V posledním desetiletí byla solární energie jako alternativní zdroj energie stále více využívána pro vytápění a zásobování budov teplou vodou. Hlavním důvodem je snaha nahradit tradiční paliva cenově dostupnými, ekologickými a obnovitelnými zdroji energie.
K přeměně sluneční energie na teplo dochází v solárních systémech - návrh a princip provozu modulu určuje specifika jeho použití.
V tomto materiálu se zabýváme typy solárních kolektorů a principy jejich fungování, jakož i popisem populárních modelů solárních modulů.
Možnost využití solárních systémů
Heliosystém je komplex pro přeměnu energie slunečního záření na teplo, které je následně přeneseno do výměníku tepla pro ohřev topného média topného systému nebo vodovodu.
Účinnost solárního tepelného zařízení závisí na slunečním záření - množství energie dodané denně na 1 metr čtvereční v úhlu 90 ° vzhledem ke směru slunečních paprsků. Měřená hodnota indikátoru je kWh / m2, hodnota parametru se mění v závislosti na ročním období.
Průměrná úroveň slunečního slunečního záření pro oblast mírného kontinentálního klimatu je 1000-1200 kWh / m2 (za rok). Množství slunce je určujícím parametrem pro výpočet výkonu sluneční soustavy.
Použití alternativního zdroje energie umožňuje vytápění domu, ohřev teplé vody bez tradiční spotřeby energie - výhradně prostřednictvím slunečního záření.
Instalace solárního systému je nákladnou událostí. Pro zdůvodnění kapitálových výdajů je nutný přesný výpočet systému a dodržování instalační technologie.
Příklad. Průměrná hodnota slunečního záření pro Tula v polovině léta je 4, 67 kV / m2 * den, pokud je systémový panel instalován pod úhlem 50 °. Výkon solárního kolektoru o ploše 5 m2 se vypočítá takto: 4, 67 * 4 = 18, 68 kW tepelné energie za den. Tento objem je dostatečný pro ohřev 500 litrů vody z teploty 17 ° C na 45 ° C.
Jak ukazuje praxe, při použití solární energie mohou majitelé chaty v letním období zcela přejít z elektrického nebo plynového ohřevu vody na solární metodu
Pokud jde o proveditelnost zavedení nových technologií, je důležité vzít v úvahu technické vlastnosti konkrétního solárního kolektoru. Někteří začínají pracovat na 80 W / m2 solární energie, zatímco jiní dostačují - 20 W / m2.
I v jižním klimatu se nevyužívá sběrný systém výhradně pro vytápění. Pokud bude instalace použita výhradně v zimě s nedostatkem slunce, náklady na zařízení nebudou pokryty po dobu 15-20 let.
Aby bylo možné co nejúčinněji využívat solární systém, musí být součástí systému dodávky teplé vody. I v zimě vám solární detektor umožní „snížit“ účty za ohřev vody až na 40-50%.
Podle odborníků se v každodenním používání solární systém vyplatí asi za 5 let. S růstem cen elektřiny a plynu se doba návratnosti komplexu sníží
Kromě ekonomických výhod má "solární vytápění" další výhody:
- Ekologická šetrnost. Snížené emise oxidu uhličitého. V průběhu roku 1 m2 solárního kolektoru zabraňuje uvolnění do atmosféry 350-730 kg těžby.
- Estetika. Prostor kompaktní koupelny nebo kuchyně se může zbavit objemných kotlů nebo plynových ohřívačů vody.
- Trvanlivost Výrobci se ujistit, že v závislosti na instalaci technologie, bude komplex trvat asi 25-30 let. Mnoho společností poskytuje záruku až 3 roky.
Argumenty proti využití sluneční energie: výrazná sezónnost, závislost na počasí a vysoká počáteční investice.
Obecné zařízení a princip činnosti
Zvažte možnost solárního systému s kolektorem jako hlavním pracovním prvkem systému. Vzhled jednotky připomíná kovovou krabici, jejíž přední strana je vyrobena z tvrzeného skla. Uvnitř krabice je umístěno pracovní těleso - cívka s absorbérem.
