Saules kolektori: veidi, darbības princips, sistēmas dizains

Siltumsūkņi smelt enerģiju no augsnes, ūdens vai gaisa, ko silda saule. Katli izmanto siltumu, kas izdalās kurināmā sadedzināšanas laikā, kas galu galā ir arī saules enerģijas pārvēršanas produkts Zemes ilgstošās evolūcijas laikā. Saules kolektori savā ziņā ir unikāli: viņi saņem enerģiju tieši no saules.

Lai rīt būtu iespēja pilnīgi bez maksas sildīt ūdeni karstajam ūdenim vai sildīt māju, šodien jums joprojām ir jātērē nauda saules kolektoru iegādei. Ņemot vērā ievērojamās šāda aprīkojuma izmaksas, ir ļoti svarīgi, izvēloties, nekļūdīties. Tātad, jums vajadzētu iegūt vismaz vispārīgas idejas par saules kolektoru specifiku un viņu darba niansēm.

Saules kolektoru izmantošanas specifika

Saules kolektoru galvenā iezīme, kas tos atšķir no citiem siltuma ģeneratoru veidiem, ir to darba cikliskums. Nav saules - nav siltumenerģijas. Tā rezultātā šādas instalācijas ir pasīvas naktī.

Vidējā siltumenerģijas daudzums dienā ir tieši atkarīgs no dienasgaismas stundu ilguma. Pēdējo nosaka, pirmkārt, apgabala ģeogrāfiskais platums un, otrkārt, gada laiks. Vasarā, kurā ziemeļu puslodē krīt insolācijas virsotne, kolektors strādās ar maksimālu efektivitāti. Ziemā tā produktivitāte pazeminās, decembrī un janvārī sasniedzot minimumu.

Ziemā saules kolektoru efektivitāte samazinās ne tikai tāpēc, ka samazinās dienasgaismas stundas, bet arī mainās saules gaismas iedarbības leņķis. Aprēķinot tā ieguldījumu siltumapgādes sistēmā, jāņem vērā saules kolektora veiktspējas svārstības gada laikā.

Vēl viens faktors, kas var ietekmēt saules kolektora produktivitāti, ir reģiona klimatiskās īpatnības. Mūsu valstī ir daudz vietu, kur 200 vai vairāk dienas gadā saule ir paslēpta aiz bieza mākoņu slāņa vai miglas plīvura. Mākoņainā laikā saules kolektora darbība nenokrīt līdz nullei, jo tas spēj uztvert izkliedēto saules gaismu, bet ir ievērojami samazināts.

Saules kolektoru darbības princips un veidi

Ir pienācis laiks pateikt dažus vārdus par saules kolektora ierīci un darbības principu. Galvenais tā dizaina elements ir adsorberis, kas ir vara plāksne ar cauruli, kas pie tā metināta. Uzsūcot uz to krītošās saules gaismas siltumu, plāksne (un līdz ar to arī caurule) ātri uzsilst. Šis siltums tiek nodots šķidrajam dzesēšanas šķidrumam, kas cirkulē caur cauruli, un tas, savukārt, to tālāk pārvadā caur sistēmu.

Fiziskā ķermeņa spēja absorbēt vai atspoguļot saules starus, pirmkārt, ir atkarīga no tā virsmas rakstura. Piemēram, spoguļa virsma lieliski atspoguļo gaismu un siltumu, bet melna, gluži pretēji, absorbē. Tāpēc uz adsorberatora vara plāksnes tiek uzklāts melns pārklājums (vienkāršākā iespēja ir melna krāsa).

Saules kolektora darbības princips

Pareizi izvēloties stiklu, kas pārklāj adsorbētāju, ir iespējams palielināt no saules saņemtā siltuma daudzumu. Parasts stikls nav pietiekami caurspīdīgs.Turklāt tas atspīd, atspoguļojot daļu saules gaismas, kas uz tā nokrīt. Saules kolektoros, kā likums, viņi mēģina izmantot īpašu stiklu ar zemu dzelzs saturu, kas palielina tā caurspīdīgumu. Lai samazinātu gaismas daļu, ko atstaro virsma, stiklam tiek uzklāts pretatstarojošs pārklājums. Un tā, lai putekļi un mitrums, kas samazina arī stikla caurlaidību, nenokļūtu kolektorā, korpuss tiek noslēgts un dažreiz pat piepildīts ar inertu gāzi.

