Слънчеви колектори: видове, принцип на работа, дизайн на системата

Топлинни помпи черпете енергия от почва, вода или въздух, затоплен от слънцето. Котлите използват топлината, отделена при изгарянето на гориво, което в крайна сметка е и продукт на преобразуването на слънчевата енергия по време на дългата еволюция на Земята. Слънчевите колектори в известен смисъл са уникални: те получават енергия директно от слънцето.

За да имате възможност да загреете водата за битова гореща вода абсолютно безплатно утре или да отоплявате къщата си, днес все още трябва да харчите пари за закупуване на слънчеви колектори. Като се има предвид значителната цена на такова оборудване, е много важно да не правите грешка при избора. Така че, трябва да получите поне общи идеи за спецификата на слънчевите колектори и нюансите на тяхната работа.

Особеностите на използването на слънчеви колектори

Основната характеристика на слънчевите колектори, която ги отличава от другите видове генератори на топлина, е цикличността на тяхната работа. Без слънце - без топлинна енергия. В резултат на това такива инсталации са пасивни през нощта.

Среднодневното производство на топлина директно зависи от продължителността на дневната светлина. Последното се определя, първо, от географската ширина на района и второ - от времето на годината. През лятото, през което пикът на инсолация пада в северното полукълбо, колекторът ще работи с максимална ефективност. През зимата производителността му спада, достигайки минимум през декември-януари.

През зимата ефективността на слънчевите колектори намалява не само поради намаляване на дневната светлина, но и поради промяна в ъгъла на падене на слънчевата светлина. Колебанията в работата на слънчевия колектор през годината трябва да се вземат предвид при изчисляването на приноса му към топлоснабдителната система.

Друг фактор, който може да повлияе на производителността на слънчевия колектор, са климатичните особености на региона. У нас има много места, където в продължение на 200 дни или повече годишно слънцето е скрито зад дебел слой облаци или зад воал от мъгла. В облачно време работата на слънчевия колектор не пада до нула, тъй като той е в състояние да улавя разпръснатата слънчева светлина, но е значително намален.

Принципът на работа и видовете слънчеви колектори

Време е да кажем няколко думи за устройството и принципа на работа на слънчевия колектор. Основният елемент на неговия дизайн е адсорбер, който представлява медна плоча с заварена към нея тръба. Поглъщайки топлината на слънчевата светлина, падаща върху него, плочата (и с нея тръбата) бързо се нагрява. Тази топлина се предава на течната охлаждаща течност, циркулираща през тръбата, и която от своя страна я транспортира по-нататък през системата.

Способността на физическото тяло да абсорбира или отразява слънчевите лъчи зависи на първо място от естеството на повърхността му. Например, огледална повърхност перфектно отразява светлината и топлината, но черното, напротив, поглъща. Ето защо върху медната плоча на адсорбера се нанася черно покритие (най-простият вариант е черна боя).

Принципът на работа на слънчевия колектор

Възможно е да увеличите количеството топлина, получена от слънцето, чрез правилния подбор на стъкло, покриващо адсорбера. Редовното стъкло не е достатъчно прозрачно.Освен това той отблясва, отразявайки част от слънчевата светлина, падаща върху него. В слънчевите колектори като правило се опитват да използват специално стъкло с ниско съдържание на желязо, което увеличава неговата прозрачност. За да се намали фракцията светлина, отразена от повърхността, върху стъклото се нанася антиотражателно покритие. И така, че прахът и влагата, които също намаляват пропускателната способност на стъклото, не влизат в колектора, кутията се запечатва, а понякога дори се пълни с инертен газ.

Въпреки всички тези трикове, ефективността на слънчевите колектори все още е далеч от 100%, поради несъвършенството на дизайна им. Загрятата адсорберна плоча излъчва част от получената топлина в околната среда, като загрява въздуха в контакт с нея. За да се сведат до минимум загубите на топлина, адсорберът трябва да бъде изолиран. Търсенето на ефективен метод за топлоизолация на адсорбера доведе инженерите за създаване на няколко разновидности на слънчеви колектори, най-често срещаните от които са плоски и тръбни вакуумни.

Плоски слънчеви колектори

Плоски слънчеви колектори.