Jednotka absorbující teplo zajišťuje ohřev chladicí kapaliny - cirkulační kapalina přenáší generované teplo do okruhu přívodu vody.
Hlavní uzly solární soustavy: 1 - kolektorové pole, 2 - odvzdušnění, 3 - rozvodná stanice, 4 - přetlaková odlehčovací nádrž, 5 - regulátor, 6 - nádrž na ohřívač vody, 7, 8 - PETN a výměník tepla, 9 - termo-směšovací ventil, 10 - spotřeba teplé vody, 11 - přívod studené vody, 12 - odvod, T1 / T2 - teplotní čidla
Solární kolektor nutně pracuje v tandemu s akumulační nádrží. Vzhledem k tomu, že se chladicí kapalina zahřívá na teplotu 90-130 ° C, nemůže být přiváděna přímo do vodovodních kohoutků nebo topných těles. Chladivo vstupuje do výměníku kotle. Zásobník je často doplněn elektrickým ohřívačem.
Schéma práce:
- Slunce ohřívá povrch kolektoru.
- Tepelné záření je přenášeno na absorpční prvek (absorbér), který obsahuje pracovní tekutinu.
- Chladivo cirkulující přes cívkové trubky se zahřívá.
- Čerpací zařízení, řídicí a monitorovací jednotka zajišťují, že chladivo je vypouštěno potrubím do cívky zásobníku.
- Teplo se přenáší do vody v kotli.
- Ochlazené chladivo proudí zpět do kolektoru a cyklus se opakuje.
Ohřátá voda z ohřívače vody se přivádí do topného okruhu nebo do míst sání vody.
Při uspořádání topného systému nebo celoroční dodávky teplé vody je systém doplněn o zdroj přídavného topení (kotel, elektrické topné těleso). To je předpokladem pro udržení nastavené teploty.
Odrůdy solárních kolektorů
Bez ohledu na místo určení je solární systém doplněn plochým nebo kulovým trubkovým solárním kolektorem. Každá z možností má řadu charakteristických vlastností z hlediska technických vlastností a provozní efektivity.
Vakuum - pro chladné a mírné podnebí
Konstrukčně se vakuový solární kolektor podobá termosku - úzké trubky s tepelným nosičem jsou umístěny v baňkách o větším průměru. Mezi nádobami, které jsou zodpovědné za tepelnou izolaci, je vytvořena vakuová vrstva (tepelná ochrana je až 95%). Tubulární forma je optimální pro udržení vakua a „obsazení“ slunečních paprsků.
Základní prvky trubkového solárního tepelného zařízení: nosný rám, skříň výměníku tepla, vakuové skleněné trubice, ošetřené vysoce selektivním povlakem pro intenzivní "absorpci" sluneční energie
Vnitřní (termální) zkumavka se naplní nízkroucím roztokem chloridu sodného (24-25 ° C). Po zahřátí se kapalina vypařuje - vypařování stoupá do baňky a zahřívá chladicí kapalinu cirkulující v tělese rozdělovače.
V procesu kondenzace proudí do špičky trubky kapky vody a proces se opakuje.
Kvůli přítomnosti vakuové vrstvy je kapalina uvnitř tepelné baňky schopna vařit a odpařovat se při mínus venkovní teplotě (až do -35 ° C).
Vlastnosti solárních modulů závisí na následujících kritériích:
- design trubek - pero, koaxiální;
- zařízení tepelného kanálu - „Tepelná trubka“, cirkulace s přímým průtokem.
Žárovka z peří je skleněná trubice, ve které je uzavřen absorbér desek a tepelný kanál. Vakuová vrstva prochází celou délkou tepelného kanálu.
Koaxiální trubka je dvojitá baňka s vakuovou vložkou mezi stěnami dvou nádrží. Přenos tepla probíhá z vnitřku trubky. Špička tepelné trubky je vybavena vakuovým indikátorem.
Účinnost trubek z peří (1) je ve srovnání s koaxiálními modely (2) vyšší. První je však dražší a obtížnější instalovat. V případě poruchy by měla být kompletně vyměněna celá láhev.
