Saulės kolektoriai: tipai, veikimo principas, sistemos projektavimas

Šilumos siurbliai semkite energijos iš dirvos, vandens ar oro, kurį šildo saulė. Katilai naudoja šilumą, išsiskiriančią deginant kurą, kuri taip pat yra saulės energijos virsmo ilgosios žemės evoliucijos metu produktas. Saulės kolektoriai tam tikra prasme yra unikalūs: jie energiją gauna tiesiai iš saulės.

Kad rytoj turėtumėte galimybę visiškai nemokamai šildyti karšto vandens tiekimą karštam vandeniui arba šildyti namus, šiandien vis tiek turite išleisti pinigų saulės kolektorių pirkimui. Atsižvelgiant į nemažą tokios įrangos kainą, labai svarbu nepadaryti klaidos renkantis. Taigi, jūs turėtumėte gauti bent bendrų idėjų apie saulės kolektorių specifiką ir jų darbo niuansus.

Saulės kolektorių naudojimo specifika

Pagrindinis saulės kolektorių bruožas, išskiriantis juos iš kitų šilumos generatorių tipų, yra jų darbo cikliškumas. Nėra saulės - nėra šiluminės energijos. Dėl to tokios instaliacijos naktį būna pasyvios.

Vidutinė dienos šilumos gamyba tiesiogiai priklauso nuo dienos šviesos trukmės. Pastarąją lemia, pirma, vietovės geografinė platuma, antra, pagal metų laiką. Vasarą, per kurią šiauriniame pusrutulyje krenta insoliacijos pikas, kolektorius dirbs maksimaliai efektyviai. Žiemą jo produktyvumas krenta, gruodžio – sausio mėnesiais jis pasiekia minimumą.

Žiemą saulės kolektorių efektyvumas mažėja ne tik dėl dienos šviesos valandų sumažėjimo, bet ir dėl saulės spindulių kaitos kampo pasikeitimo. Apskaičiuojant jo indėlį į šilumos tiekimo sistemą, reikia atsižvelgti į saulės kolektoriaus našumo svyravimus per metus.

Kitas veiksnys, galintis turėti įtakos saulės kolektoriaus našumui, yra regiono klimato ypatybės. Mūsų šalyje yra daug vietų, kur 200 ar daugiau dienų per metus saulė yra paslėpta po storu debesų sluoksniu arba už rūko šydo. Debesuotu oru saulės kolektoriaus našumas nenukrinta iki nulio, nes jis sugeba užfiksuoti išsklaidytą saulės šviesą, tačiau yra žymiai sumažėjęs.

Saulės kolektorių veikimo principas ir tipai

Laikas pasakyti keletą žodžių apie saulės kolektoriaus įtaisą ir veikimo principą. Pagrindinis jo konstrukcijos elementas yra adsorberis, tai yra varinė plokštė, prie kurios suvirintas vamzdis. Sugerdama ant jo krintančią saulės šviesą, plokštė (ir kartu su ja vamzdis) greitai įkaista. Ši šiluma perduodama skystam aušinimo skysčiui, cirkuliuojančiam per vamzdį, ir, savo ruožtu, jį toliau perneša per sistemą.

Fizinio kūno sugebėjimas sugerti ar atspindėti saulės spindulius pirmiausia priklauso nuo jo paviršiaus pobūdžio. Pavyzdžiui, veidrodinis paviršius puikiai atspindi šviesą ir šilumą, bet juodas, priešingai, sugeria. Štai kodėl adsorbatoriaus vario plokštė padengta juoda danga (paprasčiausias variantas yra juodi dažai).

Saulės kolektoriaus veikimo principas

Tinkamai parinkus stiklą, uždengiantį adsorbentą, galima padidinti saulės gaunamos šilumos kiekį. Įprastas stiklas nėra pakankamai skaidrus.Be to, jis spindi, atspindėdamas ant jo krintančią saulės šviesą. Saulės kolektoriuose, kaip taisyklė, jie bando naudoti specialų stiklą, kuriame mažai geležies, o tai padidina jo skaidrumą. Norėdami sumažinti šviesos atspindimą dalį paviršiaus, stiklas padengiamas neatspindinčia danga. Ir kad dulkės ir drėgmė, kurios taip pat sumažina stiklo pralaidumą, nepatektų į kolektoriaus vidų, korpusas uždaromas, o kartais net užpildomas inertinėmis dujomis.

