Centralina differenziale per controllo pannello solare termico Heat Pipe by Roberto Chirio

Prefazione
Gennaio 2006-Giugno 2011 Un impianto solare termico, adatto quindi per scaldare acqua e produrre acqua calda sanitaria, è costoso, un certo risparmio si ottiene montando pannelli termici a tubi sottovuoto tipo Heat Pipe di produzione cinese. Collettore solare composto da 24 tubi sotto vuoto del tipo Heat Pipe. Chi è abile nei montaggi elettronici può ottenere un ulteriore significativo risparmio, realizzando una semplice centralina di controllo temperatura differenziale necessaria per gestire la pompa di circolazione, unico elemento da gestire in un impianto per riscaldamento acqua del tipo a schema semplice, non integrato con il riscaldamento. In pratica la regola da rispettare è molto semplice, si misurano la temperatura dell'acqua nel Boiler di accumulo e la temperatura nella testa del pannello solare. Quando la temperatura nella testa del pannello (Tp) è superiore a quella dell'acqua del Boiler (Tb) (di alcuni gradi) la centralina attiva la pompa di circolazione, se la temperatura nel pannello è inferiore al Boiler la pompa si deve fermare. Per sicurezza, se la temperatura nel Boiler di accumulo (Tmax) arriva a un certo valore alto (>70°) la pompa si deve fermare per non fare raggiungere all'acqua valori pericolosi.

Schema idraulico semplificato.
Schema pratico del sistema solare per il quale è stata fatta la centralina di regolazione descritta in questa pagina. Abbiamo un collettore solare composto da 24 tubi sotto vuoto del tipo Heat Pipe, posizionato sul tetto. Nel sottotetto (solaio) è sistemato il circuito idraulico collegato al Boiler di accumulo da 150Lt. Il circuito primario realizzato in tubi rame da 12mm, con pompa di circolazione 220W 40VA, vaso di espansione, valvola di sicurezza. E' riempito con liquido antigelo glicole specifico per impianto solare con caratteristiche anticongelanti e temperatura di esercizio fino a 120°. L'impianto è precaricato a 2 BAR per evitare l'ebollizione.

Il sistema elettronico deve semplicemente confrontare due temperature (pannello e boiler), che in pratica vengono lette da resistenze NTC (vedi note sotto) che trasformano in corrente la variazione di temperatura. In pratica, di conoscere il valore esatto delle temperature non ci interessa, sappiamo che le temperature del pannello possono raggiungere anche 120° (piena estate) ed arrivare a -10 di notte in pieno inverno. Se la temperatura dell'acqua dentro al pannello solare è superiore a quella del boiler, viene attivata la pompa di circolazione, cosi da trasferire il calore dentro il Boiler. Quando la temperatura del boiler è superiore al pannello si ferma la pompa, o meglio la temperatura del pannello scende a un valore inferiore a quello del Boiler. Per sicurezza arrivando a 70° nel boiler la pompa rimane spenta. Per realizzare un semplice controllo elettronico basterà avere due NTC uguali tra loro e confrontare i valori di tensione applicati alle resistenze fisse. Vengono qui proposte due soluzioni, una versione recente 2011 che utilizza una board a uP tipo Arduino programmabile USB con linguaggio C++, questa ultima versione si presta per ulteriori sofisticate implementazioni, e la prima versione del 2006 realizzata usando un comparatore operazionale tipo LM358 e componenti discreti.

Schema elettrico sistema digitale Arduino 2009 / Arduino Uno

Schema elettrico controllo pannello solare termico. (giugno 2011)

Configurazione di ingresso a ponte differenziale virtuale.

Il collegamento ingresso è lo stesso della versione precedente, così da sostituire solo la centralina, senza intervenire sui cavi e istallazione.