Kanál „Tepelná trubka“ je nejběžnější variantou přenosu tepla v solárních kolektorech.
Mechanismus účinku je založen na umístění těkavé kapaliny v uzavřených kovových trubkách.
Popularita „tepelných trubek“ je díky cenově dostupným nákladům, nenáročné údržbě a udržovatelnosti. Vzhledem ke složitosti procesu výměny tepla je maximální účinnost 65%.
In-line kanál - paralelní kovové trubky jsou propojeny skleněnou bankou, jsou spojeny v oblouku ve tvaru písmene U.
Chladivo, které protéká kanálem, se zahřívá a přivádí do tělesa kolektoru.
Konstrukce konstrukcí vakuových solárních kolektorů: 1 - modifikace s centrální teplovodnou trubkou „Tepelná trubka“, 2 - solární systém s cirkulací chladicí kapaliny s přímým průtokem
Koaxiální a péřové trubky mohou být kombinovány s tepelnými kanály různými způsoby.
Možnost 1. Koaxiální baňka s "tepelnou trubkou" - nejoblíbenější řešení. V kolektoru dochází k opakovanému přenosu tepla ze stěn skleněné trubice do vnitřní baňky a poté do chladiva. Stupeň optické účinnosti dosahuje 65%.
Schéma zařízení „Tepelná trubka“ koaxiální trubice: 1 –sklo ze skla, 2 - selektivní nátěr, 3 - kovová žebra, 4 - vakuum, 5 - termální baňka se světle vroucí látkou, 6 - vnitřní skleněná trubka
Varianta 2. Koaxiální baňka s cirkulací s přímým průtokem je známa jako kolektor ve tvaru písmene U. Díky konstrukci se sníží tepelné ztráty - tepelná energie z hliníku se převede do trubek s cirkulujícím chladivem.
Spolu s vysokou účinností (až 75%) má model nevýhody:
- složitost montáže - baňky jsou jedno s tělesem s dvěma trubkami (hlavní) a jsou instalovány zcela;
- výměna jedné trubky je vyloučena.
Jednotka ve tvaru písmene U je navíc náročná na chladicí a dražší modely „tepelných trubek“.
Zařízení solárního kolektoru ve tvaru písmene U: 1 - skleněný "válec", 2 - absorbující nátěr, 3 - hliníkový "kryt", 4 - žárovka s držákem tepla, 5 - vakuum, 6 - vnitřní trubka ze skla
Možnost 3. Plnicí trubice s principem akce "Tepelná trubka". Charakteristické rysy kolektoru:
- vysoký optický výkon - účinnost cca 77%;
- plochý absorbér přímo přenáší tepelnou energii do trubky s chladivem;
- díky použití jediné vrstvy skla snížené odrazu slunečního záření;
Poškozený prvek lze vyměnit bez vypuštění chladiva ze solárního systému.
Varianta 4. Baňka s přímým průtokem je nejúčinnějším nástrojem pro využití solární energie jako alternativního zdroje energie pro ohřev vody nebo vytápění bytu. Vysoce výkonný kolektor pracuje s účinností - 80%. Nedostatek systému je obtížnost opravy.
Schémata zařízení perových solárních kolektorů: 1 - heliosystém s kanálem „heat pipe“, 2 - dvouplášťové pouzdro solárního kolektoru s přímým pohybem nosiče tepla
Bez ohledu na výkonové trubky mají rozvody následující výhody:
- nízkoteplotní výkon;
- nízké tepelné ztráty;
- dobu provozu během dne;
- schopnost ohřát chladivo na vysoké teploty;
- nízké větry;
- snadná instalace
Hlavní nevýhodou vakuových modelů je nemožnost samočištění ze sněhové pokrývky. Vrstva podtlaku nedovolí zahřátí, takže vrstva sněhu se neroztaví a zablokuje přístup slunce do sběrného pole. Další nevýhody: vysoká cena a potřeba dodržet pracovní úhel baňky nejméně 20 °.
Podrobněji o principu práce vakuového solárního kolektoru s trubkami si přečtěte dále.
