Colectoarele solare termice – principiu de functionare, constructie si utilizari
Spre deosebire de panourile solare fotovoltaice, care transforma radiatia solara in energie electrica, colectoarele solare termice (numite si captatoare solare sau panouri solare termice) capteaza energia solara si o transforma direct in energie termica.
Datorita faptului ca aproape intreg spectrul radiatiei solare este utilizat pentru producerea de caldura, randamentul colectoarelor solare este ridicat, situandu-se in mod uzual intre 60% si 75%, raportat la energia solara incidenta (aprox. 200–1000 W/m² in Europa, in functie de latitudine, anotimp si conditii meteo).
Scurt istoric
Utilizarea efectului termic al radiatiei solare este cunoscuta din antichitate. Se mentioneaza ca Arhimede ar fi incendiat flota romana prin concentrarea razelor solare cu ajutorul oglinzilor.
In secolul al XVIII-lea, naturalistul Horace-Benedict de Saussure a realizat un precursor al colectorului solar modern: o cutie din lemn, vopsita in negru si acoperita cu sticla, in care s-au atins temperaturi de pana la 87 °C.
Ulterior, in secolul al XIX-lea, Augustin Mouchot a imbunatatit conceptul prin utilizarea oglinzilor concave si a demonstrat potentialul energiei solare inclusiv pentru actionarea masinilor cu abur, anticipand utilizarea acesteia in productie de energie.
Principiul de functionare
Componenta esentiala a colectorului solar este elementul absorbant, care transforma radiatia solara in caldura si o transmite unui agent termic (apa sau antigel).
Agentul termic preia energia de la colector si o transporta fie catre un rezervor de stocare, fie direct catre consumatori (apa calda menajera, incalzire etc.).
Pentru limitarea pierderilor de caldura catre mediul exterior, colectorul este prevazut cu izolatie termica, iar in functie de solutia constructiva se disting:
- colectoare cu izolatie clasica;
- colectoare cu izolatie prin vid (performante superioare, costuri mai ridicate);
- colectoare simple utilizate in special pentru incalzirea bazinelor de inot.
Tipuri de colectoare solare
Colectoare solare plate
Colectoarele plate sunt formate dintr-o carcasa metalica in care se afla elementul absorbant, acoperit cu unul sau mai multe geamuri de sticla.
Radiatia solara patrunde prin geam si este absorbita de suprafata selectiva, iar caldura generata este retinuta in interior datorita izolatiei si efectului de sera. La colectoarele moderne se utilizeaza sticla speciala, cu continut redus de fier, rezistenta la grindina si incarcari de zapada.
Elementul absorbant transfera caldura agentului termic care circula prin conducte din cupru sau aluminiu, energia fiind apoi utilizata sau stocata.
Colectoare cu tuburi vidate
Colectoarele cu tuburi vidate utilizeaza tuburi de sticla concentrice, intre care se afla vid, reducand semnificativ pierderile prin convectie si conductie.
Acest tip de colector permite obtinerea unor temperaturi mai ridicate si a unor randamente superioare, fiind recomandat in special pentru:
- zone cu temperaturi moderate;
- aplicatii tehnice unde sunt necesare temperaturi mai mari.
Datorita performantelor ridicate, aceste sisteme necesita masuri suplimentare de protectie impotriva supraincalzirii.
Elementul absorbant
Elementul absorbant trebuie sa:
- capteze eficient radiatia solara directa si difuza;
- limiteze pierderile de caldura prin radiatie proprie.
In acest scop se utilizeaza straturi selective, care combina un coeficient ridicat de absorbtie cu o emisie redusa in domeniul infrarosu.
Tehnologiile moderne (de tip PVD – depunere in atmosfera controlata) permit obtinerea unor randamente superioare si o durabilitate crescuta, fiind in prezent standardul industriei.
Forma si modul de realizare a absorbantului (placa continua, benzi, structura tip „perna”) influenteaza transferul termic si eficienta globala a colectorului.
Utilizari ale colectoarelor solare
Colectoarele solare sunt utilizate in principal pentru:
- prepararea apei calde menajere;
- incalzirea apei din piscine;
- asistarea sistemelor de incalzire a cladirilor;
- aplicatii industriale (procese tehnologice, biogaz etc.).
In Europa Centrala, un sistem corect dimensionat poate asigura apa calda menajera pe o perioada de aproximativ 6 luni pe an. Dimensionarea excesiva conduce la surplus de energie vara si la scaderea eficientei economice a investitiei.
De aceea, solutia optima este de regula un sistem hibrid, care combina colectoarele solare cu surse clasice de energie (centrale termice, pompe de caldura).
Considerente economice
Economicitatea unei instalatii solare termice depinde de:
- necesarul real de apa calda;
- nivelul de temperatura cerut;
- gradul de utilizare al energiei produse;
- corecta dimensionare a colectoarelor si a rezervorului.
In conditii de proiectare si exploatare corecta, amortizarea unei instalatii solare pentru apa calda menajera este posibila in aproximativ 8 ani, iar durata de viata a colectoarelor este de ordinul a 20 de ani.
Instalatiile supradimensionate sau prost utilizate pot conduce la perioade de amortizare mult mai mari si la pierderi energetice inutile.
