Pentru o mai bună înţelegere a modului de construcţie a colectorilor se recomandă să se ia în considerare în mod sistematic fluxul şi pierderile de energie din colector şi descrierea matematică a acestora. Pe de altă parte, aceste formule reprezintă baza măsurătorilor cantitative ale instalaţiilor solare, astfel încât oricine înţelege aceste relaţii poate calcula singur dimensiunile instalaţiilor de colectare.

În calculele următoare, care nu sunt decât nişte exemple, se porneşte de la premiza că radiaţiile solare cad în jurul orei prânzului perpendicular pe suprafaţa colectorului de 1m2. Intensitatea radiaţiei E ar fi de 800 W/m2 (într-o zi fără nori), adică, în cazul nostru, radiaţia este de 800 W.

Pierderi optice

Din cauza reflexiei de la nivelul suprafeţei transparente a învelişului şi a absorbţiei la trecerea prin material, o parte din radiaţie nu ajunge la elementul absorbant. În timp ce pierderile prin reflexie depind de unghiul de incidenţă al radiaţiei (dacă unghiul este de peste 50°, atunci pierderile prin reflexie sunt şi ele mai mari), pierderile prin transmisie din cauza transparenţei materialului se notează prin coeficientul de transmisie T. O singură bucată de geam, în funcţie de tipul acesteia, permite o trecere a radiaţiei cuprinsă între 85 şi 95%. Aceasta ajunge la elementul absorbant, iar T = 0,85 … 0,95.

Tabelul 2.5 conţine valorile pentru gradul de transparenţă al celor mai importante materiale folosite în constructia colectorilor. Pentru învelişul colectorului nostru se porneşte de la premisa că T = 0,90.

Pentru ca elementul absorbant să transforme o cantitate de radiaţii cât mai mare în căldură, este necesar să existe un coeficient de absorbţie α căt mai ridicat al elementului absorbant, respectiv al învelişului superior al acestuia. Invelişul elementului absorbant are în cazul nostru un coeficient de absorbţie α de 0,90. Aceasta înseamnă că 90% din cantitatea de radiaţii care ajunge la suprafaţa elementului absorbant este transformată în căldură.

Gradul optic de eficienţă ȵo arată ce cantitate de radiaţie incidentă E pe elementul absorbant este transformată în căldură WA. Acesta rezultă din coeficienţii de transmisie şi absorbţie şi, în cazul nostru, este egal cu:

ȵo = ʈ • α

ȵo = 0,90 • 0,90 = 0,81.

Acest raport este valabil în principiu pentru radiaţia care cade vertical, întrucât pierderile prin reflexie de la suprafaţa învelişului nu sunt luate în considerare. Cu toate acestea, raportul este valabil şi pentru unghiurile incidente de 50°, descriind astfel pierderile optice atunci când colectorul este orientat către sud, fără a se lua în calcul 1-2 ore la răsăritul, respectiv la apusul soarelui.

Astfel se poate determina valoarea puterii calorice WA, cu condiţia ca radiaţia solară E să fie cunoscută:

WA = ȵo•E = ʈ • α • E.

WA = 0,81 • 800 W/m2 = 648 W/m² (în exemplul de faţă).

Radiaţia solară, absorbţia, emisia şi transmisia

Radiaţia solară care ajunge pe Pământ are forma unei radiaţii electromagnetice. Ceea ce pentru noi este lumină aIbă, constă, din punct de vedere fizic, intr-un spectru de culori. Cea mai importanta componentă a spectrului solar o reprezintă lumina care poate fi văzută, însă radiaţia solară are şi o componentă ultravioletă (care variază în funcţie de înălţime şi gradul de umiditate a aerului) şi dintr-o radiaţie infraroşie (radiatie termică). Toate corpurile fac schimb de radiaţie termică cu mediul inconjurător, unde temperatura corpului în cauză este decisivă pentru a afla care este lungimea de undă a radiaţiei respective.

