L'énergie solaire comme source alternative d'énergie: types et caractéristiques des systèmes solaires
Au cours de la dernière décennie, l'énergie solaire comme source d'énergie alternative a été de plus en plus utilisée pour chauffer et fournir de l'eau chaude aux bâtiments. La raison principale est le désir de remplacer les carburants traditionnels par des sources d'énergie abordables, respectueuses de l'environnement et renouvelables.
La conversion de l'énergie solaire en chaleur se produit dans les systèmes solaires - la conception et le principe de fonctionnement du module déterminent les spécificités de son application. Dans ce document, nous examinerons les types de capteurs solaires et les principes de leur fonctionnement, ainsi que parler des modèles populaires de modules solaires.
Le contenu de l'article:
- La faisabilité d'utiliser un système solaire
- Disposition générale et principe de fonctionnement
- Variétés de capteurs solaires
- Héliosystèmes: caractéristiques de conception et de fonctionnement
- Conditions de travail et augmentation de l'efficacité
- Modèles populaires de modules "solaires"
- Conclusions et vidéo utile sur le sujet
La faisabilité d'utiliser un système solaire
Heliosystem - un complexe pour convertir l'énergie du rayonnement solaire en chaleur, qui est ensuite transférée à un échangeur de chaleur pour chauffer le fluide caloporteur d'un système de chauffage ou d'alimentation en eau.
L'efficacité de l'installation solaire thermique dépend de l'ensoleillement - la quantité d'énergie fournie pendant une lumière du jour pour 1 m2 de surface située à un angle de 90 ° par rapport à la directivité des rayons du soleil. La valeur mesurée de l'indicateur est kW * h / m2, la valeur du paramètre varie en fonction de la saison.
Le niveau moyen d'insolation solaire pour la région du climat continental tempéré est de 1 000 à 1 200 kWh / m² (par an). La quantité de soleil est un paramètre déterminant pour calculer les performances du système solaire.
L'installation d'un système de chauffage solaire est une entreprise coûteuse. Pour que les dépenses en capital soient payantes, un calcul précis du système et le respect de la technologie d'installation sont nécessaires.
Un exemple. La valeur moyenne de l'ensoleillement pour Tula au milieu de l'été est de 4,67 kV / m2 * jour, à condition que le panneau du système soit installé à un angle de 50 °. La capacité du capteur solaire de 5 mètres carrés est calculée comme suit: 4,67 * 4 = 18,68 kW de chaleur par jour. Ce volume est suffisant pour chauffer 500 litres d'eau d'une température de 17 ° C à 45 ° C.
S'agissant de la faisabilité de l'introduction de nouvelles technologies, il est important de prendre en compte les caractéristiques techniques d'un capteur solaire particulier. Certains commencent à fonctionner à 80 W / m² d'énergie solaire, tandis que d'autres n'ont besoin que de 20 W / m².
Même dans un climat méridional, l'utilisation d'un système collecteur exclusivement pour le chauffage ne sera pas payante. Si l'installation sera utilisée exclusivement en hiver avec un manque de soleil, le coût de l'équipement ne sera pas couvert pendant 15 à 20 ans.
Pour utiliser l'héliocomplexe aussi efficacement que possible, il doit être inclus dans le système d'alimentation en eau chaude. Même en hiver, un capteur solaire vous permettra de "réduire" les factures d'énergie pour le chauffage de l'eau à 40-50%.
En plus des avantages économiques, le «chauffage solaire» présente des avantages supplémentaires:
- Respect de l'environnement. Les émissions de dioxyde de carbone sont réduites. Pendant un an, 1 mètre carré du capteur solaire empêche 350 à 730 kg de mines de pénétrer dans l'atmosphère.
- Esthétique. L'espace d'une baignoire ou d'une cuisine compacte peut être éliminé des chaudières ou des geysers encombrants.
- Longévité. Les fabricants affirment que, sous réserve de la technologie d'installation, le complexe durera environ 25-30 ans. De nombreuses entreprises offrent une garantie pouvant aller jusqu'à 3 ans.
Arguments contre l'utilisation de l'énergie solaire: saisonnalité prononcée, dépendance climatique et investissement initial élevé.
