Energia solară. O resursă inepuizabilă pentru producerea de apă caldă

Lumina şi căldura de la soare reprezintă forme de energie de care putem beneficia fără costuri. Valorificarea acestora pentru producerea de energie termică şi electrică este cunoscută şi aplicată în sisteme solar-termice şi, respectiv, prin sisteme fotovoltaice.

Necesarul de energie al umanităţii poate fi asigurat din lumina soarelui

Global, Pământul primeşte 157 TW (157 miliarde kW) energie solară, iar puterea totală a echipamentelor termice şi electrice instalate pe întreg Globul nu depăşea 18 TW în 2010. Astfel, energia solară ar putea satisface, prin procese eficiente, întreg necesarul de energie al umanităţii. Extinderea pe scară largă a sistemelor de conversie a energiei solare este limitată deocamdată de randamentul (eficienţa) şi costurile asociate. Viitorul apropiat şi mediu este deschis sistemelor din ce în ce mai performante pentru conversia energiei solare, iar epuizarea accelerată a combustibililor tradiţionali şi efectele utilizării lor asupra mediului vor determina căutarea altor surse de energie.

Tranziţia către utilizarea pe scară mult mai largă a energiei solare a început deja. În România sunt instalate numeroase parcuri fotovoltaice care produc energie electrică injectată direct în reţea. Deşi sustenabile, aceste parcuri implică doar într-o mică măsură comunităţile în preajma cărora sunt implementate, astfel încât acestea au un beneficiu economic limitat, iar contribuţia lor efectivă la dezvoltarea durabilă este mai puţin conturată.

Utilizarea directă a sistemelor de conversie a energiei solare în comunităţi şi la utilizatorii individuali reprezintă următorul pas pentru care România trebuie să fie pregătită conform cadrului legislativ european.

Utilizarea energiei solare pentru producerea de energie termică are numeroase aplicaţii care sunt direct implementabile în zonele climatice specifice României pentru producerea de apă caldă menajeră, de agent termic pentru încălzirea locuinţelor sau pentru procese industriale şi agricole (uscare, deshidratare) şi, mai recent, producerea de agent termic pentru sisteme solare de răcire.

Apa caldă menajeră, cea mai răspândită aplicaţie a conversiei solar-termice

Producerea de apă caldă menajeră este, la ora actuală, cea mai răspândită aplicaţie a conversiei solar-termice. Desigur, încălzirea apei la soare este un proces cunoscut şi care se realizează spontan. Acest fenomen este limitat de pierderile de căldură ale apei încălzite, iar pierderile sunt cu atât mai mari cu cât apa caldă (sau agentul termic) este mai expus mediului ambiant. De aceea, apa dintr-un bazin mic nu se încălzeşte mai mult de 30…32°C, în timp ce apa dintr-un recipient negru poate atinge temperaturi de 45…50°C, convenabile pentru utilizarea în scopuri casnice şi de igienă (apa caldă menajeră). Aceste temperaturi se ating atunci când radiaţia solară este din abundenţă, în special în timpul sezonului de vară. Pentru a extinde utilizarea energiei solare şi în anotimpuri când radiaţia solară este mai slabă este necesară utilizarea de colectoare solar-termice, pentru care pierderile de căldură către mediul ambiental sunt mult mai reduse. Pentru producerea de apă caldă menajeră, recomandate sunt două tipuri: colectoare plan-plate şi, respectiv, colectoare cu tuburi vidate, care diferă prin eficienţă: pentru gospodării individuale sunt suficiente colectoarele solare plan-plate, în timp ce pentru consumatori mai mari (pensiuni, hoteluri, grupuri de gospodării) se recomandă colectoarele cu tuburi vidate. Instalaţiile solar termice pentru producerea de apă caldă menajeră recomandate pentru climatul României includ şi o sursă de rezervă care intervine atunci când energia solară nu este suficientă pentru a acoperi întreg necesarul beneficiarului.

Date necesare pentru proiectarea instalaţiilor

Instalaţia cu colectoare solar-termice este simplă constructiv, iar operaţiunile de întreţinere sunt identice cu cele ale oricărei instalaţii pentru producerea apei calde.

Pentru o dimensionare corectă a instalaţiei, trebuie evaluat disponibilul de radiaţie solară în locaţia de implementare. Acesta este maxim atunci când colectoarele sunt instalate cu orientare către sud şi înclinate la un unghi optim. Proiectarea corectă se realizează utilizând date specifice locaţiei de implementare (sau valori înregistrate la staţii meteo din apropiere). O altă dată necesară în proiectare este consumul de apă caldă menajeră. În estimare se pot utiliza normative naţionale care reglementează consumurile, cu valori cuprinse între 35 (consum redus) şi 100 (consum ridicat) de litri per zi şi persoană. Normativele diferenţiază consumatorii şi în funcţie de tipul lor (gospodării individuale, hoteluri, pensiuni etc.).

Datele de radiaţie şi de consum permit evaluarea ariei colectoarelor şi, respectiv, al numărului acestora, în funcţie de caracteristicile specifice (suprafaţă, eficienţă de conversie). Pentru o familie cu patru membri, într-o gospodărie situată în zona montană, necesarul de apă caldă menajeră cu temperatura de 60°C pentru un consum maximal de 100 L/persoană şi zi poate fi integral satisfăcut în perioada aprilie - septembrie de o suprafaţă totală a colectoarelor de 10 m2 (4 colectoare) dacă se utilizează colectoare plan-plate cu eficienţă medie (60%) sau de către trei colectoare eficiente (80%). Pentru perioade de tranziţie (februarie – martie, octombrie – noiembrie) se poate acoperi între 50…80% din necesar, iar pentru perioada rece necesarul de apă caldă este satisfăcut în proporţie de până la 85% din sursa auxiliară. În funcţie de disponibilul de radiaţie (numărul de ore în care străluceşte soarele într-un an), numărul de colectoare poate fi mai mic pentru zonele de câmpie.

Beneficiarul poate alege valoarea investiţiei iniţiale (la instalarea sistemului solar termic), corelat cu economia realizată pe parcursul utilizării sistemului solar-termic. Durata de funcţionare pentru un sistem corect proiectat şi optim amplasat este de cca 25 de ani, iar amortizarea lui nu depăşeşte şase ani (considerând că înlocuieşte varianta de încălzire electrică a apei calde). În aceste condiţii, opţiunea pentru colectoare solar-termice performante este justificată şi recomandată.

Prof. dr. ing. Ion VIŞA, Prof. dr. ing. Anca DUTA
Institutul de Cercetare Dezvoltare al Universităţii Transilvania din Braşov, Centrul de Cercetare: Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare