L'energia solare come fonte alternativa di energia: tipi e caratteristiche dei sistemi solari
Nell'ultimo decennio, l'energia solare come fonte alternativa di energia è stata sempre più utilizzata per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda agli edifici. Il motivo principale è il desiderio di sostituire i carburanti tradizionali con fonti di energia accessibili, rispettose dell'ambiente e rinnovabili.
La conversione dell'energia solare in calore avviene nei sistemi solari: il design e il principio di funzionamento del modulo determinano le specifiche della sua applicazione. In questo materiale considereremo i tipi di collettori solari e i principi del loro funzionamento, oltre a parlare dei popolari modelli di moduli solari.
Il contenuto dell'articolo:
- La fattibilità dell'uso di un sistema solare
- Disposizione generale e principio di funzionamento
- Varietà di collettori solari
- Heliosystems: caratteristiche di progettazione e funzionamento
- Condizioni per lavorare e aumentare l'efficienza
- Modelli popolari di moduli "solari"
- Conclusioni e video utili sull'argomento
La fattibilità dell'uso di un sistema solare
Heliosystem - un complesso per convertire l'energia della radiazione solare in calore, che viene successivamente trasferito in uno scambiatore di calore per riscaldare il mezzo di riscaldamento di un sistema di riscaldamento o di un approvvigionamento idrico.
L'efficienza dell'impianto solare termico dipende dall'insolazione solare - la quantità di energia fornita durante una luce diurna per 1 metro quadrato di superficie situata ad un angolo di 90 ° rispetto alla direttività della luce solare. Il valore misurato dell'indicatore è kW * h / m2, il valore del parametro varia in base alla stagione.
Il livello medio di insolazione solare per la regione del clima continentale temperato è di 1000-1200 kWh / mq (all'anno). La quantità di sole è un parametro determinante per il calcolo delle prestazioni del sistema solare.
L'installazione di un sistema di riscaldamento solare è un'impresa costosa. Affinché le spese in conto capitale vengano ripagate, sono richiesti un calcolo accurato del sistema e l'adesione alla tecnologia di installazione.
Un esempio L'insolazione solare media per Tula in piena estate è di 4,67 kV / mq * al giorno, a condizione che il pannello di sistema sia installato con un angolo di 50 °. La capacità del collettore solare di 5 metri quadrati è calcolata come segue: 4.67 * 4 = 18.68 kW di calore al giorno. Questo volume è sufficiente per riscaldare 500 litri di acqua da una temperatura di 17 ° C a 45 ° C.
Parlando della fattibilità dell'introduzione di nuove tecnologie, è importante tenere conto delle caratteristiche tecniche di un particolare collettore solare. Alcuni iniziano a lavorare con 80 W / mq di energia solare, mentre altri hanno bisogno solo di 20 W / mq.
Anche nel clima meridionale, l'uso di un sistema di raccolta esclusivamente per il riscaldamento non ripagherà. Se l'installazione verrà utilizzata esclusivamente in inverno con una carenza di sole, il costo delle apparecchiature non sarà coperto per 15-20 anni.
Per utilizzare l'eliocomplex nel modo più efficiente possibile, è necessario includerlo nel sistema di alimentazione dell'acqua calda. Anche in inverno, un collettore solare ti permetterà di "tagliare" le bollette energetiche per il riscaldamento dell'acqua al 40-50%.
Oltre ai vantaggi economici, il "riscaldamento solare" presenta ulteriori vantaggi:
- Rispetto dell'ambiente Le emissioni di anidride carbonica sono ridotte. Per un anno, 1 metro quadrato del collettore solare impedisce a 350-730 kg di estrazione mineraria di entrare nell'atmosfera.
- Estetica. Lo spazio di una vasca o cucina compatta può essere eliminato da ingombranti caldaie o geyser.
- Durevolezza. I produttori affermano che, soggetto alla tecnologia di installazione, il complesso durerà circa 25-30 anni. Molte aziende offrono una garanzia fino a 3 anni.
Argomenti contro l'uso dell'energia solare: stagionalità pronunciata, dipendenza dal tempo e investimenti iniziali elevati.
