Col·lectors solars: tipus, principi de funcionament, disseny del sistema

Bombes de calor atraure energia del sòl, l’aigua o l’aire escalfat pel sol. Les calderes utilitzen la calor alliberada durant la combustió del combustible, que en última instància també és el producte de la conversió de l’energia solar durant la llarga evolució de la Terra. Els captadors solars són, en cert sentit, únics: reben energia directament del sol.

Per tenir l’oportunitat d’escalfar aigua per a l’aigua calenta domèstica absolutament gratuïta demà o per escalfar casa vostra, avui encara heu de gastar diners per comprar captadors solars. Atès el cost considerable d’aquest equipament, és molt important no equivocar-nos a l’hora d’escollir. Per tant, hauríeu d’obtenir almenys idees generals sobre les particularitats dels captadors solars i els matisos del seu treball.

Les particularitats d’utilitzar captadors solars

La característica principal dels col·lectors solars que els distingeix d’altres tipus de generadors de calor és la naturalesa cíclica del seu treball. Sense sol, sense energia tèrmica. Com a resultat, aquestes instal·lacions són passives de nit.

La producció mitjana de calor diària depèn directament de la durada de les hores del dia. Aquest últim està determinat, en primer lloc, per la latitud geogràfica de la zona i, per segon, per l’època de l’any. A l’estiu, durant el qual el pic d’insolació cau a l’hemisferi nord, el col·lector funcionarà amb la màxima eficàcia. A l’hivern, la seva productivitat baixa, fins als mínims entre desembre i gener.

A l’hivern, l’eficiència dels captadors solars disminueix no només a causa d’una disminució de la durada de les hores del dia, sinó també a causa d’un canvi en l’angle d’incidència de la llum solar. S'han de tenir en compte les fluctuacions del rendiment del colector solar durant l'any quan es calcula la seva contribució al sistema de subministrament de calor.

Un altre factor que pot afectar la productivitat del col·lector solar són les característiques climàtiques de la regió. Al nostre país hi ha molts llocs on durant 200 dies o més a l’any el sol s’amaga darrere d’una gruixuda capa de núvols o darrere d’un vel de boira. En temps ennuvolat, el rendiment del captador solar no baixa a zero, ja que és capaç de captar la llum solar dispersa, però es redueix significativament.

El principi de funcionament i tipus de captadors solars

És el moment de dir unes paraules sobre el dispositiu i el principi de funcionament del captador solar. L’element principal del seu disseny és un adsorber, que és una placa de coure amb una canonada soldada a la mateixa. Absorbint la calor de la llum del sol que hi cau, la placa (i amb ell la canonada) s’escalfa ràpidament. Aquesta calor es transfereix al refrigerant líquid que circula per la canonada i, al seu torn, la transporta més a través del sistema.

La capacitat del cos físic d’absorbir o reflectir els raigs del sol depèn, en primer lloc, de la naturalesa de la seva superfície. Per exemple, una superfície del mirall reflecteix perfectament la llum i la calor, però el negre, al contrari, s’absorbeix. Per això s’aplica un revestiment negre a la placa de coure de l’anunciador (l’opció més senzilla és la pintura negra).

El principi de funcionament del captador solar

Es pot augmentar la quantitat de calor rebuda del sol mitjançant la selecció adequada del vidre que cobreix l’adsorrador. Els vidres regulars no són prou transparents.A més, resplendeix, reflectint part de la llum del sol que hi cau. Als col·lectors solars, per regla general, intenten utilitzar vidres especials amb un baix contingut de ferro, cosa que augmenta la seva transparència. Per reduir la fracció de llum reflectida per la superfície, s’aplica un revestiment antireflectant al vidre. I de manera que la pols i la humitat, que també redueixen el cabal del vidre, no entren dins del col·lector, el cas està tancat i, fins i tot, fins i tot s’omple amb un gas inert.

Malgrat tots aquests trucs, l'eficiència dels col·lectors solars està lluny del 100% per la imperfecció del seu disseny. La placa d'adsor escalfada irradia part de la calor rebuda a l'ambient, escalfant l'aire en contacte amb ell. Per minimitzar les pèrdues de calor, s’ha d’aïllar l’adsor. La recerca d'un mètode eficaç d'aïllament tèrmic de l'adsor ha conduït els enginyers a crear diverses varietats de captadors solars, els més comuns dels quals són els de buit pla i tubular.

Col lectors solars plans

Col lectors solars plans.

