Zonnecollectoren: types, werkingsprincipe, systeemontwerp

Warmtepompen haal energie uit grond, water of lucht opgewarmd door de zon. Ketels gebruiken de warmte die vrijkomt tijdens de verbranding van brandstof, wat uiteindelijk ook het product is van de conversie van zonne-energie tijdens de lange evolutie van de aarde. Zonnecollectoren zijn in zekere zin uniek: ze ontvangen energie rechtstreeks van de zon.

Om morgen de mogelijkheid te hebben om water voor huishoudelijk warm water volledig gratis te verwarmen of om uw huis te verwarmen, moet u vandaag nog steeds geld uitgeven aan de aankoop van zonnecollectoren. Gezien de aanzienlijke kosten van dergelijke apparatuur, is het erg belangrijk om geen fouten te maken bij het kiezen. U moet dus op zijn minst algemene ideeën krijgen over de specifieke kenmerken van zonnecollectoren en de nuances van hun werk.

De details van het gebruik van zonnecollectoren

Het belangrijkste kenmerk van zonnecollectoren dat hen onderscheidt van andere soorten warmtegeneratoren, is het cyclische karakter van hun werk. Geen zon - geen thermische energie. Als gevolg hiervan zijn dergelijke installaties 's nachts passief.

De gemiddelde dagelijkse warmteproductie hangt rechtstreeks af van de lengte van daglichturen. Dit laatste wordt ten eerste bepaald door de geografische breedte van het gebied en ten tweede door de tijd van het jaar. In de zomer, waarin de piek van de zonnestraling op het noordelijk halfrond valt, zal de verzamelaar met maximale efficiëntie werken. In de winter daalt de productiviteit en bereikt een minimum in december-januari.

In de winter daalt de efficiëntie van zonnecollectoren niet alleen vanwege een afname van de duur van de daglichturen, maar ook vanwege een verandering in de invalshoek van zonlicht. Schommelingen in de prestaties van de zonnecollector gedurende het jaar moeten in aanmerking worden genomen bij de berekening van zijn bijdrage aan het warmtevoorzieningssysteem.

Een andere factor die de productiviteit van de zonnecollector kan beïnvloeden, zijn de klimatologische kenmerken van de regio. In ons land zijn er veel plaatsen waar gedurende 200 dagen of meer per jaar de zon wordt verborgen achter een dikke laag wolken of achter een sluier van mist. Bij bewolkt weer daalt de prestatie van de zonnecollector niet tot nul, omdat deze in staat is het verstrooide zonlicht op te vangen, maar aanzienlijk wordt verminderd.

Het werkingsprincipe en soorten zonnecollectoren

Het is tijd om een ​​paar woorden te zeggen over het apparaat en het werkingsprincipe van de zonnecollector. Het belangrijkste element van het ontwerp is een adsorber, een koperen plaat met een pijp erop gelast. De plaat (en daarmee de pijp) absorbeert de hitte van het zonlicht dat erop valt en warmt snel op. Deze warmte wordt overgedragen op het vloeibare koelmiddel dat door de pijp circuleert en die het vervolgens verder door het systeem transporteert.

Het vermogen van het fysieke lichaam om zonnestralen te absorberen of te reflecteren hangt allereerst af van de aard van het oppervlak. Een spiegeloppervlak reflecteert bijvoorbeeld perfect licht en warmte, maar zwart daarentegen absorbeert. Daarom wordt een zwarte coating aangebracht op de koperen plaat van de adsorber (de eenvoudigste optie is zwarte verf).

Het werkingsprincipe van de zonnecollector

Het is mogelijk om de hoeveelheid warmte die wordt ontvangen van de zon te verhogen door de juiste selectie van glas dat de adsorber bedekt. Normaal glas is niet transparant genoeg.Bovendien schittert het en reflecteert een deel van het zonlicht dat erop valt. In zonnecollectoren proberen ze in de regel speciaal glas met een laag ijzergehalte te gebruiken, wat de transparantie ervan verhoogt. Om de fractie van het door het oppervlak gereflecteerde licht te verminderen, wordt een anti-reflecterende coating op het glas aangebracht. En zodat stof en vocht, die ook de doorvoer van het glas verminderen, niet in de collector terechtkomen, is de behuizing verzegeld en soms zelfs gevuld met een inert gas.

