Recomandari privind montarea colectorilor solari pe acoperisuri

---

Energia solara este o forma de energie nepoluanta, care inlocuieste cu succes combustibilii fosili utilizati in prezent. Avand in vedere ca cererea de energie termica este maxima in sezonul rece, atunci cand intensitatea radiatiei solare este minima, aceste instalatii se recomanda a fi folosite pentru prepararea apei calde menajere. Dintre sistemele de utilizare a energiei solare vom trata pe cele cu captatori solari plani care au si cea mai mare raspandire in practica.

Utilizarea energiei solare
Radiatia solara este un flux energetic care porneste de la soare uniform in toate directiile. La invelisul exterior al atmosferei terestre ajunge o putere de 1,36 kW/m2, asa-numita constanta solara. La penetrarea atmosferei terestre, radiatia solara inregistreaza o pierdere in intesitate datorita reflexiei, dispersiei si absorbtiei cauzate de particule de praf si de molecule de gaz.
Atmosfera modifica intensitatea, distributia spectrala si distributia spatiala a radiatiilor solare prin doua mecanisme: absorbtia si difuzia, Radiatia absorbita este in general transformata in caldura, iar radiatia difuza este retransmisa in toate directiile in atmosfera.
Factorii meteorologici care au o influenta mare asupra radiatiei solare la suprafata pamantului sunt: transparenta atmosferei, nebuozitatea, felul norilor si pozitia acestora.
La calculele de dimensionare a instalatiilor solare se cere cunoasterea urmatoarelor date meteorologice: valorile radiatiei globale primite pe o suprafata orizontala sub un unghi oarecare, in decurs de o zi, o luna, un anotimp, distributia densitatii radiatiei solare, durata de stralucire a soarelui, numarul mediu al zilelor cu cer senin, parametrii aerului exterior (temperatura, umiditate relativa, presiune barometrica etc.), intensitatea si frecventa vantului, precipitatiile atmosferice etc.
Radiatia care ajunge direct pe suprafata pamantului este numita radiatie directa. Partea din radiatia solara care este reflectata sau absorbita de particulele de praf sau moleculele de gaz ajunge la randul sau pe suprafata pamantului fiind numita radiatie difuza. Variatia radiatiei solare pe parcursul anului calendaristic este prezentata in figura 1.

Radiatia totala care ajunge pe suprafata pamantului este radiatia globala Eg, care reprezinta suma dintre radiatia directa si cea difuza.
Pentru latitudinea geografica din zona Romaniei radiatia globala in conditii normale (cer senin, fara nori, la amiaza) este maxim 1000 W/m2. Cu ajutorul colectorilor plani, poate fi captata pana la circa 75% din radiatia solara.

Recomadari practice privind montarea colectorilor solari pe acoperisuri
Inclinarea si orientarea colectorilor. Pentru a atinge gradul optim de captare a enrgiei solare cu ajutorul captatorilor, este necesara orientarea acestora in directia soarelui. Unghiul de inclinare si unghiul azimutal sunt determinate pentru orientarea colectorilor.
Unghiul de inclinare a este unghiul intre orizontala si colector. In cazul montajului pe acoperisuri inclinate, unghiul de inclinare este dat de inclinarea acoperisului. Cantitatea cea mai mare de energie solara poate fi preluata daca planul in care se afla colectorul este perpendicular pe radiatia solara. Deoarece unghiul de incidnta al radiatiei solare depinde de ora si anotimp, planul in care se pozitioneaza colectorii trebuie sa corespunda pozitiei soarelui in intervalul cu radiatie maxima. In practica s-a dovedit ca optime unghiurile de inclinatie cuprinse intre 30 si 55 °.
Unghiul azimutal descrie abaterea planului in care se afla colectorii de la diretia sudica; aceasta inseamna ca atunci cand planul colectorilor este orientat spre sud, unghiul azimutal este zero. Deoarece radiatia solara este mai puternica in timpul pranzului, planul colectorilor trebuie sa fie orientat pe cat posibil spre sud. Se accepta abateri de la diretia sudica de pana la 45°.

Instalatie solara pentru prepararea apei calde menajere
Un colector solar de calitate superioara nu garanteaza singur o functionare optima a instalatiei solare. Intreaga instalatie trebuie conceputa ca o unitate tehnica superioara. Sunt necesare urmatoarele elemente pentru o instalatie superioara:
- o automatizare adaptata la instalatia solara;
- un boiler pentru prepararea apei calde de consum cu schimbator de caldura dispus in partea inferioara;
- elemente constructive care asigura un mod rapid de reglare si astfel o eficienta sporita a instalatiei solare.
Instaltiile solare corect dimensionate si dotate cu componente compatibile pot asigura intre 50 si 60 % din energia necesara pentru prepararea apei calde menajere.
Elementele componente ale unei instalatii solare pentru prepararea apei calde menajere sunt:
1. panouri solare;
2. statie de pompare si automatizare;
3. conducta de siguranta;
4. vas de expansiune;
5. boiler bivalent pentru prepararea apa calda menajera;
6. circuit solar.

