La energía solar como fuente alternativa de energía: tipos y características de los sistemas solares.

En la última década, la energía solar como fuente alternativa de energía se ha utilizado cada vez más para calentar y proporcionar agua caliente a los edificios. La razón principal es el deseo de reemplazar los combustibles tradicionales por fuentes de energía asequibles, ecológicas y renovables.

La conversión de energía solar en calor se produce en los sistemas solares: el diseño y el principio de funcionamiento del módulo determinan los detalles de su aplicación. En este material consideraremos los tipos de colectores solares y los principios de su funcionamiento, así como también hablaremos sobre los modelos populares de módulos solares.

La viabilidad de usar un sistema solar

Heliosistema: un complejo para convertir la energía de la radiación solar en calor, que luego se transfiere a un intercambiador de calor para calentar el medio de calentamiento de un sistema de calefacción o suministro de agua.

La eficiencia de la instalación solar térmica depende de la insolación solar: la cantidad de energía suministrada durante una luz del día por 1 m2 de superficie ubicada en un ángulo de 90 ° con respecto a la directividad de los rayos solares. El valor medido del indicador es kW * h / m2, el valor del parámetro varía según la temporada.

El nivel promedio de insolación solar para la región de clima continental templado es de 1000-1200 kWh / m2 (por año). La cantidad de sol es un parámetro determinante para calcular el rendimiento del sistema solar.

El uso de una fuente de energía alternativa le permite calentar la casa, obtener agua caliente sin los costos de energía tradicionales, exclusivamente a través de la radiación solar.

La instalación de un sistema de calefacción solar es una tarea costosa. Para que los gastos de capital valgan la pena, se requiere un cálculo preciso del sistema y el cumplimiento de la tecnología de instalación.

Ejemplo. El valor promedio de la insolación solar para Tula a mediados del verano es de 4.67 kV / m2 * día, siempre que el panel del sistema esté instalado en un ángulo de 50 °. La capacidad del colector solar de 5 metros cuadrados se calcula de la siguiente manera: 4.67 * 4 = 18.68 kW de calor por día. Este volumen es suficiente para calentar 500 litros de agua desde una temperatura de 17 ° C a 45 ° C.

Como muestra la práctica, cuando se usa una instalación solar, los propietarios de la casa de campo en el verano pueden cambiar completamente de calefacción eléctrica o de gas al método solar

Hablando de la viabilidad de introducir nuevas tecnologías, es importante tener en cuenta las características técnicas de un colector solar en particular. Algunos comienzan a funcionar a 80 W / m2 de energía solar, mientras que otros solo necesitan 20 W / m2.

Incluso en un clima del sur, el uso de un sistema colector exclusivo para calefacción no dará resultado. Si la instalación se utilizará exclusivamente en invierno con escasez de sol, el costo del equipo no estará cubierto durante 15-20 años.

Para utilizar el heliocomplejo de la manera más eficiente posible, debe incluirse en el sistema de suministro de agua caliente. Incluso en invierno, un colector solar le permitirá "reducir" las facturas de energía para calentar agua al 40-50%.

Según los expertos, con el uso doméstico, el sistema solar se amortiza en unos 5 años. Con el aumento de los precios de la electricidad y el gas, se reducirá el período de recuperación del complejo.

Además de los beneficios económicos, la "calefacción solar" tiene ventajas adicionales:

1. Respetuoso del medio ambiente. Las emisiones de dióxido de carbono se reducen. Durante un año, 1 metro cuadrado del colector solar evita que 350-730 kg de minería ingresen a la atmósfera.
2. Estética. El espacio de una bañera o cocina compacta se puede eliminar de calderas voluminosas o géiseres.
3. Durabilidad. Los fabricantes afirman que, sujeto a la tecnología de instalación, el complejo durará unos 25-30 años. Muchas compañías ofrecen una garantía de hasta 3 años.

Argumentos en contra del uso de la energía solar: estacionalidad pronunciada, dependencia del clima y alta inversión inicial.

Disposición general y principio de funcionamiento.

Considere un sistema solar con un colector como el principal elemento de trabajo del sistema. La apariencia de la unidad se asemeja a una caja de metal, cuyo frente está hecho de vidrio templado. Dentro de la caja hay un cuerpo de trabajo: una bobina con un absorbedor.

