EXPERIMENT DIDACTIC: SISTEM FOTOVOLTAIC ŞI DE ÎNCĂLZIRE

SOLARĂ

Neamţu Marilena, profesor gradul I, Grupul Şcolar Industrial “UNIREA”

Ţintea Irinel Victoria, profesor gradul I, Grupul Şcolar Industrial “UNIREA”

Gheaţă Carmen Liliana, profesor gradul I, Grupul Şcolar Industrial “UNIREA”

Duguleanu Violina, profesor gradul I, Grupul Şcolar Industrial “UNIREA”

Summary

The project entitled “Photovoltaic and solar heating system” is within the general theme of unconventional energy

sources through the use of solar energy in two ways:

●Direct heating water-through solar collector;

●Electricity Photovoltaic-through trap.

Design and implementation of the various stages required a sustained team effort, involving teachers and students.

National and trans-disciplinary character and even cross-curricular project was highlighted throughout the conduct of its

starting stages of conception, during the actual achievement and is further exploited in the experimental device using the

lessons of the areas mentioned above and by introducing in the course of the school educational offer non-conventional

energy option in the curriculum at the school's decision.

1.INTRODUCERE

Proiectul intitulat Sistem fotovoltaic şi de încălzire solară se încadrează în tema generală Surse

de energie neconvenţională, prin utilizarea energiei solare în două ipostaze:

încălzirea directă a apei - prin intermediul captatorlui solar;

producerea energiei electrice - prin intermediul captatorlui fotovoltaic.

Finalitatea proiectului este dispozitivul SOLAR CART, care cuprinde următoarele

componente:

Subansamblul de încălzire a apei, care cuprinde:

captatorul solar;

boilerul;

pompa;

reţeaua de circulaţie a apei (circuitul primar şi circuitul secundar);

Subansamblul de alimentare cu energie electrică, care cuprinde:

captatorul fotovoltaic

acumulatorul

Blocul de măsură şi control, care cuprinde:

controller-ul de încărcare a acumulatorului;

modulul de achiziţie şi prelucrare a de datelor;

mijloace de măsurare directă.

Conceperea şi realizarea lui în diverse etape a

necesitat o susţinută muncă de echipă, la care au

participat cadre didactice, elevi, ingineri şi

cercetători ştiinţifici din următoarele domenii:

fizică, mecanică, electrotehnică, electronică,

informatică.

Caracterul inter şi transdisciplinar şi chiar

transcurricular al proiectului s-a evidenţiat pe tot

parcursul de derulare a acestuia, începând cu

etapele de concepţie, în timpul realizării propriu-

zise şi va fi valorificat în continuare prin utilizarea

dispozitivului experimental la lecţiile din domeniile mai sus amintite şi prin introducerea în oferta

educaţională a

scolii a cursului opţional Resurse de energie regenerabile

, în cadrul curriculum- ului la decizia şcolii.

2 PREZENTAREA DISPOZITIVULUI SOLAR CART

2.1 SUBANSAMBLUL DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ

Cuprinde captatorul fotovoltaic şi acumulatorul.

Schema electrică este prezentată în figura de mai jos:

Fig. 2

PV - captatorul fotovoltaic realizează conversia energiei solare în energie electrică.

Acc -acumulator - are rolul de a înmagazina energia electrică obţinută cu ajutorul captatorului

fotovoltaic.

În situaţia în care puterea electrică furnizată de captatorul solar nu este suficientă pentru alimentarea

pompei, comutatorul comută automat şi aceasta va fi alimentată de la acumulator.

2.2 BLOCUL DE MĂSURĂ ŞI CONTROL

Cuprinde:

controller-ul de încărcare a acumulatorului;

Fig. 1

V

A

Acc Pompă

PV

modulul de achiziţie şi prelucrare a de datelor;

mijloace de măsurare directă.

Schema bloc este prezentată în figura de mai jos:

Controller Sistem de Calculator achiziţie date Acumulator Pompă

Panou

fotovoltaic

Fig. 3

2.2.1 CONTROLLER-UL DE ÎNCĂRCARE A ACUMULATORULUI

Acumulatoarele utilizate în sistemele fotovoltaice trebuie protejate atât la suprasarcină cât şi în

vederea prevenirii descărcării lor. Acesta este rolul controller-ului de încărcare a acumulatorului.

Schema de principiu a controller-ului şi caracteristicile tehnice sunt prezentate în anexa 1.

2.2.2 MODULUL DE ACHIZIŢIE ŞI PRELUCRARE DE DATE

Constă dintr-un dispozitiv microprogramat care culege datele de la punctele de măsurare la intervale

de 3s/ 10/ 30s cu ajutorul unor senzori specializaţi, le converteşte în semnale digitale şi le transmite

serial spre un microcalculator.