Ondanks al deze trucs is de efficiëntie van zonnecollectoren nog steeds verre van 100%, vanwege de imperfectie van hun ontwerp. De verwarmde adsorberplaat straalt een deel van de ontvangen warmte uit naar de omgeving en verwarmt de lucht die ermee in contact staat. Om warmteverlies te minimaliseren, moet de adsorber worden geïsoleerd. De zoektocht naar een effectieve methode voor thermische isolatie van de adsorber leidde ingenieurs om verschillende soorten zonnecollectoren te maken, de meest voorkomende daarvan zijn platte en buisvormige vacuümcollectoren.

Platte zonnecollectoren

Platte zonnecollectoren.

Het ontwerp van een platte zonnecollector is uiterst eenvoudig: het is een metalen doos bedekt met glas van bovenaf. Voor thermische isolatie van de bodem en wanden van het lichaam wordt in de regel minerale wol gebruikt. Deze optie is verre van ideaal, omdat warmteoverdracht van de adsorber naar het glas via de lucht in het kanaal niet is uitgesloten. Met een groot temperatuurverschil in de collector en buiten, is het warmteverlies behoorlijk aanzienlijk. Als gevolg hiervan wordt een platte zonnecollector, die perfect functioneert in de lente en zomer, extreem inefficiënt in de winter.

Vlak zonnecollectorapparaat

Tubular Vacuum Solar Collectors

Buisvormige vacuüm zonnecollectoren.

De vacuüm-zonnecollector is een paneel dat bestaat uit een groot aantal relatief dunne glazen buizen. Binnen elk van hen is een adsorber. Om warmteoverdracht door gas (lucht) uit te sluiten, worden de buizen geëvacueerd. Vanwege het gebrek aan gas in de buurt van de adsorbers worden vacuümcollectoren gekenmerkt door een laag warmteverlies, zelfs bij ijzig weer.

Vacuum spruitstuk apparaat

Toepassingen voor zonnecollectoren

Het hoofddoel van zonnecollectoren, evenals andere warmtegeneratoren, is gebouwen verwarmen en water voorbereiden op een warmwatervoorziening. Het blijft nog te weten welk type zonnecollectoren het meest geschikt is om een ​​bepaalde functie uit te voeren.

Platte zonnecollectoren, zoals we hebben gevonden, onderscheiden zich door goede prestaties in het voorjaar en de zomer, maar zijn niet effectief in de winter. Hieruit volgt dat het niet praktisch is om ze te gebruiken voor verwarming, de behoefte die precies ontstaat bij het begin van koud weer. Dit betekent echter niet dat er voor deze apparatuur helemaal geen zaken zijn.

Vlakke collectoren hebben één onbetwistbaar voordeel - ze zijn aanzienlijk goedkoper dan vacuümmodellen, daarom is het logisch om ze te kopen in gevallen waarin het gepland is om zonne-energie uitsluitend in de zomer te gebruiken. Platte zonnecollectoren zijn perfect in staat om water in de zomer voor te bereiden op warm water. Nog vaker worden ze gebruikt om op te warmen tot een comfortabele watertemperatuur in buitenzwembaden.

Buisvormige vacuümverdeelstukken zijn veelzijdiger. Met de komst van winterverkoudheden, nemen hun prestaties niet zo aanzienlijk af als in het geval van platte modellen, wat betekent dat ze het hele jaar door kunnen worden gebruikt.Dit maakt het mogelijk om dergelijke zonnecollectoren niet alleen te gebruiken voor warmwatervoorziening, maar ook in het verwarmingssysteem.

Vergelijking van platte en vacuüm zonnecollectoren.

Locatie van zonnecollectoren

De efficiëntie van de zonnecollector hangt rechtstreeks af van de hoeveelheid zonlicht die de adsorber binnenkomt. Hieruit volgt dat de collector zich in een open ruimte moet bevinden, waar nooit (of minstens zo lang mogelijk) de schaduw van aangrenzende gebouwen, bomen in de buurt van bergen, enz.

