Panouri solare 

Istoric panouri solare

Ideea utilizarii efectului termic al radiatiei solare este veche. Inca din antichitate Arhimede a incendiat flota romana concentrand razele solare cu ajutorul oglinzilor (legenda?).In secolul al XVIII-lea naturalistul Horace-Bénédict de Saussure a construit precursorul Panoului solar de azi, o cutie simpla de lemn, cu interiorul vopsit in negru si acoperita cu sticla. Cu acest prim Panou solar s-a atins o temperatura de 87 °C.La mijlocul secolului al XIX-lea francezul Augustin Mouchot a dezvoltat Panoul lui Saussure adaugandu-i oglinzi concave, iar in anul 1878 la expozitia mondiala din Paris a expus o masina cu aburactionata cu energie solara si a facut propunere utilizarii acesteia pentru generarea de electricitate.

Principiu de functionare ale panourilor solare

Din punct de vedere functional, componenta principala a Panoului solar este elementul absorbant care transforma energia razelor solare in energie termica si o cedeaza unui agent termic (apa,antigel). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluata de la Panou si este fie stocata, fie utilizata direct (ex. apa calda de consum).Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o izolare termica a elementului absorbant de mediul inconjurator. In functie de tehnica utilizata in acest scop se deosebesc:

• §colectoare ce utilizeaza materiale izolatoare obisnuite;

• §colectoare in care izolarea termica se realizeaza cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricatie costisitoare;

• §colectoare ce se bazeaza pe tehnici simple si care se utilizeaza la incalzirea bazinelor de inot.

Mod de constructie a panourilor solare

PANOURI SOLARE PLATE

panou solar.
In principiu, un Panou solar are o carcasa metalica de forma dreptunghiulara in care se afla montate celelalte elemente. Printr-un geam de sticla, razele solare cad pe o suprafata care absoarbe aproape intregul domeniu spectral al acestora. Energia calorica rezultata nu se pierde, Panoul fiind izolat termic in toate partile. Caldura de convectie spre exterior este limitata de unul sau mai multe geamuri. La colectoarele cu vacuum, aceasta este aproape in intregime eliminata. Caldura de radiatie, datorata temperaturii proprii, este de asemenea impiedicata de geamul de sticla care este opac pentru lungimile de unda mai mari. Aceasta caldura este retinuta in interiorul Panoului, echilibrul termic conducand la o temperatura mai inalta decat in situatia fara geam. Acest efect este cunoscut sub numele de efect de sera. La colectoarele solare moderne se utilizeaza sticla speciala, cu un continut cat mai mic posibil de fier si cu o rezistenta marita la grindina si incarcare cu zapada.Elementul absorbant, mai ales la colectoarele cu vid, poate prezenta o selectivitate fata de lungimea de unda, astfel incat, pe de o parte, sa absoarba o gama cat mai larga de radiatie solara si, pe de alta parte, sa aiba o emisie cat mai redusa in domeniul de infrarosu apropiat, pentru a reduce emisia de calduraElementul absorbant cedeaza caldura agentului termic ce curge prin conductele de cupru sau aluminiu atasate acestuia. Agentul termic transporta energia calorica la utilizator sau la un recipient de stocare. Unele instalatii solare au circuitul agentului termic deschis, ceea ce inseamna ca prin conductele Panoului circula chiar apa necesara utilizatorului, cum este cazul in principal al instalatiilor functionand pe principiul termosifonului. In regiunile cu pericol de inghet mai mare, se apeleaza totusi de regula la circuite separate. Circuitul primar, cel al Panoului contine un lichid rezistent la inghet (antigel). Din circuitul primar caldura este transferata prin intermediul unui schimbator de caldura apei din circuitul secundar, cel al utilizatorului.

PANOURI SOLARE CU TUBURI VIDATE

Panou solar cu tuburi vidate.

Detaliu panou solar cu tuburi vidate.
O constructie speciala prezinta colectoarele solare cu tuburi vidate. Ele se compun din tuburi paralele in spatele carora se afla reflectoare pentru concentrarea radiatiei solare. Tuburile vidate se compun din doua tuburi de sticla concentrice intre care este vid. Tubul din interior este inconjurat de o suprafata absorbanta de care este atasat un tub de cupru prin care circula un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de caldura prin convectie si conductie, permitand obtinerea de performante superioare (randament si temperaturi mai mari). Datorita temperaturilor mai mari instalatia de incalzire poate necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraincalzirii. Astfel de colectoare sunt mai eficiente in zonele cu temperatura moderata, utilizarea lor in zone calde justificandu-se doar in instalatii tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari. Un alt avantaj il reprezinta faptul ca suprafata absorbanta fiind mereu perpendiculara pe directia razelor solare, energia absorbita este aproape constanta in cursul zilei. Tehnologia utilizata la fabricarea acestui tip de Panou este asemanatoare celei de la centralele termice cu jgheaburi parabolice.

