Solarni kolektori: vrste, princip rada, dizajn sustava

Toplinske pumpe crpe energiju iz tla, vode ili zraka zagrijanog od sunca. Kotlovi koriste toplinu koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva, što je u konačnici i proizvod pretvorbe solarne energije tijekom dugog evolucije Zemlje. Solarni kolektori su u izvjesnom smislu jedinstveni: energiju primaju izravno od sunca.

Da biste sutra imali mogućnost besplatne grijanja vode za kućnu toplu vodu ili grijali kuću, danas morate potrošiti novac za kupovinu solarnih kolektora. S obzirom na znatne troškove takve opreme, vrlo je važno ne pogriješiti pri odabiru. Dakle, trebali biste dobiti barem općenite ideje o specifičnostima solarnih kolektora i nijansama njihovog rada.

Specifičnosti korištenja solarnih kolektora

Glavna značajka solarnih kolektora koja ih razlikuje od ostalih vrsta generatora topline je ciklička priroda njihovog rada. Nema sunca - nema toplinske energije. Kao rezultat toga, takve su instalacije noću pasivne.

Prosječna dnevna proizvodnja topline izravno ovisi o duljini dnevnog vremena. Potonje je određeno, prvo, zemljopisnom širinom područja, i drugo, doba godine. Ljeti, tijekom kojeg vrh insolacije pada na sjevernoj hemisferi, sakupljač će raditi s maksimalnom učinkovitošću. Zimi njegova produktivnost opada, dostižući minimum u prosincu-siječnju.

Zimi se učinkovitost solarnih kolektora smanjuje ne samo zbog smanjenja dnevnog vremena, već i zbog promjene kuta upada sunčeve svjetlosti. Kolebanja performansi solarnog kolektora tijekom godine trebalo bi uzeti u obzir prilikom izračuna njegova doprinosa u sustavu opskrbe toplinom.

Drugi čimbenik koji može utjecati na produktivnost solarnog kolektora su klimatske značajke regije. U našoj zemlji postoji mnogo mjesta gdje se 200 dana ili više godina sunce skriva iza debelog sloja oblaka ili iza vela magle. U oblačnom vremenu performanse solarnog kolektora ne padaju na nulu, jer je u stanju da hvata raspršenu sunčevu svjetlost, ali je značajno smanjen.

Princip rada i vrste solarnih kolektora

Vrijeme je da kažem nekoliko riječi o uređaju i principu rada solarnog kolektora. Glavni element njegovog dizajna je adsorber, koji je bakrena ploča s cijevi zavarena na njega. Apsorbirajući toplinu sunčeve svjetlosti koja pada na njega, ploča (a s njom i cijev) brzo se zagrijava. Ta se toplina prenosi na tekuću rashladnu tekućinu koja cirkulira kroz cijev, a ta ga zauzvrat dalje prenosi kroz sustav.

Sposobnost fizičkog tijela da apsorbira ili reflektira sunčeve zrake ovisi, prije svega, o prirodi njegove površine. Na primjer, zrcalna površina savršeno odražava svjetlost i toplinu, ali crna, naprotiv, apsorbira. Zbog toga se na bakrenu ploču adsorbera nanosi crni premaz (najjednostavnija opcija je crna boja).

Princip rada solarnog kolektora

Moguće je povećati količinu topline dobivene od sunca pravilnim odabirom stakla koje prekriva adsorber. Redovito staklo nije dovoljno prozirno.Uz to, blještavi, odražava dio sunčeve svjetlosti koja pada na njega. U solarnim kolektorima u pravilu pokušavaju koristiti posebno staklo s malim sadržajem željeza, što povećava njegovu prozirnost. Da bi se smanjila frakcija svjetlosti koja se odbija od površine, na staklo se nanosi antirefleksni premaz. I tako da se prašina i vlaga, koji također smanjuju propusnost stakla, ne nađu unutar kolektora, kućište je zapečaćeno, a ponekad čak i napunjeno inertnim plinom.

Unatoč svim tim trikovima, učinkovitost solarnih kolektora i dalje je daleko od 100%, zbog nesavršenosti njihovog dizajna. Grijana adsorberska ploča zrači dio primljene topline u okoliš, zagrijavajući zrak u dodiru s njom. Da bi se minimizirali gubici topline, adsorber se mora izolirati. Potraga za učinkovitom metodom toplinske izolacije adsorbera inženjere je stvorila nekoliko različitih solarnih kolektora, od kojih su najčešći ravne i cevasti vakuum.

Ravni solarni kolektori

Ravni solarni kolektori.

