Energie din resurse regenerabile

Energie din resurse regenerabile

Energia regenerabila este captata din fluxuri de energie produse de diferitele procese naturale cum ar fi lumina soarelui, vant, ape curgatoare, procese biologice sau fluxuri de energie geotermala. Aceste fluxuri naturale de energie sunt reimprospatate rapid de catre procesele naturale care le genereaza. Cele mai multe forme de energie regenerabila provin tot de la soare, exceptie facand energia geotermala si cea produsa de maree.

De ce energie solara?

Este gratuita! Nu este influentata in nici un fel de cresteri de pret.

Instalatiile nu necesita practic nici un fel de intretinere.

Este regenerabila si nepoluanta.

Energia solara este practic inepuizabila. Este cea mai curata forma de energie de pe pamant si este formata din radiatii calorice, luminoase, radio sau de alta natura emise de soare. Cantitatile uriase ale acestei energii stau la baza aproape tuturor proceselor naturale de pe Pamant. Cu toate acestea, este destul de dificila captarea si stocarea ei intr-o anumita forma (in principal caldura sau electricitate) care sa pemita utilizarea ei ulterioara.

Energia solara poate incalzi locuintele in mod pasiv, datorita constructiei acestora (casele pasive) sau poate fi stocata in acumulatoare termice sub forma de energie termica. Caldura generata solar se poate folosi in principal la prepararea apei calde menajere, incalzirea agentului termic responsabil de temperatura ambianta a casei si incalzirea piscinelor. Exista chiar si instalatii de aer conditionat bazate pe caldura solara, unde aceasta reprezinta energia principala necesara racirii aerului.

Utilizarea energiei solare reprezinta la nivel global cea mai eficienta metoda de a aduce caldura in locuinte. in general, cantitatea de caldura solara ce cade asupra acoperisului unei case este mai mare decat energia totala consumata in casa.

Cu mijloace simple, eficiente constructiv, se poate utiliza energia solara pentru a reduce sau chiar pentru a inlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dintr-o locuinta moderna.

Colectoare solare

Principalele tipuri de colectoare solare folosite in aplicatiile obisnuite sunt colectoarele plane si cele cu tuburi vidate. Colectoarele plane s-au folosit pe scara larga datorita pretului mai scazut. Colectoarele cu tuburi vidate - mai scumpe dar mai performante se utilizeaza de mai bine de douazeci de ani. In ultima vreme preturile au devenit accesibile datorita seriilor mari de fabricatie si a avansului tehnologic. Acestea din urma se utilizeaza in special la aplicatiile unde este necesara o temperatura mai ridicata sau la instalatiile complexe, care genereaza atat apa calda menajera cat si caldura pentru incalzirea locuintelor.

La aceasta ora, recomandarea tehnicienilor se indreapta tot mai mult inspre colectoarele cu tuburi vidate datorita gradului ridicat de izolare termica, a eficientei lor mult crescute si a scaderii continue a pretului.

Colectoare plane

In general, colectoarele plane sunt formate dintr-o retea de tevi din material termoconductor (cupru, in general) cu aripioare din tabla pentru cresterea suprafetei de captare. Tot acest ansamblu este asezat intr-o cutie bine izolata termic. Aceasta cutie are peretele dinspre soare transparent (din sticla cu transparenta ridicata) iar suprafata tevii si a aripioarelor metalice este acoperita cu un strat selectiv care faciliteaza absorbtia radiatiilor solare si limiteaza in acelasi timp reflexia acestora.

Eficienta acestui tip de colectoare este mai redusa decit a colectoarelor cu tuburi vidate - la suprafete de captare similare - dar pretul de cost este si el mai scazut.

Exista asemenea colectoare plane in multiple variante constructive, iar recent eficienta lor a fost imbunatatita simtitor.

Colectoare cu tuburi vidate

Tub termic

Tuburile termice se folosesc pentru a transfera caldura de la un corp cald la un corp rece. Tubul termic este o teava din cupru sau alt metal termoconductor, inchisa la ambele capete, care contine un agent cu schimbare de faza. Acest agent cu schimbare de faza este de fapt un fluid care in anumite conditii de presiune fierbe la o temperatura joasa (2530C), trecand din faza lichida in faza gazoasa. Pentru a trece in faza gazoasa, fluidul absoarbe o anumita cantitate de caldura numita caldura latenta de vaporizare. Aceasta cantitate de caldura va fi cedata la trecerea inversa din faza gazoasa in faza lichida. La tubul termic schimbarea inversa de faza are loc la un capat al sau numit condensator. Aici agentul cu schimbare de faza se condenseaza si cedeaza caldura absorbita la evaporare. In timpul functionarii tubului termic acest ciclu are loc continuu, caldura fiind transferata de la corpul cald la corpul rece.