Elementul absorbant al panourilor solare

Elementul absorbant trebuie sa capteze cat mai bine radiatia solara, atat cea directa cat si cea difuza, si sa o transforme in caldura. In acelasi timp caldura cedata sub forma de radiatie sa fie cat se poate de mica. In termeni tehnici aceasta inseamna ca trebuie sa se comporte selectiv fata de lungimile de unda corespunzatoare celor doua procese.In tarile cu clima mai calda se intrebuinteaza adeseori componente acoperite doar cu asa numitele lacuri solare. Aceste lacuri sunt foarte rezistente la caldura si de regula sunt de culoare neagra pentru a avea gradul de absorbtie cel mai mare posibil pentru radiatia solara. In acelasi timp aceste lacuri au un nivel destul de inalt de emisie in zona de mijloc a radiatiei infrarosii – ca urmare o parte a caldurii captate va fi emisa din nou.Pentru a reduce la minimum pierderile de energie, se va acoperi partea absorbanta cu un strat foarte selectiv. Astfel se pot obtine coeficienti de absorbtie de 94 % in banda de 0,4 ... 0,8 µm lungime de unda si coeficienti de emisie de 6 % pentru lungimea de unda de 7,5 µm corespunzatoare radiatiei proprii a materialului absorbant.Una din primele acoperiri cu materiale cu absorbtie selectiva, utilizabila in productia in serie, a fost acoperirea cu crom. Acesta se aplica pe suprafetele de aluminiu sau cupru prin galvanizare. Pe suprafata metalului apar firicele de crom care capteaza intre ele razele de lumina, dar datorita marimii lor reduse nu permit emiterea de lungimi de unda mai mari. O modalitate elaborata dar care insa nu a mai fost pusa in fabricatie a avut ca baza acoperirea cu nichel.Pana prin anul 1977 procedeul de cromare era dominant pe piata. Intre timp au aparut noi modalitati de acoperire cu strat absorbant care permit obtinerea de randamente mai mari pe de o parte, si prin renuntarea la procesele galvanice sunt mai ecologice din punct de vedere al productiei si reciclarii pe de alta parte.Actualmente cel mai extins procedeu este cel de depunere in atmosfera de gaz inert a unui strat de titan de culoare albastra (procedeul PVD), care cu toate ca in comparatie cu negrul din cazul acoperirii cu crom are un coeficient de absorbtie mai mic, prezinta o emisie mult mai slaba si ca atare un randament total mai mare. Primele acoperiri de acest tip s-au elaborat in Germania si au fost lansate pe piata de catre TiNOX GmbH^[2]. Teoretic se pot obtine si alte culori ale stratului de acoperire, care insa nu au acelasi randament.O alta tehnologie a fost elaborata in anii 90 de catre firma Interpane  care creeaza o structura de ceramica – metal (probabil tot pe baza de titan) care straluceste intr-un ton de negru-albastrui.Cele doua procedee de acoperire, pana mai recent, erau posibile doar pe suprafete de cupru, pentru aluminiu tehnici corespunzatoare au aparut doar de putin timp pe piata. Chiar si in acest caz pentru transportul caldurii cu ajutorul agentului termic se utilizeaza conducte de cupru care se racordeaza prin sudare laser cu partea absorbanta.Pe langa materialul de acoperire utilizat, producatorii se disting si prin forma de realizare a partii absorbante. Frecvente sunt solutiile ce utilizeaza o placa metalica ce acopera toata suprafata interioara a Panoului. In acest caz conducta este sudata/lipita in forma de harfa sau serpentina pe spatele placii. Pe langa aceasta exista constructii pe baza de benzi de cca 10-15cm latime pe reversul carora se afla cate o conducta sudata. Benzile mai apoi sunt racordate prin sudura la cele doua capete la o conducta colectoare. O a treia forma este asemanatoare unei perne, pe spatele placii absorbante fiind sudata o a doua placa, formata prin stantare. Agentul termic circula printre cele doua placi. In principiu prima varianta de realizare prezinta eficienta cea mai mare. Dar pentru ca producatorii, la inceput au putut utiliza noile procedee de obtinere a straturilor foarte selective doar in cazul placilor de cupru cu dimensiuni limitate, mai ales in cazul modelelor mai vechi a fost posibila utilizarea doar a benzilor. Intre timp noile tehnologii permit fabricarea de placi de pana la 1200 mm latime, ceea ce asigura o mai mare flexibilitate in variantele de fabricatie. In schimb utilizarea benzilor pe de o parte face posibila doar asamblarea in forma de harfa, pe de alta parte permite adaptarea mai usoara la forma acoperisurilor (colectoare cu dimensiuni la cerere).