El disseny d’un col·lector solar pla és extremadament senzill: és una caixa metàl·lica recoberta de vidre des de dalt. Per a l’aïllament tèrmic del fons i de les parets del cos, per regla general, s’utilitza llana mineral. Aquesta opció està lluny d’ésser ideal, ja que no s’exclou la transferència de calor des de l’anunciador al vidre a través de l’aire dins del conducte. Amb una gran diferència de temperatura dins del col·lector i fora, la pèrdua de calor és força important. Com a resultat, un captador solar pla, que funciona perfectament a la primavera i l’estiu, es torna extremadament ineficient a l’hivern.

Dispositiu de captador solar pla

Col·lectors solars per buit tubular

Col lectors solars de buit tubular.

El col·lector solar de buit és un panell format per un gran nombre de tubs de vidre relativament prims. Dins de cadascun d'ells hi ha un adsorber. Per excloure la transferència de calor per gas (aire), els tubs són evacuats. A causa de la manca de gas a prop dels adsorbidors, els col·lectors de buit es caracteritzen per una baixa pèrdua de calor fins i tot en temps de fred.

Dispositiu de col·lector de buit

Aplicacions per a col·lectors solars

L’objectiu principal dels col·lectors solars, així com qualsevol altre generador de calor, és escalfar edificis i preparar aigua per a un sistema d’abastament d’aigua calenta. Resta esbrinar quin tipus de captadors solars és el més adequat per exercir una funció determinada.

Els col·lectors solars plans, com hem trobat, es distingeixen per un bon rendiment a la primavera i a l’estiu, però són ineficaços a l’hivern. D’això se’n deriva que no és pràctic utilitzar-los per a la calefacció, la necessitat que sorgeix precisament amb l’aparició del clima fred. Això, però, no significa que no hi hagi cap negoci per a aquest equipament.

Els col·lectors plans tenen un avantatge indiscutible: són significativament més barats que els models de buit, per tant, en els casos en què es preveu utilitzar l’energia solar exclusivament a l’estiu, té sentit adquirir-los. Els col·lectors solars plans poden fer front perfectament a la tasca de preparar l’aigua per a l’aigua calenta a l’estiu. Encara més sovint s’utilitzen per escalfar una temperatura de l’aigua còmoda a les piscines exteriors.

Els col·lectors tubulars de buit són més versàtils. Amb l’arribada dels refredats d’hivern, el seu rendiment disminueix no tan significativament com en el cas dels models plans, cosa que significa que es poden utilitzar durant tot l’any.D’aquesta manera, es pot fer ús d’aquests captadors solars no només per al subministrament d’aigua calenta, sinó també en el sistema de calefacció.

Comparació de captadors solars plans i buits.

Ubicació de captadors solars

L’eficiència del col·lector solar depèn directament de la quantitat de llum solar que cau sobre l’anunciador. Es dedueix que el col·lector s’ha de situar en un espai obert, on mai (o almenys el màxim de temps possible) l’ombra dels edificis veïns, arbres situats a prop de muntanyes, etc.

De gran importància no és només la ubicació del col·leccionista, sinó també la seva orientació. El costat més “assolellat” del nostre hemisferi nord és el costat sud, cosa que significa que, idealment, els “miralls” del col·lector haurien de girar exactament al sud. Si no és tècnicament impossible fer-ho, hauríeu de triar la direcció el més a prop possible del sud-sud-oest o sud-est.

No s'hauria d'ignorar aquest paràmetre com l'angle d'inclinació del captador solar. La magnitud de l’angle depèn de la desviació de la posició del Sol del zenit, que al seu torn està determinada per la latitud geogràfica de la zona en què s’utilitzarà l’equip. Si no s’ajusta correctament l’angle d’inclinació, la pèrdua d’energia òptica augmentarà significativament, ja que una part significativa de la llum solar es reflectirà des del vidre col·lector i, per tant, no arribarà a l’absorbidor.

Com triar el col lector solar adequat

Si voleu que el sistema de calefacció de casa vostra faci front a la tasca de mantenir una temperatura còmoda a les instal·lacions i aigua calenta en lloc d’aigua calenta que surt de les aixetes i, al mateix temps, planifiqueu utilitzar un col·lector solar com a generador de calor, necessiteu calcular prèviament la potència necessària de l’equip. En aquest cas, caldrà tenir en compte un nombre força elevat de paràmetres, incloent el propòsit del col·lector (subministrament d’aigua calenta, calefacció o combinació d’ambdós), la demanda de calor de l’objecte (àrea total d’habitacions climatitzades o consum mitjà diari d’aigua calenta), característiques climàtiques de la regió i característiques de la instal·lació del col·lector.

En principi, fer aquests càlculs no és tan difícil. Es coneix el rendiment de cada model, cosa que significa que es pot estimar fàcilment el nombre de col·lectors necessaris per proporcionar calor a la casa. Les empreses que produeixen captadors solars tenen informació (i poden proporcionar-lo al consumidor) sobre el canvi de potència dels equips en funció de la latitud geogràfica de la zona, de l’angle d’inclinació dels “miralls”, de la desviació de la seva orientació del sud, etc., cosa que permet fer les modificacions necessàries en calcular el rendiment del dipòsit.

