Curs 3 en PDF

Preview

Summary

Download Curs 3 en PDF

Description

Secţiunea I

CURSURI Facultatea De Stiinte Departamentul de Ingineria Mediului si Stiinte Ingineresti Aplicate Specializarea: Ingineria Mediului Anul de studiu: IV Disciplina: Energii neconvenționale Titular de curs: lect.univ.dr. Marinescu Cicerone Nicolaie UNITATEA DE INVATARE III INSTALAȚII SOLARE

Cuprins: 1.1 Introducere 1.2 Competenţele Unităţii de Învăţare 1.3 Conţinutul Unităţii de Învăţare 1.3.1 Instalaţii solare pentru prepararea apei calde de consum. 1.3.2 Instalaţii solare mixte (clasic-neconvenţional) de preparare a apei calde de consum 1.3.3 Calculul instalaţiilor solare de preparare a apei calde de consum. 1.4 Îndrumar pentru Autoverificare 1.1 Introducere

Deşi atmosfera este foarte transparentă la radiaţia solară incidentă, mai puţin de 25% penetrează atmosfera către suprafaţa pământului făra să interfereze în vreun fel cu atmosfera.

Radiaţia solară directă în atmosferă

1

Constanta solară exprimă cantitatea de energie în calorii primită de la Soare, în timp de un minut, de o suprafaţă de 1 cm2 aşezată perpendicular pe direcţia de propagare a radiaţiei solare, când distanţa de la Pământ la Soare este egală cu valoarea medie. Constanta solară este o mărime fundamentală în fizica atmosferei. Valoarea ei depinde numai de radiaţia fotosferică solară şi practic este constantă în timp.

1.2 Competenţele Unităţii de Învăţare Sunt subsumate următoarele obiective: cunoaşterea noţiunii de instalații solare. clasificarea și caracterizarea tipurilor de instalații solare. 1.3 Conţinutul Unităţii de Învăţare 1.3.1 Instalaţii solare pentru prepararea apei calde de consum Avand la baza succesul obtinut in producerea apei calde menajere obtinut cu panouri solare din ce in ce mai multi decid folosirea panourilor solare si la incalzirea casei. Conditii necesare minime si obligatorii pentru ca un sistem de panouri solare sa functioneze optim la incalzirea unei case sunt: - casa trebuie sa aiba izolatie corespunzatoare - este nevoie de achizitionarea unui alt boiler sau puffer pentru incalzire (separat de boilerul folosit pentru obtinerea apei calde menajere). Cele mai bune performante la sisteme de incalzire cu panouri solare se obtin in cazul caselor bine izolate, cu incalzirea prin pardoseala sau prin perete, sau cu calorifere care functioneaza la temperaturi joase. Avand in vedere conditiile meteorologice si raportul invers intre necesarul de aport de incalzire respectiv intensitatea si numarul orelor insorite iarna, ne confruntam cu faptul ca tocmai iarna cand am avea nevoie de cel mai mare aport la incalzire atunci vom obtine un aport mai mic decat am obtine in timpul verii. Tocmai din aceasta cauza incalzirea cu panouri solare se poate folosi doar ca un sistem complementar pe langa un alt sistem de incalzire ( cu cazan pe lemne, peleti, gaz etc). Dimensionarea este esentiala. In cazul unui sistem cu panouri solare pentru aport la

incalzire suprafata panourilor trebuie sa fie mult mai mare decat dimensiunea panourilor folosite pentru ACM (apa calda menajera). 2