I condensatori C1 e C2 come pure i diodi D5 e D4 servono di protezione agli ingressi, le resistenze R4 e R5 formano assieme ai 2 NTC il partitore di tensione che darà i valori di tensione inversamente proporzionale alla temperatura. Si è scelta la configurazione di avere un terminale a massa degli NTC per ridurre i numero di cavi, bastano due cavi schermati di piccolo diametro (tipo audio) per portare il segnale dall'esterno alla centralina.

I due segnali temperatura vengono portati sugli ingressi analogici dell'Arduino, A0 e A1, dove A0 leggerà la temperatura dell'acqua boiler e A1 la temperatura acqua pannello.

In funzione del programma, avremo le uscite D11 e D13 abilitate per comandare il led alta temperatura (>70°) e il comando relè pompa.

La scheda Arduino richiede 12V di alimentazione che prenderemo a valle del regolatore 7812, un trasformatore da 5-10VA fornirà l'alimentazione a tutta l'elettronica.

Il relè 12V deve essere di buona qualità e con il contatto da 16A questo per garantire un lungo tempo di esercizio, meglio usare un modello su zoccolo così da facilitare la sostituzione.

Per le note di montaggio e regolazione impianto vale quanto scritto più avanti per l'impianto del 2006.

programma per scheda Arduino 2009 e simili

/*
Controllo pannello solare
giugno 2011
Roberto Chirio

rev. 1.2

*/

// variables :

int boiler = A0; // NTC Boiler connected to A0
int pann = A1; // NTC Panel connected to A1
int tempB = 0; // variable to store the boiler temperature in degree Celsius
int tempP = 0; // variable to store the panel temperature in degree Celsius

int BBB = 0; // variable
int PPP = 0; // variable

void setup()
{
Serial.begin(9600);

pinMode(11, OUTPUT); // sets the pin 11
pinMode(13, OUTPUT); // sets the pin 13

digitalWrite(11, LOW); // set the 11 off

digitalWrite(13, LOW); // set the 13 off

}

void loop()
{
BBB = analogRead(boiler); // read the boiler temperature
PPP = analogRead(pann); // read the panel temperature
tempB=16666/BBB;
tempP=16666/PPP;

Serial.println("Boiler");
Serial.println(tempB, DEC); // monitor temperature BOILER
Serial.println("Pannello");
Serial.println(tempP, DEC); // monitor temperature PANEL

delay(1000); // wait for a second

// check if the Boiler temperature is to high > 70°.
// if it is, the ledTemp is HIGH and pompa off
if (tempB > 70) {
// turn LED HItemp on:
digitalWrite(11, HIGH);
// turn pompa OFF:
digitalWrite(13, LOW);
{ goto fineloop;}
}

// check if the panel temperature is <= 20°.
// if it is, the pompa is LOW:
if (tempP <= 20) {
// turn pompa off:
digitalWrite(13, LOW);
{ goto fineloop;}
}

// check if the temp panel is > of temp boiler
// if it is, the pompa is on:
if (tempP > tempB) {
// turn pompa on:
digitalWrite(13, HIGH);
// turn led OFF:
digitalWrite(11, LOW);
delay(15000); // wait for 15 second
}

// check if the temp panel is <= of temp boiler
// if it is, the pompa is off:
if (tempP <= tempB) {
// turn pompa OFF:
digitalWrite(13, LOW);
// turn led OFF:
digitalWrite(11, LOW);

}

fineloop:;

}

Schema elettrico sistema anlogico 2006/2007

Schema elettrico controllo pannello solare termico. (Nuova versione sett. 2007) (Vecchio schema)

Configurazione di ingresso a ponte differenziale, il primo comparatore cambia stato in uscita se la temperatura Tp aumenta in quanto la R del NTC si abbassa portando l'ingresso negativo più basso e il positivo più alto, di conseguenza viene comandato il Tr Q2 che eccita il relè pompa.

Al contrario se la Tb è più alta viene portato basso l'ingresso + e l'uscita va a zero e il transistor del comando pompa si apre facendo fermare la pompa.