Suprafetele care absorb in egala masura toate culorile (cum ar fi cle de culoare neagra) sunt vazute de ochiul uman ca fiind de culoare neagră şi nu reflectă niciun fel de culoare. Elementul absorbant de culoare neagră ar transforma în  totalitate energia luminii în căldură.

Conform fizicii, capacitatea de absorbţie şi cea de emisie a unei suprafeţe cu aceeaşi temperatura (adică atunci când lungimea de undă este aceeaşi) sunt egale. Suprafaţa ideală de culoare neagră, care absoarbe în mod egal toate lungimile de undă, are şi o radiaţie termică mult mai puternică (în infraroşu îndepărtat), cum ar fi şi cazul unei oglinzi. Pentru a putea reduce pierderile de radiaţie termică ale elementului absorbant se montează în colectorul solar aşa-numitele „invelisuri selective” care au rolul de a absorbi în spectrul luminii vizibile (cu temperatură a radiaţiei de 6.000 K, unde α > 90%), dar care au o capacitate de emisie redusă in domeniul radiaţiei termice de undă lungă (corespunzător unei temperaturi a radiaţiilor de cca. 350 K, iar coeficientul de emisie α < 20%).

Invelisul transparent are rolul, asa cum am ami spus, de a permite trecerea nestingherita a spectrului luminii solare. Pe de aită parte, reflecţia căldurii elementului absorbant trebuie să fie cât mai mică. Un înveliş din sticlă îndeplineşte aceste cerinte destul de bine, in timp ce folia de polietilenă şi alte materiale sintetice permit trecerea radiaţiei termice. Atunci când alegeţi materialul învelişului trebuie să se ia în considerare şi faptul că anumite materiale sintetice nu sunt rezistente la radiaţia ultavioletă.

Pierderile termice

Puterea termică WA obţinută în elementul absorbant determină creşterea gradului de absorbţie Um, faţă de temperatura mediului inconjurător UL. Agentul termic fluid care trece prin elementul absorbant este încălzit cam la aceeaşi temperatură. Din cauza pierderilor termice a corpurilor calde, pierderi care nu pot fi evitate, nu toată puterea termică WA produsă în elementul absorbant poate fi utilizată. Mai mult decât atât, trebuie să se scadă pierderile termice ale colectorului.

Pierderile termice depind foarte mult de felul în care este construit colectorul şi, bineînţeles, de diferenţa de temperatură dintre absorbant şi temperatura aerului exterior (Um – UL). Cu cât elementul absorbant este mai fierbinte şi cu cât diferenţa de temperatură faţă de mediul inconjurător este mai mare, cu atât pierderile de temperatură sunt mai mari, pe care le vom nota în formulele ce urmează cu Wtr. Raportul poate fi calculat astfel:

Wtr = U • (Um – UL)

Influenţa conctrucţiei este notată prin coeficientul de pierdere termică U, acesta fiind analog valorii U (înainte: valoare k) a elementelor de construcţie (fereastră, elemente de zidărie etc.), care este exprimat în W pe m2 de suprafaţă colectoare şi prin diferenţa de temperatură K (K = Kelvin scala absolută a temperaţurii, 1 K = 1°C de diferenţă de temperatură, 0 K = -273°C, respectiv 273 K = 0°C) şi arată câtă căldură este „cedată” mediului inconjurator. Este cunoscut şi sub numele de coeficient pentru pierderile termice sau transferul de căldură.

În cazul colectorilor plaţi, peretele din spate şi părţile laterale ale rezervorului trebuie izolate cu un strat suficient de gros de material termoizolant. Învelişul transparent de la suprafaţa elementului absorbant este un punct problematic, întrucât necesitatea de a obţine un grad cât mai ridicat de transparenţă limitează posibilităţile de izolare termică. Colectorii plaţi moderni au, în acest caz, uneori chiar şi două învelişuri (de obicei din sticlă, în combinaţie cu o folie pe interior), cu rolul de a nu permite, pe cât posibil, trecerea înspre exterior a radiaţiei termice de undă lungă din elementul absorbant. Alături de un înveliş selectiv al elementului absorbant, se pot obţine astfel valori ale U de la 2,3 pănă la 4 W/(m²K).