Pe langa panourile montate este necesara si adaugarea unui nou boiler sau puffer, in care va fi stocata apa calda pentru sistemul de incalzire. Separarea de boilerul de apa calda menajera este esentiala, deoarece din boilerul de ACM, apa calda se consuma in continuu, iar apa calda din sistemul de incalzire nu este consumat, numai reincalzit. Pufferul sau boilerul pentru incalzire este iarasi un punct cheie. Foarte mult, si softurile de simulare supradimensioneaza de multe ori pufferul de incalzire. Supradimensionarea pufferului de incalzire poate fi un motiv de esec garantat al intregului sistem de incalzire cu panouri solare. Trebuie luat in calcul volumul apei care circula in sistem, respectiv faptul ca la o casa bine izolata diferenta de temperatura a apei din retur fata de apa care intra in sistem nu va fi mai mare de 10-15 grade C. Deci apa care iese din sistem nu se va raci nicioadata la 10 grade, deci va trebuie doar reincalzita. Iarna cand necesarul de aport la incalzire este mare, trebuie sa tinem cont si de faptul ca de exemplu 6 panouri solare vor incalzi mai usor 300 litri de apa, decat 1000 sau 1500 litri. Apa din boilerul de 300 litri intr-o zi insorita poate sa ajunga si la 30-50 de grade iar daca noi vom folosi un boiler de 1500, temperatura apei nu va ajunge poate nici pana la 20-25 de grade. Incalzirea unui boiler supradimensionat nu ne avantajeaza cu nimic, este mai scump decat un boiler adecvat la marime, iar un boiler mai mare se poate incalzi cu panouri solare mai multe, care la randul lor iarasi produc o cheltuiala in plus. La dimensiunea boilerului de 1000-2000 litri, mai exista si problema sa fie spatiu suficient pe acoperis sau pe alte anexe pentru montarea multitudinii de panouri solare necesare pentru incalzirea optima a boilerului. Recomandarea ce este prezentata pentru ACM + aport la incalzire este: aprox. 3 panouri solare pentru o casa de 80-100 m2, 4 panouri solare la o suprafata de 100-130 m2, 56 panouri solare la o suprafata de 130-150 m2. Normal aceste calcule difera de la caz la caz in functie de mai multi parametri. Recomandare: in cazul in care doriti sa alegeti un sistem cu panouri solare si pentru incalzire, care proiectat in mod optim poate sa va ofere un aport la incalzire in proportie de 30-50% in medie pe an, trebuie sa va ganditi la folosirea acestui sistem si in timpul verii. Vara panourile acestea vor produce mult mai multa energie decat veti avea nevoie pentru apa calda menajera, deci este recomandat ca pe timp de vara sa fie folosit si pentru alte intrebuintari de ex. pentru incalzirea unei piscine. Independenta energetica Independenta energetica poate fi realizata: - la scara mare (pentru comunitati); - la scara redusa (pentru locuinte individuale, case de vacanta sau cabane fara racord electric). Exemplu de calcul energetic pentru o casa cu urmatorii consumatori: Consumatori in curent alternativ (AC) Putere Ore de Zile de functionare functionare (W) pe zi Saptamana Frigider 200 10 7 Televizor color 150 4 7 Receptor satelit 30 4 7 Radio-CD player 35 6 7 3

Rezerva de energie

50

3

7

Consumatori in curent continu (DC) Putere Ore de Zile de functionare functionare (W) pe zi Saptamana Bec 60-eco 11W 44 2 7 -4buc Pentru acoperirea necesarului de consum ar putea fi utilizate: • 10 panouri solare fotovoltaice de 165W si o turbina eoliana de 1000W; • 2 regulatoare de incarcare pentru panouri (turbina eoliana include un regulator propriu); • 10 baterii acumulatori cu ciclu profund; • 1 invertor de 500W la iesirea de 220V AC. Valoarea estimativa a unei astfel de investitii se ridica la cca 4.500 Euro. Intotdeauna dimensionarea sistemului pleaca de la identificarea corecta a consumatorilor si al duratei de utilizare zilnica a acestora. Consumatori

Pompa submersibila pompa centrala pompa ACM sisteme securitate Televizoare Masina spalat Frigider cuptor inductie fier calcat hota calculator aspirator Becuri curte becuri centrala,toaleata becuri etaj becuri parter becuri parter living

Puterea consumatorilor AC in W

Puterea consumatorilor DC in W

Numar consumatori

Tip utilizare zilnic (h)