Disposizione generale e principio di funzionamento
Considera un sistema solare con un collettore come principale elemento di funzionamento del sistema. L'aspetto dell'unità ricorda una scatola di metallo, il cui lato anteriore è realizzato in vetro temperato. All'interno della scatola c'è un corpo di lavoro - una bobina con un assorbitore.
Il blocco di assorbimento del calore fornisce il riscaldamento del vettore di calore - il liquido circolante, trasferisce il calore generato al circuito di alimentazione dell'acqua.
Il collettore solare deve funzionare in tandem con un serbatoio di accumulo. Poiché il refrigerante viene riscaldato a una temperatura di 90-130 ° C, non può essere alimentato direttamente ai rubinetti dell'acqua calda o ai radiatori di riscaldamento. Il liquido di raffreddamento entra nello scambiatore di calore della caldaia. Il serbatoio di accumulo è spesso integrato da una resistenza elettrica.
Schema di lavoro:
- Il sole riscalda la superficie collettore.
- La radiazione termica viene trasmessa all'elemento assorbente (assorbitore), che contiene il fluido di lavoro.
- Il refrigerante che circola attraverso i tubi della serpentina viene riscaldato.
- Le attrezzature di pompaggio, un'unità di controllo e monitoraggio assicurano la rimozione del liquido di raffreddamento attraverso la tubazione fino alla serpentina del serbatoio di stoccaggio.
- Il calore viene trasferito all'acqua nella caldaia.
- Il refrigerante raffreddato ritorna al collettore e il ciclo si ripete.
L'acqua riscaldata dallo scaldabagno viene fornita al circuito di riscaldamento o ai punti di presa dell'acqua.
I pannelli solari nella disposizione delle case private sono spesso utilizzati come fonte di energia elettrica di riserva:
Varietà di collettori solari
Indipendentemente dallo scopo, il sistema solare è dotato di un collettore solare tubolare piatto o sferico. Ciascuna delle opzioni ha una serie di caratteristiche distintive in termini di caratteristiche tecniche ed efficienza operativa.
Vuoto - per climi freddi e temperati
Strutturalmente, un collettore solare sottovuoto assomiglia a un thermos: i tubi stretti con un refrigerante sono posizionati in beute di diametro maggiore. Tra i recipienti si forma uno strato sotto vuoto, responsabile dell'isolamento termico (conservazione del calore - fino al 95%). La forma tubolare è ottimale per mantenere il vuoto e l '"occupazione" dei raggi del sole.
Il tubo interno (termico) è riempito di soluzione salina con un basso punto di ebollizione (24-25 ° C). Quando riscaldato, il liquido evapora: il vapore sale sul pallone e riscalda il liquido di raffreddamento che circola nel corpo del collettore.
Nel processo di condensazione, le gocce d'acqua scorrono nella punta del tubo e il processo si ripete.
A causa della presenza di uno strato di vuoto, il liquido all'interno del bulbo di calore è in grado di bollire ed evaporare alla temperatura della strada meno (fino a -35 ° С).
Le caratteristiche dei moduli solari dipendono da tali criteri:
- disegno del tubo - piuma, coassiale;
- dispositivo del canale di calore - "Tubo di calore"circolazione a flusso diretto.
Bulbo di piume - un tubo di vetro in cui sono racchiusi un assorbitore di piastre e un canale di calore. Lo strato di vuoto attraversa l'intera lunghezza del canale di calore.
Tubo coassiale - doppio pallone con un "inserto" sotto vuoto tra le pareti di due serbatoi. Il calore viene trasferito dall'interno del tubo. La punta del termotubo è dotata di un indicatore di vuoto.
Il canale del tubo di calore è la variante più comune di trasferimento di calore nei collettori solari.
Il meccanismo d'azione si basa sul posizionamento di un liquido volatile in tubi metallici sigillati.
Canale a flusso diretto - tubi metallici paralleli collegati in un arco a forma di U passano attraverso un pallone di vetro
Il refrigerante che fluisce attraverso il canale viene riscaldato e alimentato al corpo del collettore.
I tubi coassiali e a spirale possono essere combinati con canali di calore in diversi modi.
Opzione 1 La beuta coassiale con "tubo di calore" è la soluzione più popolare. Nel collettore, il calore viene trasferito ripetutamente dalle pareti del tubo di vetro al pallone interno e quindi al liquido di raffreddamento. Il grado di efficienza ottica raggiunge il 65%.