Nepaisant visų šių gudrybių, saulės kolektorių efektyvumas vis dar siekia 100% dėl jų dizaino netobulumo. Šildoma adsorbentinė plokštė dalį gaunamos šilumos spinduliuoja į aplinką, kaitindama su ja besiliečiantį orą. Kad šilumos nuostoliai būtų kuo mažesni, adsorbatorius turi būti izoliuotas. Veiksmingo adsorbatoriaus šilumos izoliacijos metodo ieškojimai paskatino inžinierių sukurti keletą saulės kolektorių rūšių, iš kurių dažniausiai pasitaiko plokšti ir vamzdiniai vakuuminiai.

Plokštieji saulės kolektoriai

Plokštieji saulės kolektoriai.

Plokščio saulės kolektoriaus dizainas yra labai paprastas: tai metalinė dėžutė, iš viršaus uždengta stiklu. Kėbulo dugno ir sienų šiltinimui, kaip taisyklė, naudojama mineralinė vata. Ši parinktis toli gražu nėra ideali, nes neatmetamas šilumos pernešimas iš adsorbento į stiklą per ortakio vidų. Esant dideliam temperatūrų skirtumui kolektoriaus viduje ir išorėje, šilumos nuostoliai yra gana dideli. Dėl to plokščias saulės kolektorius, kuris puikiai funkcionuoja pavasarį ir vasarą, žiemą tampa ypač neveiksmingas.

Plokščias saulės kolektoriaus įtaisas

Vamzdiniai vakuuminiai saulės kolektoriai

Vamzdiniai vakuuminiai saulės kolektoriai.

Vakuuminis saulės kolektorius yra skydinė, sudaryta iš daugybės palyginti plonų stiklinių vamzdžių. Kiekvieno iš jų viduje yra adsorberis. Norėdami išvengti šilumos perdavimo dujomis (oru), vamzdžiai evakuojami. Dėl to, kad šalia adsorbatorių trūksta dujų, vakuuminiai kolektoriai pasižymi mažais šilumos nuostoliais net šaltu oru.

Vakuumo kolektoriaus įtaisas

Paraiškos saulės kolektoriams

Pagrindinis saulės kolektorių, kaip ir visų kitų šilumos generatorių, tikslas yra šildyti pastatus ir paruošti vandenį karšto vandens tiekimo sistemai. Belieka išsiaiškinti, kuris saulės kolektorių tipas yra tinkamiausias tam tikrai funkcijai atlikti.

Pliusiniai saulės kolektoriai, kaip mes nustatėme, išsiskiria geru veikimu pavasarį ir vasarą, tačiau žiemą yra neveiksmingi. Iš to išplaukia, kad nėra praktiška juos naudoti šildymui, kurio poreikis kyla būtent prasidėjus šaltiems orams. Tačiau tai nereiškia, kad visai nėra šios įrangos verslo.

Plokšti kolektoriai turi vieną neginčijamą pranašumą - jie yra žymiai pigesni nei vakuuminiai modeliai, todėl tais atvejais, kai planuojama saulės energiją naudoti tik vasarą, prasminga jas įsigyti. Plokšti saulės kolektoriai puikiai susidoroja su užduotimi ruošti vasarą karštą vandenį. Dar dažniau jie naudojami šildant iki patogios vandens temperatūros lauko baseinuose.

Vamzdiniai vakuuminiai kolektoriai yra universalesni. Atsiradus žiemos šalčiams, jų efektyvumas ne taip smarkiai sumažėja, kaip plokščių modelių atveju, o tai reiškia, kad jie gali būti naudojami ištisus metus.Tai suteikia galimybę tokius saulės kolektorius naudoti ne tik karšto vandens tiekimui, bet ir šildymo sistemoje.

Plokščiųjų ir vakuuminių saulės kolektorių palyginimas.

Saulės kolektorių vieta

Saulės kolektoriaus efektyvumas tiesiogiai priklauso nuo saulės spindulių kiekio, patenkančio į adsorbentą. Darytina išvada, kad kolektorius turėtų būti įrengtas atviroje erdvėje, kur niekada (ar bent jau kuo ilgiau) nuo šeimininkaujančių pastatų, šalia kalnų esančių medžių, šešėlių ir t. T.