Puterea consumata orar Wh AC

1500 250 250 30 150 3000 1500 1000 1800 350 100 1500 11

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6

2 24 2 24 7 0.5 1 1 0.2 1 1 0.3 14.00

3000 6000 500 720 1050 1500 1500 1000 360 350 100 450 924

21 15 21 21

4 11 11 30

3 2 6 1

252 330 1386 630 0 0

TOTAL

Consum total orar

Timpul de insorire mediu

20052

22280

668400

3

pe 24h si lunar in W

h

4

Tensiunea bateriei Zile innorate

Puterea necesara panourilor Capacitatea bateriei

48 1.5

V zile

9645 1658

W Ah

41.93487672 panouri 230W 8.288690476 baterii 200 Ah

Componenta unui sistem solar fotovoltaic: • Modul solar - genereaza electricitate din lumina soarelui • Controller - Controleaza puterea catre si de la bancul de baterii • Baterii - Depozitarea energiei electrice • Contoar - prezinta starea sistemului si masoara transferul de energie • Convertor - Schimba curentul continuu de tensiune joasa DC in voltaj ridicat curent alternativ AC • Sisteme de fixare sau traking - fixarea panourilor solare si orientare permanenta catre soare

Domeniul de utilizare Puterea produsa de sistemele fotovoltaice este utila in majoritatea aplicatiilor care includ motoare, pompe, echipamente electrice si iluminare etc Nu este recomandata folosirea sistemelor fotovoltaice in sistemele de incalzire a apei sau a incaperilor (cuptorul cu microunde, prajitoarele de paine se pot folosi datorita timpului redus de lucru). Pentru aceste aplicatii se folosesc sisteme solare dedicate (Incalzire habitat cu sisteme solare). Umbrire Spre deosebire de sistemele de caldura solare, umbrirea in cazul panourilor solare fotovoltaice poate avea un efect important in evolutia sistemului. Unele module solare ofera protectie la umbrirea partiala prin folosirea unei diode intre fiecare celula. Unghi montaj panouri solare Deoarece pozitia soarelui pe cer variaza in functie de anotimp este utila sa aducem corectii pozitiei panoului. Latitudinea +15 grd IARNA si Latitudinea-15 grd VARA. Sfat: Daca nu exista posibilitatea, fixati panoul pentru IARNA , zilele noroase sunt mai multe iar durata zilei este redusa. Ce voltaj de lucru alegem 12 , 24 sau 48V? Alegerea tensiunii de lucru este determinata de dimensiunea sistemului. In cazul sistemelor mici si medii, unde majoritatea consumatorilor sunt DC (curent continuu) sau prin intermediul unui convertor cateva sunt AC (curent alternativ) alegerea e simpla -12 V. De asemenea, modulele solare si consumatorii nu pot fi pozitionati la distanta mare una de alta datorita pierderilor. Sistemele cu 24 V sunt pentru aplicatiile medii si mari datorita pierderilor mai mici si convertoarelor AC mai performante. Cu cresterea eficientei utilitatilor AC, sistemele de 24V si 48V au mai multe avantaje in aplicatiile mari. (modalitate conectare baterii). Controller 5

Controllerul este piesa care determina incarcarea completa a bateriei fara a permite supraincarcarea : -previne scurgerea de energie din baterie catre celula solara pe timpul noptii; -reduce deteriorarea bateriei printr-o descarcare totala; -poate prezenta starea sistemului; -protectie la scurt circuit. Convertor Componenta de baza a unui sistem mediu care transforma curentul tensiune joasa DC in tensiune ridicata curent alternativ AC Caracteristica principala este randamentul dispozitivului. Exemple r

recapitulare:

Sistemele fotovoltaice au productie cu fluctuaţii foarte mari în decursul unui an: întro-zi cu cerul senin, în luna iunie poate produce de 5 ori mai mult decât într-o zi noroasă din decembrie. Din acest motiv, producţia sistemelor se calculează pe producţii anuale, care se pot calcula în funcţie de amplasamentul, orientarea şi înclinaţia panourilor. În general se poate afirma, că un sistem fotovoltaic de puterea instalată de 1 kWp, în România, orientat către sud, cu înclinaţia de 35-40 grade poate produce anual în jur de 1150kWh (poate varia în funcţie de locaţia instalării). În cazul sistemelor fotovoltaice conectate la reţea, calculul este relativ simplu: trebuie doar să citiţi consumul lunar de pe factura de electricitate (se recomandă citirea pe cât mai multe luni). Pe baza acestor date lunare se calculează consumul anual, care apoi se împarte cu producţia anuală mai sus amintită, şi veţi obţine capacitatea instalată necesară. Deseori apare intrebarea ce tip de panou sa-mi instalez? Care este mai rentabil? Ce stie unul si ce stie celalalt? Am incercat sa comparam cat se poate de obiectiv cele doua mari tipuri de panouri solare termice: panourile plane si panourile cu tuburi vidate.

