Construcția captorilor solari

Introducere

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive.

Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă.

Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 1 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 2.

Fig. 1. Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

Fig. 2. Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)

Pentru construcţia captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate şi colectorii cu tuburi termice.

2. Rezumat

Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluţie tehnică de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcţie fiind prezentată în figura 3.

Fig. 3. Construcţia colectorilor plani

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.

Principiul de funcţionare al colectorilor cu tuburi vidate, este prezentat în figura 4.

Fig. 4. Principiul de funcţionare a colectorilor 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 absobant, 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, trebuie realizată încet şi treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruşte în tuburi.

În figura 5, este prezentată o construcţie 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

Fig. 5. Colector cu tuburi vidate şi schimbător de căldură coaxial

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. În figura 6, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul prezentat anterior, la conductele de apă rece şi caldă.