Totodată prin intermediul acestui modul se comandă alimentarea pompei de la captatorul

fotovoltaic sau de la acumulator.

Microcalculatorul primeşte datele monitorizate de modul, pe care le stochează într-o bază de date

care se reactualizează cu o rată de 3s/ 10/ 30s, în funcţie de intervalul de scanare selectat de

utilizator. Baza de date se poate vizualiza pe monitor, sau se poate exporta în alte programe utilitare

în vederea prelucrării datelor (tabele, grafice, histograme etc.).

Pe ecranul monitorului este afişată imaginea dispozitivului, specificându-se punctele de măsurare şi

valorile monitorizate, în timp real, în două variante: una pentru vizualizarea variaţiei mărimilor

termice şi o alta pentru vizualizarea variaţiei mărimilor electrice

2.3 SUBANSAMBLUL DE ÎNCĂLZIRE A APEI

Este construit din următoarele părţi componente:

Captator solar

Schimbătorul de căldură

Pompă de circulaţie

Reţea de circulaţie a apei

2.3.1 CAPTATORUL SOLAR

2000mm

1000mm

Captatorul solar, numit ştiinţific convertor termosolar, are rolul de a capta radiaţia solară şi a

o transforma în energie calorică, sub formă de apă caldă, în vederea utilizării imediate sau

acumulării în rezervoare de stocate (tampon).

Este realizat dintr-o reţea de ţevi de aluminiu, solidare cu o placă, tot din aluminiu. Întregul

ansamblu este acoperit cu un strat de vopsea neagră, mată, pentru a asigura absorbţia maximă a

energiei solare.

Captatorul este introdus într-o casetă metalică, etanşă, a cărui parte frontală este din sticlă, pentru a

permite accesul radiaţiei solare. Dimensiunile captatorului sunt : 2000x1000 mm.

Captatorul este rabatabil, pentru a se putea varia unghiul de înclinare faţă de planul orizontal.

Poziţia normală de lucru este de 45 (valoare optimă, pe tot parcursul anului, pentru zona geografică

în care este situat oraşul Bucureşti).

Întreg ansamblul este montat pe un şasiu mobil, care permite atât orientarea în plan vertical, cât şi

deplasarea dispozitivului.

Pe captator sunt prevăzute următoarele mijloace de măsurare:

dispozitiv pentru evaluarea intensităţii luminoase; realizat dintr-o celulă fotovoltaică cuplată la

un instrument de măsurat digital;

contor de radiaţie solară;

indicator de umbră, care permite orientarea captatorului în poziţia optimă faţă de soare.

2.3.2 SCHIMBĂTORUL DE CĂLDURĂ

Principiu de funcţionare.

Schimbătorul de căldură funcţionează în curent încrucişat, cu două

treceri pe primar şi trei treceri pe secundar, conform schemei alăturate.

El este prezentat în figura de mai jos:

R4

R1 R2 Capac bicameral Garnituri Placă tubulară R5 Şicane Recipient R3 Izolaţie termică

R1- robinet admitere agent termic

R2 - robinet evacuare agent termic

R3 - robinet admitere apă rece

R4 - robinet de golire a recipientului

R5 - robinet evacuare apă caldă

Fig. 4

Este realizat dintr-un recipient, în interiorul căruia se află un sistem tubular, din cupru, acoperit de

un capac bicameral. Între recipient şi capac se află o placă tubulară care face corp comun cu

sistemul tubular.

CP

CS

Agentul termic pătrunde, prin robinetului R1, în una din camerele capacului bicameral, de unde,

prin placa tubulară, inundă tubulatura. După ce se efectuează schimbul de căldură, agentul termic

inundă cea de-a doua cameră a capacului bicameral, de unde este evacuat, prin robinetului R2.

Recipientul, de formă cilindrică, este realizat din metal emailat. Volumul recipientului este de 45 l.

El este prevăzut cu trei robineţi: R3 - robinet admitere apă rece, R5 - robinet evacuare apă caldă şi

R4 - robinet de golire a recipientului.

Pentru a realiza cele trei treceri pe secundar, în interiorul recipientului se găsesc două şicane, care

dirijază circulaţia apei prin circuitul secundar. Acestea sunt realizate din tablă de inox, cu grosimea

de 1mm. Sicanele sunt prevăzute cu găuri pentru tubulatură. Sicanele au forma din figura de mai

jos.

Şicană Găuri pentru tubulatură Perete recipientului

Fig. 5

● Capacul bicameral este realizat din metal emailat. El este prevăzut cu doi robineţi: R1- robinet

admitere agent termic şi R2 - robinet evacuare agent termic.