In cazul nostru, se presupune ca valoarea U = 3,5W/(m2K), adică pe K, respectiv °C, unde elementul absorbant este mai cald decât aerul exterior. Colectorul cu suprafaţa de 1 iTi2 pierde 3,5 Waţi. Să presupunem că temperatura exterioară vr = 20°C, iar temperatura elementului absorbant vm = 40°C. În aceste condiţii, pierderile de căldură se pot calcula astfel:

Wtr = 3,5 W/(m2K) (40 — 20) K = 70 W/m2

Pierderile termice sunt, aşadar, de 70 W pentru un colector cu o suprafaţă de 1m².

Căldura colectorului ce poate fi utilizată Ecuatia colectorului pentru prima aproximare.

Capacitatea utila WN sub forma unui agent termic lichid incălzit, este acum (in cazul primei aproximări) diferenţa dintre capacitatea termică WA, din elementul absorbant şi pierderile termice Wyt,, din construcţia colectorului, în exemplul:

WN = energie solară transformată — pierderi termice = 648 W — 70 W 578 W

Această formulă este cunoscută şi sub numele de ecuaţie a colectorului, pentru că descrie raportul dintre cantitatea de energie care pătrunde în interiorul colectorului, temperatura colectorului, pierderile termice şi căldura ce poate fi folosită. Trebuie considerată ca fiind prima aproximare care redă într-un mod relativ fidel realitatea, deşi anumite efecte marginale nu sunt luate în considerare, cum ar fi pierderile prin reflexie care depind de gradul de inclinare, capacitatea termică a colectorului insuşi sau raporturile neliniare dintre temperatură şi pierderea termică.

Atâta timp cât sunt cunoscute valorile a,T şi U ale colectorului— acestea pot fi determinate prin măsurarea în funcţie de normele indicate de producători — se poate calcula şi cantitatea de căldură rezultantă şi care poate fi folosită. Aceasta diferă în funcţie de valorie radiaţiei solare pentru valori arbitrare ale elementului absorbant.

Gradul de eficienţă al colectorilor solari

Gradul de eficienţă ȵ al unui colector solar este, ca la toate aparatele tehnice, definit de raportul dintre capacitatea redată şi capacitatea disponibilă.

Atunci când elementul absorbant are aceeaşi temperatură cu rnediul inconjurător, nu există pierderi termice. În acest caz, randamentul colectorului este maxim şi determinat de pierderile optice, adică de valoarea α⸰T, cunoscut şi ca randament optic. Pierderile termice cresc odată cu diferenţele mari de temperatură dintre elementul absorbant şi împrejurimi. Altfel spus: cu cât colectorul este mai fierbinte, cu atât randamentul este mai mic. În cazul colectorului nostru, la o temperatură medie a elementului absorbant de 40°C şi o temperatură exterioară de 20°C se obţine un câştig de energie utilizabilă de 578W/m², corespunzătoare unui randament al colectorului de 72%, Dacă elementul absorbant ar avea o temperatură de 60°C, atunci pierderile termice s-ar dubla.

Dacă radiatiile solare sunt scăzute, randamentul variază şi mai mult in functie de temperatură. Din cauza faptului că randamentul variaza în functie de temperatură, nu este de neglijat principiul conform căruia colectorii solari trebuie sa functioneze intotdeauna cu un nivel cat mai scazut de temperatura.

Cu ajutorul valorilor se poate uşor calcula pentru ce scop este potrivit un anumit tip de colector (pentru bazinul de înot, pentru încălzirea apei calde sau a încălzirea încăperilor).

Temperaturile din colector

Întrebarea rămâne: care este, de fapt, cea mai potrivită temperatură a elementului  absorbant? E uşor de ghicit că temperatura elementului absorbant variază în functie de gradul de răcire prin agentul termic lichid. La o analiză mai atentă a transferului termic al elementului absorbant se obţine ca răspuns la această întrebare, o formulă simpla.

