Sluneční energie jako alternativní zdroj energie: typy a vlastnosti solárních systémů

V posledním desetiletí se sluneční energie jako alternativní zdroj energie stále více používá k vytápění a zásobování budov teplou vodou. Hlavním důvodem je touha nahradit tradiční paliva dostupnými, ekologickými a obnovitelnými zdroji energie.

V solárních systémech dochází k přeměně sluneční energie na teplo - konstrukce a princip fungování modulu určuje specifika jeho aplikace. V tomto materiálu se budeme zabývat typy solárních kolektorů a zásadami jejich fungování a také hovoříme o populárních modelech solárních modulů.

Realizace využití sluneční soustavy

Heliosystem - komplex pro přeměnu energie slunečního záření na teplo, které je následně převedeno do tepelného výměníku pro ohřev topného média topného systému nebo dodávky vody.

Účinnost solárního tepelného zařízení závisí na slunečním záření - množství energie dodané během jednoho denního světla na 1 m 2 povrchu umístěné pod úhlem 90 ° vzhledem k směrovosti slunečních paprsků. Naměřená hodnota indikátoru je kW * h / m2, hodnota parametru se mění v závislosti na ročním období.

Průměrná úroveň slunečního záření v oblasti mírného kontinentálního podnebí je 1 000 - 1200 kWh / m² (za rok). Množství slunce je určujícím parametrem pro výpočet výkonu sluneční soustavy.

Pomocí alternativního zdroje energie můžete dům vytápět, získat horkou vodu bez tradičních nákladů na energii - výhradně slunečními paprsky

Instalace solárního topného systému je nákladný podnik. Aby se kapitálové výdaje vyplatily, je třeba přesný výpočet systému a dodržování instalační technologie.

Příklad. Průměrná hodnota slunečního záření pro Tulu v polovině léta je 4,67 kV / m2 / den * za předpokladu, že systémový panel je nainstalován pod úhlem 50 °. Kapacita solárního kolektoru 5 metrů čtverečních se počítá takto: 4,67 * 4 = 18,68 kW tepla za den. Tento objem stačí k ohřevu 500 litrů vody z teploty 17 ° C na 45 ° C.

Jak ukazuje praxe, při použití solárního zařízení mohou majitelé chaty v létě zcela přepnout z elektrického nebo plynového vytápění na solární způsob

Pokud jde o proveditelnost zavádění nových technologií, je důležité vzít v úvahu technické vlastnosti konkrétního solárního kolektoru. Některé začínají pracovat na sluneční energii 80 W / m², zatímco jiné potřebují pouze 20 W / m2.

Dokonce ani v jižním klimatu se použití kolektorového systému výhradně pro vytápění nevyplatí. Pokud bude instalace používána výhradně v zimě s nedostatkem slunce, náklady na vybavení nebudou kryty 15-20 let.

Aby byl heliokomplex co nejefektivnější, musí být součástí systému dodávky teplé vody. I v zimě vám solární kolektor umožní „snížit“ účty za energii pro ohřev vody na 40-50%.

Podle odborníků se při domácím použití solární systém vyplatí asi za 5 let. S rostoucími cenami elektřiny a plynu bude doba návratnosti komplexu zkrácena

Kromě ekonomických výhod má „solární vytápění“ ještě další výhody:

1. Šetrnost k životnímu prostředí. Emise oxidu uhličitého jsou sníženy. Po dobu jednoho roku brání 1 čtvereční metr solárního kolektoru 350-730 kg těžby vniknutí do atmosféry.
2. Estetika. Prostor kompaktní vany nebo kuchyně lze odstranit z objemných kotlů nebo gejzírek.
3. Dlouhověkost. Výrobci tvrdí, že s výhradou instalační technologie bude tento komplex trvat asi 25–30 let. Mnoho společností poskytuje záruku až 3 roky.

Argumenty proti využívání sluneční energie: výrazná sezónnost, závislost na počasí a vysoká počáteční investice.

Obecné uspořádání a princip fungování

Za hlavní pracovní prvek systému považujte solární systém s kolektorem. Vzhled jednotky se podobá kovové krabici, jejíž přední strana je vyrobena z tvrzeného skla. Uvnitř krabice je pracovní těleso - cívka s absorbérem.