● Placa tubulară face corp comun cu sistemul tubular şi capacul bicameral. Ea este realizată din

oţel inoxidabil şi are forma unui disc, de aceleaşi dimensiuni ca şi capacul. În placă sunt practicate

orificii, în care sunt fixate ţevile sistemului tubular.

Între capac şi placă, precum şi între placă şi recipient sunt montate garnituri din cauciuc, pentru

etanşeizare.

Sistemul tubular este realizat din tevi de cupru, cu diametru de 15 mm. Îmbinările sunt realizate prin

lipire cu cositor.

Recipientul este izolat termic faţă de mediul ambiant printr-o cămaşă confecţionată din poliuretan.

2.3.3 POMPĂ DE CIRCULAŢIE

Principiul de funcţionare al pompei este prin centrifugare cu rotor cu palete.

Debitul de lichid asigurat de pompă este fix, de 10 l/minut.

Tensiunea de alimentare este 12 V.

Are rolul de a asigura circulaţia agentului termic, astfel încât schimbul de căldură să se facă

continuu.

2.3.4 REŢEAUA DE CIRCULAŢIE A APEI

Reţeaua de circulaţie a apei este structurată pe două circuite: un circuit primar şi un circuit secundar.

Circuitul primar permite circulaţia agentului termic.

Acesta este format din:

sistemul de tevi de pe captatorul solar;

sistemul tubular din interiorul schimbătorului de căldură;

ţevi de racord;

vas de expansiune.

Sistemul de ţevi de pe captatorul solar permite încălzirea apei, care formează agentul termic, prin

transformarea energiei solare în energie termică. Sistemul tubular din interiorul schimbătorului de

căldură permite schimbul de căldură intre agentul termic şi apa menajeră. Ţevile de racord fac

legătura între cele două sisteme de ţevi descrise mai sus.

Pe circuitul primar este intercalat un indicator de curgere, care permite vizualizarea circulaţiei apei.

Vasul de expansiune preia dilataţia agentului termic, prevenind suprapresiunea. Circuitul primar

este prevăzut cu un robinet de încărcare / evacuare. Pe parcursul circuitului primar sunt prevăzute

două puncte pentru măsurarea temperaturii, atât cu ajutorul unor termometre indicatoare (digitale),

cât şi cu senzori de temperatură, care preiau informaţia şi o trimit spre sistemul de achiziţie de date.

În punctul TP1 se evaluează temperatura agentului termic cald, înainte de a ceda căldura apei

menajere, iar în punctul TP2 se evaluează temperatura agentului termic rece, după ce a cedat

căldura apei menajere.

Observaţie: Pompa este situată în circuitul primar, pe ramura rece (după ce agentul termic a cedat

căldura).

Circuitul secundar permite circulaţia şi încălzirea apei menajere.

Acesta este format dintr-un furtun cu robinet de racord (R3) la reţeaua de distribuţie a apei

menajere, prin care se inundă cu apă rece recipientul în care are loc schimbul de căldură. Apa

încălzită este furnizată, în vederea consumului, printr-un robinet (R5).

Pe parcursul circuitului secundar este montat un debitmetru (in amonte de recipient) care furnizează

informaţii modulului de achiziţie şi prelucrare a datelor. Pe parcursul circuitului secundar sunt

prevăzute două puncte pentru măsurarea temperaturii, atât cu ajutorul unor termometre indicatoare

(manometrice), cât şi cu senzori de temperatură, care preiau informaţia şi o trimit spre sistemul de

achiziţie de date. În punctul TS1 se evaluează temperatura apei reci, înainte de a prelua căldura de

la agentul termic, iar în punctul TS2 se evaluează temperatura apei încălzite, furnizată spre consum.

Observaţie: Sistemul este prevăzut şi cu punct pentru evaluarea temperaturii mediului ambiant (To),

atât cu ajutorul unui termometru indicator (digital), cât şi cu un senzor de temperatură, care preia

informaţia şi o trimite spre sistemul de achiziţie de date.

Notă: Pentru a oferi o imagine de ansamblu asupra eficacităţii sistemului de

încălzire solară, prezentăm câteva rezultate experimentale:

temperatura mediului ambiant : To = 22C

temperatura apei reci: TS1 = 15C

temperatura apei încălzite: TS2 = 41C

debitul apei încălzite: 25 l/h

Bibliografie:

I.V.Piţurescu, C.Gheaţă,L.Lakatoş, E.Lakatoş: Surse regenerabile de energie – Energia solară ,

ed.ELISAVAROS, Bucureşti 2002

I.V.Piţurescu, M.Ionescu: : Surse regenerabile de energie – Energia solară – Lucrări de laborator,

ed.ELISAVAROS, Bucureşti 2002