Voda - nejlepší volba pro jižní šířky
Plochý (panel) solární kolektor - pravoúhlá hliníková deska, zavřená nahoře plastovým nebo skleněným víkem. Uvnitř skříně je absorpční pole, kovová cívka a tepelně izolační vrstva. Oblast kolektoru je naplněna průtokovou trubkou, skrze kterou proudí chladivo.
Základní komponenty plochého heliokoloktoru jsou: těleso, absorbér, ochranný povlak, tepelně izolační vrstva a upevňovací prvky. Při montáži se používá matné sklo se spektrální šířkou pásma 0, 4-1, 8 mikronů
Tepelná absorpce vysoce selektivního absorpčního povlaku dosahuje 90%. Plynulé kovové potrubí je umístěno mezi „absorbérem“ a tepelnou izolací. Používají se dva modely pokládání trubek: „harfa“ a „meandr“.
Trubkový kolektor s kapalným chladivem působí jako "skleníkový" efekt - sluneční paprsky pronikají sklem a zahřívají potrubí. V důsledku těsnosti a tepelné izolace je teplo uvnitř panelu.
Pevnost solárního modulu je do značné míry určena materiálem ochranného krytu:
- obyčejné sklo - nejlevnější a nejcitlivější povlak;
- tvrzené sklo - vysoký stupeň rozptylu světla a zvýšená pevnost;
- antireflexní sklo - má maximální absorpční kapacitu (95%) díky přítomnosti vrstvy, která eliminuje odraz slunečních paprsků;
- samočistící (polární) sklo s oxidem titaničitým - organické znečištění vyhoří na slunci a zbytky odpadků jsou opláchnuty deštěm.
Nejtrvanlivější náraz fouká polykarbonátové sklo. Materiál je instalován v drahých modelech.
Odraz slunečního světla a absorpce: 1 - antireflexní nátěr, 2 - kalené nárazuvzdorné sklo. Optimální tloušťka ochranného vnějšího pláště - 4 mm
Provozní a funkční vlastnosti panelových solárních systémů:
- v systémech nuceného oběhu je k dispozici funkce odmrazování, která umožňuje rychle se zbavit sněhové pokrývky na Heliopolisu;
- hranolové sklo zachytí širokou škálu paprsků v různých úhlech - v létě dosahuje účinnost instalace 78-80%;
- kolektor se nebojí přehřátí - s přebytkem tepelné energie je možné nucené chlazení chladiva;
- zvýšená odolnost proti nárazu ve srovnání s trubkovými protějšky;
- možnost montáže v libovolném úhlu;
- cenovou politiku.
Systémy nejsou bez závad. V době nedostatku slunečního záření se s rostoucím teplotním rozdílem významně snižuje účinnost plochého solárního kolektoru v důsledku nedostatečné izolace. Modul panelu se proto v létě nebo v regionech s teplým podnebím ospravedlňuje.
Heliosystémy: konstrukční a provozní funkce
Rozmanitost solárních systémů lze rozdělit podle těchto parametrů: způsob využití slunečního záření, způsob cirkulace chladiva, počet okruhů a sezónnost provozu.
Aktivní a pasivní komplex
V každém systému přeměny solární energie je k dispozici solární přijímač. Na základě způsobu využití získaného tepla existují dva typy heliokomplexů: pasivní a aktivní.
Prvním typem je solární systém, kde konstrukční prvky budovy působí jako prvek absorbující teplo slunečního záření. Střecha, nástěnný kolektor nebo okna působí jako solární přijímací plocha.
Schéma nízkoteplotní pasivní sluneční soustavy s kolektorem na zeď: 1 - sluneční paprsky, 2 - průsvitné clony, 3 - vzduchová bariéra, 4 - ohřátý vzduch, 5 - proudění vyhořelého vzduchu, 6 - tepelné záření ze stěny, 7 - povrch absorbující teplo stěnového kolektoru, 8 - dekorativní žaluzie
V evropských zemích se pasivní technologie používají při výstavbě energeticky úsporných budov. Solární přijímací plochy jsou zdobeny falešnými okny. Za skleněným nátěrem je zděná zděná stěna s otvory.
