie care intră și ies din colectorul solar. Energia totală primită de colector provine din radiația solară incidentă pe suprafața acestuia. O parte din această energie este absorbită de suprafața absorbantă și transformată în căldură, iar restul este reflectat sau pierdut. Energia absorbită este transferată agentului termic care circulă prin colector. În același timp, apar pierderi de energie către mediul exterior prin: convecție – transfer de căldură către aerul înconjurător; radiație – emisie de radiație termică către exterior; conducție – pierderi prin materialele colectorului. Bilanțul energetic al colectorului se poate exprima prin relația: energia utilă = energia solară absorbită – pierderile termice. Astfel, cantitatea de energie termică utilă depinde de intensitatea radiației solare, de suprafața colectorului, de proprietățile materialelor și de condițiile de mediu.

1.8.5. Randamentul colectoarelor solare termice.

Randamentul colectorului solar termic reprezintă raportul dintre energia termică utilă obținută și energia solară totală incidentă pe suprafața colectorului. Acesta indică eficiența cu care colectorul transformă energia solară în căldură utilizabilă. Relația generală a randamentului este: η = energia utilă / energia solară incidentă.

Randamentul colectorului depinde de mai mulți factori: intensitatea radiației solare; temperatura agentului termic; temperatura mediului ambiant; tipul și calitatea colectorului; gradul de izolare termică; unghiul de înclinare și orientarea colectorului. În condiții optime, colectoarele solare plane pot avea un randament de 50-70%, iar colectoarele cu tuburi vidate pot depăși 70-80% datorită pierderilor reduse de căldură.

1.8.6. Caracteristica randamentului în funcție de temperatură.

Randamentul colectorului solar scade pe măsură ce crește diferența dintre temperatura agentului termic și temperatura mediului ambiant. Cu cât colectorul funcționează la temperaturi mai ridicate, cu atât pierderile de căldură sunt mai mari și randamentul scade. De aceea, colectoarele sunt mai eficiente atunci când sunt utilizate pentru aplicații cu temperaturi moderate, cum ar fi prepararea apei calde menajere sau încălzirea piscinelor.

Factori care influențează performanța colectorului solar.

Performanța energetică a colectorului solar este influențată de: orientarea și înclinarea față de soare; condițiile climatice și radiația solară;

calitatea materialelor absorbante; nivelul de izolație termică; întreținerea și curățarea suprafeței colectorului; viteza de circulație a agentului termic. Optimizarea acestor factori conduce la creșterea randamentului și la utilizarea eficientă a energiei solare.

Importanța analizei bilanțului energetic și a randamentului.

Analiza bilanțului energetic și a randamentului colectoarelor solare termice permite evaluarea performanței sistemelor și optimizarea funcționării acestora. Aceasta contribuie la proiectarea eficientă a instalațiilor solare și la reducerea pierderilor energetice. Colectoarele solare termice reprezintă o soluție eficientă pentru producerea energiei termice din surse regenerabile. Prin înțelegerea bilanțului energetic și a randamentului, se poate asigura exploatarea optimă a acestor sisteme și integrarea lor în sistemele energetice moderne.