1.3.2 Instalaţii solare mixte (clasic-neconvenţional) de preparare a apei calde de consum

Panouri cu tuburi vidate “heat pipe”

Panouri plane

Constructia: tuburi de sticla, din care se extrage Constructia: carcasa inchisa si izolata, care aerul, astfel vidul creat ofera izolatie perfecta. In tub cuprinde colectorul sub o sticla plana. exista un conductor din cupru – de aici denumirea “heat pipe”. 6

In prezent 90% din sistemele de incalzire solara sunt construite cu panouri plane. (tehnica cu tuburi vidate a aparut mai tarziu)

Din cauza constructiei: se elimina aparitia Din cauza constructiei: aerul existent intre condensului si a pierderilor de caldura prin izolarea suprafata absorbanta si sticla permite aparitia fata de mediul exterior, de aceea tuburile vidate nu-si pierderilor de caldura, mai ales la temperaturile schimba performantele pe durata lor de utilizare. exterioare scazute. Poate aparea condensul, care Unii producatori de tuburi vidate nu au reusit sa va afecta colectorul prin coroziune, reducand perfectioneze inca tehnica de asamblare a tuburilor si performanta acestuia. La unele tipuri mai noi se dopul de la capatul tuburilor “se lasa cu timpul” deci foloseste o tehnica speciala prin care se absoarbe nu va mai asigura vidul si va trebui inlocuit. aerul din panou, se creaza un vid, (ca si la tuburi vidate) dar aceste tipuri de panouri inca sunt rare si mult mai costisitoare.

Lichidul din colector: un antigel special, lichid de monopropilenglicol. Tuburile “heat pipe” au o autolimitare a temperaturilor maxime, datorita in special lichidului din interior. Din aceasta cauza sistemul se opreste sau stagneaza de la o anumita temperatura a lichidului, pentru a mentine siguranta elementelor sistemului.

Lichidul din colector: poate fi apa sau un antigel special. Exista riscul blocarii din cauza bulelor de aer. In cazul in care in colector circula apa pot aparea probleme de coroziune. Panourile plane nu au o metoda de autolimitare a temperaturii si trebuie sa utilizeze dispozitive exterioare pentru control. Daca aceste sisteme nu functioneaza bine poate aparea distrugerea sistemului.

Instalare: instalare mai greoaie din cauza Instalare: Usor de instalat, fiecare tub fiind independent. In cazul unor defectiuni se inlocuieste gabaritelor mari. In cazul unor defectiuni se inlocuieste tot panoul. Se monteaza obligatoriu doar tubul cu probleme. cu orientare spre sud in locuri fara umbra. Se pot monta si la unghiuri diferite de 45º, in functie de arhitectura cladirii. Se recomanda orientarea spre sud.

Pret/performanta: din cauza tehnicii folosite si a Pret/performanta: din cauza tehnicii folosite si performantei mai ridicate comparativ cu panourile a performantei mai scazute mai ales in timpul plane, pretul panourilor cu tuburi vidate este mai iernii pretul panourilor plane este mai scazut. ridicat. In general sunt mai performante decat panourile plane si au o performanta mai ridicata mai ales pe timpul iernii.

Concluzii: fie alegeti panouri plane sau cu tuburi vidate este important sa comparati urmatorii parametrii: randamentul panourilor/suprafata colectoare, randamentul in timpul iernii, pretul, calitatea/producatorul. 7

Cum funcționează o instalație cu panouri solare fotovoltaice?

Panourile solare fotovoltaice sunt confecţionate din celule fotovoltaice. Aceste celule fotovoltaice sunt făcute din straturi de materiale semiconductoare. Energia solară ajunsă pe suprafaţa panoului solar fotovoltaic, crează un câmp electric între aceste straturi şi astfel se produce curent electric. Intensitatea luminii determină cantitatea curentului produs. Ce fel de curent produc panourile fotovoltaice? Panourile solare fotovoltaice pot produce curent şi în zilele noroase captând lumina difuză printre nori. Panourile solare fotovoltaice produc curent continuu care este transformat de invertor în curent alternativ de 220V/50Hz (folosit in uz casnic). În cazul sistemelor fotovoltaice tip insulă acest curent este stocat în acumulatori speciali, iar încărcarea acestor acumulatori este controlat de regulatorul de încărcare solar. În cazul instalațiilor fotovoltaice conectate la reţea nu avem nevoie de acumulatori şi nici de regulator de incărcare, curentul nefiind stocat: este consumat imediat sau intră direct in reţea.