Opzione 2 Il matraccio coassiale a flusso diretto è noto come collettore a forma di U. Grazie al design, le perdite di calore si riducono: l'energia termica dell'alluminio viene trasferita ai tubi con un refrigerante circolante.
Insieme all'elevata efficienza (fino al 75%), il modello presenta degli svantaggi:
- complessità di installazione - le boccette sono una singola unità con un corpo collettore a due tubi (mainfold) e sono installate nella loro interezza;
- la sostituzione del tubo singolo è esclusa.
Inoltre, l'unità a forma di U è impegnativa per il refrigerante e più costosa rispetto ai modelli "Heat pipe".
Opzione 3 Tubo di piume con il principio di azione "Heat pipe". Caratteristiche distintive del collezionista:
- elevate caratteristiche ottiche - efficienza di circa il 77%;
- l'assorbitore piatto trasferisce direttamente l'energia termica al tubo di trasferimento del calore;
- attraverso l'uso di un singolo strato di vetro, si riduce il riflesso della radiazione solare;
È possibile sostituire un elemento danneggiato senza scaricare il liquido di raffreddamento dal sistema solare.
Opzione 4 Il pallone a fontana a flusso diretto è lo strumento più efficace per utilizzare l'energia solare come fonte alternativa di energia per il riscaldamento dell'acqua o il riscaldamento delle case. Il collettore ad alte prestazioni funziona con un'efficienza dell'80%. Lo svantaggio del sistema è la difficoltà di riparazione.
Indipendentemente dal design, i collettori tubolari presentano i seguenti vantaggi:
- prestazione a bassa temperatura;
- bassa perdita di calore;
- durata del funzionamento durante il giorno;
- la capacità di riscaldare il liquido di raffreddamento a temperature elevate;
- bassa windage;
- facilità di installazione.
Il principale svantaggio dei modelli di vuoto è l'impossibilità di autopulizia dalla copertura nevosa. Lo strato di vuoto non fa uscire il calore; pertanto, lo strato di neve non si scioglie e blocca l'accesso del sole al campo del collettore. Svantaggi aggiuntivi: prezzo elevato e necessità di rispettare l'angolo di lavoro del matraccio di almeno 20 °.
I collettori solari che riscaldano il liquido di raffreddamento possono essere utilizzati nella preparazione di acqua calda, se sono dotati di un serbatoio di accumulo:
Maggiori informazioni sul principio di funzionamento di un collettore solare sottovuoto con tubi. ulteriormente.
Acqua: l'opzione migliore per le latitudini meridionali
Collettore solare piano (pannello) - una piastra rettangolare in alluminio, chiusa nella parte superiore con una copertura in plastica o vetro. All'interno della scatola c'è un campo di assorbimento, una bobina di metallo e uno strato di isolamento termico. L'area del collettore è riempita con una linea di flusso attraverso la quale si muove il liquido di raffreddamento.
L'assorbimento di calore di un rivestimento assorbente altamente selettivo raggiunge il 90%. Un tubo metallico scorrevole è posto tra l '"assorbitore" e l'isolamento termico. Vengono utilizzati due schemi di posa dei tubi: "arpa" e "meandro".
Il processo di assemblaggio dei collettori solari che riscaldano il liquido di raffreddamento liquido comprende una serie di passaggi tradizionali:
Se il circuito di riscaldamento è integrato da una linea che fornisce acqua sanitaria alla fornitura di acqua calda, ha senso collegare un accumulatore di calore al collettore solare. L'opzione più semplice sarà un serbatoio di capacità adeguata con isolamento termico in grado di mantenere la temperatura dell'acqua riscaldata. Deve essere installato sul cavalcavia:
Un collettore tubolare con un liquido di raffreddamento liquido agisce come un effetto "serra": i raggi del sole penetrano attraverso il vetro e riscaldano la tubazione. Grazie alla tenuta e all'isolamento termico, il calore viene trattenuto all'interno del pannello.