Tepelné akumulátory jsou prvky konstrukce - stěny a podlahy, z vnějšku izolovány polystyrenem.
Aktivní systémy zahrnují použití nezávislých zařízení, která nesouvisí se strukturou.
Do této kategorie spadají výše uvedené komplexy s trubkovými plochými kolektory - solární termální instalace jsou zpravidla umístěny na střeše budovy.
Termosyphon a oběhové systémy
Solární termální zařízení s přirozeným pohybem chladiva podél kolektorového kolektorového okruhu se provádí konvekcí - stoupá teplá kapalina s nízkou hustotou, ochlazená kapalina proudí dolů.
V termosifonových systémech je zásobník umístěn nad kolektorem, což zajišťuje spontánní cirkulaci chladiva.
Schéma práce je typické pro jednookruhové sezónní systémy. Komplex Thermosyphon se nedoporučuje pro kolektory o rozloze více než 12 m2.
Heliosystém s volným tokem má celou řadu nevýhod:
- Při zamračených dnech klesá kapacita komplexu - pro pohyb chladicí kapaliny je nutný velký teplotní rozdíl
- tepelné ztráty způsobené pomalým pohybem tekutiny;
- nebezpečí přehřátí nádrže v důsledku nekontrolovatelnosti procesu ohřevu;
- nestabilita rezervoáru;
- složitost umístění akumulátorové nádrže - při montáži na střechu zvyšuje tepelné ztráty, urychluje korozní procesy, hrozí nebezpečí zamrznutí potrubí.
Výhody "gravitačního" systému: jednoduchost designu a cenová dostupnost.
Kapitálové výdaje na uspořádání cirkulujících (vynucených) heliosystémů jsou výrazně vyšší než instalace komplexního toku. Čerpadlo „přeruší“ obrys, který zajišťuje pohyb chladicí kapaliny. Provoz čerpací stanice je řízen regulátorem.
Dodatečný tepelný výkon generovaný v nuceném komplexu převyšuje výkon spotřebovaný čerpacím zařízením. Účinnost systému se zvýší o třetinu
Tento způsob cirkulace je zapojen do celoročních obtokových solárních zařízení.
Plně funkční komplex:
- neomezený výběr umístění akumulační nádrže;
- výkon mimo sezónu;
- volba optimálního režimu topení;
- bezpečnost - blokování v případě přehřátí.
Nevýhodou systému je jeho závislost na elektřině.
Schémata technického řešení: jedno a dvouokruhové
U jednookruhových instalací cirkuluje kapalina, která je následně přiváděna do míst přívodu vody. V zimě musí být voda ze systému vypuštěna, aby se zabránilo zamrznutí a prasknutí potrubí.
Vlastnosti jednookruhových solárních termálních komplexů:
- doporučeno „doplňování“ systému s čištěnou nepevnou vodou - sedimentace solí na stěnách potrubí vede k ucpání kanálů a poruše kolektoru;
- koroze způsobená přebytkem vzduchu ve vodě;
- omezená životnost - do čtyř až pěti let;
- vysoká účinnost v létě.
Speciální chladicí kapalina (nemrznoucí kapalina s protipěnivými a antikorozními přísadami) cirkuluje ve dvouokruhových heliokomplexech a odvádí teplo do výměníku tepla.
Schémata jednookruhových (1) a dvouokruhových (2) heliosystémů zařízení. Druhá možnost se vyznačuje zvýšenou spolehlivostí, schopností pracovat v zimě a dobou provozu (20-50 let).
Nuance provozu dvouokruhového modulu: mírný pokles účinnosti (o 3-5% méně než v systému s jednou smyčkou), potřeba kompletně vyměnit chladivo každých 7 let.
Podmínky pro práci a efektivitu
Výpočet a montáž solárních systémů by měla být svěřena odborníkům. Shoda s instalační technikou zajistí výkon a získá deklarovaný výkon. Pro zvýšení efektivity a doby provozu je nutné vzít v úvahu některé nuance.
Termostatický ventil. V tradičních topných systémech je termostatický prvek instalován jen zřídka, protože generátor tepla je zodpovědný za nastavení teploty. Při instalaci solárního systému však nesmíte zapomenout na ochranný ventil.