Blok pohlcující teplo zajišťuje ohřev nosiče tepla - cirkulující kapaliny, přenáší generované teplo do okruhu dodávky vody.

Hlavní komponenty heliosystému: 1 - kolektorové pole, 2 - odvzdušňovací ventil, 3 - distribuční stanice, 4 - tlaková vyrovnávací nádrž, 5 - regulátor, 6 - ohřívač vody, 7.8 - topné těleso a výměník tepla, 9 - směšovací ventil, 10 - spotřeba horké vody, 11 - přívod studené vody, 12 - vypouštění, T1 / T2 - snímače teploty

Solární kolektor musí pracovat společně s akumulační nádrží. Protože je chladivo zahříváno na teplotu 90 - 130 ° C, nelze jej přímo přivádět do kohoutků teplé vody nebo do radiátorů. Chladivo vstupuje do výměníku tepla kotle. Akumulační nádrž je často doplněna elektrickým topením.

Schéma práce:

1. Slunce zahřívá povrch sběratel.
2. Tepelné záření je přenášeno na absorpční prvek (absorbér), který obsahuje pracovní tekutinu.
3. Chladivo cirkulující trubkami cívky se zahřívá.
4. Čerpací zařízení, řídicí a monitorovací jednotka zajišťují odvádění chladiva potrubím do cívky zásobní nádrže.
5. Teplo se přenáší do vody v kotli.
6. Chlazené chladivo proudí zpět do kolektoru a cyklus se opakuje.

Ohřátá voda z ohřívače vody je přiváděna do topného okruhu nebo do vstupních bodů vody.

Při uspořádání topného systému nebo celoroční dodávky teplé vody je systém vybaven zdrojem dalšího vytápění (kotel, elektrický ohřívač). To je předpoklad pro udržení nastavené teploty.

Jako záložní zdroj elektřiny se nejčastěji používají solární panely v uspořádání soukromých domů:

Odrůdy solárních kolektorů

Bez ohledu na účel je solární systém vybaven plochým nebo sférickým trubkovým solárním kolektorem. Každá z možností má řadu charakteristických rysů, pokud jde o technické vlastnosti a provozní účinnost.

Vakuum - pro chladné a mírné podnebí

Vakuový solární kolektor se strukturálně podobá termo - úzkým trubicím s chladicí kapalinou, které jsou umístěny v bankách o větším průměru. Mezi nádobami se vytvoří vakuová vrstva, která je odpovědná za tepelnou izolaci (uchování tepla - až 95%). Trubkový tvar je nejoptimálnější pro udržení vakua a „obsazení“ slunečních paprsků.

Základní prvky trubkové solární tepelné instalace: nosný rám, tělo výměníku tepla, vakuové skleněné trubice ošetřené vysoce selektivním povlakem pro intenzivní „absorpci“ sluneční energie

Vnitřní (tepelná) trubice je naplněna solným roztokem s nízkým bodem varu (24-25 ° C). Při zahřívání se kapalina odpařuje - pára stoupá z baňky a ohřívá chladicí médium cirkulující v těle kolektoru.

Při kondenzaci proudí kapičky vody do špičky zkumavky a proces se opakuje.

Kvůli přítomnosti vakuové vrstvy je kapalina uvnitř tepelné baňky schopna vařit a odpařovat se při teplotě mínus na ulici (až -35 ° С).

Vlastnosti solárních modulů závisí na těchto kritériích:

• konstrukce trubek - peří, koaxiální;
• zařízení s tepelným kanálem - "Tepelné potrubí"přímý oběh.

Peří žárovka - skleněná trubice, ve které je uzavřen deskový absorbér a tepelný kanál. Vakuová vrstva prochází celou délkou tepelného kanálu.

Koaxiální trubice - dvojitá baňka s vakuovou „vložkou“ mezi stěnami dvou nádrží. Teplo se přenáší zevnitř trubky. Špička termočlánku je vybavena vakuovým indikátorem.

Účinnost zkumavek na pera (1) je vyšší ve srovnání s koaxiálními modely (2). První z nich jsou však dražší a jejich instalace je obtížnější. Kromě toho v případě poruchy bude muset být baňka na pero zcela vyměněna.