Didelę reikšmę turi ne tik kolekcionieriaus vieta, bet ir jo orientacija. Labiausiai „saulėta“ mūsų šiaurinio pusrutulio pusė yra pietinė pusė, tai reiškia, kad idealiu atveju kolektoriaus „veidrodžiai“ turėtų būti pasukti tiksliai į pietus. Jei to padaryti yra techniškai neįmanoma, tuomet turėtumėte pasirinkti kryptį kuo arčiau pietų - pietvakarių ar pietryčių.

Nereikėtų ignoruoti tokio parametro kaip saulės kolektoriaus pasvirimo kampas. Kampo dydis priklauso nuo Saulės padėties nukrypimo nuo zenito, kurį savo ruožtu lemia geografinė platuma, kurioje bus naudojama įranga. Jei neteisingai nustatomas pakreipimo kampas, optinės energijos nuostoliai žymiai padidės, nes nemaža saulės spindulių dalis atsispindės nuo kolektoriaus stiklo ir todėl nepasieks absorberio.

Kaip išsirinkti tinkamą saulės kolektorių

Jei norite, kad jūsų namo šildymo sistema susidorotų su užduotimi palaikyti patogią temperatūrą patalpose, o karštu, o ne šiltu vandeniu, tekančiu iš čiaupų, ir tuo pačiu planuoti naudoti saulės kolektorių kaip šilumos generatorių, turite iš anksto apskaičiuoti reikiamą įrangos galią. Tokiu atveju turės būti atsižvelgiama į gana didelį skaičių parametrų, įskaitant kolektoriaus paskirtį (karšto vandens tiekimas, šildymas arba jų derinys), objekto šilumos poreikį (bendras šildomų kambarių plotas arba vidutinis dienos karšto vandens suvartojimas), regiono klimatines ypatybes ir kolektoriaus įrengimo ypatybes.

Iš esmės atlikti tokius skaičiavimus nėra taip sunku. Kiekvieno modelio eksploatacinės savybės yra žinomos, tai reiškia, kad jūs galite lengvai įvertinti kolektorių skaičių, reikalingą namui tiekti šilumą. Saulės kolektorius gaminančios įmonės turi informacijos (ir gali ją pateikti vartotojui) apie įrangos galios pasikeitimą atsižvelgiant į vietovės geografinę platumą, „veidrodžių“ pasvirimo kampą, jų orientacijos nukrypimą nuo pietų ir kt., O tai leidžia atlikti reikiamus pakeitimus kai apskaičiuojamas rezervuaro našumas.

Parenkant reikiamą kolektoriaus galią, labai svarbu pasiekti pusiausvyrą tarp generuojamos šilumos trūkumo ir pertekliaus. Ekspertai rekomenduoja sutelkti dėmesį į maksimalią įmanomą kolektoriaus galią, t. Y. Skaičiavimuose naudoti rodiklį produktyviausiam vasaros sezonui. Tai prieštarauja paprasto vartotojo norui pasiimti įrangą su atsarga (t. Y. Apskaičiuoti šalčiausio mėnesio galią), kad šilumos iš kolektoriaus pakaktų mažiau saulėtomis rudens ir žiemos dienomis.

Tačiau jei eisite pasirinkdami padidėjusio galingumo saulės kolektorių, tada, kai jo našumas bus didžiausias, tai yra, esant šiltam saulėtam orui, susidursite su rimta problema: bus sukaupta daugiau šilumos nei sunaudota, ir tai kelia grėsmę grandinei perkaisti ir atsirasti kitų nemalonių padarinių. . Yra dvi šios problemos sprendimo galimybės: arba sumontuokite mažos galios saulės kolektorių ir lygiagrečiai prijunkite nereikalingus šilumos šaltinius, arba įsigykite modelį su dideliu galios rezervu ir pateikite būdus, kaip pavasario-vasaros sezonu išleisti perteklinę šilumą.

Sistemos sąstingis

Pakalbėkime šiek tiek daugiau apie problemas, susijusias su generuojamos šilumos pertekliumi. Taigi tarkime, kad esate sumontavę pakankamai galingą saulės kolektorių, kuris gali visiškai tiekti šilumą jūsų namų šildymo sistemai. Bet atėjo vasara, ir šildymo poreikis dingo. Jei galite išjungti elektrinio katilo energiją, išjunkite degalų tiekimą dujiniam katilui, tada saulės energija neturi energijos - negalime jo išjungti, kai per karšta.