Disposition générale et principe de fonctionnement
Considérez un système solaire avec un capteur comme élément de travail principal du système. L'apparence de l'unité ressemble à une boîte en métal, dont la face avant est en verre trempé. À l'intérieur de la boîte, il y a un corps de travail - une bobine avec un absorbeur.
Le bloc absorbant la chaleur assure le chauffage du caloporteur - le liquide en circulation, transfère la chaleur générée au circuit d'alimentation en eau.
Le capteur solaire doit fonctionner en tandem avec un réservoir de stockage. Étant donné que le liquide de refroidissement est chauffé à une température de 90 à 130 ° C, il ne peut pas être alimenté directement aux robinets d'eau chaude ou aux radiateurs de chauffage. Le liquide de refroidissement pénètre dans l'échangeur de chaleur de la chaudière. Le réservoir de stockage est souvent complété par un radiateur électrique.
Schéma de travail:
- Le soleil chauffe la surface collectionneur.
- Le rayonnement thermique est transmis à l'élément absorbant (absorbeur), qui contient le fluide de travail.
- Le liquide de refroidissement circulant dans les tubes de la bobine est chauffé.
- Un équipement de pompage, une unité de contrôle et de surveillance assurent l'évacuation du liquide de refroidissement à travers la canalisation jusqu'au serpentin du réservoir de stockage.
- La chaleur est transférée à l'eau de la chaudière.
- Le liquide de refroidissement refroidi retourne au collecteur et le cycle se répète.
L'eau chauffée du chauffe-eau est fournie au circuit de chauffage ou aux points de prise d'eau.
Les panneaux solaires dans l'agencement des maisons privées sont le plus souvent utilisés comme source de secours d'électricité:
Variétés de capteurs solaires
Quel que soit le but, le système solaire est équipé d'un capteur solaire tubulaire plat ou sphérique. Chacune des options présente un certain nombre de caractéristiques distinctives en termes de caractéristiques techniques et d'efficacité opérationnelle.
Vide - pour les climats froids et tempérés
Structurellement, un capteur solaire sous vide ressemble à un thermos - des tubes étroits avec un liquide de refroidissement sont placés dans des flacons de plus grand diamètre. Une couche de vide est formée entre les récipients, qui est responsable de l'isolation thermique (conservation de la chaleur - jusqu'à 95%). La forme tubulaire est la plus optimale pour maintenir le vide et "l'occupation" des rayons du soleil.
Le tube intérieur (chaleur) est rempli de solution saline à bas point d'ébullition (24-25 ° C). Lorsqu'il est chauffé, le liquide s'évapore - la vapeur monte dans le ballon et chauffe le liquide de refroidissement circulant dans le corps du collecteur.
En cours de condensation, des gouttelettes d'eau s'écoulent dans la pointe du tube et le processus se répète.
En raison de la présence d'une couche de vide, le liquide à l'intérieur de l'ampoule peut bouillir et s'évaporer à moins la température de la rue (jusqu'à -35 ° C).
Les caractéristiques des modules solaires dépendent de tels critères:
- conception du tube - plume, coaxial;
- dispositif de canal de chaleur - "Caloduc"circulation directe.
Ampoule à plumes - un tube de verre dans lequel un absorbeur à plaques et un canal thermique sont enfermés. La couche de vide traverse toute la longueur du canal thermique.
Tube coaxial - double ballon avec un "insert" à vide entre les parois de deux réservoirs. La chaleur est transférée de l'intérieur du tube. La pointe du thermotube est équipée d'un indicateur de vide.
Le canal caloduc est la variante la plus courante du transfert de chaleur dans les capteurs solaires.
Le mécanisme d'action est basé sur le placement d'un liquide volatil dans des tubes métalliques scellés.
Canal à écoulement direct - des tubes métalliques parallèles reliés en arc en forme de U passent à travers un flacon en verre
Le liquide de refroidissement s'écoulant à travers le canal est chauffé et envoyé au corps du collecteur.
Les tubes coaxiaux et en plumes peuvent être combinés avec des canaux de chaleur de différentes manières.
Option 1 La fiole coaxiale avec "Heat pipe" est la solution la plus populaire. Dans le collecteur, la chaleur est transférée à plusieurs reprises des parois du tube de verre au ballon intérieur, puis au liquide de refroidissement. Le degré d'efficacité optique atteint 65%.