La colectoarele solare cu tuburi vidate condensatorul este introdus intr-o teaca din corpul colectroului imersata in agent termic sau apa de incalzit. Agentul termic sau apa de incalzit reprezinta corpul rece, iar partea tubului vidat cu depunere selectiva care se incalzeste de la soare este corpul cald.

Tuburile vidate constituie elementul cheie al captarii energiei solare. La origine un proiect dezvoltat de Universitatea din Sydney, Australia, acest sistem de tuburi sunt actualmente larg utilizate in Germania, Canada, Marea Britanie si China datorita performantelor lor tehnice si a pretului scazut.

Fiecare tub este format din doua tuburi concentrice din sticla borosilicat (foarte rezistenta si cu un grad de transparenta ridicat), sudate intre ele. Spatiul dintre cele doua tuburi se videaza iar suprafata interioara a tubului interior se acopera cu un strat selectiv cu excelente proprietati de absorbtie a radiatiei solare (>92%) si cu o reflexivitate foarte redusa (<8%). Caldura este transferata agentului termic sau in mod direct, sau cu ajutorul unui tub termic. Vacuum-ul dintre cele doua tuburi formeaza un fel de 'termos' astfel incat - desi temperatura in interior ajunge la 150C - la exterior tubul este rece. Aceasta proprietate face instalatia utilizabila si in climate foarte reci, colectoarele cu tuburi fiind mai eficiente decat colectoarele solare clasice, plane.

Exista si alte tipuri de colectoare cu tuburi vidate, iar dintre acestea amintim colectoarele cu tuburi vidate simple, cu placuta de absortie. Tuburile de acest tip au in interior o teava din cupru cu aripioare, care maresc suprafata de absortie a ansamblului. Elementul de absortie este acoperit cu un strat selectiv, iar teava din cupru este de fapt un tub termic care transfera caldura absorbita la capatul superior, unde este preluata de agentul termic sau de apa de incalzit. Acest tip de tuburi au inertie termica mai redusa si randament mai bun. Cu toate acestea, costul lor ridicat a limitat uzul colectoarelor cu astfel de tuburi pe scara larga.

Dimensionare

La dimensionarea suprafetei de colectare pentru o instalatie solara trebuie luati in considerare doi factori - nivelul de insolatie si necesarul energetic. In cazul instalatiilor solare pentru producerea apei calde menajere, necesarul energetic se determina din volumul de apa de incalzit si diferenta de temperatura dorita. Odata cunoscuti acesti factori, se poate trece la determinarea suprafetei de colectare necesare. Cu cat suprafata de colectare este mai mare, cu atat se poate incalzi un volum de apa mai ridicat. Cu toate acestea, cantitatea de apa calda produsa trebuie corelata cu consumul pentru ca instalatia sa fie eficienta economic. In general este de dorit ca suprafata de colectare aleasa sa acopere 90% din necesarul de apa calda menajera de pe durata verii si un anumit procent in restul anotimpurilor, cu minimul in timpul iernii.

Valoarea de 90% pe durata verii este justificata deoarece consumul de apa calda in aceasta perioada are loc dupa tipare diferite de cele normale - dusuri mai reci in zilele cu arsita sau perioade de una sau doua zile cu consum redus de apa calda, la sfarsit de saptamana cand casa ar putea fi goala. In concluzie, valoarea de 90% e mai apropoata de realitate si va duce la o instalatie care va acoperi integral consumul pe apa calda manajera pe durata verii, fara a produce pierderi prin evaporare si energie in exces.

Din calcul va rezulta numarul minim si maxim de tuburi necesare pentru incalzirea unei cantitati de apa date, in anumite conditii. Din acest interval se va alege o valoare realizabila cu tipurile de module disponibile. In cazul in care din calcul rezulta un numar de tuburi care nu poate fi realizat cu tipurile de module disponibile, rotunjiti pana la cea mai apropiata valoare inferioara - pentru a evita generarea de caldura in exces pe durata verii.

Nivelul de insolatie

Nivelul de insolatie este cantitatea de energie solara care patrunde in atmosfera si cade pe suprafata pamantului. Aceasta cantitate de energie variaza in functie de latitudine, altitudine si perioada anului. Nivelul de insolatie este de obicei exprimat ca medie anuala sau lunara, in killowati-ora pe metru patrat. Pentru a corela mai usor aceasta marime cu consumul zilnic de energie termica, nivelul de insolatie se exprima ca medie lunara in kWh/m2/zi.

