Anul IV, FSA

Curs 5, 2014

Cap. 7 Componente şi sisteme fotovoltaice

.

Componente şi sisteme fotovoltaice avansate

7.1 Componente fotovoltaice7.1.1 Module şi panouri fotovoltaice7.1.2 Componente BOS (invertoare, regulatoare, baterii de stocare) 7.2. Sisteme fotovoltaice (PV)7.2.1 Sisteme PV autonome 7.2.2 Sisteme PV legate la reţea

Un sistem fotovoltaic (PV) este constituit din următoarele componente principale:

– modulele fotovoltaice– invertorul– regulatorul de sarcină– bateriile de stocare – consumatorii electrici

Schema bloc sistem PV

Module PV

Controler//regulator

Invertorc.c./c.a.

Consumatori220V;50 Hz

Baterii

7.1 Componente fotovoltaice 7.1.1 Module şi panouri fotovoltaice

Modulele solare (PV) convertesc lumina soarelui în electricitate. Ele nu au părţi în mişcare şi sunt de aceea sigure şi necesită puţină întreţinere. Modulele fotovoltaice pot fi exploatate cel putin 20 de ani. Ele necesită puţin spaţiu, se pot integra perfect în peisajul arhitectonic şi nu crează noxe.

Modulele fotovoltaice sunt realizate din Celule Solare, legate între ele în serie şi/sau paralel. Tipurile uzuale de celule solare sunt cele monocristaline, multi-cristaline, sau amorfe.

Modulele fotovoltaice au puteri variind de la 2 Wp la 300 Wp. Cele mai utilizate module sunt cele de la 60Wp la 80Wp.

Amplasamente/poziţionarea. Orientarea

Modulele solare PV produc energie mai multă atunci când sunt orientate direct către soare. Este important ca acestea să fie poziţionate astfel încât să capteze cât mai multă lumină solară. Ideal modulele ar trebui să fie expuse razelor solare de la 9 dimineaţa până la 3 după-amiaza în mijlocul iernii.

Diagrama pentru latitudinea de 45 grade N ilustrează efectul orientării şi altitudinii asupra energiei produse de modul, exprimat ca procent din energia posibilă maximă. Se observă că o gamă largă de altitudini şi unghiuri de orientare vor furniza suficientă energie electrică.

Pentru sistemele PV autonome, în care operarea pe timpul iernii este crucială, unghiul de înclinare ar trebui să fie latitudinea plus 10 grade.

b. Umbrirea unei celule dintr-un modul PV este similară cu deschiderea unui întrerupător dintr-un circuit şi oprirea curgerii curentului. Aceasta duce la o pierdere de energie pentru mai multe celule, nu doar pentru cea care este umbrită. Umbrirea parţială poate produce "zone fierbinţi" care pot deteriora modulul.

c. Modulele PV standard sunt livrate împreună cu cutiile de conexiuni aşezate pe partea din spate, iar la cerere modulele sunt dotate acum şi cu 1 metru de cablu de legatură şi fişe/ prize pentru o instalare mai uşoară.

Diodele de şuntare sunt furnizate în cadrul cutiilor de conexiuni în cazul modulelor mono- şi poli- cristaline. Aceste diode de şuntare permit trecerea curentului în cazurile în care celulele sunt umbrite, diminuând astfel posibilitatea de deteriorare a celulelor din cauza umbririi.

Module PV integrate în clădiri (BIPV) Integrarea reală a modulelor în clădiri înseamnă că modulul PV să fie înglobat

complet în ea, sau să înlocuiască un element arhitectonic existent al clădirii. Instalaţiile PV presupun astfel cheltuieli suplimentare considerabile, dar dacă instalaţia este făcută corespunzător, o construcţie BIPV va adauga o valoare considerabilă construcţiei.

Au apărut diferite produse BIPV care necesită puţine instrucţiuniadiţionale la instalare, în afara practicilor standard din construcţii. Produsele BIPV se întâlnesc curentpe piaţa din UE. Elemente PV pot fiintegrate în acoperişuri, faţade, ferestre rabatante sau marchize. Sistemele de faţadă sunt recomandate în Europa cu toate că cantitatea de energieprodusă este moderată datorită latitudinii.

Integrarea modulelor PV în acoperişuri

Sistemele PV integrate folosesc structuri de montare speciale pentru a susţine celulele, dar necesită un strat impermeabil adiţional.

Sistem de echilibru (BOS)Un sistem fotovoltaic complet include trei subsisteme:

- pe o parte, dispozitivele PV (module, panouri, etc.) care transforma lumina solară în electricitate cc,

- pe de altă parte, sarcina, aplicaţia pentru care este proiectat sistemul PV - şi între acestea un al treilea subsistem, format din echipamente care

permit ca energia electrică provenită de la fotovoltaice să poată fi folosită de către consumator - sistem de echilibru (BOS - Balance of System).

Un sistem fotovoltaic complet

7.2.1 Componente BOS (baterii de stocare, regulatoare, invertoare s.a.)

SISTEME DE STOCARE A ENERGIEIExista motive pentru care este necesară stocarea de energie:

• Creşterea necesarului de energie în caz de supraproducţie,• Generare rapidă în caz de cerere de vârf bruscă,• Optimizarea utilizării surselor regenerabile primare,• Crearea unei axiome privind echilibrarea energiei locale.

Schema bloc a sistemului de stocare a energiei

A. Stocarea electrochimică. Acumulatoarele electrochimice sunt convertizoare reversibile de energie, ele fiind acumulatoare cu stocare internă (baterii chimice).

