Kolektory słoneczne: rodzaje, zasada działania, konstrukcja systemu

Pompy ciepła czerpać energię z gleby, wody lub powietrza ogrzanego przez słońce. Kotły wykorzystują ciepło uwalniane podczas spalania paliwa, które ostatecznie jest również produktem konwersji energii słonecznej podczas długiej ewolucji Ziemi. Kolektory słoneczne są w pewnym sensie wyjątkowe: odbierają energię bezpośrednio ze słońca.

Aby jutro całkowicie bezpłatnie ogrzewać ciepłą wodę użytkową lub ogrzewać dom, dziś nadal musisz wydawać pieniądze na zakup kolektorów słonecznych. Biorąc pod uwagę znaczne koszty takiego sprzętu, bardzo ważne jest, aby nie popełnić błędu przy wyborze. Powinieneś więc uzyskać przynajmniej ogólne pomysły na temat specyfiki kolektorów słonecznych i niuansów ich pracy.

Specyfika stosowania kolektorów słonecznych

Główną cechą kolektorów słonecznych, która odróżnia je od innych typów generatorów ciepła, jest cykliczność ich pracy. Bez słońca - bez energii cieplnej. W rezultacie takie instalacje są pasywne w nocy.

Średnia dzienna produkcja ciepła zależy bezpośrednio od długości godzin dziennych. To ostatnie zależy po pierwsze od szerokości geograficznej obszaru, a po drugie od pory roku. Latem, podczas którego szczyt nasłonecznienia przypada na półkuli północnej, kolektor będzie pracował z maksymalną wydajnością. Zimą wydajność spada, osiągając minimum w grudniu i styczniu.

Zimą wydajność kolektorów słonecznych zmniejsza się nie tylko ze względu na zmniejszenie godzin dziennych, ale także ze względu na zmianę kąta padania światła słonecznego. Wahania wydajności kolektora słonecznego w ciągu roku należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu jego udziału w systemie zaopatrzenia w ciepło.

Kolejnym czynnikiem, który może wpłynąć na wydajność kolektora słonecznego, są cechy klimatyczne regionu. W naszym kraju jest wiele miejsc, w których przez 200 dni lub dłużej w ciągu roku słońce chowa się za grubą warstwą chmur lub za zasłoną mgły. W pochmurną pogodę wydajność kolektora słonecznego nie spada do zera, ponieważ jest on w stanie wychwycić rozproszone światło słoneczne, ale jest znacznie zmniejszona.

Zasada działania i rodzaje kolektorów słonecznych

Czas powiedzieć kilka słów o urządzeniu i zasadzie działania kolektora słonecznego. Głównym elementem jego konstrukcji jest adsorber, który jest miedzianą płytą z przyspawaną do niego rurą. Płytka (a wraz z nią rura) pochłaniają ciepło padającego na nią światła słonecznego i szybko się nagrzewa. Ciepło to jest przekazywane do płynnego płynu chłodzącego krążącego przez rurę, a to z kolei przenosi je dalej przez system.

Zdolność ciała fizycznego do pochłaniania lub odbijania promieni słonecznych zależy przede wszystkim od charakteru jego powierzchni. Na przykład powierzchnia lustra doskonale odbija światło i ciepło, ale czerń, przeciwnie, pochłania. Dlatego na miedzianą płytkę adsorbera nakładana jest czarna powłoka (najprostszą opcją jest czarna farba).

Zasada działania kolektora słonecznego

Możliwe jest zwiększenie ilości ciepła odbieranego od słońca poprzez odpowiedni dobór szkła pokrywającego adsorber. Zwykłe szkło nie jest wystarczająco przezroczyste.Ponadto świeci, odbijając część padającego na niego światła słonecznego. W kolektorach słonecznych z reguły starają się używać specjalnego szkła o niskiej zawartości żelaza, co zwiększa jego przezroczystość. Aby zmniejszyć frakcję światła odbijanego przez powierzchnię, na szkło nakłada się powłokę antyrefleksyjną. Aby kurz i wilgoć, które również zmniejszają przepustowość szkła, nie dostały się do kolektora, obudowa jest uszczelniona, a czasem nawet wypełniona gazem obojętnym.