Kanál tepelného potrubí je nejčastější variantou přenosu tepla v solárních kolektorech.

Mechanismus účinku je založen na umístění těkavé kapaliny v uzavřených kovových trubkách.

Popularita „tepelného potrubí“ je způsobena dostupnými náklady, nenáročností na servis a údržbou. Vzhledem ke složitosti procesu výměny tepla je maximální úroveň účinnosti 65%

Přímý tokový kanál - skleněné baňky procházejí rovnoběžné kovové trubky spojené do oblouku ve tvaru písmene U

Chladivo protékající kanálem se zahřívá a přivádí do tělesa kolektoru.

Možnosti provedení vakuového solárního kolektoru: 1 - modifikace s trubkou ústředního topení „Heat pipe“, 2 - solární instalace s přímým oběhem chladiva

Koaxiální a peří trubice lze kombinovat s tepelnými kanály různými způsoby.

Varianta 1 Koaxiální baňka s „tepelnou trubkou“ je nejoblíbenějším řešením. V kolektoru je teplo opakovaně přenášeno ze stěn skleněné trubice do vnitřní baňky a poté do chladicí kapaliny. Stupeň optické účinnosti dosahuje 65%.

Schéma koaxiální trubice „Tepelná trubka“: 1 - skořepina ze skla, 2 - selektivní povlak, 3 - kovová žebra, 4 - vakuum, 5 - žárovka s lehkou vroucí látkou, 6 - vnitřní skleněná trubice

Možnost 2 Koaxiální baňka s přímým tokem je známa jako kolektor ve tvaru U. Díky konstrukci jsou tepelné ztráty sníženy - tepelná energie z hliníku je přenášena do trubic cirkulujícím chladivem.

Kromě vysoké účinnosti (až 75%) má model nevýhody:

• složitost instalace - baňky jsou samostatná jednotka s dvou trubkovým tělesem rozdělovače (hlavní) a jsou instalovány jako celek;
• výměna jedné trubice je vyloučena.

Jednotka ve tvaru písmene U je navíc náročná na chladicí kapalinu a je dražší než modely „Heat pipe“.

Zařízení solárního kolektoru ve tvaru U: 1 - skleněný "válec", 2 - absorbující povlak, 3 - hliníkový "kryt", 4 - baňka s chladicí kapalinou, 5 - vakuum, 6 - vnitřní skleněná trubice

Možnost 3 Peří trubice s principem činnosti "Tepelná trubka". Charakteristické znaky kolektoru:

• vysoké optické vlastnosti - účinnost asi 77%;
• plochý absorbér přímo přenáší tepelnou energii do trubice pro přenos tepla;
• použitím jediné vrstvy skla je snížen odraz slunečního záření;

Je možné vyměnit poškozený prvek bez vypouštění chladiva ze sluneční soustavy.

Možnost 4 Kašna s přímým tokem je nejúčinnějším nástrojem pro využití sluneční energie jako alternativního zdroje energie pro ohřev vody nebo vytápění domů. Vysoce výkonný kolektor pracuje s účinností 80%. Nevýhodou systému je obtížnost opravy.

Schémata zařízení péřových solárních kolektorů: 1 - solární systém s kanálem „Heat pipe“, 2 - dvou trubková skříň solárního kolektoru s přímým pohybem chladicí kapaliny

Bez ohledu na konstrukci mají trubkové rozdělovače následující výhody:

• nízká teplota;
• nízké tepelné ztráty;
• doba fungování během dne;
• schopnost zahřát chladivo na vysoké teploty;
• nízké navíjení;
• snadná instalace.

Hlavní nevýhodou vakuových modelů je nemožnost samočištění od sněhové pokrývky. Vakuová vrstva nevyvolává teplo, a proto se vrstva sněhu neroztaví a blokuje přístup slunce do kolektorového pole. Další nevýhody: vysoká cena a potřeba dodržet pracovní úhel baňky nejméně 20 °.

Solární kolektory, které ohřívají chladicí vzduch, lze použít k přípravě horké vody, jsou-li vybaveny zásobníkem:

Přečtěte si více o principu provozu vakuového solárního kolektoru s trubicemi. dále.

