Solární kolektory: typy, princip činnosti, návrh systému

Tepelná čerpadla čerpat energii z půdy, vody nebo vzduchu zahřátého sluncem. Kotle využívají teplo uvolňované při spalování paliva, což je nakonec také produkt přeměny sluneční energie během dlouhého vývoje Země. Solární kolektory jsou v jistém smyslu jedinečné: energii přijímají přímo ze slunce.

Abychom měli zítra příležitost ohřát vodu pro ohřev teplé vody zcela zdarma nebo vytápět dům, musíte ještě dnes utratit peníze za nákup solárních kolektorů. Vzhledem ke značným nákladům na takové zařízení je velmi důležité nedělat při výběru chybu. Měli byste tedy získat alespoň obecné představy o specifikách solárních kolektorů a nuancích jejich práce.

Specifika používání solárních kolektorů

Hlavním rysem solárních kolektorů, které je odlišuje od ostatních typů generátorů tepla, je cyklická povaha jejich práce. Žádné slunce - žádná tepelná energie. V důsledku toho jsou takové instalace v noci pasivní.

Průměrná denní produkce tepla přímo závisí na délce hodin denního světla. Ta je určována jednak geografickou šířkou oblasti a jednak časem roku. V létě, během kterého vrchol izolace padá na severní polokouli, bude kolektor pracovat s maximální účinností. V zimě klesá její produktivita a dosahuje minimum v prosinci až lednu.

V zimě účinnost solárních kolektorů klesá nejen kvůli zkrácení doby denního světla, ale také kvůli změně úhlu dopadu slunečního světla. Při výpočtu jeho příspěvku do systému zásobování teplem by měly být brány v úvahu kolísání výkonu solárního kolektoru v průběhu roku.

Dalším faktorem, který může ovlivnit produktivitu solárního kolektoru, jsou klimatické vlastnosti regionu. V naší zemi existuje mnoho míst, kde se více než 200 dní v roce skrývá slunce za hustou vrstvou mraků nebo za závojem mlhy. Za oblačného počasí neklesne výkon solárního kolektoru na nulu, protože je schopen zachytit rozptýlené sluneční světlo, ale je výrazně snížen.

Princip činnosti a typy solárních kolektorů

Je na čase říci několik slov o zařízení a principu fungování solárního kolektoru. Hlavním prvkem jeho konstrukce je adsorbér, kterým je měděná deska s trubkou k ní přivařenou. Deska (a tím i potrubí) pohlcuje teplo slunečního světla dopadajícího na něj a rychle se zahřívá. Toto teplo je přenášeno do kapalného chladiva cirkulujícího potrubím, které ho dále přenáší systémem.

Schopnost fyzického těla absorbovat nebo odrážet sluneční paprsky závisí především na povaze jeho povrchu. Například zrcadlový povrch dokonale odráží světlo a teplo, ale černý naopak absorbuje. Proto je na měděnou desku adsorbéru nanesen černý povlak (nejjednodušší možností je černá barva).

Princip činnosti solárního kolektoru

Je možné zvýšit množství tepla přijímaného ze slunce správným výběrem skla zakrývajícího adsorbér. Běžné sklo není dostatečně průhledné.Kromě toho, že zář, odrážející část slunečního světla dopadající na to. U solárních kolektorů se zpravidla snaží používat speciální sklo s nízkým obsahem železa, což zvyšuje jeho průhlednost. Pro snížení frakce světla odraženého povrchem se na sklo aplikuje antireflexní povlak. A tak, aby se prach a vlhkost, které také snižují propustnost skla, nedostaly dovnitř kolektoru, skříň je utěsněna a někdy dokonce naplněna inertním plynem.

Přes všechny tyto triky je účinnost solárních kolektorů stále zdaleka 100% kvůli nedokonalosti jejich konstrukce. Zahřátá adsorpční deska vyzařuje část přijímaného tepla do okolního prostředí a ohřívá vzduch, který je s ním v kontaktu. Aby se minimalizovaly tepelné ztráty, musí být adsorbér izolován. Hledání účinné metody tepelné izolace techniků vedených adsorbéry k vytvoření několika druhů solárních kolektorů, z nichž nejčastější jsou ploché a trubkové vakuové.

Ploché solární kolektory

Ploché solární kolektory.

Konstrukce plochého solárního kolektoru je velmi jednoduchá: je to kovová skříň pokrytá sklem shora. Pro tepelnou izolaci dna a stěn těla se zpravidla používá minerální vlna. Tato možnost není ani zdaleka ideální, protože není vyloučen přenos tepla z adsorbéru na sklo vzduchem uvnitř potrubí. S velkým teplotním rozdílem uvnitř kolektoru a vnějšku jsou tepelné ztráty poměrně značné. Výsledkem je, že plochý solární kolektor, který funguje perfektně na jaře a v létě, se v zimě stává extrémně neefektivním.