Van groot belang is niet alleen de locatie van de verzamelaar, maar ook de oriëntatie. De meest "zonnige" kant op ons noordelijk halfrond is de zuidkant, wat betekent dat de "spiegels" van de collector idealiter precies op het zuiden moeten worden gericht. Als het technisch onmogelijk is om dit te doen, moet u de richting zo dicht mogelijk bij het zuidwesten kiezen - zuidwesten of zuidoosten.

Men moet een dergelijke parameter als de hellingshoek van de zonnecollector niet negeren. De grootte van de hoek hangt af van de afwijking van de positie van de zon ten opzichte van het zenit, die op zijn beurt wordt bepaald door de geografische breedtegraad van het gebied waarin de apparatuur zal worden gebruikt. Als de kantelhoek niet correct is ingesteld, zal het optische energieverlies aanzienlijk toenemen, omdat een aanzienlijk deel van het zonlicht wordt gereflecteerd door het collectorglas en daarom de absorber niet zal bereiken.

Hoe de juiste zonnecollector te kiezen

Als u wilt dat het verwarmingssysteem van uw huis de taak aankan om een ​​comfortabele temperatuur in het pand te handhaven, en warm in plaats van warm water dat uit de kranen stroomt, en tegelijkertijd van plan bent om een ​​zonnecollector als warmtegenerator te gebruiken, moet u het benodigde vermogen van de apparatuur van tevoren berekenen. In dit geval moet met een vrij groot aantal parameters rekening worden gehouden, waaronder het doel van de collector (warmwatervoorziening, verwarming of een combinatie van beide), de warmtevraag van het object (totale oppervlakte verwarmde kamers of gemiddeld dagelijks verbruik van warm water), klimatologische kenmerken van de regio en kenmerken van de collectorinstallatie.

Het maken van dergelijke berekeningen is in principe niet zo moeilijk. De prestaties van elk model zijn bekend, wat betekent dat u eenvoudig het aantal collectoren kunt schatten dat nodig is om het huis van warmte te voorzien. Bedrijven die zonnecollectoren produceren, hebben informatie (en kunnen deze aan de consument verstrekken) over de verandering in de kracht van de apparatuur afhankelijk van de geografische breedtegraad van het gebied, de hellingshoek van de "spiegels", de afwijking van hun oriëntatie ten opzichte van het zuiden, enz., Waarmee u de nodige wijzigingen kunt aanbrengen bij het berekenen van de reservoirprestaties.

Bij het selecteren van het vereiste collectorvermogen is het zeer belangrijk om een ​​evenwicht te bereiken tussen het tekort en de gegenereerde overtollige warmte. Experts raden aan om zich te concentreren op het maximaal mogelijke collectorvermogen, d.w.z. gebruik de indicator voor het meest productieve zomerseizoen in de berekeningen. Dit is in tegenspraak met de wens van de gemiddelde gebruiker om apparatuur met een marge te nemen (d.w.z. om het vermogen van de koudste maand te berekenen) zodat de warmte van de collector voldoende zou zijn in minder zonnige herfst- en winterdagen.

Als je echter het pad kiest om een ​​zonnecollector met verhoogd vermogen te kiezen, dan zul je op het hoogtepunt van zijn prestaties, dat wil zeggen bij warm zonnig weer, een serieus probleem tegenkomen: er zal meer warmte worden gegenereerd dan verbruikt, en dit dreigt het circuit te oververhitten en andere onaangename gevolgen . Er zijn twee opties om dit probleem op te lossen: installeer een energiezuinige zonnecollector en sluit parallel redundante warmtebronnen parallel aan, of koop een model met een grote vermogensreserve en geef manieren om overtollige warmte af te voeren in het lente-zomerseizoen.

Systeem stagnatie

Laten we het nog wat meer hebben over de problemen die samenhangen met een teveel aan gegenereerde warmte. Veronderstel dus dat u een voldoende krachtige zonnecollector hebt geïnstalleerd die de verwarming van uw huis volledig kan verwarmen. Maar de zomer kwam en de behoefte aan verwarming verdween. Als u de stroom voor een elektrische boiler kunt uitschakelen, de brandstoftoevoer voor een gasboiler kunt afsluiten, dan hebben we geen stroom over de zon - we kunnen deze niet uitschakelen als het te warm is.