Bateriile chimice aparţin de grupul acumulatoarelor cu stocare internă. Principiul de operare este asemănător la toate bateriile. O baterie constă în mai mulţi elemenţi legaţi în serie. Elemenţii sunt compuşi din doi electrozi conţinând materialul activ, care sunt scufundaţi in electrolit.

- Acumulatoarele cu plăci de plumb şi acid sulfuric sunt utilizate comercial de mai mult de 100 de ani pentru stocarea energiei electrice, având cea mai largă utilizare.

Schema constructivă a unei celule de acumulator cu plăci de plumb-acid

Bateriile cu plumb-acid în stare de încărcare constau dintr-un electrod pozitiv cu bioxid de plumb (PbO2) şi un electrod negativ cu plumb (Pb) drept materiale active Drept electrolit se utilizează acid sulfuric (H2SO4).

Deşi nu sunt scumpe, totuşi ele sunt foarte grele şi au o energie utilizabilă limitată în funcţie de greutate (energia specifică). Bateriile cu plumb-acid nu trebuie să fie descarcate sub 80% din capacitatea lor nominală sau adâncimea de descarcare (DoD).

Iată reacţia tipică la o baterie cu plumb-acid:

Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4 → 2PbSO4 + 2H2O

B. Sisteme de stocare cu hidrogen Toate tehnologiile de stocare a energiei electrice cu hidrogen constau

din trei elemente: un sistem primar de conversie a hidrogenului (electroliză), un sistem de stocare a hidrogenului şi un sistem de

conversie a hidrogenului în electricitate.

C. Stocare electricăPentru stocarea electricitatii folosind

echipamentele electrice, cele mai cunoscute dispozitive sunt ultracondensatoarele.Ultracondensatorul (“supercondensator”) este un dispozitiv nou de stocare a energiei al cărui principiu de operare este asemanator cu cel al condensatorului tradiţional, dar a cărui capacitate şi curent de descărcare sunt de departe mult mai mari. :

REGULATOARE DE INCĂRCAREPrincipalele tipuri de regulatoare de încărcare

Se pot distinge câteva tipuri principale de regulatoare de încărcare pentru sistemele PV:

- Regulatoare seriale: Prin utilizarea unui astfel de regulator, ilustrat mai jos, conexiunea dintre un generator solar şi o unitate de stocare a energiei este întreruptă atunci când limita de încărcare este atinsă. Se pot folosi pentru deconectare atât relee cât şi tranzistoare bipolare sau MOSFET. Principiul de reglare serială provine din tehnologia clasică de încărcare şi este utilizată şi în dispozitivele de încărcare conectate la reţea. Dezavantajul acestui principiu provine din pierderile apărute la comutatoare.

Regulator de încărcare cu reglare serială

Regulatoare shunt (scurt circuit):Atunci când se valorifică proprietăţile specifice ale celulelor

solare, se poate aplica un principiu de reglare care să evitedezavantajele reglării seriale. Astfel, în circuitul ilustrat în figură,generatorul solar este pur si simplu scurt-circuitat printr-uncomutator electronic, atunci când bateria este complet încărcată.Tensiunea pe comutator sau tranzistor cade atunci spre zero.Totusi, această pierdere nu afectează balanţa energetică asistemului fotovoltaic, deoarece apare doar atunci când bateriaeste încărcată complet şi energia solară nu mai este necesară.

Regulator de încărcare cu reglare în scurt circuit (principiul şuntului)

- Regulatoare PWM:

Aceste regulatoare utilizează o tehnică de comutare de mare frecvenţă. Regulatorul comută rapid (deschis/închis) dispozitivul de control. Când bateriile sunt descărcate atunci unitatea este pornită complet. Pe măsura ce bateria se aproprie de starea de încărcare completă, unitatea va începe să pornească şi să oprească dispozitivul de control în proporţie cu nivelul de încărcare necesar. Când bateria este complet încărcată, curentul către baterie va fi zero.

La sistemele solare, tehnica PWM este folosită în serie cu modulele fotovoltaice. Aceasta sarcină este de obicei un element de încălzire, care „disipă” excesul de energie prin căldură.

CONVERTOARE DE PUTERE

1. InvertoareleInvertoarele sunt dispozitive care transformă energia c.c., produsă de sistemul

fotovoltaic (PV) sau provenită de la bateriile de stocare, în energie c.a., care poate alimenta sarcina unora sau tuturor consumatorilor. Majoritatea invertoarelor fabricate în UE acceptă la intrare 12, 24, 32, sau 48V c.c, produc la ieşire 220-V, 50 Hz c.a. şi au puteri între 50W şi 5.000 W. Calitatea curentului alternativ (forma de undă, frecvenţa şi tensiunea) pe care îl produce invertorul, determina tipul de aparate şi echipamente pe care le poate alimenta.

2. RedresoareleRedresoarele transformă energia c.a. în energie c.c., ele fiind dispozitive care

utilizează diode, ce sunt de tehnologie jonctiune p-n. Sunt folosite pentru a bloca într-o direcţie şi a conduce în cealaltă, cu diferite opţiuni de procesare pentru optimizarea cerinţelor parametrice ale diferitelor aplicaţii.