Ploché solární kolektorové zařízení

Trubkové vakuové solární kolektory

Trubkové vakuové solární kolektory.

Vakuový solární kolektor je panel sestávající z velkého počtu relativně tenkých skleněných trubic. Uvnitř každého z nich je adsorbér. Aby se vyloučil přenos tepla plynem (vzduchem), trubky se evakuují. Kvůli nedostatku plynu v blízkosti adsorbérů se vakuové kolektory vyznačují nízkou tepelnou ztrátou i za mrazivého počasí.

Vakuové rozdělovací zařízení

Aplikace pro solární kolektory

Hlavním účelem solárních kolektorů, stejně jako jiných generátorů tepla, je vytápění budov a příprava vody pro systém dodávky teplé vody. Zbývá zjistit, který typ solárních kolektorů je nejvhodnější pro provedení určité funkce.

Ploché solární kolektory, jak jsme zjistili, se vyznačují dobrým výkonem na jaře a v létě, ale v zimě jsou neúčinné. Z toho vyplývá, že není praktické je používat pro vytápění, což je potřeba, která vzniká právě s nástupem chladného počasí. To však neznamená, že pro toto zařízení vůbec neexistuje podnikání.

Ploché kolektory mají jednu nespornou výhodu - jsou výrazně levnější než vakuové modely, takže v případech, kdy se plánuje využití sluneční energie výhradně v létě, má smysl je koupit. Ploché solární kolektory dokonale zvládají úkol přípravy vody na horkou vodu v létě. Ještě častěji se používají k zahřívání na příjemnou teplotu vody ve venkovních bazénech.

Trubkové vakuové rozdělovače jsou univerzálnější. S příchodem zimních chladů jejich výkon klesá ne tak významně jako v případě plochých modelů, což znamená, že je lze používat celoročně.Díky tomu je možné takové solární kolektory použít nejen pro zásobování horkou vodou, ale také v topném systému.

Porovnání plochých a vakuových solárních kolektorů.

Umístění solárních kolektorů

Účinnost solárního kolektoru přímo závisí na množství slunečního světla dopadajícího na adsorbér. Z toho vyplývá, že kolektor by měl být umístěn v otevřeném prostoru, kde nikdy (nebo alespoň co nejdéle) stín ze sousedních budov, stromy umístěné poblíž hor atd.

Velký význam má nejen umístění sběratele, ale také jeho orientace. „Nejslunnější“ stranou naší severní polokoule je jižní strana, což znamená, že „zrcadla“ kolektoru by měla být ideálně otočena přesně na jih. Pokud je to technicky nemožné, měli byste zvolit směr co nejblíže k jihovýchodu nebo jihovýchodu.

Člověk by neměl ignorovat takový parametr, jako je úhel sklonu solárního kolektoru. Velikost úhlu závisí na odchylce polohy Slunce od zenitu, který je zase určen geografickou šířkou oblasti, v níž bude zařízení provozováno. Pokud není úhel náklonu nastaven správně, významně se zvýší ztráta optické energie, protože významná část slunečního světla se odrazí od skla kolektoru, a proto nedosáhne absorbéru.

Jak zvolit správný solární kolektor

Pokud chcete, aby si vytápěcí systém vašeho domu poradil s úkolem udržovat pohodlnou teplotu v areálu a teplou vodu, která vytéká z kohoutků, a zároveň plánovat využití solárního kolektoru jako zdroje tepla, je třeba předem vypočítat potřebný výkon zařízení. V tomto případě bude nutné vzít v úvahu poměrně velké množství parametrů, včetně účelu kolektoru (zásobování horkou vodou, vytápění nebo kombinace obou), poptávky po teplu objektu (celková plocha vytápěných místností nebo průměrná denní spotřeba teplé vody), klimatických charakteristik regionu a charakteristik kolektorového zařízení.

V zásadě není provádění takových výpočtů tak obtížné. Výkon každého modelu je znám, což znamená, že můžete snadno odhadnout počet kolektorů potřebných k dodávání tepla do domu. Společnosti, které vyrábějí solární kolektory, mají informace (a mohou je poskytnout spotřebiteli) o změně výkonu zařízení v závislosti na zeměpisné šířce oblasti, úhlu sklonu „zrcadel“, odchylce jejich orientace od jihu atd., Což vám umožní provést potřebné změny při výpočtu výkonu nádrže.