Dizajn ravnog solarnog kolektora je krajnje jednostavan: to je metalna kutija prekrivena staklom odozgo. Za toplinsku izolaciju dna i zidova tijela, u pravilu se koristi mineralna vuna. Ova je opcija daleko od idealne, jer nije isključen prijenos topline iz adsorbera u staklo kroz zrak unutar kanala. S velikom temperaturnom razlikom unutar kolektora i izvana, gubitak topline je prilično značajan. Kao rezultat toga, ravni solarni kolektor, koji savršeno funkcionira u proljeće i ljeto, zimi postaje krajnje neučinkovit.

Uređaj sa ravnim solarnim kolektorom

Cjevasti vakuumski solarni kolektori

Cjevasti vakuumski solarni kolektori.

Vakuum solarni kolektor je ploča koja se sastoji od velikog broja relativno tankih staklenih cijevi. Unutar svakog od njih nalazi se adsorber. Da bi se isključio prijenos topline plinom (zrakom), cijevi se evakuiraju. Zbog nedostatka plina u blizini adsorbera, vakuumske kolektore karakteriziraju mali gubici topline čak i po mraznom vremenu.

Uređaj za vakuumski razdjelnik

Aplikacije za solarne kolektore

Glavna svrha solarnih kolektora, kao i svih drugih generatora topline, je grijanje zgrada i priprema vode za sustav opskrbe toplom vodom. Ostaje nam otkriti koja je vrsta solarnih kolektora najprikladnija za obavljanje određene funkcije.

Ravni solarni kolektori, kao što smo otkrili, odlikuju se dobrim performansama u proljeće i ljeto, ali zimi nisu učinkoviti. Iz toga proizlazi da ih nije praktično koristiti za grijanje, čija se potreba javlja upravo s početkom hladnog vremena. To, međutim, ne znači da uopće nema posla s ovom opremom.

Ravni kolektori imaju jednu neospornu prednost - značajno su jeftiniji od vakuumskih modela, pa u slučajevima kada se planira koristiti solarnu energiju isključivo ljeti, ima smisla kupiti ih. Ravni solarni kolektori savršeno se nose sa zadatkom pripreme vode za toplu vodu ljeti. Još češće se koriste za zagrijavanje do ugodne temperature vode u vanjskim bazenima.

Cjevasti vakuumski razdjelnici su svestraniji. S pojavom zimskih hladnoća njihov se učinak ne smanjuje toliko značajno kao u slučaju ravnih modela, što znači da se mogu koristiti tijekom cijele godine.To omogućuje korištenje takvih solarnih kolektora ne samo za opskrbu toplom vodom, već i u sustavu grijanja.

Usporedba ravnih i vakuumskih solarnih kolektora.

Položaj solarnih kolektora

Učinkovitost solarnog kolektora izravno ovisi o količini sunčeve svjetlosti koja pada na adsorber. Iz toga proizlazi da bi se sakupljač trebao nalaziti na otvorenom prostoru gdje sjena sa susjednih zgrada, drveća smještena u blizini planina itd. Nikada (ili barem što je duže moguće) ne pada

Od velike važnosti nije samo mjesto kolektora, već i njegova orijentacija. Najsunčanija strana naše sjeverne hemisfere je južna strana, što znači da bi, u idealnom slučaju, "ogledala" kolektora trebala biti okrenuta točno prema jugu. Ako je to tehnički nemoguće, tada biste trebali odabrati smjer što bliže jugu - jugozapadu ili jugoistoku.

Ne treba zanemariti ni takav parametar kao što je kut nagiba solarnog kolektora. Jačina kuta ovisi o odstupanju položaja Sunca od zenita, a to je zauzvrat određeno zemljopisnom širinom područja na kojem će se opremom upravljati. Ako kut nagiba nije postavljen pravilno, gubitak optičke energije značajno će se povećati, jer će se značajan dio sunčeve svjetlosti odraziti od stakla kolektora i, stoga, neće doprijeti do apsorbera.

Kako odabrati pravi solarni kolektor

Ako želite da se sustav grijanja vaše kuće može nositi sa zadatkom održavanja ugodne temperature u prostorijama, a vruća, a ne topla voda koja teče iz slavina, a istovremeno planirate koristiti solarni kolektor kao generator topline, morate unaprijed izračunati potrebnu snagu opreme. U ovom slučaju morat će se uzeti u obzir prilično veliki broj parametara, uključujući svrhu kolektora (opskrba toplom vodom, grijanjem ili kombinacijom obojega), potrebu za toplinom objekta (ukupna površina grijanih prostorija ili prosječna dnevna potrošnja tople vode), klimatske značajke regije i značajke instalacije kolektora.

U principu, izračun takvih izračuna nije tako težak. Izvedba svakog modela je poznata, što znači da možete lako procijeniti broj kolektora potrebnih za opskrbu kuće toplinom. Tvrtke koje proizvode solarne kolektore imaju informacije (i mogu ih pružiti potrošaču) o promjeni snage opreme ovisno o zemljopisnoj širini područja, kutu nagiba ogledala, odstupanju njihove orijentacije od juga itd., Što vam omogućava da unesete potrebne izmjene pri izračunavanju učinkovitosti rezervoara.