Neskatoties uz visiem šiem trikiem, saules kolektoru efektivitāte joprojām ir tālu no 100%, ņemot vērā to dizaina nepilnības. Apsildāmā adsorbera plāksne izstaro daļu saņemtā siltuma vidē, sildot gaisu, kas ar to saskaras. Lai samazinātu siltuma zudumus, adsorbentam jābūt izolētam. Efektīvas adsorbera siltumizolācijas metodes meklēšana inženieriem ļāva izveidot vairāku veidu saules kolektorus, no kuriem visizplatītākie ir plakanie un cauruļveida vakuuma.

Plakanie saules kolektori

Plakanie saules kolektori.

Plakanā saules kolektora dizains ir ārkārtīgi vienkāršs: tā ir metāla kaste, kas no augšas ir pārklāta ar stiklu. Korpusa dibena un sienu siltināšanai parasti izmanto minerālvilnu. Šī opcija nebūt nav ideāla, jo nav izslēgta siltuma pārnešana no adsorbenta uz stiklu caur gaisu kanāla iekšpusē. Ar lielu temperatūras starpību kolektora iekšpusē un ārpusē siltuma zudumi ir diezgan ievērojami. Tā rezultātā plakans saules kolektors, kas lieliski darbojas pavasarī un vasarā, ziemā kļūst ārkārtīgi neefektīvs.

Plakanā saules kolektora ierīce

Cauruļveida vakuuma saules kolektori

Cauruļveida vakuuma saules kolektori.

Vakuuma saules kolektors ir panelis, kas sastāv no daudzām relatīvi plānām stikla caurulēm. Katrā no tām ir adsorberis. Lai izslēgtu siltuma pārnesi ar gāzi (gaisu), caurules tiek evakuētas. Sakarā ar to, ka adsorbatoru tuvumā nav gāzes, vakuuma kolektoriem ir raksturīgs zems siltuma zudums pat aukstā laikā.

Vakuuma kolektora ierīce

Pieteikumi saules kolektoriem

Saules kolektoru, kā arī visu citu siltuma ģeneratoru galvenais mērķis ir ēku sildīšana un ūdens sagatavošana karstā ūdens apgādes sistēmai. Atliek noskaidrot, kurš saules kolektoru tips ir vispiemērotākais noteiktas funkcijas veikšanai.

Plakanie saules kolektori, kā mēs esam noskaidrojuši, izceļas ar labu sniegumu pavasarī un vasarā, bet ziemā tie ir neefektīvi. No tā izriet, ka nav praktiski tos izmantot apkurei, kuru nepieciešamība rodas tieši ar aukstā laika iestāšanos. Tas tomēr nenozīmē, ka šai iekārtai vispār nav biznesa.

Plakaniem kolekcionāriem ir viena neapstrīdama priekšrocība - tie ir ievērojami lētāki nekā vakuuma modeļi, tāpēc gadījumos, kad saules enerģiju plānots izmantot tikai vasarā, ir jēga tos iegādāties. Plakanie saules kolektori lieliski tiek galā ar uzdevumu karstā ūdens pagatavošanai vasarā. Pat biežāk tos izmanto, lai uzsildītu līdz komfortablai ūdens temperatūrai āra baseinos.

Cauruļveida vakuuma kolektori ir daudzpusīgāki. Ar ziemas saaukstēšanos to veiktspēja nemazinās tik ievērojami kā plakanu modeļu gadījumā, kas nozīmē, ka tos var izmantot visu gadu.Tas ļauj šādus saules kolektorus izmantot ne tikai karstā ūdens apgādei, bet arī apkures sistēmā.

Plakano un vakuuma saules kolektoru salīdzinājums.

Saules kolektoru atrašanās vieta

Saules kolektora efektivitāte ir tieši atkarīga no saules gaismas daudzuma, kas nokrīt uz adsorbera. No tā izriet, ka kolekcionāram jāatrodas atklātā telpā, kur nekad (vai vismaz tik ilgi, cik iespējams) nav ēnu no kaimiņu ēkām, kokiem, kas atrodas netālu no kalniem utt.

Liela nozīme ir ne tikai kolekcionāra atrašanās vietai, bet arī tā orientācijai. Vissaulainākā puse mūsu ziemeļu puslodē ir dienvidu puse, kas nozīmē, ka ideālā gadījumā kolektora “spoguļus” vajadzētu pagriezt tieši uz dienvidiem. Ja to izdarīt nav tehniski iespējams, tad jāizvēlas virziens pēc iespējas tuvāk dienvidiem - dienvidrietumiem vai dienvidaustrumiem.