Tipuri de instalații solare fotovoltaice Sisteme fotovoltaice tip insulă Componentele instalației fotovoltaice tip insulă: panouri solare fotovoltaice, invertor, regulator de incărcare, acumulatori. Domenii de aplicare: la case de locuit/case de vacanţă care nu se pot racorda la reţeaua naţională de electricitate, sau la case “autonome”.

8

Avantaje / dezavantaje instalații fotovoltaice tip insulă: - nu poate furniza necesarul de energie electrică tot anul, în principiu iarna, când radiaţia solară este foarte redusă– este nevoie de alte surse, de exemplu un generator de curent pe combustibil, care poate completa necesarul de energie; - în ceea ce priveşte costurile, un astfel de sistem costă aproximativ dublu faţă de un sistem conectat la reţea, din acest motiv este recomandat in zone fără electricitate sau unde conectarea la reţea este foarte costisitoare; - sistemele tip insulă necesită intreţinere, necesită acumulatori speciali; - ca şi avantaj se poate aminti faptul, că veţi fi independenţi de reţeaua de electricitate, nu veţi fi afectat de eventualele întreruperi de curent, şi nici de preţul în creştere a electricităţii, respectiv faptul că instalrea unui sistem fotovoltaic tip insulă nu necesită autorizări. Despre acumulatori: acumulatorii in aceste sisteme fotovoltaice funcţionează în mod ciclic (sunt incărcate si descărcate zilnic). Din acest motiv, acumulatorii de maşină în sisteme fotovoltaice nu rezistă mai mult de 1-1,5 ani. Sistemele fotovoltaice performante se construiesc cu acumulatori speciali solari (cu gel sau AGM). Aceștea costă mai mult, dar rezistă la funcţionare cilcică, şi pot avea durată de viață între 6-10 ani, în funcţie de model. Sisteme fotovoltaice conectate la reţea Componentele instalației fotovoltaice conectate la rețea: panouri solare fotovoltaice, invertor. Domenii de aplicare: la orice locuinţă care poate fi autorizată la conectare la reţea.

9

Avantaje / dezavantaje instalații fotovoltaice legate la rețea: - ca şi avantaje, putem enumera următoarele: nu necesită intreţinere, surplusul de electricitate produs la un moment dat este preluat de reţea, şi se va compensa cu consumul de energie; - costurile de implementare sunt mai reduse faţă de sistemele tip insulă; - pe de altă parte: necesită autorizări şi contracte cu autorităţile din domeniu; - în cazul unei întreruperi de curent, nici sistemul fotovoltaic nu va furniza energie. 1.3.3 Calculul instalaţiilor solare de preparare a apei calde de consum Dimensionarea unui sistem fotovoltaic Sistemele fotovoltaice au productie cu fluctuaţii foarte mari în decursul unui an: întro-zi cu cerul senin, în luna iunie poate produce de 5 ori mai mult decât într-o zi noroasă din decembrie. Din acest motiv, producţia sistemelor se calculează pe producţii anuale, care se pot calcula în funcţie de amplasamentul, orientarea şi înclinaţia panourilor. În general se poate afirma, că un sistem fotovoltaic de puterea instalată de 1 kWp, în România, orientat către sud, cu înclinaţia de 35-40 grade poate produce anual în jur de 1150kWh (poate varia în funcţie de locaţia instalării). Dimensionarea sistemului fotovoltaic legat la rețea 10

În cazul sistemelor fotovoltaice conectate la reţea, calculul este relativ simplu: trebuie doar să citiţi consumul lunar de pe factura de electricitate (se recomandă citirea pe cât mai multe luni). Pe baza acestor date lunare se calculează consumul anual, care apoi se împarte cu producţia anuală mai sus amintită, şi veţi obţine capacitatea instalată necesară. Dimensionarea sistemului fotovoltaic tip insulă În cazul sistemelor fotovoltaice tip insulă calculul este mult mai complicat: trebuie ştiut atât consumul lunar, cât şi vârful de consum la un moment ...