Дизайнът на плосък слънчев колектор е изключително прост: това е метална кутия, покрита със стъкло отгоре. За топлоизолация на дъното и стените на тялото, като правило, се използва минерална вата. Тази опция далеч не е идеална, тъй като не се изключва преносът на топлина от адсорбера към стъклото през въздуха вътре в канала. При голяма разлика в температурата вътре в колектора и отвън, топлинните загуби са доста значителни. В резултат на това плосък слънчев колектор, който функционира перфектно през пролетта и лятото, става изключително неефективен през зимата.

Плоско слънчево колекторно устройство

Тръбни вакуумни слънчеви колектори

Тръбни вакуумни слънчеви колектори.

Вакуумният слънчев колектор е панел, състоящ се от голям брой сравнително тънки стъклени тръби. Вътре във всеки от тях има адсорбер. За да се изключи преносът на топлина с газ (въздух), тръбите се евакуират. Поради липсата на газ в близост до адсорберите, вакуумните колектори се характеризират с ниски загуби на топлина дори при мразовито време.

Устройство за вакуум колектор

Приложения за слънчеви колектори

Основната цел на слънчевите колектори, както и на всички други топлинни генератори, е отопление на сгради и подготовка на вода за система за водоснабдяване с топла вода. Остава да разберем кой тип слънчеви колектори е най-подходящ за изпълнение на определена функция.

Плоските слънчеви колектори, както установихме, се отличават с добро представяне през пролетта и лятото, но са неефективни през зимата. От това следва, че не е практично да се използват за отопление, нуждата от които възниква именно с настъпването на студеното време. Това обаче не означава, че изобщо няма бизнес за това оборудване.

Плоските колектори имат едно безспорно предимство - те са значително по-евтини от вакуумните модели, затова в случаите, когато се планира да се използва слънчева енергия изключително през лятото, има смисъл да ги закупите. Плоските слънчеви колектори перфектно се справят със задачата да подготвят вода за топла вода през лятото. Още по-често те се използват за загряване до комфортна температура на водата във външни басейни.

Тръбните вакуумни колектори са по-универсални. С настъпването на зимните студове, тяхната ефективност намалява не толкова значително, колкото при плоските модели, което означава, че те могат да се използват целогодишно.Това прави възможно използването на такива слънчеви колектори не само за подаване на топла вода, но и в отоплителната система.

Сравнение на плоски и вакуумни слънчеви колектори.

Местоположение на слънчеви колектори

Ефективността на слънчевия колектор директно зависи от количеството слънчева светлина, попадащо върху адсорбера. От това следва, че колекторът трябва да бъде разположен на открито пространство, където никога (или поне възможно най-дълго) сянката от съседни сгради, дървета, разположени в близост до планини и т.н.

От голямо значение е не само местоположението на колектора, но и неговата ориентация. Най-„слънчевата“ страна в северното ни полукълбо е южната страна, което означава, че в идеалния случай „огледалата“ на колектора трябва да бъдат обърнати точно на юг. Ако технически е невъзможно да направите това, тогава трябва да изберете посоката възможно най-близо до юг - югозапад или югоизток.

Не бива да се игнорира такъв параметър като ъгъла на наклон на слънчевия колектор. Големината на ъгъла зависи от отклонението на положението на Слънцето от зенита, което от своя страна се определя от географската ширина на района, в който ще се използва оборудването. Ако ъгълът на наклона не е зададен правилно, загубата на оптична енергия ще се увеличи значително, тъй като значителна част от слънчевата светлина ще се отрази от стъклото на колектора и следователно няма да достигне абсорбера.

Как да изберем подходящия слънчев колектор

Ако искате отоплителната система на вашата къща да се справи със задачата да поддържа комфортна температура в помещенията и топла, а не топла вода, която тече от крановете, и в същото време планирате да използвате слънчев колектор като топлогенератор, трябва предварително да изчислите необходимата мощност на оборудването. В този случай ще трябва да се вземе предвид доста голям брой параметри, включително целта на колектора (захранване с топла вода, отопление или комбинация от двете), топлинното потребление на обекта (обща площ на отопляеми помещения или среднодневна консумация на топла вода), климатичните особености на региона и особеностите на колекторната инсталация.

По принцип правенето на такива изчисления не е толкова трудно. Известността на всеки модел е известна, което означава, че можете лесно да прецените броя на колекторите, необходими за осигуряване на топлина в къщата. Фирмите, които произвеждат слънчеви колектори, разполагат с информация (и могат да я предоставят на потребителя) за промяната в мощността на оборудването в зависимост от географската ширина на района, ъгъла на наклона на „огледалата“, отклонението на ориентацията им от юг и т.н., което ви позволява да направите необходимите изменения при изчисляване на производителността на колектора.