Il secondo comparatore legge la tensione della NTC Boiler quando il valore raggiunge il valore pretarato del P1 si comanda il Tr Q1 che interdice il Q2, il relè interrompe l'alimentazione della pompa.

I condensatore e i diodi sull'ingresso servono di protezione per le scariche che potrebbero arrivare dai cavi sensori, eventualmente usare dei MOV o TVP da 24-40V.

La R10 in serie del NTC TP serve a dare circa +6° di temperatura al pannello, così che quando parte la pompa l'acqua è sicuramente più calda di quella del Boiler di accumulo. Il valore è determinato dal tipo di NTC usato pertanto in caso di comportamenti incerti, o si elimina la R10 o si mette al posto un trimmer da 2K e si misura la temperatura di intervento.

A valle del comparatore troviamo il deviatore per il comando pompa full time oppure 3minuti ON/12 minuti OFF.

Il temporizzatore astabile realizzato con il NE555 riceve alimentazione direttamente dall'uscita del LM358 (alcuni mA di consumo). L'uscita del 555 va subito alta e inizia il ciclo ON di circa 3 minuti determinato dalla R3 da 2.7M ohm mentre il tempo di OFF è determinato dalla R4 da 10M ohm . Il condensatore C1 da 100uF deve essere di buona qualità meglio se al Tantalio versione MIL. Se si vogliono dei tempi di azionamento diversi, agire sul valore di questi componenti.

Nel caso la temperatura pannello scendesse durante il ciclo di ON oppure OFF, il temporizzatore viene immediatamente resettato in quanto l'alimentazione va a 0V.

Da realizzare a parte il circuito alimentazione 220V con trasformatore 220V/14v 5VA, ponte raddrizzante e condensatore di filtro.

Per l'elenco componenti fare riferimento allo schema ingrandito.

Timer 3minuti ON - 12 minuti OFF ( Da usare nel periodo estivo più caldo)

In questa versione migliorata della centralina controllo solare, ho inserito il timer comando pompa che durante la fase di pannello caldo, quindi trasferimento calore, aziona per 3 minuti la pompa e per i successivi 12 rimane ferma. Questa soluzione ci da alcuni vantaggi durante il periodo estivo, più indicata per i pannelli tipo Heat-pipe in quanto rendono meglio se le temperature sono più alte. Se la pompa circola in continuazione, la temperatura del pannello non potrà mai avere il picco di calore, quindi la pausa di 12 minuti lascia salire la temperatura, per poi trasferire l'accumulo di calore nei 3 minuti successivi. Altro vantaggio è quello di fare lavorare meno la pompa e di conseguenza un minore costo elettrico. La pompa lavora solo 1/4 del tempo rispetto al Full. Con una pompa da 60VA risparmiamo circa 10 euro/anno di energia, inoltre la pompa durerà più a lungo.

Ricordo che per avere dei vantaggi economici sull'installazione, i costi di questo impianto dovrebbero essere ammortati in 20 anni, pertanto un circuito dal costo di 5 Euro ci farà risparmiare 200 euro nei prossimi anni....

Timer 555 usato per 3min ON - 12 min OFF

Realizzazione sonde NTC per lettura temperatura Tp e Tb
Se non volete acquistare le sonde di temperatura è facile realizzarle. Ho recuperato da piastre motherboard i sensori di temperatura NTC, sono da 10Kohm a 25°, si presentano di colore verde o blu con pallino bianco, importante recuperare due elementi perfettamente uguali, provare il valore con multimetro. Per una misura di confronto immergere i due NTC dentro del grasso silicone e dopo 10 minuti misurare le resistenze di entrambi la differenza non deve essere maggiore del 2%. Per questa realizzazione ho usato due NTC di colore Blu con pallino bianco.