Zonele de insorire

Nivelul de insolatie se poate determina in functie de locatie cu ajutorul unor harti de insolatie. O astfel de harta, prezentata alaturi imparte tara noastra in trei zone principale de insorire: zona 0 (>1250 kWh/m2/an), care coincide practic cu litoralul Marii Negre, zona I (1150-1250 kWh/m2/an) care include in mare parte regiunile carpatice si subcarpatice si zona II (1000-1150 kWh/m2/an), compusa in principal din regiunile de ses. Aceasta harta reprezinta zonarea Romaniei in functie de nivelul mediu anual de insolatie. Valorile zilnice obtinute impartind valoarea medie anuala la numarul de zile dintr-un an, reprezinta valori medii. Dimensionarea unei instalatii solare se poate face si la valoarea medie anuala raportata la numarul de zile dintr-un an, insa in acest caz instalatia va produce caldura in exces pe perioada de vara.

Media lunara de insorire

Pentru o dimensionare economica a instalatiilor solare pentru apa calda, este indicat sa se foloseasca nivelul mediu de insolatie a lunilor martie - octombrie. Valorile medii lunare a nivelului de insolatie se pot extrage din tabele sau din grafice. Un astfel de grafic este prezentat alaturi. Tabelele cu valori medii lunare nu difera de grafice decat prin modul de prezentare a informatiei. Folosind valorile tabelate se pot ridica grafice.

Graficul prezentat alaturi reprezinta valoriile medii lunare ale insolatiei pentru municipiul Bucuresti. In acest caz, valoarea medie a insolatiei lunilor martie - octombrie este de 4,56 kWh/m2/zi, media anuala fiind de 3,56 kWh/m2/zi. Dupa cum se observa din grafic, valoarea maxima este de 6 kWh/m2/zi. Daca am dimensiona instalatia tinand cont de media anuala, in luna iulie aceasta ar produce un surplus de caldura de 70%. Comparativ, daca dimensionam tinand cont de media lunilor martie - octombrie, surplusul de energie generat se reduce la 30%.

In cazul instalatiilor solare care furnizeaza si o parte din energia termica necesara incalzirii spatiilor de locuit, dimensionarea se face la o valoare egala sau inferioara mediei anuale. Surplusul de energie de pe perioada verii poate fi folosit la incalzirea apei dintr-o piscina.

Necesarul energetic

Necesarul energetic este cantitatea de energie necesara pentru a ridica temperatura unui consumator cu o anumita valoare. Consumatorul de energie termica poate fi de exemplu un boiler folosit la prepararea apei calde manajere, o cladire, o piscina, etc. Diferenta de temperatura se stabileste in functie de cerintele fiecarei aplicatii.

Apa calda menajera

Consumul de apa calda menajera se determina in functie de numarul de persoane care utilizeaza aceasta resursa. Intr-o gospodarie, fiecare locuitor consuma zilnic o cantitate de 50-60 litri de apa calda la temperatura de 55-60C. Daca ne referim la un hotel sau o pensiune, cantitatea de apa calda luata in calcul se ridica la 95 de litri zilnic pentru fiecare turist, sau 143 de litri zilnic pentru fiecare camera dubla (cu un grad de ocupare de 1,5 turisti/camera).

Incalzirea cladirilor

Pentru incalzire calcului se face in functie de media lunara a insoririi pe metru patrat. De exemplu, la Cluj, in luna aprilie putem obtine o cantitate de caldura de cca 4,2 kW, in medie, zilnic, de pe o suprafata de colector de un metru patrat. Inmultind cu suprafata totala a colectoarelor putem obtine cantitatea de caldura produsa zilnic de instalatie. Necesarul energetic al unei cladirii se poate determina pornind de la consumul mediu lunar de combustibil conventional folosit pentru incalzire.

Incalzirea piscinelor

Pentru incalzirea piscinelor avem de a face cu un caz particular. O estimare foarte aproximativa se poate face astfel: pentru a avea o temperatura de cca. 28C in piscina timp de 5 luni pe an (mai-septembrie), inmultim suprafata piscinei cu un coeficient de 0,7 si aflam suprafata necesara a colectoarelor solare. Desigur, trebuie respectate niste conditii minimale, dintre care cea mai importanta este acoperirea piscinei pe perioada in care nu este utilizata deoarece pierderile datorate evaporarii apei constituie 70% din pierderea totala de caldura.