3. Circuite de conversie c.c.- c.c.4. Convertizoare rotative

Pierderile de energie ale sistemelor PVA. Pierderile în procesul de generare a energiei

Surse tipice de pierderi într-un sistem fotovoltaic:• Orientare sau unghi de înclinare greşit,• Umbrire sau praf pe module,• Module care nu pot opera la punctul de putere maximă (PPM)

O alta modalitate de maximizare a puterii de ieşire a reţelei fotovoltaice este folosirea unui aparat de comandă inteligent cu urmărirea PPM. Acest echipament va conţine un convertor cc-cc. Acesta va transforma tensiunea reţelei fotovoltaice în tensiunea acumulatorului şi se va asigura că reţeaua fotovoltaică va opera întotdeauna la PPM.

B. Pierderi în procesul de conversieC. Pierderile în procesul de stocareD. Pierderile instalaţiei electrice (totalitatea cablurilor)E. Pierderile in procesul de transmisie şi distribuţie:F. Pierderile sistemului datorita energiei neutilizate

7.2 SISTEME FOTOVOLTAICE– 7.2.1 Sisteme fotovoltaice (PV) autonome– 7.2.2 Sisteme fotovoltaice (PV) legate la reţea

Sistemele PV autonome sunt sisteme independente, departe de reţeaua de electricitate, care sunt legate la o sursă sigură de energie.Sistemele PV legate la reţea sunt sisteme fotovoltaice care pot primi sau livra energie la reţeaua de energie electrică locală.

7.2.1 Sisteme fotovoltaice (PV) autonome

Structura unui sistem fotovoltaic

autonom 1- panourile fotovoltaice, 2- regulatorul de încărcare, 3- baterii electrice, 4- invertorul,

5- consumatori electrici

Sistem PV autonom studiat: Sistem fotovoltaic - amplasat la Universitatea „Dunarea de Jos” Galaţi

Sistemul PV este conceput din două grupuri de module PV:- panoul 2PV1 compus din 2 module PV (celule PV cu siliciu policristalin) legate în serie (12V c.c., 135 Wp fiecare); ansamblul fiind fix şi înclinat faţă de orizontală sub un unghi de 45°- panoul 2PV2 ce are în componenţă 2 module PV (12V c.c., 120Wp fiecare) cu celule PV cu siliciu monocristalin; ansamblul fiind un panou orientabil automat după axa E-V (Passive Solar Tracker – tip ETATRACK 360)

este acţionat de un servomotor pas cu pas, alimentat la rândul său tot de un modul fotovoltaic de putere mică.

Ansamblu PV fix – module PV Ansamblu PV auto-orientabil cu cu siliciu policristalin module PV cu siliciu monocristalin

Parametrii principali măsuraţi:• Intensitatea radiaţiei solare în planul modulelor de pe panoul autoorientabil (W/m²) • Intensitatea radiaţiei solare în planul modulelor, montate pe panoul fix (45º) (W/m²)• Intensitatea curentului din module PV- ansamblu auto-orientabil (A)• Tensiunea modulelor PV – ansamblu auto-orientabil (V) • Intensitatea curentului din modulele PV- panou fix (A)• Tensiunea modulelor PV-panou fix, celule cu Si policristalin (V)• Intensitatea curentului din module PV – sistem pompare apa (A)• Tensiunea modulelor PV- sistem pompare apa (V)• Temperatura de pe module

Parametrii calculaţi:• Energia solară în planul modulelor PV panou auto-orientabil(kWh/m²/zi)• Energia solară în planul modulelor PV panou fix (kWh/m²/zi )• Puterea disponibilă de la modulele PV panou auto-orientabil (kW)• Puterea disponibilă de la modulele PV panou fix (kW)• Energia electrică reală ansamblu model 2PV experimental (kWh/zi)• Energia electrică maxim disponibilă- ansamblu model 2PV experimental (kWh/zi)• Factor utilizare putere pentru ansamblu 1 PV model exp.(%): (Puterea reală calculată /

Puterea maxim disponibilă/capabilă - calculată)• Factor de utilizare energie ansamblu 2 PV model exp.(Energia electrică reală calculată /

Energia electrică maxim disponibilă/capabilă- calculată)

Analiză rezultate şi evaluare performanţeDin analiza graficelor se pot face câteva evaluari sintetice şi anume:

• pe parcursul întregii periode considerate, radiaţia solară a avut valori între 30W/m² - 780W/m², cu aproximativ 20% mai puţin faţă de condiţiile standard de testare a modulelor (radiaţia 1000 W/m², temperatura 25ºC şi spectrul masei de aer AM 1,5);

• curentul măsurat pe module a avut aceeaşi evolutie ca şi radiaţia solară;• atât pentru parametrii măsuraţi cât şi pentru parametrii calculaţi se poate

urmari în paralel evoluţia acestora• curentul pe module, puterea modulelor şi implicit energia furnizată de

acestea au urmarit direct proportional variatia radiatiei solare • parametrii măsuraţi şi cei calculaţi pe cele două grupe de module PV au fost

aproximativ aceeaşi, cu toate că din literatura de specialitate se ştie cărandamentul modulelor cu Si monocrstalin este sensibil mai ridicat (18%) faţă de cel al modulelor cu celule pe baza de Si policristalin. Aceastădiferenţă a fost compensată de sistemul automat de urmarire a soarelui pe care sunt montate modulele cu Si policristalin.