En seleccionar la potència col·lectora necessària, és molt important aconseguir un equilibri entre l’escassetat i l’excés de calor generada. Els experts recomanen centrar-se en la màxima potència col·leccionista possible, és a dir, fer servir l’indicador per a la temporada d’estiu més productiva en els càlculs. Això contradiu el desig de l’usuari mitjà d’agafar equips amb un marge (és a dir, per calcular la potència del mes més fred) de manera que la calor del col·lector seria suficient en els dies de tardor i hivern menys assolellats.

Tanmateix, si aneu pel camí d’escollir un col·lector solar amb major potència, aleshores en el punt àlgid del seu rendiment, és a dir, en un clima assolellat càlid, trobareu un problema greu: es generarà més calor que no pas consumida, i això amenaça el circuit per sobreescalfar i altres conseqüències desagradables. . Hi ha dues opcions per resoldre aquest problema: instal·lar un col·lector solar de poca potència i connectar paral·lelament fonts de calor redundants en paral·lel, o comprar un model amb una gran reserva d’energia i proporcionar maneres de descarregar l’excés de calor a la temporada primavera-estiu.

Estancament del sistema

Parlem una mica més dels problemes associats a un excés de calor generat. Per tant, suposem que heu instal·lat un col·lector solar suficientment potent que pugui proporcionar completament calor al sistema de calefacció de casa vostra. Però va arribar l’estiu i la necessitat de calefacció va desaparèixer. Si podeu apagar l’alimentació d’una caldera elèctrica, apagueu el subministrament de combustible per a una caldera de gas, aleshores no tenim cap llum del sol, no la podem apagar quan fa massa calor.

Un dels principals problemes potencials dels captadors solars és un estancament del sistema. Si no es té calor suficient del circuit col·lector, el refrigerant s’escalfa. En un moment determinat, aquest últim pot bullir, la qual cosa comportarà la terminació de la seva circulació pel circuit. Quan el refrigerant es refreda i es condensa, el sistema continuarà funcionant. Tanmateix, lluny de tot tipus de refrigerants, transferiu amb calma la transició d’un estat líquid a un estat gasós i viceversa. Alguns, com a resultat del sobreescalfament, adquireixen una consistència similar a la gelea, cosa que fa que el funcionament del circuit sigui impossible.

Només l’eliminació estable de la calor produïda pel col·lector ajudarà a evitar l’estancament. Si el càlcul de la potència de l’equip es fa correctament, la probabilitat de problemes és gairebé nul.

Tanmateix, fins i tot en aquest cas, no s’exclouen les circumstàncies de força major, per tant, s’han de preveure maneres de protecció contra el sobreescalfament per endavant:

1. Instal·lació d’un dipòsit de reserva per a l’acumulació d’aigua calenta. Si l’aigua del dipòsit principal del sistema d’abastament d’aigua calenta ha assolit el màxim establert i el col·lector solar continua subministrant calor, es produirà la connexió automàtica i l’aigua començarà a escalfar-se ja al dipòsit de reserva. L’estoc creat d’aigua tèbia es pot utilitzar per necessitats domèstiques més tard, en temps ennuvolat.

2. L’aigua escalfada a la piscina. Els propietaris de cases amb piscina (no importa, ni a l’interior ni a l’aire lliure) tenen una gran oportunitat de desviar l’excés de calor. El volum de la piscina és incomparablement superior al volum de qualsevol emmagatzematge domèstic, a partir de la qual cosa es dedueix que l’aigua que hi ha no s’escalfarà tant que ja no pot absorbir calor.

3. Escorreu l’aigua calenta. A falta de la capacitat de gastar excés de calor, simplement podeu drenar de forma útil l’aigua escalfada del dipòsit d’emmagatzematge de l’aigua calenta a les clavegueres petites en porcions petites. L’aigua freda que entra al dipòsit baixarà la temperatura de tot el volum, cosa que continuarà traient calor del circuit.

4. Intercanviador de calor extern amb ventilador. Si el col·lector solar té una gran capacitat, l’excés de calor també pot ser molt gran. En aquest cas, el sistema està equipat amb un circuit addicional farcit de refrigerant. Aquest circuit addicional es connecta al sistema mitjançant un intercanviador de calor equipat amb ventilador i muntat fora de l’edifici. Si hi ha risc de sobreescalfament, l’excés de calor entra al circuit addicional i es deixa “sortir” a l’aire a través de l’intercanviador de calor.