При избора на необходимата мощност на колектора е много важно да се постигне баланс между недостига и генерираната излишна топлина. Експертите препоръчват да се съсредоточи върху максималната възможна мощност на колектора, т.е. използвайте индикатора за най-производителния летен сезон при изчисленията. Това противоречи на желанието на обикновения потребител да вземе оборудване с марж (т.е. да изчисли мощността на най-студения месец), така че топлината от колектора да е достатъчна в по-малко слънчеви есенни и зимни дни.

Ако обаче тръгнете по пътя на избора на слънчев колектор с повишена мощност, тогава в пика на неговото изпълнение, тоест при топло слънчево време, ще срещнете сериозен проблем: ще се генерира повече топлина, отколкото се консумира, а това заплашва веригата да се прегрее и други неприятни последици , Има два варианта за решаване на този проблем: или инсталирайте слънчев колектор с ниска мощност и паралелно свързвайте излишните източници на топлина, или закупете модел с голям резерв на мощност и осигурете начини за изхвърляне на излишната топлина през пролетно-летния сезон.

Стагнация на системата

Нека поговорим малко повече за проблемите, свързани с излишък от генерирана топлина. Така че, да предположим, че сте инсталирали достатъчно мощен слънчев колектор, който може напълно да осигурява топлина на отоплителната система на вашия дом. Но дойде лятото и нуждата от отопление изчезна. Ако можете да изключите захранването на електрически котел, да изключите подаването на гориво за газов котел, тогава нямаме енергия над слънцето - не можем да го изключим, когато е прекалено горещо.

Стагнацията на системата е един от основните потенциални проблеми на слънчевите колектори. Ако се вземе недостатъчно топлина от колекторната верига, охлаждащата течност се прегрява. В определен момент последният може да заври, което ще доведе до прекратяване на циркулацията му по веригата. Когато охлаждащата течност се охлади и кондензира, системата ще продължи да работи. Обаче далеч от всички видове охлаждащи течности спокойно прехвърлят прехода от течно състояние в газообразно състояние и обратно. Някои в резултат на прегряване придобиват желеобразна консистенция, което прави по-нататъшната работа на веригата невъзможна.

Само стабилното отстраняване на топлината, произведена от колектора, ще помогне да се избегне застой. Ако изчисляването на мощността на оборудването се извърши правилно, вероятността от проблеми е почти нулева.

Въпреки това, дори и в този случай не е изключено възникването на форсмажорни обстоятелства, следователно трябва предварително да се предвидят начини за защита от прегряване:

1. Монтаж на резервен резервоар за натрупване на топла вода. Ако водата в основния резервоар на системата за подаване на топла вода е достигнала зададения максимум и слънчевият колектор продължава да доставя топлина, превключването автоматично ще се случи и водата ще започне да се нагрява вече в резервния резервоар. Създаденият запас от топла вода може да се използва за битови нужди по-късно, при облачно време.

2. Загрята вода в басейна. Собствениците на къщи с басейн (няма значение, на закрито или на открито) имат чудесна възможност да отклонят излишната топлина. Обемът на басейна е несравнимо по-голям от обема на всяко съхранение в домакинството, от което следва, че водата в него няма да се нагрява толкова много, че да не може повече да поема топлина.

3. Изцедете горещата вода. При липса на възможност да се изразходва излишната топлина, можете просто да изцедите загрятата вода от резервоара за съхранение на топла вода в малки канализации на малки порции. Студената вода, влизаща в резервоара, ще понижи температурата на целия обем, което ще продължи да отстранява топлината от веригата.

4. Външен топлообменник с вентилатор. Ако слънчевият колектор има голям капацитет, излишната топлина също може да бъде много голяма. В този случай системата е оборудвана с допълнителна верига, пълна с хладилен агент. Тази допълнителна верига е свързана към системата с помощта на топлообменник, оборудван с вентилатор и монтиран извън сградата. Ако има риск от прегряване, излишната топлина навлиза в допълнителната верига и се „отделя“ във въздуха чрез топлообменника.