Radiatie solara pe module - 12-17.09.2007

0,0000

100,0000

200,0000

300,0000

400,0000

500,0000

600,0000

700,0000

800,0000

12.09

.2007

13.09

.2007

14.09

.2007

15.09

.2007

16.09

.2007

17.09

.2007

Ziua

Radi

atia

sol

ara

(W/m

2)

RS1RS2

Radiaţie solară pe module– 12-17.09.2009

Energia solara pe module - 12-17.09.2007

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

4,0000

5,0000

6,0000

7,0000

8,0000

9,0000

12.09

.2007

13.09

.2007

14.09

.2007

15.09

.2007

16.09

.2007

17.09

.2007

Ziua

Ener

gie

sola

ra (k

Wh/

m2)

ESO1ESO1

Energia solară pe module– 12-17.09.2009

Temperatura pe module - 12-17.09.2007

18,9194

16,4627

21,8880 22,0437

19,7799

22,9045

0,0000

5,0000

10,0000

15,0000

20,0000

25,0000

12.09.2007 13.09.2007 14.09.2007 15.09.2007 16.09.2007 17.09.2007

Ziua

Tem

pera

tura

(gra

de C

elsi

us)

TM

Temperatura pe module – 1 2-17.09.2009

Curentii pe module - 12-17.09.2007

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

4,0000

5,0000

6,0000

12.09.2007 13.09.2007 14.09.2007 15.09.2007 16.09.2007 17.09.2007

Ziua

Cure

nt (A

)

IPV1IPV2

Curenţii pe module – 12-17.09.2009

Tensiunea pe module - 12-17.09.2007

21,800022,000022,200022,400022,600022,800023,000023,200023,400023,600023,8000

12.09

.2007

13.09

.2007

14.09

.2007

15.09

.2007

16.09

.2007

17.09

.2007

Ziua

Tens

iune

(V)

UPV1UPV2

Tensiunile pe module – 12-17.09.2009

Puterea pe module - 12-17.09.2007

0,0000

20,0000

40,0000

60,0000

80,0000

100,0000

120,0000

140,0000

12.09

.2007

13.09

.2007

14.09

.2007

15.09

.2007

16.09

.2007

17.09

.2007

Ziua

Pute

re (W

)

PPV1PPV2

Puterea pe module – 12-17.09.2009

7.2.2 Sisteme fotovoltaice PV conectate la reţea

Configuraţia unui sistem fotovoltaic conectat la reţea (1- panouri fotovoltaice PV, 2 - multiplexor panouri fotovoltaice/doza de derivaţie, 3 -invertor conectat la reţea, 4 -contor pentru măsurarea energiei electrice furnizate la reţea, obţinută de la sistemul fotovoltaic şi pentru măsurarea energiei electrice preluate de la reţea, 5 -conexiunea la reţea, 6-consumatori electrici)

Ca o estimare de bază, o matrice monocristalină de 1 kWp va produce aproximativ 1500 kWh de energie electrică pe an, necesitând un spaţiu de 9 m2. Un sistem amorf va necesita mai mult spaţiu. Dimensionarea sistemului nu este totuşi critică deoarece reţeaua este folosită ca back-up atunci când puterea sistemului este insuficientă pentru a acoperi nevoile consumatorului respectiv.

Cum mărimea puterii de vârf a sistemului este determinată de mărimea invertorului, poate fi utilă instalarea unui invertor mai mare. Această capacitate în exces ne permite să adăugăm mai târziu module adiţionale. Mărimea invertorului este dependentă de bugetul disponibil al consumatorului.

Sistemele conectate la reţea nu au baterii de stocare şi nu dau garanţia unei alimentări continue cu curent electric. Dacă reţeaua cade, invertorul va întrerupe funcţionarea din motive de siguranţă şi energia electrică nu va fi disponibilă.

Probleme ale dimensionării unui sistem PV conectat la reţea• Arhitectura panourilor sistemelor PV conectate la reţea trebuie considerată

concomitent cu caracteristicile de c.c ale invertorului incluzând curentul de intrare maxim, tensiunea nominală şi tensiunea de intrare minimă precum şi puterea maximă.

• Procedura de dimensionare a sistemelor PV conectate la reţea, are în vedere că energia Eca produsă de sistemul fotovoltaic într-o zi poate fi estimată folosind o relaţia: E ca=η1 P0 PSH

Dependenţa tipică a eficienţei invertorului în funcţie de puterea de ieşire

Studiul unui sistem BIPV demo legat la retea - Universitatea Politehnica din Bucureşti (UPB). Pe baza livrării efectuate în

lunile noiembrie 2007 – ianuarie 2008au fost montate atât modulele foto-Voltaice cât şi restul echipamentelor(invertor, sistem de monitorizare şi stocare a datelor) sistemului BIPV. În luna iulie 2008 a fost finalizată montarea panourilor fotovoltaice pe poziţia ferestrei din laboratorul BN 119-bisşi montat / verificat întregul sistem .

Sistemul este format din şase module PV (3 de 120Wp şi 3 module de 85Wp), un invertor şi un echipament de monitorizare şi stocare a datelor de la invertor.

Energia totală debitată în reţea perioada 28.10.2009 – 06.11.2009

Puterea maximă de ieşire a modulelor este dată în kWp, şi este măsurată în condiţii standard de testare. Tabelul de mai jos indică sarcina anuală în kWh, care poate fi satisfăcută de un sistem de 1 kWp, conectat la reţeaua naţională şi de un

sistem independent, pentru diferite medii anuale de ore de vârf solar. Valorile pentru cele două sisteme diferă datorită diferenţei de randament a

echipamentelor asociate cum ar fi invertoarele şi bateriile.

O gospodărie tipică din UE are un consum anual de energie electrică de aproape 5.000 kWh. Însă o casă cu aparatură eficientă energetic şi care foloseşte aragaz, încălzire şi apă caldă fără consum de de energie electrică, poate utiliza doar 1000 kWh pe an.