Teoria termotennicii spune că necesarul de energie Q pentru încălzirea unui corp sau a unui lichid trece de la temperatura v1 la temperatura v2;

Prin analogie se calculează puterea termică W, necesară pentru încălzirea unui lichid care curge confinuu:

W M•c (v7 – v1) = M•c – Ov exprimat [W],

unde M este masa lichidă care curge într-o unitate de timp, măsurată in [kg/s] sau [kg/h].

Agentui termic (de exemplu apa) pătrunde în colector cu temperatura VE şi iese cu temperatura notată cu Va. Practic, temperatura din elementul absorbant nu este niciodată aceeaşi, ci mai scăzută la intrarea în colector decât la ieşirea din acesta.

Capacitatea utilă obţinută în elementul absorbant, notată cu W, este folosită pentru încălzirea agentului termic la trecerea prin elementul absorbant şi obţinerea diferenţei de temperatură notată cu Ov = (va —          Puterea termică Wu) obţinută din ecuaţie poate fi echivaiată cu puterea termică W folosită pentru încălzirea lichidului.

Temperatura medie a elementului absorbant de 40°C se obţine aşadar atunci când prin colector trec la fiecare oră 50 de I de apă (1 I de apă cântăreşte 1 kg). Apa intră în colector cu o temperatură de 35°C, iar Incălzita cu 10K, iese din colector cu o temperatură de 45°C.

Diferenţele de temperatură mai mici presupun un debit mai mic al agentului termic. Un debit mai mic al agentului termic determină, din contră, diferenţe mai mari între temperatura la ieşire şi la intrarea în colector la o temperatură de intrare cu aceleaşi valori şi, deci, temperaturi medii mai mari ale elementului absorbant.

  • prin schimbarea debitului se poate modifica punctul de funcţionare al colectorului de-a lungul liniei alcătuită din valori ale randamentului.
  • un debit constant, o radiaţie solară constantă şi o energie utifizabllă redusă, pot duce la o încălzire redusă a agentului termic din elementul absorbant şi, astfel, la diferenţe mai mici de temperatură.

Temperatura atunci când colectorul nu este în uz

In funcţie de modul de construcţie, atunci când colectorul funcţioneaza în mod normal, temperaturile unui colector de tip plat variază între 30° şi 90°C. Acestea sunt menţinute la aceste valori de către elementele de construcţie ale colectorului.

Atunci când căldura produsă nu circulă odată cu agentul termic (de exemplu, dacă pompa de recirculare lipseşte sau dacă nu se foloseşte căldura pe timpul concediului de vară), elementul absorbant se încălzeşte atât de mult până când pierderile termice ale colectorului sunt la fel de mari cu câştigul de căldură. Aceasta poartă denumirea de stagnare sau mers în gol, iar temperatura elementului absorbant este notată cu u, şi poartă denumirea de temperatură de stagnare. In cazul colectorilor plaţi de calitate, aceasta poate ajunge şi la 250°C. Vs este determinat de intersecţia cu axa x.

Cu cât pierderile termice ale colectorului sunt mai mici şi cu cât este mai redusă valoarea U, adică cu cât colectorul este „mai bun”, cu atât este mai mare temperatura sa de stagnare. Prin următoarea formulă se poate determina o valoare aproximativa a temperaturii de stagnare.

Vs = (10000 W/m² * n0) / U

Vs = 1000 * 0,81 / 3,5 = 230°C

In formulă s-au foIosit valorile pentru modelul ales de noi.

Intru-cat aparitia stagnării este inevitabila, materialele folosite pentru constructia  colectorului trebuie să fie rezistente la aceste temperaturi. „Siguranţa instalaţiei în stagnare” trebuie luata in considerare si atunci cand se aleg agentul termic si conceptul de functionare a sistemului.

Leave a Reply




Enter Captcha Here :