Stilstand van het systeem is een van de belangrijkste potentiële problemen van zonnecollectoren. Als er onvoldoende warmte wordt onttrokken aan het collectorcircuit, wordt de koelvloeistof oververhit. Op een bepaald moment kan deze koken, wat zal leiden tot de beëindiging van zijn circulatie langs het circuit. Wanneer de koelvloeistof afkoelt en condenseert, hervat het systeem de werking. Verre van alle soorten koelvloeistoffen brengt u echter de overgang van een vloeibare toestand naar een gasvormige toestand rustig over en vice versa. Sommige als gevolg van oververhitting krijgen een geleiachtige consistentie, die de verdere werking van het circuit onmogelijk maakt.

Alleen stabiele verwijdering van warmte geproduceerd door de collector zal helpen om stagnatie te voorkomen. Als de berekening van het vermogen van de apparatuur correct wordt uitgevoerd, is de kans op problemen bijna nul.

Zelfs in dit geval is het optreden van overmacht echter niet uitgesloten. Daarom moet er op voorhand worden voorzien in manieren om te beschermen tegen oververhitting:

1. Installatie van een reservetank voor de accumulatie van warm water. Als het water in de hoofdtank van het warmwatertoevoersysteem het ingestelde maximum heeft bereikt en de zonnecollector blijft warmte leveren, zal automatisch worden geschakeld en het water begint al in de reservetank op te warmen. De gecreëerde voorraad warm water kan later worden gebruikt voor huishoudelijke behoeften, bij bewolkt weer.

2. Verwarmd water in het zwembad. Eigenaren van huizen met een zwembad (het maakt niet uit, binnen of buiten) hebben een geweldige kans om overtollige warmte af te leiden. Het volume van het zwembad is onvergelijkbaar groter dan het volume van een huishoudelijke opslag, waaruit volgt dat het water erin niet zo warm zal worden dat het geen warmte meer kan absorberen.

3. Tap heet water af. Bij afwezigheid van de mogelijkheid om overtollige warmte uit te geven, kunt u eenvoudig het verwarmde water uit de opslagtank voor heet water in kleine porties in kleine riolen afvoeren. Het koude water dat de tank binnenkomt, verlaagt de temperatuur van het gehele volume, waardoor de warmte uit het circuit wordt verwijderd.

4. Externe warmtewisselaar met ventilator. Als de zonnecollector een hoge capaciteit heeft, kan de overtollige warmte ook erg groot zijn. In dit geval is het systeem uitgerust met een extra circuit gevuld met koelmiddel. Dit extra circuit is verbonden met het systeem door middel van een warmtewisselaar uitgerust met een ventilator en gemonteerd buiten het gebouw. Als er een risico op oververhitting bestaat, komt overtollige warmte het extra circuit binnen en wordt "via de warmtewisselaar" in de lucht "vrijgegeven".

5. De afvoer van warmte in de grond. Als er naast de zonnecollector in het huis een bodemwarmtepomp is, kan overtollige warmte naar de put worden gestuurd. Tegelijkertijd lost u twee problemen tegelijkertijd op: aan de ene kant beschermt u het collectorcircuit tegen oververhitting en aan de andere kant herstelt u de warmtebron in de grond die 's winters is uitgeput.

6. Zonnecollector isolatie van direct zonlicht. Deze methode is een van de eenvoudigste vanuit technisch oogpunt. Het is natuurlijk niet de moeite waard om op het dak te klimmen en de collector handmatig te gordijnen - het is moeilijk en onveilig. Het is veel rationeler om een ​​op afstand bediend scherm te installeren, zoals een rolluik. U kunt zelfs de klepregeleenheid op de controller aansluiten - als de temperatuur in het circuit gevaarlijk stijgt, sluit de collector automatisch.

7. Koelvloeistof afvoer. Deze methode kan als kardinaal worden beschouwd, maar tegelijkertijd is het vrij eenvoudig.Als het risico op oververhitting bestaat, wordt de koelvloeistof door middel van een pomp afgevoerd naar een speciale tank die in het systeemcircuit is geïntegreerd. Wanneer de omstandigheden weer gunstig worden, zal de pomp de koelvloeistof terugvoeren naar het circuit en zal de collector worden hersteld.