La forza del modulo solare è in gran parte determinata dal materiale della copertura protettiva:
- vetro ordinario - il rivestimento più economico e fragile;
- vetro temperato - elevato grado di diffusione della luce e maggiore resistenza;
- vetro antiriflesso - differisce nella massima capacità di assorbimento (95%) a causa della presenza di uno strato che elimina il riflesso dei raggi del sole;
- vetro autopulente (polare) con biossido di titanio: l'inquinamento organico brucia al sole e i resti di immondizia vengono spazzati via dalla pioggia.
Il vetro in policarbonato è il più resistente agli urti. Il materiale è installato in modelli costosi.
Caratteristiche operative e funzionali dei pannelli solari:
- nei sistemi a circolazione forzata, è prevista una funzione di scongelamento che consente di eliminare rapidamente la copertura nevosa sull'eliopolo;
- il vetro prismatico raccoglie una vasta gamma di raggi da diverse angolazioni: in estate l'efficienza dell'installazione raggiunge il 78-80%;
- il collettore non ha paura del surriscaldamento - con un eccesso di energia termica, è possibile il raffreddamento forzato del liquido di raffreddamento;
- maggiore resistenza all'impatto rispetto alle controparti tubolari;
- la possibilità di montare a qualsiasi angolo;
- prezzi accessibili.
I sistemi non sono privi di difetti. Durante un periodo di carenza di radiazione solare, all'aumentare della differenza di temperatura, l'efficienza di un collettore solare piano diminuisce significativamente a causa dell'insufficiente isolamento termico. Pertanto, il modulo pannello paga in estate o in regioni con clima caldo.
Heliosystems: caratteristiche di progettazione e funzionamento
La diversità dei sistemi solari può essere classificata in base ai seguenti parametri: il metodo di utilizzo della radiazione solare, il metodo di circolazione del refrigerante, il numero di circuiti e la stagionalità del funzionamento.
Complesso attivo e passivo
Un collettore solare è fornito in qualsiasi sistema di conversione dell'energia solare. In base al metodo di utilizzo del calore ottenuto, si distinguono due tipi di eliocomplex: passivo e attivo.
La prima varietà è il sistema di riscaldamento solare, in cui gli elementi strutturali dell'edificio fungono da elemento di assorbimento del calore della radiazione solare. Il tetto, la parete del collettore o le finestre fungono da superficie di ricezione dell'elio.
Nei paesi europei, le tecnologie passive sono utilizzate nella costruzione di edifici ad alta efficienza energetica. Le superfici che ricevono elio si decorano sotto finte finestre. Dietro il rivestimento di vetro c'è un muro di mattoni annerito con aperture leggere.
Gli accumulatori di calore sono elementi strutturali: pareti e pavimenti, isolati con polistirolo dall'esterno.
I sistemi attivi comportano l'uso di dispositivi indipendenti non correlati alla costruzione.
Termosifone e sistemi di circolazione
Le apparecchiature solari termiche con il movimento naturale del liquido di raffreddamento lungo il circuito collettore-accumulatore-collettore vengono eseguite per convezione: il liquido caldo a bassa densità sale, il liquido raffreddato scende.
Nei sistemi a termosifone, il serbatoio di stoccaggio si trova sopra il collettore, fornendo una circolazione spontanea del liquido di raffreddamento.
Il sistema solare non in pressione presenta un ampio elenco di svantaggi:
- nei giorni nuvolosi, le prestazioni del complesso diminuiscono: è necessaria una grande differenza di temperatura per il movimento del liquido di raffreddamento;
- perdita di calore dovuta al lento movimento del fluido;
- rischio di surriscaldamento del serbatoio a causa della incontrollabilità del processo di riscaldamento;
- instabilità del collettore;
- la difficoltà di posizionare il serbatoio della batteria - quando montato sul tetto, le perdite di calore aumentano, i processi di corrosione sono accelerati, c'è il rischio di congelamento dei tubi.
Vantaggi del sistema "gravitazionale": semplicità di progettazione e convenienza.
Le spese in conto capitale per l'organizzazione di un sistema solare a circolazione (forzata) sono significativamente più elevate rispetto all'installazione di un complesso privo di pressione. Una pompa si schianta contro il circuito, fornendo movimento di refrigerante. Il funzionamento della stazione di pompaggio è controllato dal controller.
Questo metodo di circolazione viene utilizzato negli impianti solari termici a doppio circuito per tutto l'anno.