Voda - nejlepší volba pro jižní šířky

Plochý (panelový) solární kolektor - pravoúhlá hliníková deska, uzavřená nahoře plastovým nebo skleněným krytem. Uvnitř krabice je absorpční pole, kovová cívka a vrstva tepelné izolace. Oblast kolektoru je naplněna průtokovým potrubím, kterým prochází chladivo.

Základní komponenty plochého solárního kolektoru: pouzdro, absorbér, ochranný povlak, tepelně izolační vrstva a upevňovací prvky. Při montáži se používá matné sklo s propustností spektrálního rozsahu 0,4 - 1,8 mikronů.

Absorpce tepla vysoce selektivního absorpčního povlaku dosahuje 90%. Mezi „absorbér“ a tepelnou izolaci je umístěna tekoucí kovová trubka. Používají se dvě schémata pokládání trubek: „harfa“ a „meandr“.

Proces montáže solárních kolektorů, které ohřívají kapalné chladivo, zahrnuje řadu tradičních kroků:

Pokud je topný okruh doplněn potrubím dodávajícím sanitární vodu k přívodu teplé vody, má smysl připojit solární kolektor tepelný akumulátor. Nejjednodušší variantou bude nádrž o vhodné kapacitě s tepelnou izolací, schopná udržovat teplotu ohřáté vody. Musí být nainstalován na nadjezdu:

Trubicový kolektor s kapalným chladivem působí jako „skleníkový“ efekt - sluneční paprsky pronikají sklem a ohřívají potrubí. Díky těsnosti a tepelné izolaci se uvnitř panelu udržuje teplo.

Síla solárního modulu je do značné míry určena materiálem ochranného krytu:

• obyčejné sklo - nejlevnější a křehký povlak;
• tvrzené sklo - vysoký stupeň rozptylu světla a zvýšená pevnost;
• antireflexní sklo - liší se v maximální absorpční schopnosti (95%) v důsledku přítomnosti vrstvy vylučující odraz slunečních paprsků;
• samočisticí (polární) sklo s oxidem titaničitým - organické znečištění na slunci shoří a zbytky odpadků jsou odplaveny deštěm.

Polykarbonátové sklo je nejodolnější vůči nárazům. Materiál je nainstalován v drahých modelech.

Odraz slunečního světla a absorpce: 1 - antireflexní vrstva, 2 - kalené sklo odolné proti nárazu. Optimální tloušťka ochranného vnějšího pláště je 4 mm

Provozní a funkční vlastnosti solárních panelů:

• v systémech nuceného oběhu je k dispozici funkce tání, která vám umožní rychle se zbavit sněhové pokrývky na heliopolu;
• prizmatické sklo snímá širokou škálu paprsků v různých úhlech - v létě dosahuje účinnost instalace 78-80%;
• kolektor se nebojí přehřátí - při nadměrné tepelné energii je možné nucené chlazení chladicí kapaliny;
• zvýšená odolnost proti nárazu ve srovnání s trubkovými protějšky;
• schopnost montovat v jakémkoli úhlu;
• dostupné ceny.

Systémy nejsou bez nedostatků. Během období nedostatku slunečního záření, jak se teplotní rozdíl zvětšuje, se účinnost plochého solárního kolektoru výrazně snižuje kvůli nedostatečné tepelné izolaci. Modul panelu se proto vyplatí v létě nebo v oblastech s teplým podnebím.

Heliosystems: funkce designu a provozu

Rozmanitost solárních systémů lze rozdělit podle následujících parametrů: způsob využití slunečního záření, způsob cirkulace chladicího média, počet okruhů a sezónnost provozu.

Aktivní a pasivní komplex

V každém systému přeměny sluneční energie je umístěn solární kolektor. Na základě způsobu využití získaného tepla se rozlišují dva typy heliokomplexů: pasivní a aktivní.

První variantou je solární topný systém, kde konstrukční prvky budovy působí jako prvek absorbující teplo slunečního záření. Střecha, stěna kolektoru nebo okna fungují jako povrch pro příjem helia.