Biblografie- Laurentiu Fara, Corneliu Cincu, Mihai Razvan Mitroi, Vladimir Iancu, Catalin

Zaharia, Silvian Fara, Dumitru Finta, Mihai Iancu, Dragos Comaneci. „Fizica si tehnologia Celulelor solare si a sistemelor fotovoltaice”, Volume 3, capitolele 4-7, Editura Academiei Oamenilor de Stiinta din Romania, Bucuresti, 2009;

- Goetzberger, A., Knobloch, J., Voss, B., Crystalline Silicon Solar Cells, Wiley, London, 1998;

- IEEE 929-2000, IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Residential and Intermediate Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Standards Coordinating Committee 21, Photovoltaics, 2000;

- Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications Edited by: Tom Markvart and Luis Castafier, Elsevier Science 2003, ISBN 1856173909;

- Wiles, J.C. and King, D.L. 1997. Blocking diodes and fuses in low-voltage PV systems, Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialist Conf, Anaheim.

- Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Edited by Antonio Luque, Instituto de Energıa Solar, Universidad Politecnica de Madrid, Spain and Steven Hegedus, Institute of Energy Conversion, University of Delaware, USA

Anul IV, FSA

Curs 6, 2014

Cap.8 Sisteme termosolare

.

Sisteme termosolare

8.1. Colectori termosolari8.2. Sisteme termosolare active pentru încăzirea apei 8.3 Sisteme termosolare de încălzire pentru locuinţele unifamiliare8.4 Sisteme termosolare combinate8.5 Aplicatii termosolare8.6 Dezvoltarea pietei termosolare

8.1. Colectori termosolariA. Principiul de functionare

Caz particular:colectori solari plani

• Colectorii solari plani au rolul de a capta radiatia electromagnetica solara din domeniul vizibil, infrarosu apropiat (λ < 1,8 µm), partial din infrarosul indepartat (λ < 3 µm) si de a o transforma in radiatie din domeniul infrarosu indepartat (caldura), radiatie care este utilizata in procese de incalzire prin radiatii.

Structura unui colector solar plan

• Colectori solari plani reprezinta cele mai simple sisteme cu ajutorul carora se poate realiza absorbtia si termoconversia in scopul utilizarii energiei solare in procesele de incalzire.

h

sticla

metal

Qpu

Qpp

agent termic Structura colectorului solar plan

• Modul de functionare a unui colector solar plan poate fi rezumat in felul urmator:– Din radiatia incidenta pe colectorul solar, aproximativ 10% va

fi reflectata si absorbita de catre elementul transparent (placa de sticla sau material plastic)care realizeaza efectul de sera.

– Radiatia care patrunde spre placa absorbanta va determina incalzirea acesteia pâna la o temperatura care asigura reradiatia acesteia in domeniul infrarosu mijlociu si indepartat, radiatie pentru care elementul “transparent”devine opac.

– Placa absorbanta va incalzi fluidul caloportor care este in contact cu acesta.

– Având in vedere toate pierderile care au loc prin reflexie (≈10%), conductie(≈ 4%), convectie (≈12 %) si radiatie(≈ 8%), agentul termic va prelua aperoximativ 66% din energia radiatiei incidente pe colectorul solar plan.

B. Tehnologia colectorilor termosolariPentru construcţia colectorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, se disting: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate şicolectorii cu tuburi termice.

Construcţia colectorilor planiwww.viessmann.com

Randamentul colectorilor solari plani este data de ecuatia Hottel – Wihillier:

Randamentul colectorilor solari plani este data de ecuatia Hottel – Whillier:

Unde Fr este factorul de inlocuire al caldurii colectorului; ƬS este transmitanta suprafetei transparente αS este absorbanta suprafetei absorbanteUc- este coeficientul global de pierderi termiceTf, in este temperatura de intrare a fluidului in colectorTa este temperatura mediului ambiantIc este intensitatea radiatiei solare incidente pe colector

• Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material absorbant.

• Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conţinut scăzut de fier, pentru creşterea capacităţii de transfer a radiaţiei termice.

• Rezistenţa mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face faţă solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de grindină.

• Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea pierderilor prin convecţie, în mediul ambiant.

• Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de ridicat, dacă radiaţia solară este intensă, în condiţiile unor costuri relativ reduse ale investiţiei.

• Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecţie relativ ridicate, la diferenţe mari de temperatură între agentul termic şi mediul ambiant.

B.1 Colectori solari plani

B.2 Colectori solari cu tuburi vidate

Principiul de funcţionare al unui colector solar cu tuburi vidate

• Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, din sticlă.

• Între pereţii din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material absorbant, pentru a capta cât mai eficient radiaţia solară.

• Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcţie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită diferenţei de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

• Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbţia directă a radiaţiei solare, fără intermediul unui schimbător de căldură.

• Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăţi mecanice bune. Astfel, circulaţia apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla.

• Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuierealizată încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruşte în tuburi.

Construcţia performantă de colector solar cu tuburi vidate, în care circulaţia agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafaţa metalică absorbantă. Această construcţie, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de căldură în mediul ambiant (chiar la diferenţe mari de temperatură între acesta şi apa din tuburi), cu avantajele circulaţiei agentului termic prin elemente metalice.

Sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate la conductele de apă caldă şi rece

Schema unui colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul spargeriiaccidentale a unui tub, agentul termic din instalaţie nu se pierde, fenomen care ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl deserveşte.