Option 2 Le ballon coaxial à écoulement direct est connu sous le nom de collecteur en forme de U. Grâce à la conception, les pertes de chaleur sont réduites - l'énergie thermique de l'aluminium est transférée aux tubes avec un liquide de refroidissement en circulation.
Outre une efficacité élevée (jusqu'à 75%), le modèle présente des inconvénients:
- complexité de l'installation - les flacons sont une seule unité avec un corps de collecteur à deux tuyaux (mainfold) et sont installés dans leur ensemble;
- le remplacement d'un seul tube est exclu.
De plus, l'unité en U est exigeante en liquide de refroidissement et plus chère que les modèles «Heat pipe».
Option 3 Tube de plume avec le principe d'action "Heat pipe". Particularités du collecteur:
- caractéristiques optiques élevées - efficacité d'environ 77%;
- l'absorbeur plat transfère directement l'énergie thermique au tube de transfert de chaleur;
- grâce à l'utilisation d'une seule couche de verre, la réflexion du rayonnement solaire est réduite;
Il est possible de remplacer un élément endommagé sans vidanger le liquide de refroidissement du système solaire.
Option 4 La fontaine à écoulement direct est l'outil le plus efficace pour utiliser l'énergie solaire comme source d'énergie alternative pour chauffer l'eau ou chauffer les maisons. Le collecteur haute performance fonctionne avec une efficacité de 80%. L'inconvénient du système est la difficulté de réparation.
Quelle que soit la conception, les collecteurs tubulaires présentent les avantages suivants:
- performance à basse température;
- faible perte de chaleur;
- durée de fonctionnement pendant la journée;
- la capacité de chauffer le liquide de refroidissement à des températures élevées;
- faible ventage;
- facilité d'installation.
Le principal inconvénient des modèles à vide est l'impossibilité de s'auto-nettoyer de la couverture de neige. La couche de vide ne laisse pas s'échapper la chaleur; par conséquent, la couche de neige ne fond pas et bloque l'accès du soleil au champ de capteurs. Inconvénients supplémentaires: prix élevé et nécessité de respecter l'angle de travail du ballon au moins 20 °.
Les capteurs solaires qui chauffent le liquide de refroidissement peuvent être utilisés dans la préparation d'eau chaude, s'ils sont équipés d'un ballon de stockage:
En savoir plus sur le principe de fonctionnement d'un capteur solaire sous vide à tubes. plus loin.
L'eau - la meilleure option pour les latitudes sud
Capteur solaire plat (panneau) - une plaque rectangulaire en aluminium, fermée sur le dessus avec un couvercle en plastique ou en verre. À l'intérieur de la boîte se trouve un champ d'absorption, une bobine métallique et une couche d'isolation thermique. La zone du collecteur est remplie d'une ligne d'écoulement à travers laquelle le liquide de refroidissement se déplace.
L'absorption de chaleur d'un revêtement absorbant hautement sélectif atteint 90%. Un tuyau métallique fluide est placé entre «l'absorbeur» et l'isolation thermique. Deux schémas de pose de tubes sont utilisés: «harpe» et «méandre».
Le processus d'assemblage des capteurs solaires qui chauffent le liquide de refroidissement comprend un certain nombre d'étapes traditionnelles:
Si le circuit de chauffage est complété par une ligne alimentant en eau sanitaire l'alimentation en eau chaude, il est judicieux de connecter un accumulateur de chaleur au capteur solaire. L'option la plus simple sera un réservoir de capacité appropriée avec isolation thermique, capable de maintenir la température de l'eau chauffée. Il doit être installé sur le survol:
Un collecteur tubulaire avec un liquide de refroidissement agit comme un effet de «serre» - les rayons du soleil pénètrent à travers le verre et réchauffent le pipeline. Grâce à l'étanchéité et à l'isolation thermique, la chaleur est retenue à l'intérieur du panneau.
La résistance du module solaire est largement déterminée par le matériau du capot de protection:
- verre ordinaire - le revêtement le moins cher et le plus fragile;
- verre trempé - degré élevé de diffusion de la lumière et résistance accrue;
- verre anti-reflet - diffère dans la capacité d'absorption maximale (95%) en raison de la présence d'une couche éliminant la réflexion des rayons du soleil;
- verre autonettoyant (polaire) avec du dioxyde de titane - la pollution organique brûle au soleil et les restes de déchets sont emportés par la pluie.