Sisteme pasive directe cu termosifonare

Principiul de functionare al instalatiilor solare cu termosifonare se bazeaza pe fenomenul de convectie naturala a apei. Rezervorul de acumulare este montat deasupra colectorului solar tocmai din acest motiv. Apa din panoul solar se incalzeste de la soare si se ridica in rezervor, fiind inlocuita de un volum echivalent de apa rece. Pe perioadele insorite, acest ciclu se reia pana cand sistemul se satureaza, adica in jurul temperaturii de 95-97C in cazul instalatiilor nepresurizate.

Noaptea, sau pe perioadele cu cer acoperit cand radiatia solara nu mai ajunge la colector, apa din interiorul acestuia nu mai este incalzita, iar convectia naturala nu mai are loc. In acest mod, sistemele pasive cu termosifonare pastreaza caracteristicile operationale ale instalatiilor active, fara a avea insa nevoie de pompe si automatizari.

Apa deja incalzita este pastrata in rezervorul bine izolat de deasupra colectorului. Din acest motiv, un astfel de sistem pierde mai putina caldura peste noapte comparativ cu un colector solar integral cu stocare. Principalul dezavantaj al sistemelor cu termosifonare care folosesc colectoare plane este pericolul de inghet. In cazul colectoarelor cu tuburi vidate, riscul de inghet este mult redus din cauza gradului de izolare mult mai bun la nivelul colectorului. Exista si sisteme indirecte cu termosifonare care incearca sa rezolve problema inghetului folosind un circuit primar cu antigel si un schimbator de caldura, insa randamentul lor este mai scazut decat cel al colectoarelor cu tuburi vidate si transfer direct de caldura. Cele mai multe instalatii cu termosifonare sunt nepresurizate, ceea ce constituie un alt dezavantaj. Pentru ca apa la iesirea din rezervor sa aiba presiune acceptabila, colectorul trebuie montat la inaltime. In caz contrar, presiunea trebuie produsa prin alte mijloace.

Avantaje

constructie simpla, pasiva

cost redus

pierderi scazute pe durata noptii

nu necesita pompe, automatizari, curent electric

Dezavantaje

greutate ridicata

mai putin estetice

instalatiile nepresurizate necesita cadere

risc de inghet la instalatiile cu colectoare plane

Sisteme pasive indirecte

Exista mai multe tipuri de sisteme solare pasive indirecte. Toate folosesc elemente intermediare - uzual un schimbator de caldura sau tuburi termice - pentru transferul caldurii de la colectorul solar la apa de incalzit. Acest element intermediar a fost introdus pentru a elimina anumite neajunsuri ale instalatiilor pasive cu termisifonare.

Principalele tipuri constructive sunt cele cu tuburi vidate superconductoare si cele cu circuit intermediar cu antigel. Primul tip beneficiaza de toate avantajele colectoarelor solare cu tuburi vidate obisnuite, avand in plus avantajul functionarii sub presiune. Modul de functionare al tuburilor vidate superconductoare se bazeaza pe principiul tubului termic. Fiind pasive, acest tip de colectoare solare au un rezervor integrat prevazut cu mai multe teci in care se introduc capetele tuburilor termice. Caldura de la tuburile vidate este transmisa prin intermediul tuburilor termice si a acestor teci la apa din rezervorul integrat incalzind-o. Datorita faptului ca nu exista apa in interiorul tuburilor vidate superconductoare, deteriorarea unui tub nu scoate instalatia din functiune ci ii diminueaza doar puterea.

Al doilea tip constructiv foloseste un circuit intermediar cu antigel care functioneaza prin termosifonare. Apa din rezervor se incalzeste de la antigelul firebinte prin intermediul unul schimbator de caldura. Aceasta solutie se foloseste in cazul colectoarelor solare plane.

Sistemele pasive indirecte rezolva unele neajunsuri ale instalatiilor directe, cu termosifonare, pe seama diminuarii randamentului. Este eliminata problema inghetului si a nefunctionarii sub presiune. In cazul variantei cu tuburi vidate superconductoare diminuarea randamentului este mult mai mica decat la cea de-a doua varianta.

Avantaje

constructie simpla, pasiva

functioneaza sub presiune

nu prezinta risc de inghet

pierderi scazute pe durata noptii

nu necesita pompe, automatizari, curent electric

Dezavantaje

greutate ridicata

mai putin estetice

Sisteme active directe

Sistemele active directe, cunoscute si sub numele de sisteme cu circuit deschis sau in bucla deschisa folosesc o pompa pentru recircularea apei de incalzit prin colectorul solar. Caldura de la colector este transferata direct apei de incalzit, fara elemente intermediare. Apa calda menajera se stocheaza intr-un rezervor sau intr-un boiler.