Sistemos stagnacija yra viena iš pagrindinių galimų saulės kolektorių problemų. Jei iš kolektoriaus grandinės nepaimama pakankamai šilumos, aušinimo skystis perkaista. Tam tikru momentu pastarasis gali užvirti, dėl kurio jo cirkuliacija bus nutraukta išilgai grandinės. Kai aušinimo skystis atvės ir kondensuojasi, sistema vėl pradės veikti. Tačiau toli gražu ne visų rūšių aušinimo skysčiai ramiai perkelia perėjimą iš skysto būvio į dujinį ir atvirkščiai. Kai kurie dėl perkaitimo įgauna želė pavidalo konsistenciją, dėl kurios tolesnis kontūro veikimas tampa neįmanomas.

Stagnacijos išvengs tik stabilus kolektoriaus pagamintos šilumos pašalinimas. Jei įrangos galios apskaičiavimas atliekamas teisingai, problemų tikimybė yra beveik lygi nuliui.

Tačiau net ir šiuo atveju neatmetama force majeure aplinkybė, todėl iš anksto reikėtų numatyti būdus, kaip apsisaugoti nuo perkaitimo:

1. Rezervinio rezervuaro karštam vandeniui kaupti įrengimas. Jei vanduo pagrindiniame karšto vandens tiekimo sistemos rezervuare pasiekė nustatytą maksimumą, o saulės kolektorius ir toliau tiekia šilumą, perjungimas įvyks automatiškai, o vanduo pradės šilti jau rezerviniame rezervuare. Sukurtos šilto vandens atsargos gali būti naudojamos buities reikmėms vėliau, debesuotu oru.

2. Šildomas vanduo baseine. Namų su baseinu (nesvarbu, vidaus ar lauko) savininkai turi puikią galimybę nukreipti šilumos perteklių. Baseino tūris nepalyginamai didesnis nei bet kokio buities reikmenų tūrio, iš kurio darytina išvada, kad jame esantis vanduo nešildys tiek, kad nebegalės absorbuoti šilumos.

3. Nusausinkite karštą vandenį. Neturėdami galimybės praleisti šilumos pertekliaus, galite tiesiog naudingai išpilti šildomą vandenį iš karšto vandens kaupimo rezervuaro į mažas kanalizacijos kanalizacijos dalis mažomis dalimis. Į baką patenkantis šaltas vanduo sumažins viso tūrio temperatūrą, kuri ir toliau šalins šilumą iš grandinės.

4. Išorinis šilumokaitis su ventiliatoriumi. Jei saulės kolektorius turi didelę galią, šilumos perteklius taip pat gali būti labai didelis. Tokiu atveju sistemoje yra papildoma grandinė, užpildyta šaltnešiu. Ši papildoma grandinė prie sistemos prijungiama šilumokaičiu, įrengtu ventiliatoriumi ir sumontuotu pastato išorėje. Jei yra perkaitimo pavojus, perteklinė šiluma patenka į papildomą grandinę ir per šilumokaitį „išleidžiama“ į orą.

5. Šilumos išleidimas į žemę. Jei namuose be saulės kolektoriaus yra ir dirvos šilumos siurblys, perteklinė šiluma gali būti nukreipta į šulinį. Tuo pačiu metu jūs išsprendžiate dvi problemas vienu metu: viena vertus, apsaugote kolektoriaus grandinę nuo perkaitimo, o kita vertus, atkuriate šilumos atsargas žiemą išsekintame dirvožemyje.

6. Saulės kolektorių izoliacija nuo tiesioginių saulės spindulių. Šis metodas yra vienas iš paprasčiausių techniniu požiūriu. Žinoma, lipti ant stogo ir rankomis uždengti kolektorių neverta - tai sunku ir nesaugu. Daug racionaliau įdiegti nuotoliniu būdu valdomą ekraną, pavyzdžiui, roletą. Jūs netgi galite prijungti sklendės valdymo bloką prie valdiklio - jei temperatūra grandinėje pavojingai pakyla, kolektorius užsidarys automatiškai.

7. Aušinimo skysčio nutekėjimas. Šis metodas gali būti laikomas kardinaliu, tačiau tuo pat metu yra gana paprastas.Jei yra perkaitimo pavojus, aušinimo skystis siurblio pagalba išleidžiamas į specialų baką, integruotą į sistemos kontūrą. Kai sąlygos vėl taps palankios, siurblys grąžins aušinimo skystį į grandinę, o kolektorius bus atstatytas.