Le verre en polycarbonate est le plus résistant aux chocs. Le matériel est installé dans des modèles coûteux.
Caractéristiques opérationnelles et fonctionnelles des panneaux solaires:
- dans les systèmes à circulation forcée, une fonction de décongélation est fournie qui vous permet de vous débarrasser rapidement de la couche de neige sur l'héliopol;
- le verre prismatique capte une large gamme de rayons sous différents angles - en été, l'efficacité de l'installation atteint 78-80%;
- le collecteur n'a pas peur de surchauffer - avec un excès d'énergie thermique, un refroidissement forcé du liquide de refroidissement est possible;
- résistance aux chocs accrue par rapport aux homologues tubulaires;
- la possibilité de monter à n'importe quel angle;
- prix abordable.
Les systèmes ne sont pas sans défauts. Pendant une période de carence en rayonnement solaire, à mesure que la différence de température augmente, l'efficacité d'un capteur solaire plat diminue considérablement en raison d'une isolation thermique insuffisante. Par conséquent, le module de panneau porte ses fruits en été ou dans les régions à climat chaud.
Héliosystèmes: caractéristiques de conception et de fonctionnement
La diversité des systèmes solaires peut être classée selon les paramètres suivants: la méthode d'utilisation du rayonnement solaire, la méthode de circulation du liquide de refroidissement, le nombre de circuits et la saisonnalité de fonctionnement.
Complexe actif et passif
Un capteur solaire est fourni dans tout système de conversion d'énergie solaire. Sur la base de la méthode d'utilisation de la chaleur obtenue, deux types d'héliocomplexes sont distingués: passif et actif.
La première variété est le système de chauffage solaire, où les éléments structurels du bâtiment agissent comme élément absorbant la chaleur du rayonnement solaire. Le toit, le mur collecteur ou les fenêtres agissent comme une surface réceptrice d'hélium.
Dans les pays européens, les technologies passives sont utilisées dans la construction de bâtiments économes en énergie. Les surfaces hélicoïdales décorent sous de fausses fenêtres. Derrière le revêtement de verre se trouve un mur de brique noirci avec des ouvertures légères.
Les accumulateurs de chaleur sont des éléments structurels - murs et sols, isolés avec du polystyrène de l'extérieur.
Les systèmes actifs impliquent l'utilisation de dispositifs indépendants qui ne sont pas liés à la construction.
Thermosiphon et systèmes de circulation
L'équipement solaire thermique avec le mouvement naturel du liquide de refroidissement le long du circuit collecteur-accumulateur-collecteur est effectué par convection - un liquide chaud avec une faible densité monte, du liquide refroidi coule.
Dans les systèmes à thermosiphon, le réservoir de stockage est situé au-dessus du collecteur, assurant une circulation spontanée du liquide de refroidissement.
Le système solaire sans pression présente une large liste d'inconvénients:
- les jours nuageux, les performances du complexe diminuent - une grande différence de température est nécessaire pour le mouvement du liquide de refroidissement;
- perte de chaleur due au mouvement lent du fluide;
- le risque de surchauffe du réservoir en raison de l'incontrôlabilité du processus de chauffage;
- instabilité du collecteur;
- la difficulté de placer le réservoir de la batterie - lorsqu'il est monté sur le toit, les pertes de chaleur augmentent, les processus de corrosion sont accélérés, il y a un risque de gel des tuyaux.
Avantages du système «gravitationnel»: simplicité de conception et prix abordable.
Les dépenses en immobilisations pour organiser un système solaire à circulation (forcée) sont considérablement plus élevées que pour l'installation d'un complexe sans pression. Une pompe s'écrase dans le circuit, assurant le mouvement du liquide de refroidissement. Le fonctionnement de la station de pompage est contrôlé par le contrôleur.
Cette méthode de circulation est utilisée dans les installations solaires thermiques à double circuit toute l'année.
Avantages d'un complexe entièrement fonctionnel:
- choix illimité de l'emplacement du réservoir de stockage;
- performance hors saison;
- sélection du mode de chauffage optimal;
- sécurité - blocage de l'opération en cas de surchauffe.