Pomimo tych wszystkich sztuczek, wydajność kolektorów słonecznych jest wciąż daleka od 100%, ze względu na niedoskonałość ich konstrukcji. Podgrzana płyta adsorbera emituje część odbieranego ciepła do otoczenia, ogrzewając powietrze w kontakcie z nim. Aby zminimalizować straty ciepła, adsorber musi być izolowany. Poszukiwanie skutecznej metody izolacji termicznej inżynierów adsorbera doprowadziło do stworzenia kilku odmian kolektorów słonecznych, z których najbardziej powszechnymi są płaskie i rurowe próżniowe.

Płaskie kolektory słoneczne

Płaskie kolektory słoneczne.

Konstrukcja płaskiego kolektora słonecznego jest niezwykle prosta: jest to metalowe pudełko pokryte szkłem z góry. Do izolacji termicznej dna i ścian ciała z reguły stosuje się wełnę mineralną. Ta opcja jest daleka od ideału, ponieważ nie jest wykluczone przenoszenie ciepła z adsorbera do szkła przez powietrze wewnątrz kanału. Przy dużej różnicy temperatur wewnątrz kolektora i na zewnątrz straty ciepła są dość znaczne. W rezultacie płaski kolektor słoneczny, który doskonale działa wiosną i latem, staje się wyjątkowo nieefektywny zimą.

Płaski kolektor słoneczny

Próżniowe kolektory słoneczne

Rurowe próżniowe kolektory słoneczne.

Próżniowy kolektor słoneczny to panel składający się z dużej liczby stosunkowo cienkich szklanych rurek. Wewnątrz każdego z nich znajduje się adsorber. Aby wykluczyć przenoszenie ciepła przez gaz (powietrze), rury są ewakuowane. Ze względu na brak gazu w pobliżu adsorberów kolektory próżniowe charakteryzują się niskimi stratami ciepła nawet przy mroźnej pogodzie.

Kolektor próżniowy

Aplikacje dla kolektorów słonecznych

Głównym celem kolektorów słonecznych, a także innych generatorów ciepła, jest ogrzewanie budynków i przygotowywanie wody do systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę. Pozostaje ustalić, który typ kolektorów słonecznych najlepiej nadaje się do wykonywania określonej funkcji.

Jak zauważyliśmy, płaskie kolektory słoneczne wyróżniają się dobrą wydajnością wiosną i latem, ale zimą są nieskuteczne. Wynika z tego, że nie jest praktyczne stosowanie ich do ogrzewania, których potrzeba wynika właśnie z nadejścia zimna. Nie oznacza to jednak, że w przypadku tego sprzętu nie ma żadnej działalności.

Płaskie kolektory mają jedną niezaprzeczalną zaletę - są znacznie tańsze niż modele próżniowe, więc w przypadkach, w których planowane jest wykorzystanie energii słonecznej wyłącznie latem, sensowne jest ich zakup. Płaskie kolektory słoneczne doskonale radzą sobie z zadaniem przygotowania wody do ciepłej wody w lecie. Jeszcze częściej są one używane do podgrzewania do komfortowej temperatury wody w basenach zewnętrznych.

Rurowe kolektory próżniowe są bardziej uniwersalne. Wraz z nadejściem zimowych chłodów ich wydajność nie maleje tak bardzo, jak w przypadku modeli płaskich, co oznacza, że ​​można je stosować przez cały rok.Umożliwia to stosowanie takich kolektorów słonecznych nie tylko do dostarczania ciepłej wody, ale także w systemie grzewczym.

Porównanie płaskich i próżniowych kolektorów słonecznych.

Lokalizacja kolektorów słonecznych

Wydajność kolektora słonecznego zależy bezpośrednio od ilości światła słonecznego padającego na adsorber. Wynika z tego, że kolektor powinien znajdować się na otwartej przestrzeni, w której nigdy (lub przynajmniej tak długo, jak to możliwe) cień z sąsiednich budynków, drzew położonych w pobliżu gór itp.