El bloque de absorción de calor proporciona calentamiento del portador de calor: el líquido circulante transfiere el calor generado al circuito de suministro de agua.

Los componentes principales del heliosistema: 1 - campo colector, 2 - ventilación de aire, 3 - estación de distribución, 4 - tanque de alivio de presión, 5 - controlador, 6 - calentador de agua, 7.8 - elemento calefactor e intercambiador de calor, 9 - válvula mezcladora de calor, 10 - consumo de agua caliente, 11 - toma de agua fría, 12 - descarga, T1 / T2 - sensores de temperatura

El colector solar debe trabajar en conjunto con un tanque de almacenamiento. Dado que el refrigerante se calienta a una temperatura de 90-130 ° C, no se puede alimentar directamente a grifos de agua caliente o radiadores de calefacción. El refrigerante ingresa al intercambiador de calor de la caldera. El tanque de almacenamiento a menudo se complementa con un calentador eléctrico.

Esquema de trabajo:

1. El sol calienta la superficie. coleccionista.
2. La radiación térmica se transmite al elemento absorbente (absorbente), que contiene el fluido de trabajo.
3. El refrigerante que circula por los tubos de la bobina se calienta.
4. El equipo de bombeo, una unidad de control y monitoreo aseguran la eliminación del refrigerante a través de la tubería hasta la bobina del tanque de almacenamiento.
5. El calor se transfiere al agua en la caldera.
6. El refrigerante enfriado fluye de regreso al colector y el ciclo se repite.

El agua calentada del calentador de agua se suministra al circuito de calefacción o a los puntos de entrada de agua.

Al organizar un sistema de calefacción o suministro de agua caliente durante todo el año, el sistema está equipado con una fuente de calefacción adicional (caldera, calentador eléctrico). Este es un requisito previo para mantener la temperatura establecida.

Los paneles solares en la disposición de casas privadas se utilizan con mayor frecuencia como fuente de electricidad de respaldo:

Variedades de colectores solares.

Independientemente del propósito, el sistema solar está equipado con un colector solar tubular plano o esférico. Cada una de las opciones tiene una serie de características distintivas en términos de características técnicas y eficiencia operativa.

Vacío - para climas fríos y templados

Estructuralmente, un colector solar al vacío se asemeja a un termo: se colocan tubos estrechos con refrigerante en matraces de mayor diámetro. Se forma una capa de vacío entre los recipientes, que es responsable del aislamiento térmico (preservación del calor, hasta el 95%). La forma tubular es más óptima para mantener el vacío y la "ocupación" de los rayos del sol.

Elementos básicos de una instalación termosolar tubular: marco de soporte, cuerpo del intercambiador de calor, tubos de vidrio al vacío tratados con un recubrimiento altamente selectivo para una intensa "absorción" de energía solar.

El tubo interior (de calor) se llena con solución salina con un bajo punto de ebullición (24-25 ° C). Cuando se calienta, el líquido se evapora: el vapor sube por el matraz y calienta el refrigerante que circula en el cuerpo del colector.

En el proceso de condensación, las gotas de agua fluyen hacia la punta del tubo y el proceso se repite.

Debido a la presencia de una capa de vacío, el líquido dentro del bulbo de calor puede hervir y evaporarse a menos temperatura de la calle (hasta -35 ° C).

Las características de los módulos solares dependen de tales criterios:

• diseño de tubo - pluma, coaxial;
• dispositivo de canal de calor "Tubo de calor"Circulación de flujo directo.

Bulbo de plumas - un tubo de vidrio en el que están encerrados un absorbedor de placas y un canal de calor. La capa de vacío atraviesa toda la longitud del canal de calor.

Tubo coaxial - matraz doble con un "inserto" de vacío entre las paredes de dos tanques. El calor se transfiere desde el interior del tubo. La punta del termotubo está equipada con un indicador de vacío.

La eficiencia de los tubos de la pluma (1) es mayor en comparación con los modelos coaxiales (2). Sin embargo, los primeros son más caros y más difíciles de instalar. Además, en caso de avería, el matraz tendrá que ser reemplazado por completo.