La aceste sisteme nu mai exsita restrictia instalarii rezervorului de stocare deasupra colectorului solar ca si la instalatiile pasive, deoarece circulatia apei este asigurata de catre pompa. Pompa este comandata de catre un controler si functioneza doar atunci cand temperatura apei din colector este mai ridicata decat cea a apei din rezervor. In acest fel se asigura transferul optim de caldura de la colectorul solar la rezervor.

Modularitatea si scalabilitatea este principalul avantaj al sistemelor active. Aceste instalatii pot folosi ambele tipuri de colectoare solare - plane sau cu tuburi vidate - si o multitudine de tipuri si dimensiuni de rezervoare de stocare sau boilere. Suprafata de coelctare se poate extinde usor, iar pe partea de stocare se pot adauga rezervoare in plus pentru extinderea capacitatii. Acest lucru este foarte important, mai ales la in instalatiile mai complexe.

Folosirea instalatiilor active directe nu este recomandata in zone in care apa este de calitate problematica, din cauza riscului depunerilor de calcar. In climatele reci, aceste instalatii trebuie adaptate pentru a elimina riscul de inghet. Exista mai multe solutii pentru prevenirea inghetului. Una dintre solutiile folosite presupune golirea automata a colecoarelor si a tevilor care le deservesc atunci cand pompa nu functioneaza. Sistemele solare care folosesc aceasta solutie se numesc sisteme cu scurgere.

O alta solutie pentru prevenirea inghetului presupune recircularea apei din rezervor prin instalatia soara, doar atat cit sa o mentina deasupra limitei de inghet (de exemplu la 4C). Desi mentinerea temperaturii se face cu pierderi minimale de energie, aceasta solutie este foarte protrivita mai ales acolo unde apa se stocheaza intr-un boiler - care dispune de o alta sursa de energie termica decat cea solara.

Avantaje

eficienta ridicata

pierderi reduse

modularitate, flexibilitate

scalabilitate

Dezavantaje

nu pot fi folosite in zone cu apa dura

Sisteme active indirecte

Sistemele active indirecte, se mai numesc si sisteme cu circuit inchis sau in bucla inchisa si folosesc o pompa pentru recircularea unui agent termic prin colectorul solar. Caldura de la colector este transferata indirect apei de incalzit, prin intermediul unui schimbator de caldura. Apa calda menajera se stocheaza intr-un boiler.

La sistemele active nu exista restrictia instalarii boilerului desupra colectorului solar ca si la instalatiile pasive, deoarece sunt sisteme cu circulatie fortata. Ca si la sistemele active indirecte, pompa este comandata de catre un controler si functioneza doar atunci cand temperatura lichidului din colector este mai ridicata decat cea a apei din rezervor.

La fel ca si sistemele in bucla deschisa, aceste instalatii beneficiaza de aceleasi avantaje - modularitate si scalabilitate. Diferenta consta doar in modul in care se realizeaza transferul de caldura de la colector la apa de incalzit.

Pentru a elimina problema depunerilor de calcar care apare la instalatiile in bucla deschisa, intre colector si sarcina a fost intercalat un schimbator de caldura. Astfel parametri agentului termic din circuitul colectorului solar pot fi controlati mult mai strict. Unele instalatii solare in bucla inchisa folosesc un amestec special de apa, glicol si agenti anti-coroziune, non-toxic si cu punct scazut de inghet. In acest mod se elimina nu numai problema depunerilor de calcar ci si problema inghetului, prelungind totodata durata de viata a instalatiei. Cu toate acestea, randamentul instalatiei scade putin, din cauza ca acest amestec are un coeficient de transfer termic mai prost decat apa.

Pentru a maximiza randamentul, eliminand simultan problemele amintite anterior se poate recurge la o alta solutie - un sistem cu golire. Acesta este tot un sistem cu circuit inchis, care insa foloseste apa distilata ca agent termic primar. Pentru a evita problema inghetului, colectoarele solare si tevile care le deservesc sunt golite automat intr-un rezervor atunci cand pompa nu functioneaza. Spre deosebire de sistemele cu scurgere, la acest tip de instalatie circuitul colectorului solar nu este sub presiune, golirea avand loc gravitational.

Mai exista o alta solutie pentru prevenirea inghetului care presupune recircularea apei prin circuitul coelctorului, doar atat cit sa o mentina deasupra limitei de inghet (de exemplu la 4C). Aceasta solutie este potrivita mai ales acolo unde apa calda menajera se stocheaza intr-un boiler care dispune de o alta sursa de energie termica.

Avantaje

eficienta ridicata

pierderi reduse

modularitate, flexibilitate

scalabilitate

Dezavantaje

randament putin mai scazut decat la sistemele directe