L'inconvénient du système est sa dépendance à l'électricité.
Schémas de solutions techniques: un et double circuit
Dans les installations à circuit unique, du liquide circule, qui est ensuite acheminé vers les points de prise d'eau. En hiver, l'eau du système doit être évacuée pour éviter le gel et le craquelage des tuyaux.
Caractéristiques des complexes solaires thermiques à circuit unique:
- Il est recommandé de «faire le plein» du système avec de l'eau purifiée et non rigide - le dépôt de sel sur les parois des tuyaux entraîne le colmatage des canaux et la rupture du collecteur;
- corrosion due à un excès d'air dans l'eau;
- durée de vie limitée - dans un délai de quatre à cinq ans;
- haute efficacité en été.
Dans les complexes solaires à double circuit, un liquide de refroidissement spécial circule (fluide antigel avec additifs anti-mousse et anti-corrosion), qui transfère la chaleur à l'eau à travers l'échangeur de chaleur.
Les nuances de fonctionnement d'un module à double circuit: une légère diminution de l'efficacité (3 à 5% de moins que dans un système à circuit unique), la nécessité d'un remplacement complet du liquide de refroidissement tous les 7 ans.
Conditions de travail et augmentation de l'efficacité
Le calcul et l'installation du système solaire sont mieux confiés à des professionnels. Le respect de la technique d'installation garantira l'opérabilité et l'obtention des performances déclarées. Pour améliorer l'efficacité et la durée de vie, certaines nuances doivent être prises en compte.
Vanne thermostatique. Dans les systèmes de chauffage traditionnels élément thermostatique rarement installé, car le générateur de chaleur est responsable du réglage de la température. Cependant, lors de l'équipement du système solaire, la soupape de sécurité ne doit pas être oubliée.
Emplacement optimal de la valve - 60 cm du radiateur. A proximité immédiate, le «thermostat» chauffe et bloque le débit d'eau chaude.
Placement du réservoir de stockage. La capacité tampon ECS doit être installée dans un endroit accessible. Lorsqu'il est placé dans une pièce compacte, une attention particulière est portée à la hauteur des plafonds.
L'installation vase d'expansion. L'élément compense la dilatation thermique pendant la stagnation. L'installation du réservoir au-dessus de l'équipement de pompage provoquera une surchauffe de la membrane et son usure prématurée.
Connexion solaire. Lors de la connexion de tuyaux, il est recommandé d'organiser une boucle. "Thermo Loop" réduit les pertes de chaleur, empêchant la libération de fluide chauffé.
Clapet anti-retour. Empêche le "renversement" de la circulation du liquide de refroidissement. Avec un manque d'activité solaire clapet anti-retour empêche la chaleur accumulée pendant la journée.
Modèles populaires de modules "solaires"
Les héliosystèmes d'entreprises nationales et étrangères sont en demande.Les produits des fabricants ont acquis une bonne réputation: NPO Mashinostroeniya (Russie), Helion (Russie), Ariston (Italie), Alten (Ukraine), Viessman (Allemagne), Amcor (Israël), etc.
Système solaire "Falcon". Capteur solaire plat équipé d'un revêtement optique multicouche avec pulvérisation magnétron. La capacité de rayonnement minimale et le niveau d'absorption élevé offrent une efficacité pouvant atteindre 80%.
Caractéristiques de performance:
- température de fonctionnement - jusqu'à -21 ° С;
- rayonnement thermique inverse - 3-5%;
- couche supérieure - verre trempé (4 mm).
Collectionneur SVK-A (Alten). Installation solaire sous vide avec une zone d'absorption de 0,8 à 2,41 m2 (selon le modèle). Le caloporteur est du propylène glycol; l'isolation thermique d'un échangeur de chaleur en cuivre de 75 mm minimise les pertes de chaleur.
Options supplémentaires:
- boîtier - aluminium anodisé;
- diamètre de l'échangeur de chaleur - 38 mm;
- isolation - laine minérale avec traitement anti-hygroscopique;
- revêtement - verre borosilicaté 3,3 mm;
- Efficacité - 98%.
Vitosol 100-F - capteur solaire plat pour montage horizontal ou vertical. Absorbeur en cuivre avec bobine tubulaire en forme de harpe et revêtement héliotitane. Transmission lumineuse - 81%.