Pro di un complesso completamente funzionale:
- scelta illimitata della posizione del serbatoio di stoccaggio;
- esibizione fuori stagione;
- selezione della modalità di riscaldamento ottimale;
- sicurezza - operazione di blocco durante il surriscaldamento.
Lo svantaggio del sistema è la sua dipendenza dall'elettricità.
Schemi di soluzione tecnica: monocircuito e doppio circuito
Nelle installazioni a circuito singolo, circola il liquido, che viene successivamente alimentato ai punti di presa dell'acqua. In inverno, l'acqua del sistema deve essere drenata per evitare il congelamento e la rottura dei tubi.
Caratteristiche dei complessi solari termici a circuito singolo:
- Si raccomanda il "rifornimento di carburante" del sistema con acqua purificata e non rigida: la sedimentazione del sale sulle pareti del tubo provoca l'intasamento dei canali e la rottura del collettore;
- corrosione dovuta all'eccesso di aria nell'acqua;
- vita utile limitata - entro 4-5 anni;
- alta efficienza in estate.
Nei complessi solari a doppio circuito circola uno speciale refrigerante (fluido non congelante con additivi antischiuma e anticorrosione), che trasferisce il calore all'acqua attraverso lo scambiatore di calore.
Le sfumature del funzionamento di un modulo a doppio circuito: una leggera diminuzione dell'efficienza (3-5% in meno rispetto a un sistema a circuito singolo), la necessità di una sostituzione completa del liquido di raffreddamento ogni 7 anni.
Condizioni per lavorare e aumentare l'efficienza
Il calcolo e l'installazione del sistema solare sono affidati al meglio ai professionisti. Il rispetto della tecnica di installazione garantirà l'operabilità e l'ottenimento delle prestazioni dichiarate. Per migliorare l'efficienza e la durata, è necessario tenere conto di alcune sfumature.
Valvola termostatica. Nei sistemi di riscaldamento tradizionali elemento termostatico installato raramente, poiché il generatore di calore è responsabile della regolazione della temperatura. Tuttavia, quando si equipaggia il sistema solare, la valvola di sicurezza non deve essere dimenticata.
Posizionamento ottimale della valvola - 60 cm dal riscaldatore. Nelle immediate vicinanze, il "termostato" si riscalda e blocca il flusso di acqua calda.
Posizionamento del serbatoio di stoccaggio. La capacità del buffer ACS deve essere installata in un luogo accessibile. Se collocato in una stanza compatta, viene prestata particolare attenzione all'altezza dei soffitti.
installazione vaso di espansione. L'elemento compensa l'espansione termica durante il ristagno. L'installazione del serbatoio sopra l'attrezzatura di pompaggio provocherà il surriscaldamento della membrana e la sua usura prematura.
Collegamento solare. Quando si collegano i tubi, si consiglia di organizzare un loop. "Thermo Loop" riduce la perdita di calore, impedendo il rilascio di fluido riscaldato.
Valvola di non ritorno. Impedisce il "ribaltamento" della circolazione del refrigerante. Con una mancanza di attività solare valvola di ritegno impedisce il calore accumulato durante il giorno.
Modelli popolari di moduli "solari"
Sono richiesti eliosistemi di società nazionali ed estere.I prodotti dei produttori hanno ottenuto una buona reputazione: NPO Mashinostroeniya (Russia), Helion (Russia), Ariston (Italia), Alten (Ucraina), Viessman (Germania), Amcor (Israele), ecc.
Sistema solare "Falcon". Collettore solare piano dotato di un rivestimento ottico multistrato con sputtering magnetronico. La capacità minima di radiazione e l'alto livello di assorbimento forniscono un'efficienza fino all'80%.
Caratteristiche prestazionali:
- temperatura di esercizio - fino a -21 ° С;
- radiazione di calore inversa - 3-5%;
- strato superiore - vetro temperato (4 mm).
Collezionista SVK-A (Alten). Impianto solare sotto vuoto con un'area di assorbimento di 0,8-2,41 mq (a seconda del modello). Il vettore termico è glicole propilenico; l'isolamento termico di uno scambiatore di calore in rame da 75 mm riduce al minimo la perdita di calore.