El canal de tubería de calor es la variante más común de transferencia de calor en colectores solares.

El mecanismo de acción se basa en la colocación de un líquido volátil en tubos metálicos sellados.

La popularidad de la "tubería de calor" se debe a un costo asequible, sin pretensiones de servicio y mantenibilidad. Debido a la complejidad del proceso de intercambio de calor, el nivel máximo de eficiencia es del 65%.

Canal de flujo directo - tubos metálicos paralelos conectados a un arco en forma de U pasan a través de un matraz de vidrio

El refrigerante que fluye a través del canal se calienta y se alimenta al cuerpo del colector.

Opciones de diseño para un colector solar de vacío: 1 - modificación con un tubo de calefacción central "Tubo de calor", 2 - instalación solar con circulación de flujo directo del refrigerante

Los tubos coaxiales y de plumas se pueden combinar con canales de calor de diferentes maneras.

Opción 1. El matraz coaxial con "tubo de calor" es la solución más popular. En el colector, el calor se transfiere repetidamente desde las paredes del tubo de vidrio al matraz interno y luego al refrigerante. El grado de eficiencia óptica alcanza el 65%.

El esquema del tubo coaxial "Tubo de calor": 1 - una carcasa de vidrio, 2 - revestimiento selectivo, 3 - aletas metálicas, 4 - vacío, 5 - bulbo de calor con una sustancia de ebullición ligera, 6 - tubo de vidrio interno

opcion 2 El matraz coaxial de flujo directo se conoce como un colector en forma de U. Gracias al diseño, se reducen las pérdidas de calor: la energía térmica del aluminio se transfiere a los tubos con un refrigerante circulante.

Junto con la alta eficiencia (hasta 75%), el modelo tiene desventajas:

• complejidad de la instalación: los matraces son una sola unidad con un cuerpo múltiple de dos tubos (tapa principal) y se instalan como un todo;
• Se excluye el reemplazo de un solo tubo.

Además, la unidad en forma de U exige el refrigerante y es más costosa que los modelos de "tubería de calor".

El dispositivo del colector solar en forma de U: 1 - "cilindro" de vidrio, 2 - revestimiento absorbente, 3 - "cubierta" de aluminio, 4 - matraz con refrigerante, 5 - vacío, 6 - tubo de vidrio interno

Opción 3 Tubo de plumas con el principio de acción "Tubo de calor". Características distintivas del colector:

• altas características ópticas: eficiencia de aproximadamente el 77%;
• el absorbedor plano transfiere directamente energía térmica al tubo de transferencia de calor;
• mediante el uso de una sola capa de vidrio, se reduce la reflexión de la radiación solar;

Es posible reemplazar un elemento dañado sin drenar el refrigerante del sistema solar.

Opcion 4 El matraz de fuente de flujo directo es la herramienta más efectiva para usar la energía solar como fuente alternativa de energía para calentar agua o calentar hogares. El colector de alto rendimiento funciona con una eficiencia del 80%. La desventaja del sistema es la dificultad de reparación.

Esquemas del dispositivo de colectores solares de plumas: 1 - un sistema solar con un canal de "tubo de calor", 2 - una carcasa de dos tubos de un colector solar con movimiento de flujo directo del refrigerante

Independientemente del diseño, los colectores tubulares tienen las siguientes ventajas:

• rendimiento a baja temperatura;
• baja pérdida de calor;
• duración del funcionamiento durante el día;
• la capacidad de calentar el refrigerante a altas temperaturas;
• bajo viento;
• facilidad de instalación.

La principal desventaja de los modelos de aspiradora es la imposibilidad de autolimpieza de la capa de nieve. La capa de vacío no deja salir el calor; por lo tanto, la capa de nieve no se derrite y bloquea el acceso del sol al campo colector. Desventajas adicionales: alto precio y la necesidad de cumplir con el ángulo de trabajo del matraz de al menos 20 °.

Los colectores solares que calientan el refrigerante de aire se pueden usar en la preparación de agua caliente, si están equipados con un tanque de almacenamiento:

Lea más sobre el principio de funcionamiento de un colector solar de vacío con tubos. Más lejos.