Conclusions et vidéo utile sur le sujet
Le principe de fonctionnement des capteurs solaires et leurs types:
Évaluation des performances d'un collecteur plat à des températures inférieures à zéro:
Technologie de montage d'un capteur de panneau solaire utilisant le modèle Buderus comme exemple:
L'énergie solaire est une source de chaleur renouvelable. Compte tenu de l'augmentation des prix des ressources énergétiques traditionnelles, l'introduction de systèmes solaires justifie les investissements en capital et porte ses fruits au cours des cinq prochaines années, sous réserve des techniques d'installation.
Si vous avez des informations précieuses que vous souhaitez partager avec les visiteurs de notre site, veuillez laisser vos commentaires dans le bloc sous l'article. Là, vous pouvez poser des questions intéressantes sur le sujet de l'article ou partager l'expérience de l'utilisation des capteurs solaires.
Utiliser l'énergie solaire pour éclairer et chauffer une maison est mon rêve. Je vais économiser de l'argent et le faire. Mon ami a installé des panneaux solaires sur le toit. L'ensemble du processus de rééquipement a coûté 25 mille dollars. Maintenant, ils ont assez d'électricité pour la famille et ils vendent un excédent à l'État. Ils ont calculé que les coûts seront payants dans 6 ans, puis recevront un revenu. Investissement prometteur.
Votre ami est malhonnête - un particulier ne peut pas vendre de l'électricité à l'État. Et l'équipement ne dure pas éternellement. Il sera nécessaire de le réparer et de le réparer.
Nous devons attendre encore 20 ans, alors - peut-être que ce sera plus accessible. Mais pas dans notre pays ...
Autour de ce sujet, de nombreuses autres copies seront cassées. Lisez à plusieurs reprises les recherches avec scepticisme quant à la rentabilité de ces projets. Apparemment, ici, après tout, tout repose sur le lien régional de la maison. Même avec une consommation électrique de 1000 kW par mois pour 3 roubles, 25 000 $ en 5 ans ne fonctionnent pas).
Mais sur le chauffage, à mon avis c'est intéressant. La seule question qui se pose est de savoir si le capteur solaire peut prendre en charge le chauffage complet et l'eau chaude aux latitudes moyennes? La question de la récupération devient alors secondaire.
Bonjour Je pose aussi activement cette question et ici le problème n'est pas aux latitudes moyennes, mais dans la durée des heures de clarté. Les piles et les collecteurs fonctionnent à partir de la lumière du soleil, pas de la chaleur du soleil.La durée du cycle lumineux en hiver, la nuit, la saison nuageuse (et parfois ce temps dure des semaines).
Il devient douteux la version des constructeurs d'un retour sur investissement de 10 ans, compte tenu de la durée de vie moyenne des batteries de 25 ans et des batteries de 12 ans. Et de plus en plus semble être une véritable version du retour sur investissement récemment calculé de 45 ans, qui ne semble plus si approprié.
Et comment calculer le retour sur investissement pour le territoire de Krasnodar? Tout va bien avec le nombre de jours ensoleillés. Sera-t-il difficile de monter les panneaux vous-même?
Bonjour Boris. Dans le territoire de Krasnodar, les énergies alternatives sont bien développées, en particulier les centrales solaires (SES).
Quant au retour sur investissement, il faut ici effectuer quelques calculs. Pour plus de clarté, je vais donner un exemple d'un projet terminé pour la ville de Sotchi, un SES de 10 kW. Tenir immédiatement compte du tarif d'électricité local de 7,9 roubles / kWh.
Le coût du SES lui-même est de 590 000 roubles, plus le bois et les fixations pour le toit, les consommables et les travaux d'installation coûteront 110 000 roubles. Au total, un montant de 700 mille roubles est obtenu.
Je joins un calendrier pour la production électrique annuelle totale de SES 10 kW par an, ce qui représente 15 900 kWh. Le graphique de l'épargne mensuelle moyenne montre que SES permettra d'économiser 125 000 roubles. par an.
Il est facile de calculer qu'à Sotchi, une telle station est rentabilisée en 5 ans.
Installation Je vous conseille de confier l'équipe d'une organisation spécialisée dans les installations de génie thermique pour obtenir une garantie officielle.