Pri odabiru potrebne snage kolektora, vrlo je važno postići ravnotežu između nestašice i pretjerane topline. Stručnjaci preporučuju da se usredotočite na najveću moguću snagu kolektora, tj. Da u izračunima koristite indikator za najproduktivniju ljetnu sezonu. To je u suprotnosti sa željom prosječnog korisnika da opremu uzme s maržom (tj. Da izračuna snagu najhladnijeg mjeseca) kako bi toplina iz kolektora bila dovoljna za manje sunčane jesenske i zimske dane.

Međutim, ako krenete putem odabira solarnog kolektora povećane snage, tada ćete na vrhuncu njegovih performansi, tj. Po toplom sunčanom vremenu, naići na ozbiljan problem: stvorit će se više topline nego što se troši, a to prijeti pregrijavanjem kruga i drugim neugodnim posljedicama , Postoje dvije mogućnosti za rješavanje ovog problema: ili instalirati solarni kolektor male snage i paralelno spojiti suvišne izvore topline, ili kupiti model s velikom rezervom snage i osigurati načine ispuštanja viška topline u proljetno-ljetnoj sezoni.

Stagnacija sustava

Razgovarajmo malo više o problemima povezanima s viškom generirane topline. Pretpostavimo da ste ugradili dovoljno moćan solarni kolektor koji u potpunosti može osigurati toplinu sustavu grijanja vašeg doma. No došlo je ljeto i potreba za grijanjem je nestala. Ako možete isključiti struju za električni kotao, isključiti dovod goriva za plinski kotao, onda nemamo napajanje preko sunca - ne možemo ga isključiti kad je previše vruće.

Stagnacija sustava jedan je od glavnih potencijalnih problema solarnih kolektora. Ako se u krugu kolektora ne uzima dovoljno topline, rashladno sredstvo se pregrijava. U određenom trenutku potonji može kiputi, što će dovesti do prestanka njegove cirkulacije duž kruga. Kad se rashladno sredstvo ohladi i kondenzira, sustav će nastaviti s radom. Međutim, daleko od svih vrsta rashladnih sredstava mirno prelaze prijelaz iz tekućeg u plinovito stanje i obrnuto. Neki kao rezultat pregrijavanja dobivaju konzistenciju poput želatine, što onemogućuje daljnji rad kruga.

Samo stabilno uklanjanje topline koju proizvodi sakupljač pomoći će u izbjegavanju stagnacije. Ako se proračun snage opreme izvrši ispravno, vjerojatnost problema gotovo je nula.

Međutim, ni u ovom slučaju nije isključena pojava više sile, pa je potrebno unaprijed predvidjeti načine zaštite od pregrijavanja:

1. Ugradnja rezervnog spremnika za akumulaciju tople vode. Ako voda u glavnom spremniku sustava za dovod tople vode dosegne zadani maksimum, a solarni kolektor i dalje opskrbljuje toplinom, automatski će se dogoditi prebacivanje i voda će se početi zagrijavati već u rezervnom spremniku. Stvorena zaliha tople vode može se kasnije koristiti, za oblačno vrijeme.

2. Grijana voda u bazenu. Vlasnici kuća s bazenom (nije važno, zatvoreni ili vanjski) imaju odličnu priliku za preusmjeravanje viška topline. Volumen bazena neusporedivo je veći od volumena bilo kojeg kućnog skladišta, iz čega proizlazi da se voda u njemu neće zagrijati toliko da više ne može apsorbirati toplinu.

3. Iscijedite vruću vodu. U nedostatku mogućnosti da trošite višak topline, ugrijanu vodu iz spremnika za vruću vodu možete jednostavno iskoristiti u malim količinama. Hladna voda koja ulazi u spremnik snizit će temperaturu cijelog volumena, koja će i dalje uklanjati toplinu iz kruga.

4. Vanjski izmjenjivač topline s ventilatorom. Ako solarni kolektor ima veliki kapacitet, višak topline također može biti vrlo velik. U ovom slučaju, sustav je opremljen dodatnim krugom napunjenim rashladnim sredstvom. Ovaj dodatni krug povezan je sa sustavom pomoću izmjenjivača topline opremljenog ventilatorom i montiran izvan zgrade. Ako postoji opasnost od pregrijavanja, višak topline ulazi u dodatni krug i "oslobađa se" u zrak putem izmjenjivača topline.

5. Ispuštanje topline u zemlju. Ako pored solarnog kolektora u kući postoji toplinska pumpa tla, višak topline može se poslati u bunar. Istodobno, rješavate dva problema odjednom: s jedne strane, štitite krug kolektora od pregrijavanja, s druge strane, obnavljate potrošenu rezervu topline u zemlji tijekom zime.