Agua: la mejor opción para las latitudes del sur

Colector solar plano (panel): una placa rectangular de aluminio, cerrada en la parte superior con una cubierta de plástico o vidrio. Dentro de la caja hay un campo de absorción, una bobina de metal y una capa de aislamiento térmico. El área del colector se llena con una línea de flujo a través de la cual se mueve el refrigerante.

Los componentes básicos de un colector solar plano: carcasa, absorbedor, revestimiento protector, capa de aislamiento térmico y sujetadores. Cuando se ensambla, se usa vidrio esmerilado con una transmitancia del rango espectral de 0.4-1.8 micras.

La absorción de calor de un recubrimiento absorbente altamente selectivo alcanza el 90%. Se coloca una tubería de metal que fluye entre el "absorbedor" y el aislamiento térmico. Se utilizan dos esquemas de colocación de tubos: "arpa" y "meandro".

El proceso de ensamblar colectores solares que calientan el líquido refrigerante incluye una serie de pasos tradicionales:

Si el circuito de calefacción se complementa con una línea que suministra agua sanitaria al suministro de agua caliente, tiene sentido conectar un acumulador de calor al colector solar. La opción más simple será un tanque de capacidad adecuada con aislamiento térmico, capaz de mantener la temperatura del agua calentada. Debe instalarse en el paso elevado:

Un colector tubular con un líquido refrigerante actúa como un efecto de "invernadero": los rayos del sol penetran a través del vidrio y calientan la tubería. Gracias a la estanqueidad y al aislamiento térmico, el calor se retiene dentro del panel.

La resistencia del módulo solar está determinada en gran medida por el material de la cubierta protectora:

• vidrio ordinario - el revestimiento más barato y quebradizo;
• vidrio colado - alto grado de dispersión de la luz y mayor resistencia;
• vidrio antirreflejo - difiere en la capacidad de absorción máxima (95%) debido a la presencia de una capa que elimina el reflejo de los rayos del sol;
• vidrio autolimpiante (polar) con dióxido de titanio: la contaminación orgánica se quema al sol y la lluvia arrastra los restos de basura.

El vidrio de policarbonato es el más resistente a los golpes. El material se instala en modelos caros.

Reflejo de la luz solar y absorción: 1 - revestimiento antirreflejo, 2 - vidrio templado resistente a los golpes. El espesor óptimo de la carcasa protectora es de 4 mm.

Características operativas y funcionales de los paneles solares:

• En los sistemas de circulación forzada, se proporciona una función de descongelación que le permite deshacerse rápidamente de la capa de nieve del heliopol;
• El vidrio prismático capta una amplia gama de rayos en diferentes ángulos: en verano, la eficiencia de la instalación alcanza el 78-80%;
• el colector no teme el sobrecalentamiento; con un exceso de energía térmica, es posible el enfriamiento forzado del refrigerante;
• mayor resistencia al impacto en comparación con las contrapartes tubulares;
• la capacidad de montar en cualquier ángulo;
• precios asequibles

Los sistemas no están exentos de defectos. Durante un período de deficiencia de radiación solar, a medida que aumenta la diferencia de temperatura, la eficiencia de un colector solar plano disminuye significativamente debido a un aislamiento térmico insuficiente. Por lo tanto, el módulo del panel vale la pena en el verano o en regiones con un clima cálido.

Heliosistemas: características de diseño y operación.

La diversidad de los sistemas solares se puede clasificar por los siguientes parámetros: el método de uso de la radiación solar, el método de circulación del refrigerante, el número de circuitos y la estacionalidad de la operación.

Complejo activo y pasivo

Se proporciona un colector solar en cualquier sistema de conversión de energía solar. Según el método de uso del calor obtenido, se distinguen dos tipos de heliocomplejos: pasivo y activo.

La primera variedad es el sistema de calefacción solar, donde los elementos estructurales del edificio actúan como el elemento de absorción de calor de la radiación solar. El techo, la pared del colector o las ventanas actúan como una superficie receptora de helio.