Nevajadzētu ignorēt tādu parametru kā saules kolektora slīpuma leņķis. Leņķa lielums ir atkarīgs no Saules stāvokļa novirzes no zenīta, ko savukārt nosaka tā apgabala ģeogrāfiskais platums, kurā iekārta darbosies. Ja slīpuma leņķis nav iestatīts pareizi, optiskās enerģijas zudumi ievērojami palielināsies, jo ievērojama saules gaismas daļa tiks atspoguļota no kolektora stikla un līdz ar to nesasniegs absorbētāju.

Kā izvēlēties pareizo saules kolektoru

Ja vēlaties, lai jūsu mājas apkures sistēma tiktu galā ar uzdevumu uzturēt komfortablu temperatūru telpās un karstu, nevis siltu ūdeni, kas plūst no krāniem, un tajā pašā laikā plānojat izmantot saules kolektoru kā siltuma ģeneratoru, jums iepriekš jāaprēķina vajadzīgā aprīkojuma jauda. Šajā gadījumā būs jāņem vērā diezgan liels skaits parametru, ieskaitot kolektora mērķi (karstā ūdens padeve, apkure vai abu apvienojums), objekta siltuma pieprasījumu (apsildāmo telpu kopējā platība vai karstā ūdens vidējais ikdienas patēriņš), reģiona klimatiskās īpatnības un kolektora uzstādīšanas iezīmes.

Principā veikt šādus aprēķinus nav tik grūti. Katra modeļa veiktspēja ir zināma, kas nozīmē, ka jūs varat viegli noteikt kolektoru skaitu, kas nepieciešami, lai mājai nodrošinātu siltumu. Uzņēmumiem, kas ražo saules kolektorus, ir informācija (un to var sniegt patērētājam) par aprīkojuma jaudas izmaiņām atkarībā no apgabala ģeogrāfiskā platuma, “spoguļu” slīpuma leņķa, to orientācijas novirzes no dienvidiem utt., Kas ļauj veikt nepieciešamos grozījumus aprēķinot rezervuāra veiktspēju.

Izvēloties nepieciešamo kolektora jaudu, ir ļoti svarīgi panākt līdzsvaru starp radīto siltuma trūkumu un lieko siltumu. Eksperti iesaka koncentrēties uz maksimālo iespējamo kolektora jaudu, t.i., aprēķinos izmantot indikatoru visproduktīvākajai vasaras sezonai. Tas ir pretrunā ar vidusmēra lietotāja vēlmi ņemt aprīkojumu ar rezervi (t.i., aprēķināt aukstākā mēneša jaudu), lai siltums no kolektora būtu pietiekams mazāk saulainās rudens un ziemas dienās.

Tomēr, ja jūs ejat to ceļu, kurā izvēlaties saules kolektoru ar palielinātu jaudu, tad tā darbības maksimuma laikā, tas ir, siltā saulainā laikā, jūs saskarsies ar nopietnu problēmu: tiks saražots vairāk siltuma nekā patērēts, un tas draud ķēdei pārkarst un rada citas nepatīkamas sekas. . Šīs problēmas risināšanai ir divas iespējas: vai nu uzstādīt mazjaudas saules kolektoru un paralēli pieslēgt liekos siltuma avotus, vai arī iegādāties modeli ar lielu jaudas rezervi un nodrošināt veidus, kā pavasara-vasaras sezonā novadīt lieko siltumu.

Sistēmas stagnācija

Parunāsim nedaudz vairāk par problēmām, kas saistītas ar ģenerētā siltuma pārpalikumu. Tātad, pieņemsim, ka esat uzstādījis pietiekami jaudīgu saules kolektoru, kas var pilnībā nodrošināt siltumu jūsu mājas apkures sistēmai. Bet pienāca vasara, un nepieciešamība pēc apkures pazuda. Ja jūs varat izslēgt elektriskā katla enerģiju, izslēgt gāzes padevi gāzes katlam, tad mums nav enerģijas pār sauli - mēs to nevaram izslēgt, kad tas ir pārāk karsts.