Schéma nízkoteplotní pasivní sluneční soustavy se stěnou kolektoru: 1 - paprsky slunce, 2 - průsvitné clony, 3 - vzduchová bariéra, 4 - zahřátý vzduch, 5 - proudění odpadního vzduchu, 6 - tepelné záření ze stěny, 7 - povrch pohlcující teplo stěny kolektoru, 8 - ozdobné žaluzie

V evropských zemích se pasivní technologie používají při výstavbě energeticky účinných budov. Helio přijímající povrchy se zdobí pod falešnými okny. Za skleněnou vrstvou je zčernalá cihlová zeď se světelnými otvory.

Tepelné akumulátory jsou konstrukční prvky - stěny a podlahy, z vnější strany izolované polystyrenem.

Aktivní systémy zahrnují použití nezávislých zařízení, která nesouvisejí s konstrukcí.

Výše uvedené komplexy s trubkovými plochými kolektory spadají do této kategorie - solární tepelná zařízení jsou zpravidla umístěna na střeše budovy

Termosifon a oběhové systémy

Solární tepelné zařízení s přirozeným pohybem chladiva podél okruhu kolektor-akumulátor-kolektor je prováděno konvekcí - stoupá teplá kapalina s nízkou hustotou, ochlazovaná kapalina stéká dolů.

V termosifonových systémech je zásobní nádrž umístěna nad kolektorem, což zajišťuje spontánní cirkulaci chladicí kapaliny.

Schéma práce je charakteristické pro jednoobvodové sezónní systémy. Komplex termosifonů se nedoporučuje pro kolektory o rozloze více než 12 m2

Netlaková solární soustava má celou řadu nevýhod:

• v oblačných dnech klesá výkonnost komplexu - pro pohyb chladicí kapaliny je nutný velký teplotní rozdíl;
• tepelné ztráty v důsledku pomalého pohybu tekutiny;
• riziko přehřátí nádrže v důsledku nekontrolovatelnosti procesu ohřevu;
• nestabilita kolektoru;
• obtížnost umístění akumulátorové nádrže - při montáži na střechu dochází ke zvýšení tepelných ztrát, urychluje se korozní proces, hrozí zamrznutí potrubí.

Výhody „gravitačního“ systému: jednoduchost konstrukce a cenová dostupnost.

Kapitálové výdaje na uspořádání oběhové (vynucené) sluneční soustavy jsou výrazně vyšší než instalace beztlakového komplexu. Do okruhu narazí čerpadlo, které zajišťuje pohyb chladicí kapaliny. Provoz čerpací stanice je řízen ovladačem.

Další tepelná energie generovaná v nuceném komplexu převyšuje energii spotřebovanou čerpacím zařízením. Účinnost systému se zvýší o třetinu

Tento způsob oběhu se používá v celoročních dvouokruhových solárních tepelných zařízeních.

Výhody plně funkčního komplexu:

• neomezený výběr umístění skladovací nádrže;
• mimosezónní výkon;
• výběr optimálního režimu vytápění;
• bezpečnostní blokovací provoz při přehřátí.

Nevýhodou systému je jeho závislost na elektřině.

Schémata technického řešení: jedno- a dvouokruhová

V jednookruhových instalacích cirkuluje kapalina, která je následně přiváděna do vstupních bodů vody. V zimě musí být voda ze systému vypuštěna, aby nedošlo k zamrznutí a prasknutí potrubí.

Vlastnosti jednookruhových solárních termálních komplexů:

• Doporučuje se „doplňování paliva“ systému vyčištěnou, netuhlou vodou - usazování solí na stěnách potrubí vede k ucpání kanálů a k rozbití kolektoru;
• koroze způsobená přebytkem vzduchu ve vodě;
• omezená životnost - během čtyř až pěti let;
• vysoká účinnost v létě.

V duálních okruzích solárních komplexů cirkuluje speciální chladivo (nemrznoucí kapalina s protipěnivými a antikorozními přísadami), které prostřednictvím výměníku tepla přenáší teplo do vody.

Jednoobvodové (1) a dvouokruhové (2) obvody heliosystému. Druhá možnost se vyznačuje zvýšenou spolehlivostí, schopností pracovat v zimě a délkou provozu (20–50 let).

Nuance provozu dvouokruhového modulu: mírné snížení účinnosti (o 3-5% méně než u jednookruhového systému), potřeba úplné výměny chladicí kapaliny každých 7 let.