B.3 Colectori solari cu tuburi termice

Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi termice

• În interiorul unui tub de sticlă cu pereţi dubli, între care se realizează vid, se montează un tub termic etanş.

• Tubul termic este încărcat cu o substanţă cevaporizează sub acţiunea radiaţiei solare.

• Vaporii astfel formaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găseşte în contact termic cu agentul termic din instalaţia solară.

• Agentul termic, răceşte capătul superior al tubului termic şi determină astfel condensarea vaporilor dintubul termic.

• Căldura latentă de condensare a agentului termic, contribuie la încălzirea acestuia.

Schema unui colector solar cu tuburi termice Colector cu tuburi termice

Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate.Avantajul acestui tip de colector solar, este reprezentat de randamentul mai ridicat, încondiţii de radiaţie solară moderată, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiaţiei solare.Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat şi de necesitatea asigurăriiunui contact termic foarte bun între condensator şi agentul termic din conducta colectoare a instalaţiei solare.

(2)

(1)

(6) (2) (5)

M

(3) (4)

(6) (9)

(5)

(2)

(7)

(8) (10)

(7)

Circuit primar

Circuit secundar

Sistem termosolar activ cu doua circuite

1) colector solar

2) conducte de transport

3) schimbator de caldura

4) acumulator termic

5) pompe pentru circulatia fluidului

6) supape unisens

7) instrumente de masura si control pentru presiune si temperatura

8) vas de expansiune

9) conducta de colectare a apei reci

10) Conducta de colectare a apeicade

8.2. Sisteme termosolare active pentruîncăzirea apei

• Sistemele termosolare active convertesc energia solara in energie termica, o transfera agentului termic care o injecteaza in masa termica a unui rezervor de stocare, de unde o distribuie beneficiarului.

A. Sistem termosolar elementar pentru încălzirea apei

1. rezervorul de acumulare V=110 l2. stâlpul de sustinere3. conducta de colectare a apei calde4. conductele de distributie a apei calde5. conducta de alimentare cu apa rece6. supapa de suprapresiune7. robinete8. perna de aer cald ABCD9. V- un vibrator pentru cvasiomogenizarea

apei.

A B

D C

E F

(6)

(1)

(3)

(4) (7)

(4)

(7)

(7)

(2)

(5)

V

h

12 V

Instalatie termosolara pentru prepararea apei calde

Modelul matematic al unui sistem termosolar elementar

• Peretii negri ai rezervorului culeg radiatia solara de pe o suprafata egala cu aria sectiunii principale Sf =Ld=0,38 m2. In fiecare interval e timp energia incidenta pe rezervor este

unde Iv este componenta intensitatii radiatiei solare in plan vertical.

• Coeficientul global al pierderilor termice este ;supratemperatura medie maxima se calculeaza cu relatia:

unde At este aria totala, iar (ατ)e este randamentul optic al sistemului.

• Caldura pierduta in intervalul de timp dτ , este:

• Randamentul global se defineste cu:

dτ

dτIS=dQ vfi ⋅⋅

U = 11 , 2Wm− 2 K−1

( ) maxTΔAU=SIτα tfve ⋅⋅⋅⋅

( ) dτTTAU=dQ atp ⋅−⋅⋅ηg=

dQi− dQ p

dQi

• Se calculează randamentul mediu global, considerând aria totala de pierderi egala cu aria laterala:

• S-au făcut măsurători experimentale zilnice, la interval de o oră, ale intensităţii radiaţiei solare în plan orizontal.

• Pe această bază s-au calculat: – intensitatea medie lunara a radiatiei in plan vertical – cantitatea de energie solara primita de suprafata verticala

intr-o luna– temperatura apei– randamentul global– cantitatea medie de caldura acumulata – masele medii de apa calda furnizate de statie

max21 TΔ

IUπ=η

vg ⋅

⋅⋅

−

( )vI

maxT{ Δ+T=T aapa

gη

igac Qη=Q ⋅max

TΔcm=Qac ⋅⋅

Valorile parametrilor instalatiei termosolarepentru perioada aprilie - octombrie

T apa [¿0C ]

Luna IV V VI VII VIII IX X

S+N18 21 24 25 24 19 14

416 510 569 479 528 451 424

(lunar) 83 117 149 131 138 94 65

32 39 46 46 46 37 33

0,49 0,48 0,51 0,49 0,5 0,5 0,50

813 826 1680 1105 1095 932 654

m[kg ]

η g

I v [W⋅m−2]

Qi [MJ ]

B. Sistem termosolar de incalzire a apei –cazul general

Cerinţele impuse la alegerea acestuia• Ce nivel de confort este necesar la alegerea sistemului?• Ce tipuri de energie trebuie incluse?• Care este sarcina termica si daca exista cerinte speciale la alegerea sistemului?• Daca se utilizează combustibil solid, este suficient spaţiu (pentru aşchii din lemn, uscare

şi stocare)?• Există cerinţă de profitabilitate şi dorinţă pentru investiţii?• Costurile de operare sunt decisive?• Cât de importantă este cerinţa de flexibilitate a sistemului?• Există limitări în spaţiul disponibil privind rezervorul de stocare, boilerele, circuitul de

conducte, spaţiul de pe acoperiş?• Există cerinţe din motive idealiste (de exemplu o firmă doreşte să aibă o bună imagine

de mediu)?• Există restricţii la nivel local privind combustibilul sau schimbările estetice la nivelul

faţadei la instalarea colectorilor solari ?• Care sunt cerinţele de operare şi întreţinere?• Există cerinţe privind simplitatea şi înţelegerea construcţiei sistemului de încălzire• Ce cerinţe sunt pentru disponibilitate pieselor de schimb şi a personaluluide serviciu?