Sistēmas stagnācija ir viena no galvenajām saules kolektoru iespējamām problēmām. Ja no kolektora ķēdes tiek patērēts nepietiekams siltums, dzesēšanas šķidrums pārkarst. Noteiktā brīdī pēdējais var vārīties, kas novedīs pie tā cirkulācijas pārtraukšanas gar ķēdi. Kad dzesēšanas šķidrums atdziest un kondensējas, sistēma atsāks darbību. Tomēr tālu no visiem dzesēšanas šķidrumu veidiem mierīgi pārnes pāreju no šķidra stāvokļa uz gāzveida stāvokli un otrādi. Daži pārkaršanas rezultātā iegūst želejveidīgu konsistenci, kas padara turpmāku ķēdes darbību neiespējamu.

Tikai stabila kolektora radītā siltuma noņemšana palīdzēs izvairīties no stagnācijas. Ja aprīkojuma jaudas aprēķins tiek veikts pareizi, problēmu iespējamība ir gandrīz nulle.

Tomēr pat šajā gadījumā nav izslēgta nepārvaramas varas apstākļu rašanās, tāpēc iepriekš jāparedz veidi, kā aizsargāties pret pārkaršanu:

1. Rezerves tvertnes uzstādīšana karstā ūdens uzkrāšanai. Ja karstā ūdens apgādes sistēmas galvenajā tvertnē ūdens ir sasniedzis iestatīto maksimumu un saules kolektors turpina piegādāt siltumu, automātiski notiek pārslēgšanās, un ūdens sāk sildīties jau rezerves tvertnē. Izveidoto siltā ūdens krājumu vēlāk mākoņainā laikā var izmantot sadzīves vajadzībām.

2. Apsildāms ūdens baseinā. Māju ar baseinu īpašniekiem (tas nav svarīgi, iekštelpās vai ārpus tām) ir lieliska iespēja novirzīt lieko siltumu. Baseina tilpums ir nesalīdzināmi lielāks nekā jebkura mājsaimniecības krājuma tilpums, no kura izriet, ka tajā esošais ūdens nesasilda tik daudz, ka vairs nespēj absorbēt siltumu.

3. Nolejiet karstu ūdeni. Ja nav iespējas iztērēt lieko siltumu, jūs varat vienkārši novadīt karsēto ūdeni no karstā ūdens uzglabāšanas tvertnes nelielās kanalizācijā nelielās porcijās. Aukstais ūdens, kas nonāk tvertnē, pazeminās visa tilpuma temperatūru, kas turpinās noņemt siltumu no ķēdes.

4. Ārējs siltummainis ar ventilatoru. Ja saules kolektoram ir liela jauda, ​​arī liekais siltums var būt ļoti liels. Šajā gadījumā sistēma ir aprīkota ar papildu ķēdi, kas piepildīta ar dzesēšanas šķidrumu. Šī papildu ķēde ir savienota ar sistēmu ar siltummaini, kas aprīkots ar ventilatoru un uzstādīts ārpus ēkas. Ja pastāv pārkaršanas risks, lieko siltumu iekļūst papildu ķēdē un caur siltummaini "izlaiž" gaisā.

5. Siltuma novadīšana zemē. Ja papildus saules kolektoram mājā ir arī augsnes siltumsūknis, lieko siltumu var nosūtīt uz aku. Tajā pašā laikā jūs vienlaikus risināt divas problēmas: no vienas puses, jūs aizsargājat kolektora ķēdi no pārkaršanas, un, no otras puses, jūs atjaunojat siltuma krājumus augsnē, kas ziemā ir izsmelta.

6. Saules kolektora izolācija no tiešiem saules stariem. Šī metode ir viena no vienkāršākajām no tehniskā viedokļa. Protams, kāpt uz jumta un manuāli savienot kolektoru nav vērts - tas ir grūti un nedroši. Daudz racionālāk ir uzstādīt attālināti vadāmu ekrānu, piemēram, slēģi. Jūs pat varat savienot slāpētāja vadības bloku ar kontrolieri - ja temperatūra kontūrā bīstami paaugstinās, kolektors automātiski aizveras.

7. Dzesēšanas šķidruma aizplūšana. Šo metodi var uzskatīt par kardinālu, taču tajā pašā laikā tā ir diezgan vienkārša.Ja pastāv pārkaršanas risks, dzesēšanas šķidrumu ar sūkni izvada speciālā tvertnē, kas integrēta sistēmas ķēdē. Kad apstākļi atkal kļūst labvēlīgi, sūknis atgriezīs dzesēšanas šķidrumu ķēdē, un kolektors tiks atjaunots.