Esquema de un sistema solar pasivo de baja temperatura con una pared del colector: 1 - rayos del sol, 2 - una pantalla translúcida, 3 - una barrera de aire, 4 - aire calentado, 5 - flujos de aire de escape, 6 - radiación de calor de la pared, 7 - superficie de absorción de calor de la pared del colector, 8 - persianas decorativas

En los países europeos, las tecnologías pasivas se utilizan en la construcción de edificios energéticamente eficientes. Las superficies receptoras de helio se decoran bajo ventanas falsas. Detrás del revestimiento de vidrio hay una pared de ladrillo ennegrecida con aberturas de luz.

Los acumuladores de calor son elementos estructurales: paredes y pisos, aislados con poliestireno desde el exterior.

Los sistemas activos implican el uso de dispositivos independientes que no están relacionados con la construcción.

Los complejos considerados anteriormente con colectores planos y tubulares entran en esta categoría: las instalaciones solares térmicas, por regla general, se colocan en el techo de un edificio

Termosifón y sistemas de circulación.

El equipo termosolar con el movimiento natural del refrigerante a lo largo del circuito colector-acumulador-colector se realiza por convección: el líquido caliente con una baja densidad sube, el líquido enfriado fluye hacia abajo.

En los sistemas de termosifón, el tanque de almacenamiento está ubicado sobre el colector, lo que permite la circulación espontánea del refrigerante.

El esquema de trabajo es característico de los sistemas estacionales de circuito único. El complejo de termosifón no se recomienda para colectores con un área de más de 12 m2.

El sistema solar sin presión tiene una amplia lista de desventajas:

• en días nublados, el rendimiento del complejo disminuye: se requiere una gran diferencia de temperatura para el movimiento del refrigerante;
• pérdida de calor debido al lento movimiento del fluido;
• el riesgo de sobrecalentamiento del tanque debido a la incontrolabilidad del proceso de calentamiento;
• inestabilidad del colector;
• La dificultad de colocar el tanque de la batería: cuando se monta en el techo, aumentan las pérdidas de calor, se aceleran los procesos de corrosión, existe el riesgo de congelación de las tuberías.

Ventajas del sistema "gravitacional": simplicidad de diseño y asequibilidad.

Los gastos de capital para organizar un sistema solar de circulación (forzado) son significativamente más altos que la instalación de un complejo libre de presión. Una bomba choca contra el circuito, proporcionando movimiento de refrigerante. El funcionamiento de la estación de bombeo es controlado por el controlador.

La energía térmica adicional generada en el complejo forzado excede la energía consumida por los equipos de bombeo. La eficiencia del sistema aumentará en un tercio

Este método de circulación se utiliza en instalaciones termosolares de doble circuito durante todo el año.

Ventajas de un complejo completamente funcional:

• elección ilimitada de la ubicación del tanque de almacenamiento;
• rendimiento fuera de temporada;
• selección del modo de calentamiento óptimo;
• seguridad - operación de bloqueo durante el sobrecalentamiento.

La desventaja del sistema es su dependencia de la electricidad.

Esquemas de soluciones técnicas: uno y doble circuito

En instalaciones de circuito único, circula líquido, que posteriormente se alimenta a los puntos de entrada de agua. En invierno, el agua del sistema debe drenarse para evitar el congelamiento y el agrietamiento de las tuberías.

Características de los complejos termosolares de un solo circuito:

• Se recomienda “repostar” el sistema con agua purificada y no rígida: el asentamiento de sal en las paredes de la tubería conduce a la obstrucción de los canales y la rotura del colector;
• corrosión debido al exceso de aire en el agua;
• vida útil limitada: de cuatro a cinco años;
• Alta eficiencia en el verano.

En los complejos solares de circuito doble, circula un refrigerante especial (fluido no congelante con aditivos antiespumantes y anticorrosivos), que transfiere calor al agua a través del intercambiador de calor.

Circuito de heliosistema de circuito simple (1) y circuito doble (2). La segunda opción se caracteriza por una mayor confiabilidad, la capacidad de trabajar en invierno y la duración de la operación (20-50 años)

Los matices de operar un módulo de circuito doble: una ligera disminución en la eficiencia (3-5% menos que en un sistema de circuito único), la necesidad de un reemplazo completo del refrigerante cada 7 años.

Condiciones para trabajar y aumentar la eficiencia.

El cálculo y la instalación del sistema solar se confían mejor a los profesionales. El cumplimiento de la técnica de instalación garantizará la operatividad y la obtención del rendimiento declarado. Para mejorar la eficiencia y la vida útil, se deben tener en cuenta algunos matices.