Duże znaczenie ma nie tylko lokalizacja kolektora, ale także jego orientacja. Najbardziej „słoneczną” stroną na naszej półkuli północnej jest strona południowa, co oznacza, że ​​idealnie „lustra” kolektora należy obrócić dokładnie na południe. Jeśli jest to technicznie niemożliwe, należy wybrać kierunek jak najbliżej południa - południowego zachodu lub południowego wschodu.

Nie należy ignorować takiego parametru, jak kąt nachylenia kolektora słonecznego. Wielkość kąta zależy od odchylenia położenia Słońca od zenitu, co z kolei zależy od szerokości geograficznej obszaru, w którym sprzęt będzie eksploatowany. Jeśli kąt pochylenia nie jest ustawiony prawidłowo, straty energii optycznej znacznie wzrosną, ponieważ znaczna część światła słonecznego odbije się od szkła kolektora, a zatem nie dotrze do absorbera.

Jak wybrać odpowiedni kolektor słoneczny

Jeśli chcesz, aby system ogrzewania w domu poradził sobie z zadaniem utrzymania komfortowej temperatury w pomieszczeniach i ciepłej, a nie ciepłej wody wypływającej z kranów, a jednocześnie planujesz użyć kolektora słonecznego jako generatora ciepła, musisz wcześniej obliczyć niezbędną moc urządzenia. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę dość dużą liczbę parametrów, w tym przeznaczenie kolektora (dostarczanie ciepłej wody, ogrzewanie lub połączenie obu tych elementów), zapotrzebowanie na ciepło obiektu (całkowita powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń lub średnie dzienne zużycie ciepłej wody), cechy klimatyczne regionu i cechy instalacji kolektora.

Zasadniczo wykonywanie takich obliczeń nie jest takie trudne. Wydajność każdego modelu jest znana, co oznacza, że ​​możesz łatwo oszacować liczbę kolektorów potrzebnych do dostarczenia ciepła do domu. Firmy produkujące kolektory słoneczne dysponują informacjami (i mogą je przekazać konsumentowi) na temat zmiany mocy sprzętu w zależności od geograficznej szerokości geograficznej obszaru, kąta nachylenia „lusterek”, odchylenia ich orientacji od południa itp., Co pozwala wprowadzić niezbędne zmiany przy obliczaniu wydajności zbiornika.

Przy wyborze wymaganej mocy kolektora bardzo ważne jest osiągnięcie równowagi między niedoborem a wytwarzanym nadmiarem ciepła. Eksperci zalecają skupienie się na maksymalnej możliwej mocy kolektora, tj. Użyj do obliczeń najbardziej wydajnego sezonu letniego. Jest to sprzeczne z chęcią przeciętnego użytkownika do zabrania sprzętu z marginesem (tj. Do obliczenia mocy najzimniejszego miesiąca), aby ciepło z kolektora wystarczało w mniej słoneczne dni jesienne i zimowe.

Jeśli jednak pójdziesz ścieżką wyboru kolektora słonecznego o zwiększonej mocy, to u szczytu jego wydajności, tj. Przy ciepłej słonecznej pogodzie, napotkasz poważny problem: więcej ciepła zostanie wygenerowane niż zużyte, co grozi przegrzaniem obwodu i innymi nieprzyjemnymi konsekwencjami . Istnieją dwie opcje rozwiązania tego problemu: albo zainstaluj kolektor słoneczny małej mocy i równolegle podłącz równolegle redundantne źródła ciepła, albo kup model z dużą rezerwą mocy i zapewnij sposoby odprowadzania nadmiaru ciepła w sezonie wiosenno-letnim.

Stagnacja systemu

Porozmawiajmy trochę więcej o problemach związanych z nadmiarem generowanego ciepła. Załóżmy więc, że zainstalowałeś wystarczająco mocny kolektor słoneczny, który może w pełni dostarczyć ciepło do systemu grzewczego twojego domu. Ale nadeszło lato i zniknęła potrzeba ogrzewania. Jeśli możesz wyłączyć zasilanie kotła elektrycznego, wyłączyć dopływ paliwa do kotła gazowego, wtedy nie mamy mocy nad słońcem - nie możemy go wyłączyć, gdy jest zbyt gorąco.