Citas sistēmas sastāvdaļas

Nepietiek tikai savākt saules izstaroto siltumu. Joprojām ir jāpārvadā, jāuzkrāj, jānodod patērētājiem, ir nepieciešams kontrolēt visus šos procesus utt. Tas nozīmē, ka papildus kolektoriem, kas atrodas uz jumta, sistēmā ir arī daudzas citas sastāvdaļas, kuras var būt mazāk pamanāmas, bet ne mazāk svarīgas. Koncentrēsimies tikai uz dažiem no tiem.

Dzesēšanas šķidrums

Dzesēšanas šķidruma funkcija kolektora ķēdē var būt ūdens vai nesasaldējošs šķidrums.

Ūdenim ir virkne trūkumu, kas nosaka dažus ierobežojumus tā izmantošanai kā dzesēšanas šķidrumam saules kolektoros:

• Pirmkārt, sasalšanas temperatūrā tas sasalst. Lai saldētais dzesēšanas šķidrums neizlauztu ķēdes caurules, tas būs jāiztukšo, tuvojoties aukstajam laikam, kas nozīmē, ka ziemā no kolektora jūs nesaņemsiet pat nelielu daudzumu siltumenerģijas.
• Otrkārt, ne pārāk augsts ūdens viršanas punkts var izraisīt biežu stagnāciju vasarā.

Nesasalstošam šķidrumam, atšķirībā no ūdens, ir ievērojami zemāka sasalšanas temperatūra un nesalīdzināmi augstāka viršanas temperatūra, kas palielina ērtības to izmantot kā dzesēšanas šķidrumu. Tomēr augstā temperatūrā “nesasalšanas” var notikt neatgriezeniskas izmaiņas, tāpēc tas ir jāaizsargā no pārmērīgas pārkaršanas.

Pielāgots sūknis saules sistēmām

Lai nodrošinātu dzesēšanas šķidruma piespiedu cirkulāciju gar kolektora kontūru, ir nepieciešams saules sistēmām pielāgots sūknis.

Karstā ūdens siltummainis

Siltuma pārnesi no saules kolektora kontūra uz ūdeni, kas tiek izmantots karstā ūdens apgādei, vai uz apkures sistēmas siltumnesēju veic ar siltummaini. Parasti karstā ūdens uzkrāšanai tiek izmantota liela tilpuma tvertne ar jau iebūvētu siltummaini. Ir racionāli izmantot tvertnes ar diviem vai vairākiem siltummaiņiem: tas ļaus jums ņemt siltumu ne tikai no saules kolektora, bet arī no citiem avotiem (gāzes vai elektriskā katla, siltumsūkņa utt.).

Automatizācija

Tik sarežģīta sistēma nevar iztikt bez automatizācijas, kas kontrolē un kontrolē procesu. Regulators ļauj automatizēt kolektora darbu: tas analizē temperatūru ķēdē un uzglabāšanas tvertnē, kontrolē sūkni un vārstus, kas ir atbildīgi par dzesēšanas šķidruma kustību gar ķēdi. Ja dzesēšanas šķidrums ķēdē un ūdens tvertnē pārkarst, kontrolieris dod komandu novadīt siltumu alternatīvā siltuma izlietnē - papildu ūdens tvertnē vai āra gaisa siltummainī.

Ja dienasgaismas stundu beigās ūdens temperatūra uzglabāšanas tvertnē pārsniedz dzesēšanas šķidruma temperatūru kolektora ķēdē, automātika pārtrauks dzesēšanas šķidruma cirkulāciju gar ķēdi, lai uzkrātais siltums netiktu izlaists atmosfērā caur pašu kolektoru. Mūsdienu kontrolieri dod iespēju attālināti uzraudzīt sistēmas darbību un, ja nepieciešams, veikt pielāgojumus.

Šodien tirgū nebūs grūti atrast saules kolektoru un kādu no komponentiem, kas nepieciešami tā darbībai. Ir pilnīgi iespējams sistēmu salikt no elementiem, kas iegādāti atsevišķi. Tomēr ražotāji piedāvā gatavus komplektus, kas ietver kolektoru, sūkņus, uzglabāšanas tvertnes, vadības automātiku utt. Šāda komplekta iegāde ir ne tikai jūsu laika ietaupījums, bet arī sistēmas veiktspējas garantija.