5. La descàrrega de calor a terra. Si a més del captador solar de la casa hi ha una bomba de calor del sòl, es pot enviar un excés de calor al pou. Al mateix temps, resolen dos problemes alhora: d’una banda, protegeixes el circuit col·lector dels sobreescalfaments i, de l’altra, restableixes el brou de calor del sòl esgotat durant l’hivern.

6. Aïllament del col·lector solar de la llum solar directa. Aquest mètode és un dels més senzills des del punt de vista tècnic. Per descomptat, no puja la pena pujar al terrat i retallar manualment el col·lector: és difícil i insegur. És molt més racional instal·lar una pantalla controlada de forma remota, com una persiana. Fins i tot podeu connectar la unitat de control de l’amortitzador amb el controlador - si la temperatura del circuit puja perillosament, el col·lector es tancarà automàticament.

7. Escorregut de refrigerant. Aquest mètode es pot considerar cardinal, però alhora és bastant simple.Si hi ha risc de sobreescalfament, el refrigerant es drena mitjançant una bomba en un dipòsit especial integrat al circuit del sistema. Quan les condicions tornin a ser favorables, la bomba retornarà el refrigerant al circuit i el col·lector es restablirà.

Altres components del sistema

No n’hi ha prou amb només recollir la calor radiada pel sol. Encara és necessari transportar-lo, acumular-lo, transferir-lo als consumidors, és necessari controlar tots aquests processos, etc. Això significa que, a més dels col·lectors situats al terrat, el sistema conté molts altres components, que poden ser menys notables, però no menys importants. Centrem-nos només en alguns d’ells.

Refrigerant

La funció de refrigerant al circuit col·lector pot ser aigua o un fluid no congelant.

L’aigua té diversos inconvenients que imposen certes restriccions en el seu ús com a refrigerant en els captadors solars:

• En primer lloc, a les temperatures de congelació es congela. Perquè el refrigerant congelat no trenqui les canonades del circuit, s’haurà de drenar amb l’aproximació del clima fred, cosa que significa que a l’hivern no rebrà ni petites quantitats d’energia tèrmica del col·lector.
• En segon lloc, un punt d’ebullició no massa elevat pot provocar estancaments freqüents a l’estiu.

El líquid que no congela, a diferència de l’aigua, té un punt de congelació significativament inferior i un punt d’ebullició incomparablement superior, cosa que augmenta la comoditat d’utilitzar-lo com a refrigerant. Tot i això, a temperatures altes, la "no congelació" pot patir canvis irreversibles, per la qual cosa s'ha de protegir contra un sobreescalfament excessiu.

Bomba adaptada per a sistemes solars

Per assegurar la circulació forçada del refrigerant pel circuit col·lector, cal una bomba adaptada per als sistemes solars.

Intercanviador de calor

La transferència de calor del circuit captador solar a l’aigua emprada en el subministrament d’aigua calenta domèstica o al transportador de calor del sistema de calefacció es realitza mitjançant un intercanviador de calor. Per regla general, per a l’acumulació d’aigua calenta s’utilitza un dipòsit de gran volum amb un intercanviador de calor ja incorporat. És racional utilitzar tancs amb dos o més bescanviadors de calor: això permetrà agafar calor no només del col·lector solar, sinó també d’altres fonts (caldera de gas o elèctrica, bomba de calor, etc.).

Automatització

Un sistema tan complex no pot prescindir de l’automatització, que controla i controla el procés. El controlador permet automatitzar el treball del col·lector: analitza la temperatura al circuit i al dipòsit d'emmagatzematge, controla la bomba i les vàlvules responsables del moviment del refrigerant pel circuit. Si el refrigerant al circuit i l’aigua del dipòsit s’escalfen, el controlador donarà una ordre d’abocar la calor en un dissipador alternatiu: un dipòsit d’aigua addicional o un intercanviador de calor a l’aire lliure.

Si al final de les hores del dia la temperatura de l’aigua del dipòsit d’emmagatzematge supera la temperatura del refrigerant al circuit col·lector, l’automatització detindrà la circulació del refrigerant pel circuit de manera que la calor acumulada no s’alliberi a l’atmosfera a través del propi col·lector. Els controladors moderns permeten controlar de forma remota el funcionament del sistema i, si cal, fer ajustaments.

Avui no serà difícil trobar cap col·lector solar ni cap dels components necessaris per al seu funcionament al mercat. És molt possible muntar un sistema d’elements comprats per separat. Tot i això, els fabricants ofereixen kits preparats, que inclouen un col·leccionista, bombes, dipòsits d'emmagatzematge, automatització de control, etc. La compra d'un equip no només suposa un estalvi de temps, sinó que també garanteix el rendiment del sistema.