5. Изхвърлянето на топлина в земята. Ако в допълнение към слънчевия колектор в къщата има почвена термопомпа, излишната топлина може да бъде изпратена до кладенеца. В този случай решавате два проблема наведнъж: от една страна, защитавате колекторната верига от прегряване, а от друга, възстановявате запаса от топлина в изтощената през зимата почва.

6. Изолация на слънчевия колектор от пряка слънчева светлина. Този метод е един от най-простите от техническа гледна точка. Разбира се, да се качите на покрива и ръчно да завесите колектора не си заслужава - трудно е и опасно. Много по-рационално е да инсталирате дистанционно контролиран екран, като ролетна щора. Можете дори да свържете контролния блок на амортисьора към контролера - ако температурата във веригата се повиши опасно, колекторът ще се затвори автоматично.

7. Изтичане на охлаждащата течност. Този метод може да се счита за кардинален, но в същото време е доста прост.Ако има риск от прегряване, охлаждащата течност се изхвърля през помпа в специален резервоар, интегриран в системната верига. Когато условията станат отново благоприятни, помпата ще върне охлаждащата течност във веригата и колекторът ще бъде възстановен.

Други компоненти на системата

Не е достатъчно просто да събирате топлината, излъчвана от слънцето. Все още е необходимо да се транспортира, натрупва, прехвърля на потребителите, необходимо е да се контролират всички тези процеси и т.н. Това означава, че в допълнение към колекторите, разположени на покрива, системата съдържа много други компоненти, които може да са по-малко забележими, но не по-малко важни. Нека се съсредоточим само върху някои от тях.

прехвърляне агент топлина

Функцията на охлаждащата течност в колекторната верига може да бъде или вода, или не замръзваща течност.

Водата има редица недостатъци, които налагат определени ограничения за използването й като топлоносител в слънчеви колектори:

• Първо, при минусови температури замръзва. Така че замразената охлаждаща течност да не счупи тръбите на веригата, тя ще трябва да се източи с приближаването на студеното време, което означава, че през зимата няма да получите дори малки количества топлинна енергия от колектора.
• Второ, не твърде високата точка на кипене на водата може да причини чести застоя през лятото.

Течността без замръзване, за разлика от водата, има значително по-ниска точка на замръзване и несравнимо по-висока точка на кипене, което увеличава удобството да я използвате като охлаждаща течност. Въпреки това, при високи температури „незамръзването“ може да претърпи необратими промени, поради което трябва да се предпази от прекомерно прегряване.

Адаптирана помпа за слънчеви системи

За да се осигури принудителна циркулация на охлаждащата течност по колекторната верига, е необходима помпа, пригодена за слънчеви системи.

Топлообменник за БГВ

Преносът на топлина от веригата на слънчевия колектор към водата, използвана за подаване на битова гореща вода, или към топлоносителя на отоплителната система, се осъществява с помощта на топлообменник. Като правило, за натрупване на топла вода използвайте голям резервоар с вече вграден топлообменник. Рационално е да използвате резервоари с два или повече топлообменника: това ще ви позволи да вземете топлина не само от слънчевия колектор, но и от други източници (газов или електрически котел, термопомпа и др.).

автоматизация

Такава сложна система не може да направи без автоматизация, която контролира и контролира процеса. Контролерът ви позволява да автоматизирате работата на колектора: анализира температурата във веригата и резервоара за съхранение, контролира помпата и клапаните, отговорни за движението на охлаждащата течност по веригата. Ако охлаждащата течност във веригата и водата в резервоара прегреят, контролерът ще даде команда да изхвърли топлината в алтернативен радиатор - допълнителен резервоар за вода или външен въздушен топлообменник.

Ако в края на дневните часове температурата на водата в резервоара за съхранение надвишава температурата на охлаждащата течност в колекторната верига, автоматиката ще спре циркулацията на охлаждащата течност по веригата, така че акумулираната топлина да не се отделя в атмосферата през самия колектор. Съвременните контролери позволяват дистанционно да се следи работата на системата и, ако е необходимо, да се правят корекции.

Днес няма да е трудно да намерите слънчев колектор и някой от компонентите, необходими за неговата работа на пазара. Напълно възможно е да се сглоби система от елементи, закупени отделно. Въпреки това, производителите предлагат готови комплекти, които включват колектор, помпи, резервоари за съхранение, автоматизация на контрола и др. Закупуването на такъв комплект е не само спестяване на вашето време, но и гаранция за работата на системата.