Při výběru požadovaného výkonu kolektoru je velmi důležité dosáhnout rovnováhy mezi nedostatkem a přebytkem generovaného tepla. Odborníci doporučují zaměřit se na maximální možný výkon kolektoru, tj. Použít ve výpočtech indikátor nejproduktivnější letní sezóny. To je v rozporu s touhou průměrného uživatele vzít zařízení s rezervou (tj. Vypočítat sílu nejchladnějšího měsíce) tak, aby teplo z kolektoru bylo dostatečné v méně slunečných podzimních a zimních dnech.

Pokud se však vydáte cestou výběru solárního kolektoru se zvýšeným výkonem, pak na vrcholu jeho výkonu, tj. V teplém slunečném počasí, narazíte na vážný problém: bude generováno více tepla, než je spotřebováno, což ohrožuje přehřátí okruhu a další nepříjemné následky . Pro vyřešení tohoto problému existují dvě možnosti: buď nainstalovat nízkoenergetický solární kolektor a paralelně připojit redundantní zdroje tepla paralelně, nebo zakoupit model s velkou rezervou energie a poskytnout způsoby, jak vypustit přebytečné teplo v období jaro-léto.

Stagnace systému

Řekněme si trochu více o problémech spojených s přebytkem vytvářeného tepla. Předpokládejme tedy, že jste nainstalovali dostatečně výkonný solární kolektor, který dokáže plně poskytovat teplo do topného systému vašeho domu. Ale přišlo léto a potřeba vytápění zmizela. Pokud můžete vypnout napájení pro elektrický kotel, vypnout přívod paliva pro plynový kotel, pak nemáme žádnou energii nad sluncem - nemůžeme jej vypnout, když je příliš horká.

Stagnace systému je jedním z hlavních potenciálních problémů solárních kolektorů. Pokud není odebráno dostatečné teplo z okruhu kolektoru, dojde k přehřátí chladicí kapaliny. V určitém okamžiku se může vařit, což povede k ukončení jeho oběhu podél okruhu. Jakmile chladicí kapalina vychladne a kondenzuje, systém obnoví činnost. Avšak daleko od všech typů chladicích prostředků klidně přenáší přechod z kapalného do plynného stavu a naopak. Některé v důsledku přehřátí získají želé podobnou konzistenci, což znemožňuje další provoz obvodu.

Pouze stabilní odvádění tepla produkovaného kolektorem pomůže zabránit stagnaci. Pokud je výpočet výkonu zařízení proveden správně, je pravděpodobnost problémů téměř nulová.

I v tomto případě však není vyloučen výskyt okolností vyšší moci, proto by měly být předem stanoveny způsoby ochrany před přehřátím:

1. Instalace rezervní nádrže pro akumulaci horké vody. Pokud voda v hlavní nádrži systému dodávky teplé vody dosáhla nastaveného maxima a solární kolektor pokračuje v dodávce tepla, dojde automaticky k přepnutí a voda se začne zahřívat již v rezervní nádrži. Vytvořenou zásobu teplé vody lze použít pro domácí potřeby později, za oblačného počasí.

2. Ohřátá voda v bazénu. Majitelé domů s bazénem (na tom nezáleží, uvnitř nebo venku) mají skvělou příležitost odvádět přebytečné teplo. Objem bazénu je nesrovnatelně větší než objem jakéhokoli domácího úložiště, z čehož vyplývá, že voda v něm se nezahřeje natolik, že již nebude moci absorbovat teplo.

3. Vypusťte horkou vodu. Při absenci schopnosti utratit přebytečné teplo můžete jednoduše vytápět ohřátou vodu ze zásobníku na horkou vodu do malých kanalizací po malých porcích. Studená voda vstupující do nádrže sníží teplotu celého objemu, což bude pokračovat v odvádění tepla z okruhu.

4. Externí výměník tepla s ventilátorem. Pokud má solární kolektor vysokou kapacitu, může být také přebytečné teplo velmi velké. V tomto případě je systém vybaven dalším okruhem naplněným chladivem. Tento přídavný obvod je připojen k systému pomocí tepelného výměníku vybaveného ventilátorem a namontovaného mimo budovu. Pokud existuje riziko přehřátí, nadbytečné teplo vstupuje do přídavného okruhu a je prostřednictvím tepelného výměníku „uvolňováno“ do vzduchu.

5. Vypouštění tepla do země. Pokud je vedle solárního kolektoru v domě i půdní tepelné čerpadlo, může být do studny přeneseno přebytečné teplo. V tomto případě řešíte dva problémy najednou: na jedné straně chráníte kolektorový obvod před přehřátím a na druhé straně obnovujete tepelnou rezervu v půdě vyčerpané během zimy.