C. Solutii constructive de sisteme termosolare de încălzire a apei

• a. Sistem termosolar cu convecţie naturală(termosifon) (aceeaşi apă este utilizată la colectorii solari şi în rezervorul de stocare pentru apă caldă). Acest tip nu necesită schimbător de căldură, pompă sau unitate de control.

Sistemele de acest tip sunt utilizate în regiunea mediteraneană

Sistem cu convectie naturala ( bucla termosifon )

Circulatia se realizeaza datorita diferentei de densitate dintre apa calda din colector si apa mai rece din recipientul de acumulare. Pentru estimarea vitezei de circulatie se poate calcula diferenta de presiune, ΔPflow:

( )[ ]LHgρ+gLρgHρ=ΔP colloutcollectorstorageflow −−Viteza de circulatie, V, se poate determina prin cunoasterea Kloop , suma factorilor de pierderi de viteza din sistem.

looploopave

flow

KρΔP

=V

• b. Sistem presurizat cu pompă. Acest sistem se foloseşte în Germania şi ţările nordice, este controlat de o unitate de control separată şi acţionat de o pompă. Căldura este transferată prin intermediul unui schimbător de căldură în partea inferioară a rezervorului de stocare, iar creşterea în volum este compensată de un vas de expansiune separat.

Sistem cu circulatie fortata si bucla deschisa

Lichidul este pompat prin colector, iar rezervorul este aerisit astfel incat presiunea este mentinuta la valoarea celei atmosferice.

Sistem presurizat cu circulatie fortata si bucla inchisa

Sistem cu circulatie fortata si bucla inchisa cu scurgere

• c. Sistem termosolar cu scurgere. În acest sistem pompa forţează agentul termic prin colectorul solar. Când unitatea de control opreşte pompa, agentul termic este colectat într-un vas de scurgere. Avantajul acestui tip de sistem constă în utilizarea apei proaspete ca agent termic. Vasul de scurgere trebuie amplasat departe de îngheţ.

8.3 Sisteme termosolare de încălzire pentru locuinţele

unifamiliare

– Există mai multe domenii de utilizare ale sistemelor termosolare de încălzire

– În cazul noilor clădiri sau la schimbarea sistemului de încălzire, sistemul termosolar de încălzire poate fi introdus printr-o adaptare relativ simplă fără costuri adiţionale. Este avantajos atât din punct de vedere termic cât şi financiar să se plece de la rezervorul de stocare şi să se conecteze o sursă opţională de energie în combinaţie cu sistemul termosolar.

– Sistemul termosolar poate fi utilizat numai pentru obţinerea apei calde menajere. Această soluţie este utilizată în casele cu calorifer electric.

– În cazul caselor unifamiliare, sistemul termosolar poate fi utilizat pentru încălzirea unei piscine exterioare

•Utilizarea:

Cererea de apa calda a unei cladiri:Cererea de energie pentru obtinerea apei calde:

( )sdpwwhw TTQcρ=q −Unde:Cpw = caldura specifica a apei, 4.18kJ/kgKqhw = energia necesara pentru incalzirea apeiQ = debitul volumetric al apeiTd = temperatura la care se livreaza apaTs = temperatura apei reciρw = densitatea apei, 997 kg/m3

c pw

Unde Ti este temperatura interioara, qi generarea de caldura interioara, iar Ta(temperatura media zilnica) poate fi estimata din temperaturile maxime si minime specifice locatiei cladirii:

2mina,maxa,

aT+T

=T

Evaluarea si dimensionarea sistemelor de incalzire

Procedura pentru estimarea performantelor si/sau dimensiunea sistemelor de incalzire termosolara standard folosind f-chart.

Date necesare: 1. Cererea lunara de caldura2. Radiatia solara totala lunara3. Parametrii de performanta ai colectorului Frτsαs si FRUc (poti fi obtinuti de la producator) 4. Parametrii de proiectare a sistemului termosolar (suprafata colectorului, lichidul de lucru, debitul lichidului per zona unitara a colectorului, capacitatea de stocare, performanta elementelor de schimb a caldurii)

Cererea de caldura a unei cladiri: Fiind dat coeficientul de pierderi al cladirii, UA (W/oC), metoda gradelor zilnice poate fi folosita pentru a estima cererea de caldura, Qn, pentru ziua n:

( )nanln TTUA=Q − cu UAqT=T i

inl −

Unde Ti este temperatura interioara, qi generarea de caldura interioara, iar Ta (temperatura media zilnica) poate fi estimata din temperaturile maxime si minime specifice locatiei cladirii:

2mina,maxa,

aT+T

=T

Schema pentru un sistem termosolar de incalzire cu lichid.

Schema pentru un sistem de incalzire termosolar cu aer.