Kiti sistemos komponentai

Nepakanka tiesiog surinkti saulės spinduliuojamą šilumą. Jį reikia gabenti, kaupti, perduoti vartotojams, visi šie procesai turi būti kontroliuojami ir tt Tai reiškia, kad be kolektorių, esančių ant stogo, sistemoje yra ir daugybė kitų komponentų, kurie gali būti mažiau pastebimi, tačiau ne mažiau svarbūs. Susitelkime tik į kai kuriuos iš jų.

Aušinimo skystis

Aušinimo skysčio funkcija kolektoriaus kontūre gali būti vanduo arba neužšąlantis skystis.

Vanduo turi nemažai trūkumų, kurie riboja jo naudojimą kaip aušinimo skystį saulės kolektoriuose:

• Pirma, esant užšalimo temperatūrai, jis užšąla. Taigi, kad užšaldytas aušinimo skystis nenuplėštų grandinės vamzdžių, jis turės būti nusausintas artėjant šaltam orui, tai reiškia, kad žiemą iš kolektoriaus negausite net nedidelių šiluminės energijos kiekių.
• Antra, ne per aukšta vandens virimo temperatūra vasarą gali sukelti stagnaciją.

Nešaldantis skystis, skirtingai nei vanduo, turi žymiai mažesnę užšalimo temperatūrą ir nepalyginamai aukštesnę virimo temperatūrą, todėl padidėja patogumas jį naudoti kaip aušinimo skystį. Tačiau esant aukštai temperatūrai „neužšalimas“ gali pasikeisti negrįžtamai, todėl jį reikia saugoti nuo per didelio perkaitimo.

Pritaikytas siurblys saulės sistemoms

Norint užtikrinti priverstinę aušinimo skysčio cirkuliaciją išilgai kolektoriaus grandinės, reikalingas saulės sistemoms pritaikytas siurblys.

Karšto vandens šilumokaitis

Šilumos perdavimas iš saulės kolektoriaus kontūro į vandenį, naudojamą karšto vandens tiekimui, arba į šildymo sistemos šilumos nešiklį, atliekamas šilumokaičio pagalba. Paprastai karštam vandeniui kaupti naudojamas didelis bakas su jau įmontuotu šilumokaičiu. Racionalu naudoti rezervuarus su dviem ar daugiau šilumokaičių: tai leis pasiimti šilumą ne tik iš saulės kolektoriaus, bet ir iš kitų šaltinių (dujų ar elektrinio katilo, šilumos siurblio ir kt.).

Automatika

Tokia sudėtinga sistema negali išsiversti be automatikos, kuri kontroliuoja ir kontroliuoja procesą. Valdiklis leidžia automatizuoti kolektoriaus darbą: jis analizuoja temperatūrą grandinėje ir akumuliaciniame bake, kontroliuoja siurblį ir vožtuvus, atsakingus už aušinimo skysčio judėjimą išilgai grandinės. Jei aušinimo skystis grandinėje ir vanduo talpoje perkaista, valdiklis duos komandą nukreipti šilumą į alternatyvią šilumos kriauklę - papildomą vandens baką ar gatvės oro šilumokaitį.

Jei dienos šviesos pabaigoje vandens temperatūra akumuliacinėje talpoje viršija aušinimo skysčio temperatūrą kolektoriaus kontūre, automatika sustabdys aušinimo skysčio cirkuliaciją išilgai grandinės, kad sukaupta šiluma nepatektų į atmosferą per patį kolektorių. Šiuolaikiniai valdikliai suteikia galimybę nuotoliniu būdu stebėti sistemos veikimą ir, jei reikia, atlikti pakeitimus.

Šiandien nebus sunku rasti saulės kolektorių ir bet kurį komponentą, reikalingą jo veikimui rinkoje. Sistemą surinkti iš elementų, įsigytų atskirai, yra visiškai įmanoma. Tačiau gamintojai siūlo gatavus rinkinius, kuriuose yra kolektorius, siurbliai, akumuliacinės talpos, valdymo automatika ir kt. Tokio komplekto įsigijimas yra ne tik jūsų laiko taupymas, bet ir sistemos veikimo garantija.