6. Izolace solárního kolektoru od přímého slunečního světla. Tato metoda je z technického hlediska nejjednodušší. Samozřejmě lezení na střechu a ruční zaklínání kolektoru za to nestojí - je to obtížné a nebezpečné. Je mnohem racionálnější instalovat dálkově ovládanou obrazovku, jako je roleta. Řídicí jednotku tlumiče můžete připojit i k regulátoru - pokud nebezpečně stoupne teplota v okruhu, kolektor se automaticky uzavře.

7. Vypouštění chladicí kapaliny. Tuto metodu lze považovat za kardinál, ale zároveň je to celkem jednoduché.Pokud existuje nebezpečí přehřátí, je chladicí kapalina vypuštěna pomocí čerpadla do speciální nádrže integrované do systémového obvodu. Jakmile se podmínky opět stanou příznivými, čerpadlo vrátí chladicí kapalinu do okruhu a kolektor bude obnoven.

Další součásti systému

Nestačí jednoduše sbírat teplo vyzařované sluncem. Stále je nutné jej přepravovat, hromadit, převádět na spotřebitele, je nutné kontrolovat všechny tyto procesy atd. To znamená, že kromě kolektorů umístěných na střeše obsahuje systém mnoho dalších komponent, které mohou být méně patrné, ale neméně důležité. Zaměřme se pouze na některé z nich.

Chladicí kapalina

Funkce chladicí kapaliny v okruhu kolektoru může být buď voda, nebo nemrznoucí kapalina.

Voda má řadu nedostatků, které ukládají určitá omezení pro její použití jako chladicího média v solárních kolektorech:

• Za prvé, při teplotách pod bodem mrazu mrzne. Aby zamrzlé chladivo neporušilo potrubí okruhu, bude muset být vypuštěno s přiblížením chladného počasí, což znamená, že v zimě nebudete z kolektoru dostávat ani malá množství tepelné energie.
• Za druhé, příliš vysoká teplota varu vody může v létě způsobit častou stagnaci.

Nemrznoucí kapalina má na rozdíl od vody výrazně nižší bod tuhnutí a nesrovnatelně vyšší bod varu, což zvyšuje pohodlí při použití jako chladicí kapaliny. Při vysokých teplotách však může „nemrznoucí“ podléhat nevratným změnám, proto by měl být chráněn před nadměrným přehřátím.

Přizpůsobené čerpadlo pro solární systémy

K zajištění nucené cirkulace chladiva podél okruhu kolektoru je zapotřebí čerpadlo přizpůsobené pro solární systémy.

Tepelný výměník TUV

Přenos tepla z okruhu solárního kolektoru do vody používané v zásobování teplou užitkovou vodou nebo do nosiče tepla topného systému se provádí pomocí výměníku tepla. Pro akumulaci horké vody se zpravidla používá velká nádrž s již zabudovaným výměníkem tepla. Je rozumné používat nádrže se dvěma nebo více tepelnými výměníky: umožní vám odebírat teplo nejen ze solárního kolektoru, ale také z jiných zdrojů (plynový nebo elektrický kotel, tepelné čerpadlo atd.).

Automatizace

Takový složitý systém se neobejde bez automatizace, která řídí a řídí proces. Regulátor umožňuje automatizovat práci kolektoru: analyzuje teplotu v okruhu a v akumulační nádrži, řídí čerpadlo a ventily odpovědné za pohyb chladicí kapaliny podél obvodu. Pokud se chladicí kapalina v okruhu a voda v nádrži přehřejí, vydá ovladač příkaz k odvádění tepla do alternativního chladiče - další vodní nádrže nebo tepelného výměníku venkovního vzduchu.

Pokud na konci denního světla teplota vody ve skladovací nádrži překročí teplotu chladicího média v okruhu kolektoru, automatizace zastaví cirkulaci chladicího média podél okruhu tak, aby se nahromaděné teplo nevypouštělo do atmosféry přes samotný kolektor. Moderní regulátory umožňují dálkově sledovat fungování systému a v případě potřeby provádět úpravy.

V dnešní době nebude obtížné najít solární kolektor a žádné komponenty potřebné pro jeho fungování na trhu. Je docela možné sestavit systém z prvků zakoupených samostatně. Výrobci však nabízejí připravené sady, které zahrnují kolektor, čerpadla, akumulační nádrže, automatizaci řízení atd. Nákup takové sady není jen úsporou času, ale také zárukou výkonu systému.