Procedura de calcul:

1. Calculul pierderilor de putere, PL:( )

LTTΔtUFFA=P aRcRhxc

L−

Ac = aria colectoruluiFhx = factorul de schimb de caldura al buclei colectoruluiΔt = numarul de secunde per lunaTR = temperatura de referinta (100oC) Ta = temperatura medie lunaraL = cererea de caldura totala

2. Calculul puterii radiatiei solare incidente, Ps:

( ) ( )( )nR

RnRhxcCS ταF

ταFL

ταFFIA=P

Ic = radiatia solara totala incidenta pe suprafata colectorului pe luna (J/m2-luna)

3. Calculul fractiunii de contributie solara, fs, in satisfacerea cererii de caldura lunara.

- pentru sistemele pe baza de lichid:

f s= 1.029Ps− 0.065PL− 0.245 Ps20.0018 PL

20.0215 Ps

3

- pentru sistemele pe baza de aer: f s= 1.040Ps− 0.065PL− 0.159 Ps

20.00187 PL

20.0095 Ps

3

f-chart sisteme termosolare de incalzire cu lichid.

f-chart sisteme termosolare de incalzire cu aer.

Instalaţia termosolară este conectată la un sistem combinat în care energia solară este utilizată atât pentru încălzirea spaţiului cât şi a apei calde menajere. Încălzirea auxiliară opţională poate fi conectată la rezervorul de stocare. Sistemul termosolar este combinat cu alte surse de energie în cadrul rezervorului de stocare.

Sistem termosolar pentru incalzirea unei locuinte unifamiliare. Solutii constructive

Sistem combinat de incalzire a spatiului si a apei menajere - Optiunea A

O piscina exterioara este incalzita de un sistem termosolar ce dispune de de colectori solari ieftini (fara geamuri). Agentul termic trece direct prin colectorii solari

Sistem termosolar pentru incalzirea unei piscine exterioare - optiunea B

Această soluţie este utilizată în casele cu calorifer electric.

Un sistem uzual de încălzire a apei cu o instalaţie termosolară de 4 - 6 m2

este conectat la un rezervor de stocare de apă caldă de 250-300l. Încălzirea solară acoperă minimum 50% din cererea anuală.

Sistemul termosolar poate fi utilizat numai pentru obţinerea apei calde menajere.

Sistem termosolar de incalzire a apei utilizat in locuintele cu incalzire

electrica – optiunea C

• Căldura de la circuitul termosolar este transferată rezervorului de stocare a apei. Un schimbător de căldură plan poate fi utilizat pentru transferul căldurii de la circuitul termosolar sau de la rezervorul de stocare la un circuit de piscina

În cazul noilor clădiri sau la schimbarea sistemului de încălzire, sistemul termosolar de încălzire poate fi introdus printr-o adaptare relativ simplă fără costuri adiţionale. Este avantajos atât din punct de vedere termic cât şi financiar să se plece de la rezervorul de stocare şi să se conecteze o sursă opţională de energie în combinaţie cu sistemul termosolar.

Sistem termosolar de incalzire a spatiului cu rezervor de stocare a apei calde si schimbator de caldura – optiunea D

8.4 Sisteme termosolare combinateOptiunea 1: Sistem combinat de incalzire solara si incalzirea pardoselii.

Incalzirea solara poate fi utilizata o perioada mai mare a anului decat in cazul unui sistem conventional

Optiunea 2: Sistem termosolar de incalzire combinat cu un sistem de ardere a gazului metan

Optiunea 3: Sistem termosolar combinat cu un arzator de peleti.

Energia solara si biomasa sub forma de peleti reprezinta principalele surse termice dar se foloseste un incalzitor electric ca sursa auxiliara. Sistemul de stocare se bazeaza pe stocarea traditionala cu spirale integrate pentru incalzirea solara si incalzirea apei. Arzatorul de peleti este montat in partea superioara a rezervorului de stocare si acorda prioritate incalzirii solare. Sistemul de incalzire cu arzator de peleti conectat la boiler este similar cu alt sistem bazat pe petrol utilizat drept combustibil.

Optiunea 4: Sistem de incalzire solara si pompa de caldura

• Atunci cand circuitul de incalzire solara are o temperatura suficient de ridicata, incalzirea apei casnice si incalzirea spatiului pot fi realizate. La temperaturi mai joase, caldura solara este alimentata la pompa de caldura. Caldura de exces vara sau caldura cu temperaturi joase (primvara, iarna sau toamna) incarca sonda obtinandu-se astfel castiguri importante de caldura.

In afara de incalzirea apei menajere sau incalzirea locuintelor, sistemele termosolare pot fi folosite pentru:

• Incalzirea in procese industriale• Racirea solara• Incalzirea cartierelor• Tratamentul apei (desalinizare si distilare) • Uscarea produselor agricole• Sere solare

8.5. Aplicatii termosolare

Viitorul cladirilor: integrarea in totalitate a sistemelor termosolare

8.6.Incalzirea si racirea solara- dezvoltarea pietei

O piata promitatoare:- industrie puternica- o clara tendinta de crestere a tehnologiei- urias potential de crestere

8.6.1 O industrie promitatoare

• 3 GW – capacitate nou instalata in 2009• 22 GW – capatitate operativa in 2009 (total) • Cifra de afaceri de aprox 3.000 mEUR/an• Peste 35.000 de locuri de munca oferite

8.6.2 Evolutia pietei termosolare intre 1999 si 2009

8.6.3 Capacitatea totala instalata in Europa (2009)

8.6.4 Impartirea pietei de echipamente termoslorar / tari (2010)

8.6.5. Piata sistermelor de racire termosolare

O mare cerere pentru racire:

- Standarde mai innalte de trai/munca

- Efecte semnivicatice ale mediului inconjurator asupra interiorului

- Pret redus al aparatelor de aer conditionat

- Numarul instalatii de aer conditionat s-a dublat la nivel mondial in ultimii 10 ani

PROVOCARE: = managemetul varfurilor energetice in perioada de vara