Ohřev nádrže na maximální přípustnou teplotu zlepšuje výkon kolektoru a umožňuje využívat solární teplo i za oblačného počasí.
Optimální umístění ventilu je 60 cm od ohřívače. V těsné blízkosti se „termostat“ zahřívá a blokuje přívod teplé vody.
Umístění baterie. Tlumicí kapacita TUV by měla být instalována na přístupném místě. Při umístění v kompaktním prostoru je zvláštní pozornost věnována výšce stropu.
Minimální volný prostor nad nádrží je 60 cm, což je nezbytné pro udržení baterie a výměnu hořčíkové anody.
Instalace expanzní nádoby. Prvek kompenzuje tepelnou roztažnost v období stagnace. Instalace nádrže nad čerpacím zařízením způsobí přehřátí membrány a její předčasné opotřebení.
Optimální místo pro expanzní nádobu je pod čerpadlovou skupinou. Teplotní účinek této instalace je výrazně snížen a membrána si zachovává svou elasticitu déle
Připojení solárního okruhu. Při připojování potrubí se doporučuje uspořádat smyčku. "Tepelná smyčka" snižuje tepelné ztráty a brání výstupu vytápěné kapaliny.
Technicky správné provedení heliocontour "smyčky". Zanedbání poptávky způsobí snížení teploty ve skladovací nádrži o 1-2 ° C za noc.
Zpětný ventil Varuje "naklápění" cirkulace chladicí kapaliny. Při nedostatečné sluneční aktivitě zpětný ventil nerozptýlí teplo nahromaděné během dne.
Populární modely "solárních" modulů
Poptávka je heliosystémy tuzemských i zahraničních firem. Dobrá pověst získaly výrobky následujících výrobců: NPO Mashinostroeniya (Rusko), Gelion (Rusko), Ariston (Itálie), Alten (Ukrajina), Viessman (Německo), Amcor (Izrael) atd.
Sluneční soustava "Falcon". Plochý solární kolektor vybavený vícevrstvým optickým povlakem s magnetronovým naprašováním. Minimální radiační schopnost a vysoká absorpční úroveň zajišťují účinnost až 80%.
Výkonnostní charakteristiky:
- pracovní teplota - do -21 ° C;
- zpětné tepelné záření - 3-5%;
- vrchní vrstva je z tvrzeného skla (4 mm).
Sběratel SVK-A (Alten). Vakuová solární elektrárna s absorpční plochou 0, 8-2, 41 m2 (v závislosti na modelu). Tepelný nosič - propylenglykol, tepelná izolace měděného výměníku 75 mm minimalizuje tepelné ztráty.
Další parametry:
- tělo - eloxovaný hliník;
- průměr výměníku tepla - 38 mm;
- izolace - minerální vlna s antihygroskopickou úpravou;
- nátěr - borosilikátové sklo 3, 3 mm;
- Účinnost - 98%.
Vitosol 100-F - plochá heliokolekce horizontální nebo vertikální instalace. Absorbér mědi s trubkovitým hadovitým hadříkem ve tvaru harfy a helio-titanovým povlakem. Přenos světla - 81%.
Přibližné pořadí cen solárních systémů: ploché solární kolektory - od 400 cu / m, trubkové solární kolektory - vakuové baňky 350 cu / 10. Kompletní sada oběhového systému - od 2500 USD
Závěry a užitečné video na toto téma
Принцип действия солнечных коллекторов и их виды:
Оценка работоспособности плоского коллектора при минусовой температуре:
Технология монтажа панельного гелиоколлектора на примере модели Buderus:
Солнечная энергия – восполняемый источник получения тепла. С учетом роста цен на традиционные энергоресурсы внедрение гелиосистем оправдывает капитальные инвестиции и окупается в ближайшие пять лет при соблюдении техники монтажа.
Если у вас есть ценные сведения которыми вы хотите поделиться с посетителями нашего сайта, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке под статьей. Там же можно задать интересующие вопросы по теме статьи или поделиться опытом использования солнечных коллекторов.