Utilizari ale panourilor solare

Principiul termosifon.Schema simplificata de prepararea apei calde menajere cu panou solar 1. Panou solar; 2. Comanda; 3. Pompa; 4. Vas de presiune; 5. Rezervor de apa; 6. Sursa de caldura complementara)

Panoul solar este componenta principala a unei instalatii termice solare si pana in anul 2002 a fost utilizat indeosebi pentru prepararea de apa calda, iar recent isi gaseste aplicare si in furnizarea energiei necesare incalzirii cladirilor. Daca este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura incalzirea cladirii numai cu energie solara.Vehicularea energiei termice intre Panoul solar si locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fara utilizarea unei surse de energie externa. In primul caz avem de-a face cu sisteme ce utilizeaza pompe actionate electric, sisteme de reglare automata etc., in al doilea caz se utilizeaza principiul termosifon bazat pe diferenta de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa calda se ridica in sus, pe cand cea rece coboara. Altfel decat la incalzire centrala functionand pe acelasi principiu, in acest caz rezervorul trebuie sa se gaseasca deasupra Panoului solar. Adesea Panoul solar si rezervorul constituie un bloc comun.Cele mai cunoscute si frecvente utilizari ale colectoarelor solare este in prepararea apei calde menajere. La montare corespunzatoare a colectoarelor si a rezervorului, in Europa Centrala se poate asigura apa necesara pentru spalat si baie pe intreg pe o perioada de cca. o jumatate de an (sezonul de vara). Teoretic se poate asigura caldura necesara consumului casnic pe parcursul intregului an, dar in acest caz este nevoie de o suprafata mai mare acoperita cu colectoare, rezultand un exces de apa calda pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investitiei semnificativ mai mari va fi redus si nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, pacura, lemn etc.) sau electricitate devenind nerentabil. Colectoare dimensionate economic, pot inlocui sau completa sursele de energie termica intr-un procent suficient de mare contributia la prepararea apei calde variind intre 30 % si 100 % raportat la un an intreg.Primele suprafete mari acoperite cu colectoare solare au aparut dupa criza petroliera din anii 70 fiind utilizate la incalzirea apei din bazinele de inot publice si private. Instalarea de colectoare solare a primit un impuls suplimentar in Germania datorita sprijinului guvernamental federal si celui al landurilor. Chiar si procese industriale utilizeaza energia termica solara. Un exemplu in acest sens il prezinta incalzirea biomasei in procesul de preparare al biogazului.Daca instalatiile cu colectoare solare se racordeaza si la instalatiile de incalzire, se poate contribui si la reducerea costului cu incalzirea cu pana la cateva zeci de procente. In cazul unei exigente mai mari la intregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezoniera a caldurii ceea ce va permite acumularea de suficienta energie calorica pentru a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de caldura, in cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficienta de apa sau pietris (cca. 20 t) din mijlocul cladirii sau subsolul acesteia.Amortizarea unei instalatii solare pentru producerea apei calde este posibila in cca. 8 ani in conditiile unei constructii optime, a unei utilizari rationale si a existentei unui sprijin din partea statului la tendintele actuale de pe piata combustibililor fosili. Producatorii livreaza colectoare solare cu o durata de viata previzibila de cca. 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar daca instalatia a fost necorespunzator proiectata, respective utilizata.Pentru a dispune de apa calda suficienta si in zilele ploioase colectoarelor solare li se ataseaza din constructie un rezervor special de apa calda cu schimbator de caldura care in functie de numarul de membri de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru cladirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorita marimii au o utilizare aproape continua, putand avea un termen de amortizare mai redus, se construiesc rezervoare de stocare a caldurii industriale dimensionate corespunzator consumului. In rezervoarele obisnuite, circuitul primar al Panoului incalzeste doar jumatatea de jos a acestuia, apa calda ridicandu-se datorita convectiei si temperatura ajungand pana la valoarea admisa de 95 °C.

Considerente economice ale panourilor solare

Panouri solare pentru prepararea apei calde la un hotel din Mallorca.

Panouri solare pentru incalzirea apei unui bazin de inot.

•  

•  

•  

• §Colectoarele solare transforma energia radiatiei solare in caldura atunci cand aceasta cade pe suprafata de absorbtie

• §Pentru a obtine o temperatura de 40-60 °Cin rezervor, este necesar ca in Panou sa se atinga cel putin 65 °C. Daca Panoul solar este montat in circuit doar pentru a preincalzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatura pot fi mai mici.

• §Izolarea termica impiedica schimbul de caldura intre doua medii.

• §Scopul si locul instalarii sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficientei in exploatare si ca urmare al economicitatii instalatiei.

Cele de mai sus au o greutate considerabila in analiza economicitatii utilizarii colectoarelor solare unde intrebarea de baza se refera la recuperarea investitiei. Tendinta este de a utiliza capacitatea colectoarelor la maximum fara perioade de mers in gol.