Andere systeemcomponenten

Het is niet voldoende om eenvoudig de warmte op te vangen die door de zon wordt uitgestraald. Het is nog steeds noodzakelijk om het te transporteren, op te slaan, over te dragen aan de consument, het is noodzakelijk om al deze processen te controleren, enz. Dit betekent dat het systeem naast de collectoren op het dak, vele andere componenten bevat, die minder opvallend, maar niet minder belangrijk zijn. Laten we ons slechts op enkele ervan concentreren.

warmte transfer agent

De koelvloeistoffunctie in het collectorcircuit kan water of een niet-bevriezende vloeistof zijn.

Water heeft een aantal nadelen die bepaalde beperkingen opleggen aan het gebruik ervan als koelmiddel in zonnecollectoren:

• Ten eerste bevriest het bij vriestemperaturen. Zodat het bevroren koelmiddel de leidingen van het circuit niet breekt, moet het worden afgetapt bij koud weer, wat betekent dat u in de winter zelfs geen kleine hoeveelheden thermische energie van de collector ontvangt.
• Ten tweede kan een niet te hoog kookpunt van water in de zomer frequente stagnatie veroorzaken.

Niet-vriesvloeistof heeft, in tegenstelling tot water, een aanzienlijk lager vriespunt en een onvergelijkbaar hoger kookpunt, wat het gebruiksgemak als koelmiddel verhoogt. Bij hoge temperaturen kan het "niet-bevriezen" echter onomkeerbare veranderingen ondergaan, daarom moet het worden beschermd tegen overmatige oververhitting.

Aangepaste pomp voor zonnesystemen

Om geforceerde circulatie van de koelvloeistof langs het collectorcircuit te garanderen, is een pomp nodig die is aangepast voor zonnesystemen.

SWW-warmtewisselaar

Warmteoverdracht van het zonnecollectorcircuit naar het water dat wordt gebruikt in de warmwatervoorziening, of naar de warmtedrager van het verwarmingssysteem wordt uitgevoerd door middel van een warmtewisselaar. In de regel wordt voor de accumulatie van warm water een grote volumetank met een reeds ingebouwde warmtewisselaar gebruikt. Het is rationeel om tanks met twee of meer warmtewisselaars te gebruiken: hiermee kunt u niet alleen warmte afnemen van de zonnecollector, maar ook van andere bronnen (gas- of elektrische boiler, warmtepomp, enz.).

automatisering

Zo'n complex systeem kan niet zonder automatisering, die het proces bestuurt en bestuurt. Met de controller kunt u het werk van de collector automatiseren: hij analyseert de temperatuur in het circuit en de opslagtank, regelt de pomp en kleppen die verantwoordelijk zijn voor de beweging van koelvloeistof langs het circuit. Als de koelvloeistof in het circuit en het water in de tank oververhit raken, geeft de controller een opdracht om de warmte in een alternatief koellichaam te dumpen - een extra watertank of straatluchtwarmtewisselaar.

Als aan het einde van de daglichturen de temperatuur van het water in de opslagtank de temperatuur van de koelvloeistof in het collectorcircuit overschrijdt, zal de automatisering de circulatie van de koelvloeistof langs het circuit stoppen, zodat de opgehoopte warmte niet via de collector in de atmosfeer wordt vrijgegeven. Moderne controllers maken het mogelijk om de werking van het systeem op afstand te volgen en indien nodig bij te sturen.

Tegenwoordig zal het niet moeilijk zijn om een ​​zonnecollector en alle componenten te vinden die nodig zijn voor zijn werking op de markt. Het is heel goed mogelijk om een ​​systeem samen te stellen op basis van afzonderlijk aangeschafte elementen. Fabrikanten bieden echter kant-en-klare kits, waaronder een collector, pompen, opslagtanks, besturingsautomatisering, enz. De aankoop van een dergelijke kit is niet alleen een besparing van uw tijd, maar ook een garantie voor de prestaties van het systeem.