Opzioni aggiuntive:
- cassa - alluminio anodizzato;
- diametro dello scambiatore di calore - 38 mm;
- isolamento - lana minerale con trattamento anti-igroscopico;
- rivestimento - vetro borosilicato 3,3 mm;
- Efficienza: 98%.
Vitosol 100-F - collettore solare piano per montaggio orizzontale o verticale. Assorbitore in rame con bobina tubolare a forma di arpa e rivestimento eliotitano. Trasmissione della luce - 81%.
Conclusioni e video utili sull'argomento
Il principio di funzionamento dei collettori solari e dei loro tipi:
Valutazione delle prestazioni di un collettore piano a temperature inferiori allo zero:
Tecnologia di montaggio per un collettore di pannelli solari utilizzando il modello Buderus come esempio:
L'energia solare è una fonte rinnovabile di calore. Dato l'aumento dei prezzi per le risorse energetiche tradizionali, l'introduzione dei sistemi solari giustifica gli investimenti di capitale e ripaga nei prossimi cinque anni, fatte salve le tecniche di installazione.
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Usare l'energia solare per illuminare e riscaldare una casa è il mio sogno. Risparmierò denaro e ce la farò. Il mio amico ha installato pannelli solari sul tetto. L'intero processo di riqualificazione costa 25 mila dollari. Ora hanno abbastanza elettricità per la famiglia e stanno vendendo lo stato in eccesso. Hanno calcolato che i costi pagheranno in 6 anni e quindi riceveranno entrate. Investimento promettente.
Il tuo amico è disonesto: un privato non può vendere elettricità allo stato. E l'attrezzatura non dura per sempre. Sarà necessario ripararlo e ripararlo.
Dobbiamo aspettare altri 20 anni, quindi forse sarà più accessibile. Ma non nel nostro paese ...
Intorno a questo argomento molte altre copie verranno interrotte. Leggi ripetutamente la ricerca con uno scetticismo sul rimborso di tali progetti. Apparentemente, qui, dopo tutto, tutto si basa sul collegamento regionale della casa. Anche con un consumo di elettricità di 1000 kW al mese per 3 rubli, in qualche modo $ 25k in 5 anni non funziona).
Ma sul riscaldamento, a mio avviso, è interessante. L'unica domanda che si pone è se il collettore solare può assumere il pieno riscaldamento e l'acqua calda a metà latitudine? Quindi la questione del rimborso diventa secondaria.
Ciao Faccio anche attivamente questa domanda e qui il problema non è nelle medie latitudini, ma nella durata delle ore diurne. Batterie e collettori funzionano dalla luce solare, non dal calore del sole.La durata del ciclo di luce in inverno, notte, stagione nuvolosa (e talvolta questo tempo dura settimane).
Diventa dubbiosa la versione dei produttori con un rimborso di 10 anni, data la durata media della batteria di 25 anni e le batterie di 12 anni. E sempre più sembra essere una versione vera del ritorno sugli investimenti calcolato di recente di 45 anni, che non sembra più così appropriato.
E come calcolare il rimborso per il territorio di Krasnodar? Va tutto bene con il numero di giorni di sole. Sarà difficile montare i pannelli da soli?
Ciao Boris. Nel territorio di Krasnodar, l'energia alternativa è ben sviluppata, in particolare le centrali solari a griglia (SES).
Per quanto riguarda il rimborso, qui è necessario eseguire alcuni calcoli. Per chiarire, fornirò un esempio di un progetto finito per la città di Sochi, un SES da 10 kW. Prendi immediatamente in considerazione la tariffa elettrica locale di 7,9 rubli / kWh.
Il costo del SES stesso è di 590 mila rubli, più una barra e gli elementi di fissaggio per il tetto, i materiali di consumo e i lavori di installazione costeranno 110 mila rubli. In totale, si ottiene un importo di 700 mila rubli.
Allego un programma per la produzione di energia annuale totale di SES 10 kW all'anno, che è di 15.900 kWh. Il grafico del risparmio mensile medio mostra che SES consentirà di risparmiare la quantità di 125 mila rubli. all'anno
È facile calcolare che a Sochi una simile stazione raggiunge un rimborso in 5 anni.
Installazione Vi consiglio di affidare il team di un'organizzazione specializzata nell'installazione di ingegneria termica per ottenere una garanzia ufficiale.