Podmínky pro práci a zvyšování efektivity

Výpočet a instalace solární soustavy je nejlépe svěřena odborníkům. Dodržování instalační techniky zajistí provozuschopnost a dosažení deklarovaného výkonu. Pro zlepšení účinnosti a životnosti je třeba vzít v úvahu některé nuance.

Termostatický ventil. V tradičních topných systémech termostatický prvek instalován jen zřídka, protože generátor tepla je zodpovědný za úpravu teploty. Při vybavování solárního systému však nesmíte zapomenout na bezpečnostní ventil.

Zahřívání nádrže na maximální přípustnou teplotu zvyšuje produktivitu kolektoru a umožňuje využití slunečního tepla i za oblačného počasí.

Optimální umístění ventilu - 60 cm od topení. V těsné blízkosti se termostat zahřívá a blokuje průtok horké vody.

Umístění skladovací nádrže. Kapacita vyrovnávací paměti teplé vody by měla být nainstalována na přístupném místě. Při umístění v kompaktní místnosti se zvláštní pozornost věnuje výšce stropů.

Minimální volný prostor nad nádrží je 60 cm. Tato mezera je nezbytná pro údržbu baterie a výměnu hořčíkové anody.

Instalace expanzní nádrž. Prvek kompenzuje tepelnou roztažnost během stagnace. Instalace nádrže nad čerpací zařízení způsobí přehřátí membrány a její předčasné opotřebení.

Nejlepší místo pro expanzní nádrž je ve skupině čerpadel. Tepelný efekt během této instalace je výrazně snížen a membrána si zachovává elasticitu déle

Solární připojení. Při připojování potrubí se doporučuje uspořádat smyčku. "Thermo Loop" snižuje tepelné ztráty a zabraňuje uvolňování zahřáté tekutiny.

Technicky korektní verze implementace heliocontour "loop". Zanedbání požadavku způsobí snížení teploty v zásobníku o 1-2 ° C za noc

Zpětný ventil. Zabraňuje „převrácení“ oběhu chladicí kapaliny. S nedostatkem sluneční aktivity zpětný ventil zabraňuje hromadění tepla během dne.

Populární modely "solárních" modulů

Poptávka po heliosystémech tuzemských a zahraničních společností.Výrobky výrobců si získaly dobrou pověst: NPO Mashinostroeniya (Rusko), Helion (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%.

Výkonové charakteristiky:

• provozní teplota - do -21 ° С;
• zpětné tepelné záření - 3-5%;
• vrchní vrstva - tvrzené sklo (4 mm).

Sběratel SVK-A (Alten). Vakuová solární instalace s absorpční plochou 0,8-2,41 m2 (v závislosti na modelu). Tepelným nosičem je propylenglykol, tepelná izolace měděného tepelného výměníku 75 mm minimalizuje tepelné ztráty.

Další možnosti:

• pouzdro - eloxovaný hliník;
• průměr tepelného výměníku - 38 mm;
• izolace - minerální vlna s anthygroskopickým ošetřením;
• povlak - borosilikátové sklo 3,3 mm;
• Účinnost - 98%.

Vitosol 100-F - plochý solární kolektor pro vodorovnou nebo svislou montáž. Měděný absorbér s trubkovitou cívkou ve tvaru harfy a vrstvou heliotitanu. Prostup světla - 81%.

Přibližné pořadí cen pro solární systémy: ploché solární kolektory - od 400 cu / m2, trubkové solární kolektory - 350 cu / 10 vakuové baňky. Kompletní sada oběhového systému - od 2500 cu

Závěry a užitečné video na toto téma

Princip činnosti solárních kolektorů a jejich typů:

Hodnocení výkonu plochého kolektoru při teplotách pod nulou:

Montážní technika pro kolektor solárních panelů s využitím modelu Buderus jako příklad:

Sluneční energie je obnovitelný zdroj tepla. Vzhledem k nárůstu cen tradičních energetických zdrojů odůvodňuje zavedení solárních systémů kapitálové investice a vyplatí se v příštích pěti letech s výhradou instalačních technik.

Pokud máte cenné informace, které chcete sdílet s návštěvníky našeho webu, zanechte prosím své komentáře v bloku pod článkem. Zde si můžete položit zajímavé otázky k tématu článku nebo se podělit o zkušenosti s používáním solárních kolektorů.