Questi NTC sono di piccole dimensioni, pertanto adatti per realizzare le sonde di temperatura, da inserire nel pannello solare nell'apposito foro da 6mm vicino al passaggio dell'acqua. Attenzione che il sensore del pannello è sottoposto ad alte temperature, di oltre 120°, i cavi di collegamento in questo caso devono essere adatti per alte temperature, quindi con isolamento Teflon o Silicone. Possono anche andare bene due fili di rame smaltato per avvolgimenti di piccolo diametro, questo per la parte calda del pannello solare. Il piccolo NTC non soffre queste temperature in quanto può essere saldato a 220°.

Per finire e proteggere la sonda, bisogna ricoprire con guaina termorestringente. La migliore soluzione è quella di mettere un po' di grasso al silicone (ricoprire l'NTC con il grasso conduttivo per CPU) prima di riscaldare il tubetto termorestringente. Tale grasso evita l'ingresso di umidità e migliora la distribuzione termica all'interno. Il diametro finale deve essere minore di 5 mm, per facilitare l'inserimento nella apposita fessura del pannello e del Boiler. Il sensore per il Boiler è sottoposto a temperature minori, non è comunque una ragione per non realizzarlo con cura.
La lunghezza dei cavi di temperatura può anche superare i 10 metri, in pratica se non ci sono forti campi elettrici, non dovrebbero esserci problemi. Per la connessione del pannello solare ho usato del cavo schermato tipo RG58, così da avere basse cadute di tensione.

Utilizzo di sonde commerciali.
PT1000 adatta per pannello solare fino a 180° Sonda PTC da 1000 ohm a 25°C diam. 5.0mm E' una PTC, ma può funzionare con questo schema, bisogna ponticellare la R10. Le due sonde uguali, vanno scambiate sulla morsettiera, essendo a variazione positiva con l'aumento della temperatura, aumentano la resistenza, quindi il collegamento deve essere invertito. La morsettiera boiler diventa pannello e viceversa. Eliminare o invertire il comparatore per i 70°.

PT1000 adatta per pannello solare fino a 180° Sonda PTC in teflon e silicone, da 1000 ohm a 25°C diam. 4.6mm E' una PTC, ma può funzionare con questo schema, bisogna ponticellare la R10. Le due sonde uguali, vanno scambiate sulla morsettiera, essendo a variazione positiva con l'aumento della temperatura, aumentano la resistenza, quindi il collegamento deve essere invertito. La morsettiera boiler diventa pannello e viceversa. Eliminare o invertire anche il comparatore per i 70°.

NTC 10K adatta per pannello solare fino a 120° Sonda NTC da 10000 ohm a 25°C diam. 6.5mm Lung. 32mm Le due sonde uguali, funzionano senza modifiche allo schema.

Realizzazione

La realizzazione della centralina di controllo temperatura differenziale solare comporta avere delle buone conoscenze di elettronica, è necessaria un'attrezzatura ed esperienza nei montaggi elettronici.

Non si risponde per danni a cose, a persone e per un uso improprio della realizzazione.

La centralina funzionante inserita dentro una scatola di protezione.

Sulla parte anteriore sono sistemati i LED di segnalazione: Power, Pannello caldo, pompa ON e Sovratemperatura 70°

Un interruttore esterno per forzare manualmente la pompa, è utile in fase di collaudo o per le successive verifiche.

Importante una buona connessione di terra, non dimentichiamo che il pannello solare è sul tetto e d'estate ci sono i temporali con scariche elettriche.

Tutta la struttura in metallo del pannello solare deve essere collegata a terra con un conduttore di grossa sezione.

Per conoscere la temperatura dell'acqua ho installato un termometro digitale che legge la temperatura nello stesso punto dove è fissato il NTC del Boiler.

Considerazioni finali

Il pannello o meglio i due pannelli da 12 tubi, sono installati a Torino e funzionano egregiamente.

Da fine maggio la temperatura acqua (Boiler accumulo) è sempre superiore ai 45° con punte a 65° a luglio. E' pertanto necessario intervenire con il mixer acqua fredda posizionato all'uscita del boiler di accumulo.
Durante l'inverno diciamo dicembre, gennaio e febbraio...non ci fai niente. (Per ottenere qualche risultato durante l'inverno è necessario un numero maggiore di tubi, della migliore qualità e posizionare il tutto a Sud con almeno 45° di elevazione.)