Structura si functia panourilor solare
Componenta principala a coletorului este captatorul de cupru acoperit cu un strat Sol-Titan. Acesta asigura un grad ridicat de captare a energiei solare si o radiatie termica redusa. La captator este fixata o teava din cupru in forma de serpentina prin care circula agentul termic. Acesta preia caldura de la captator prin teava de cupru. Faptul ca suprafata de captare este strabatuta in forma de serpentina asigura in cazul unui camp de colectori o circulatie uniforma prin fiecare panou solar.
Captatorul este prevazut cu o carcasa foarte bine izolata termic iar acest lucru asigura o reducere la minimum a pierderilor de caldura. Izolatia termica de calitate superioara este rezistenta la temperatura si nu degaja gaze. Ea este fabricata din fibre minerale. Colectorul este acoperit cu un geam de sticla solara. Acesta este caracterizat printr-un continut redus de fier, ceea ce duce la reducerea pierderilor prin reflexie.
Elementele componente sunt:
1. capac din sticla solara;
2. gaz inert;
3. placa absorbitoare din cupru;
4. material termoizolator;
5. carcasa panoului solar;
6. compensator de dilatare;
7. profil de etansare.
Carcasa colectorului este compusa dintr-o rama de aluminiu acoperita cu un strat pulverizat sau este decapata. Fiind
prevazuta cu piese plasate in colturi in care geamul de sticla solara este fixat etans printr-un profil de etansare vulcanizat cu un singur element.

Cota de caldura asigurata prin energie solara
Cota de energie solara asigurata prin energie solara indica procentul de energie necesara pe timp de un an pentru prepararea apei calde menajere asigurat de instalatia respectiva.
Suprafata de captare trebuie dimensionata astfel incat vara sa nu “produca” un exces de caldura in raport cu consumatorul. Cu cat cota de caldura asigurata prin energie solara este mai mare, cu atat este mai mic randamentul, deoarece pentru o cota mai mare trebuie ridicata temperatura pe circuitul solar si astfel cresc pierderile de caldura. In figura 3 se prezinta variatia cotei de caldura in functie de consumul de apa calda menajera si suprafata de captare a panourilor solare, in urmatoarele conditii:
- conditii meteorologice pentru zona de vest a Romaniei;
- acoperisuri orientate spre sud;
- inclinatia acoperisului 45°;
- temperatura apei calde menajere din acumulator de 45 °C;
In figura 4 se prezinta influenta diferitilor parametri asupra cotei de caldura asigurata prin energie solara, plecand de la instalatia de referinta caracterizata prin:
- gospodarie cu 4 persoane cu un consum de apa calda menajera de 200 l/zi;
- suprafata de captare a panourilor solare de 5 m2;
- 45° inclinatia acoperisului;
- orientarea acoperisului spre sud;
- boiler bivalent pentru prepararea apei cakde menajere, capacitate 300 l;
- conditii meteorologice pentru zona de vest a Romaniei.
Barele din figura prezinta cotele de caldura care urmeaza sa fie obtinute prin energie solara in cazul unor abateri de la instalatia de referinta.
Concluzii
Sistemele de preparare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare aduc importante economii de combustibili fosili si implicit conduc la reducerea poluarii mediului ambiant. Rezultatele unui studiu efectuat pe parcursul unui an pe o instalatie solara de preparare a apei calde menajere cu boiler bivalent sustin concluziile mentionate si sunt prezentate in continuare:
a) captatori solari suprafata neta 5 m2, unghi de inclinare 45°, unghi azimutal 0°;
b) boiler bivalent V = 300 ;’
c) sursa suplimentara cazan P = 11 kW;
d) consumator de apa calda menajera, casa unifamiliala;
e) temperatura apei reci 5°C (iarna) - 15°C (vara).
Cota de apa calda asigurata prin energie solara 59,8%
Gradul de utilizare al sistemului 36,2%
Cantitatea de caldura furnizata de circuitul solar 2214 kWh
Radiatie pe suprafata de referinta 6,12 MWh
Caldura necesara pentru prepararea apei calde menajere 2975 kWh
Economie de gaz natural 274 m3
Emisie de CO2 evitata 520 kg
In figura 5 se prezinta variatia cotei de apa calda menajera asigurata pe parcursul unui an calendaristic.
Conf.dr.ing. Mihai Cinca