Stagnacja systemu jest jednym z głównych potencjalnych problemów kolektorów słonecznych. Jeśli niewystarczające ciepło jest pobierane z obwodu kolektora, chłodziwo przegrzewa się. W pewnym momencie ten ostatni może się zagotować, co doprowadzi do zakończenia jego krążenia wzdłuż obwodu. Gdy płyn chłodzący ostygnie i skropli się, system wznowi działanie. Jednak daleko od wszystkich rodzajów płynów chłodniczych spokojnie przenieś przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego i odwrotnie. Niektóre w wyniku przegrzania nabierają konsystencji galaretowatej, co uniemożliwia dalszą pracę obwodu.

Tylko stabilne odprowadzanie ciepła wytwarzanego przez kolektor pomoże uniknąć stagnacji. Jeśli obliczenie mocy urządzenia zostanie wykonane poprawnie, prawdopodobieństwo problemów wynosi prawie zero.

Jednak nawet w tym przypadku wystąpienie okoliczności siły wyższej nie jest wykluczone, dlatego należy z góry przewidzieć sposoby ochrony przed przegrzaniem:

1. Instalacja zbiornika rezerwowego do gromadzenia ciepłej wody. Jeśli woda w głównym zbiorniku systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę osiągnęła ustawioną wartość maksymalną, a kolektor słoneczny nadal dostarcza ciepło, nastąpi automatyczne przełączenie, a woda zacznie się podgrzewać już w zbiorniku rezerwowym. Utworzony zapas ciepłej wody może być później wykorzystany na potrzeby domowe, przy pochmurnej pogodzie.

2. Podgrzana woda w basenie. Właściciele domów z basenem (nieważne, wewnątrz ani na zewnątrz) mają świetną okazję do odwrócenia nadmiaru ciepła. Objętość basenu jest nieporównywalnie większa niż pojemność jakiegokolwiek domowego magazynu, z którego wynika, że ​​woda w nim nie nagrzewa się tak bardzo, że nie jest już w stanie absorbować ciepła.

3. Spuścić gorącą wodę. W przypadku braku możliwości wykorzystania nadmiaru ciepła można po prostu użytecznie spuścić podgrzaną wodę ze zbiornika do gorącej wody do małych kanałów ściekowych w małych porcjach. Zimna woda wpływająca do zbiornika obniży temperaturę całej objętości, która będzie nadal usuwać ciepło z obwodu.

4. Zewnętrzny wymiennik ciepła z wentylatorem. Jeśli kolektor słoneczny ma wysoką pojemność, nadmiar ciepła może być również bardzo duży. W takim przypadku system jest wyposażony w dodatkowy obwód wypełniony czynnikiem chłodniczym. Ten dodatkowy obwód jest podłączony do systemu za pomocą wymiennika ciepła wyposażonego w wentylator i zamontowany na zewnątrz budynku. Jeśli istnieje ryzyko przegrzania, nadmiar ciepła dostaje się do dodatkowego obwodu i zostaje „uwolniony” do powietrza przez wymiennik ciepła.

5. Odprowadzanie ciepła do ziemi. Jeśli oprócz kolektora słonecznego w domu znajduje się glebowa pompa ciepła, nadmiar ciepła można wysłać do studni. Jednocześnie rozwiązujesz dwa problemy naraz: z jednej strony chronisz obwód kolektora przed przegrzaniem, az drugiej strony przywracasz zapasy ciepła w glebie wyczerpane podczas zimy.

6. Izolacja kolektora słonecznego od bezpośredniego światła słonecznego. Ta metoda jest jedną z najprostszych z technicznego punktu widzenia. Oczywiście wspinanie się na dach i ręczne zasłanianie kolektora nie jest tego warte - jest trudne i niebezpieczne. O wiele bardziej racjonalne jest instalowanie zdalnie sterowanego ekranu, takiego jak roleta. Możesz nawet podłączyć sterownik przepustnicy do sterownika - jeśli temperatura w obwodzie niebezpiecznie wzrośnie, kolektor zamknie się automatycznie.