La pompa di circolazione è una normalissima pompa di circolazione a 3 velocità, usata negli impianti di riscaldamento a termosifoni, va bene quella più piccola a 220V, in quanto deve muovere 10-20 litri di glicole..non di più. Ideale sarebbe usare la pompa a 12V collegata a un pannello fotovoltaico, nel senso che se c'è sole, la pompa gira, manca il sole, come pure il termico, tutto è fermo, purtroppo la pompa a 12V costa oltre 500 euro...
Tutti i tubi sono in rame, è bene mettere tubi più piccoli possibile 12mm anche 10mm è ancora meglio, nel senso poca massa, poca superficie esposta, quindi poche perdite. Tutta la tubazione in rame è ricoperta di tubi isolanti neri in neoprene, all'esterno ulteriore copertura con nastro alluminio.

Il glicole anticongelante in bidoni da 25-30 litri si trova presso i grossisti di idraulica che trattano il solare, quasi tutti. In zone dove le temperature minime scendono poco sotto lo zero, è pensabile di diluire il glicole con acqua, questo per fare meno lavorare la pompa, che con il glicole più denso tende a scaldare di più.

In pratica si usano solo 2Atm in quanto le temperature massime non sono così alte. Bisogna tarare il vaso di espansione a 2Atm e il carico impianto si fa con una di quelle piccole pompe che si calettano sul trapano, il trapano deve essere a 220V e girare forte altrimenti non arriva alla necessaria pressione.

Per caricare l'impianto, bisogna avere un rubinetto con valvola, vicino al gruppo e una valvola di sfogo nel punto più alto dell'impianto con un tubo che riporta giù nel bidone del glicole, quando l'impianto è carico, uscirà il liquido dal tubo, lasciarlo gorgogliare per qualche minuto finché sono sparite le bolle d'aria, poi si chiude lo sfogo e si continua a pompare fino a che la pressione sale e non si muove più dai 2Atm. Chiudere velocemente il rubinetto di carico e l'impianto è pronto. Dopo qualche ora che è stato messo in pressione, controllare se ci sono perdite e gocciolamenti di liquido. Se tutte le giunzioni sono a posto, l'impianto deve restare in pressione per lungo tempo. Controllare periodicamente, il mantenimento della pressione.

Con la funzione timer 3/12 inserita, la temperatura dell'acqua sarà più bassa, ma sempre sufficiente per uso quotidiano di tre persone. Eventualmente si può allungare il tempo di ON a 6 minuti (portare R3 = 5.6M ohm), o anche a 12 min. ON e 12 min. OFF (portare R3 = 10M ohm), ottenendo sempre un risparmio del 50% sul consumo energia alla pompa.

Consigli:

Posizionare i pannelli per l'angolo invernale (dove e quando possibile), questo per recuperare qualcosa durante l'inverno, meglio usare i pannelli quelli con i tubi sotto vuoto di diametro da 57 o 70mm. che hanno un rendimento migliore dei 47mm.

Impianto con tubi di circolazione il più corto possibile, per avere basse perdite. Curare molto bene l'isolamento termico dei tubi, pompa e valvole, nessun elemento caldo in metallo deve essere esposto. Utile un termometro a infrarossi per il controllare e cercare le perdite di calore.

Usare un timer giornaliero per attivare l'alimentazione generale, diciamo dalle 10 alle 17 in estate e 11 - 15 durante l'inverno, così di notte non si consuma energia per la centralina. Inoltre durante l'estate riducendo i tempi di accensione, si può risparmiare energia per la pompa tenendo l'impianto acceso per poche ore.

Centralina per controllo differenziale

temperature impianto solare termico.

Circuito elettronico digitale (2011).

Circuito elettronico analogico (2006).