6. Izolacija solarnog kolektora od izravne sunčeve svjetlosti. Ova je metoda jedna od najjednostavnijih s tehničkog stajališta. Naravno, popeti se na krov i ručno zakloniti kolektor nije vrijedno - teško je i nesigurno. Mnogo je racionalnije instalirati daljinski upravljani ekran, poput roleta. Možete čak spojiti i regulacijsku jedinicu prigušivača na regulator - ako temperatura u krugu opasno poraste, kolektor će se automatski zatvoriti.

7. Odvod rashladne tekućine. Ova metoda može se smatrati kardinalnom, ali istodobno je prilično jednostavna.Ako postoji opasnost od pregrijavanja, rashladno sredstvo se pomoću pumpe odvodi u poseban spremnik integriran u sistemski krug. Kad uvjeti ponovo postanu povoljni, crpka će vratiti rashladno sredstvo u krug, a kolektor će se vratiti.

Ostale komponente sustava

Nije dovoljno jednostavno prikupiti toplinu koju zrači sunce. Potrebno je još transportirati, akumulirati, prenijeti na potrošače, potrebno je kontrolirati sve te procese itd. To znači da pored kolektora smještenih na krovu, sustav sadrži i mnoge druge komponente, koje mogu biti manje uočljive, ali ne manje važne. Usredotočimo se samo na neke od njih.

sredstvo za prijenos topline

Funkcija rashladne tekućine u krugu kolektora može biti bilo voda ili tekućina koja ne smrzava.

Voda ima niz nedostataka koji nameću određena ograničenja za njezinu upotrebu kao rashladnog sredstva u solarnim kolektorima:

• Prvo, na niskim temperaturama se smrzava. Da smrznuta rashladna tekućina ne razbije cijevi kruga, morat ćete je isušiti s pristupom hladnog vremena, što znači da zimi nećete dobiti ni male količine toplinske energije iz kolektora.
• Drugo, ne previsoka točka ključanja vode može uzrokovati česte stagnacije ljeti.

Tekućina koja ne smrzava, za razliku od vode, ima znatno nižu točku smrzavanja i neusporedivo veću točku ključanja, što povećava praktičnost njezine uporabe kao rashladnog sredstva. Međutim, pri visokim temperaturama, "ne smrzavanje" može doživjeti nepovratne promjene, pa ga treba zaštititi od prekomjernog pregrijavanja.

Prilagođena pumpa za solarne sustave

Da bi se osigurala prisilna cirkulacija rashladnog sredstva duž kolektorskog kruga, potrebna je crpka prilagođena solarnim sustavima.

Izmjenjivač topline tople vode

Prijenos topline iz kruga solarnog kolektora u vodu koja se koristi u opskrbi toplom vodom u kućanstvu ili na toplinski nosač sustava grijanja vrši se pomoću izmjenjivača topline. U pravilu se za akumulaciju tople vode koristi spremnik velikog volumena s već ugrađenim izmjenjivačem topline. Racionalno je koristiti spremnike s dva ili više izmjenjivača topline: to će vam omogućiti da uzmete toplinu ne samo iz solarnog kolektora, već i iz drugih izvora (plinski ili električni bojler, toplinska pumpa itd.).

automatizacija

Takav složen sustav ne može bez automatizacije, koja kontrolira i kontrolira postupak. Regulator vam omogućuje automatizaciju rada kolektora: analizira temperaturu u krugu i spremniku, kontrolira crpku i ventile odgovorne za kretanje rashladne tekućine duž kruga. Ako se rashladna tekućina u krugu pregrijava, a voda u spremniku pregrijava, regulator će dati naredbu da ispušta toplinu alternativnom hladnjaku - dodatnom spremniku vode ili vanjskom izmjenjivaču topline.

Ako na kraju dnevnog sata temperatura vode u spremniku prelazi temperaturu rashladne tekućine u krugu kolektora, automatizacija će zaustaviti cirkulaciju rashladne tekućine duž kruga, tako da se akumulirana toplina ne ispušta u atmosferu kroz sam kolektor. Moderni kontroleri omogućuju daljinsko nadgledanje rada sustava i po potrebi prilagođavanja.

Danas na tržištu neće biti teško pronaći solarni kolektor i bilo koji dio potreban za njegov rad. Sasvim je moguće sastaviti sustav od elemenata kupljenih zasebno. Međutim, proizvođači nude gotove komplete, koji uključuju sakupljač, crpke, spremnike za upravljanje, automatizaciju upravljanja itd. Kupnja takvog kompleta nije samo ušteda vašeg vremena, već i jamstvo za rad sustava.