Válvula termostática. En sistemas de calefacción tradicionales. elemento termostático rara vez se instala, ya que el generador de calor es responsable de ajustar la temperatura. Sin embargo, al equipar el sistema solar, la válvula de seguridad no debe olvidarse.

Calentar el tanque a la temperatura máxima permitida aumenta la productividad del colector y permite el uso de calor solar incluso en climas nublados.

Colocación óptima de la válvula: 60 cm del calentador. Muy cerca, el "termostato" se calienta y bloquea el flujo de agua caliente.

Colocación del tanque de almacenamiento. La capacidad del búfer de ACS debe instalarse en un lugar accesible. Cuando se coloca en una habitación compacta, se presta especial atención a la altura de los techos.

El espacio libre mínimo sobre el tanque es de 60 cm. Este espacio es necesario para mantener la batería y reemplazar el ánodo de magnesio.

Instalación Tanque de expansión. El elemento compensa la expansión térmica durante el estancamiento. Instalar el tanque sobre el equipo de bombeo provocará el sobrecalentamiento de la membrana y su desgaste prematuro.

El mejor lugar para el tanque de expansión es debajo del grupo de bombas. El efecto de la temperatura durante esta instalación se reduce significativamente y la membrana retiene la elasticidad por más tiempo.

Conexión solar Al conectar tuberías, se recomienda organizar un bucle. "Thermo Loop" reduce la pérdida de calor, evitando la liberación de fluido calentado.

Versión técnicamente correcta de la implementación del heliocontour "loop". El incumplimiento del requisito provoca una disminución de la temperatura en el tanque de almacenamiento en 1-2 ° C por noche

Válvula de retención. Previene el "vuelco" de la circulación del refrigerante. Con falta de actividad solar. la válvula de retención evita el calor acumulado durante el día.

Modelos populares de módulos "solares"

Hay demanda de heliosistemas de empresas nacionales y extranjeras.Los productos de los fabricantes han ganado una buena reputación: NPO Mashinostroeniya (Rusia), Helion (Rusia), Ariston (Italia), Alten (Ucrania), Viessman (Alemania), Amcor (Israel), etc.

Sistema solar "Falcon". Colector solar plano equipado con un recubrimiento óptico multicapa con pulverización catódica de magnetrón. La capacidad mínima de radiación y el alto nivel de absorción proporcionan una eficiencia de hasta el 80%.

Características de presentación:

• temperatura de funcionamiento - hasta -21 ° С;
• radiación de calor inversa - 3-5%;
• capa superior - vidrio templado (4 mm).

Coleccionista SVK-A (Alten). Instalación solar al vacío con un área de absorción de 0.8-2.41 sq. M (según el modelo). El portador de calor es propilenglicol; el aislamiento térmico de un intercambiador de calor de cobre de 75 mm minimiza la pérdida de calor.

Opciones adicionales:

• caja - aluminio anodizado;
• diámetro del intercambiador de calor - 38 mm;
• aislamiento - lana mineral con tratamiento antihigroscópico;
• revestimiento - vidrio de borosilicato 3,3 mm;
• Eficiencia - 98%.

Vitosol 100-F - colector solar plano para montaje horizontal o vertical. Absorbedor de cobre con bobina tubular en forma de arpa y recubrimiento de heliotitan. Transmisión de luz - 81%.

El orden aproximado de los precios de los sistemas solares: colectores solares planos - a partir de 400 pies cúbicos / m2, colectores solares tubulares - 350 matraces al vacío / 10 cu. Un conjunto completo de sistema de circulación: desde 2500 pies cúbicos

Conclusiones y video útil sobre el tema.

El principio de funcionamiento de los colectores solares y sus tipos:

Evaluación del rendimiento de un colector plano a temperaturas bajo cero:

Tecnología de montaje para un colector de paneles solares que utiliza el modelo Buderus como ejemplo:

La energía solar es una fuente renovable de calor. Dado el aumento de los precios de los recursos energéticos tradicionales, la introducción de sistemas solares justifica las inversiones de capital y paga en los próximos cinco años, sujeto a técnicas de instalación.

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