7. Spust płynu chłodzącego. Metodę tę można uznać za kardynalną, ale jednocześnie jest dość prosta.Jeśli istnieje ryzyko przegrzania, płyn chłodzący jest odprowadzany przez pompę do specjalnego zbiornika zintegrowanego z obwodem systemu. Gdy warunki znów staną się sprzyjające, pompa zwróci chłodziwo do obwodu, a kolektor zostanie przywrócony.

Inne elementy systemu

Nie wystarczy po prostu zebrać ciepło promieniowane przez słońce. Nadal konieczne jest transportowanie, gromadzenie, przekazywanie go konsumentom, konieczne jest kontrolowanie wszystkich tych procesów itp. Oznacza to, że oprócz kolektorów umieszczonych na dachu, system zawiera wiele innych elementów, które mogą być mniej zauważalne, ale nie mniej ważne. Skupmy się tylko na niektórych z nich.

Płyn chłodzący

Czynnikiem chłodzącym w obwodzie kolektora może być woda lub płyn niezamarzający.

Woda ma wiele wad, które nakładają pewne ograniczenia na jej stosowanie jako chłodziwa w kolektorach słonecznych:

• Po pierwsze, w temperaturach ujemnych zamarza. Aby zamrożony płyn chłodzący nie uszkodził rur obwodu, trzeba będzie go spuścić z nadejściem niskich temperatur, co oznacza, że ​​zimą nie otrzymasz nawet niewielkich ilości energii cieplnej z kolektora.
• Po drugie, niezbyt wysoka temperatura wrzenia wody może powodować częstą stagnację w lecie.

Płyn niezamarzający, w przeciwieństwie do wody, ma znacznie niższą temperaturę krzepnięcia i nieporównywalnie wyższą temperaturę wrzenia, co zwiększa wygodę stosowania go jako chłodziwa. Jednak w wysokich temperaturach „niezamarzający” może ulec nieodwracalnym zmianom, dlatego należy go chronić przed nadmiernym przegrzaniem.

Przystosowana pompa do instalacji solarnych

Aby zapewnić wymuszony obieg chłodziwa wzdłuż obwodu kolektora, potrzebna jest pompa przystosowana do systemów solarnych.

Wymiennik ciepła CWU

Przenoszenie ciepła z obwodu kolektora słonecznego do wody używanej do zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową lub do nośnika ciepła systemu grzewczego odbywa się za pomocą wymiennika ciepła. Z reguły do ​​gromadzenia ciepłej wody stosuje się zbiornik o dużej pojemności z już wbudowanym wymiennikiem ciepła. Racjonalne jest stosowanie zbiorników z dwoma lub więcej wymiennikami ciepła: pozwoli to na pobieranie ciepła nie tylko z kolektora słonecznego, ale także z innych źródeł (kocioł gazowy lub elektryczny, pompa ciepła itp.).

Automatyzacja

Tak złożony system nie może obejść się bez automatyzacji, która kontroluje i kontroluje proces. Sterownik pozwala zautomatyzować pracę kolektora: analizuje temperaturę w obwodzie i zbiorniku, steruje pompą i zaworami odpowiedzialnymi za ruch chłodziwa wzdłuż obwodu. Jeśli czynnik chłodzący w obwodzie i woda w zbiorniku się przegrzeją, sterownik wyda polecenie zrzucenia ciepła do alternatywnego radiatora - dodatkowego zbiornika wody lub zewnętrznego wymiennika ciepła powietrza.

Jeśli pod koniec dnia temperatura wody w zbiorniku przekroczy temperaturę płynu chłodzącego w obwodzie kolektora, automatyka zatrzyma obieg płynu chłodzącego wzdłuż obwodu, aby zgromadzone ciepło nie było uwalniane do atmosfery przez sam kolektor. Nowoczesne sterowniki umożliwiają zdalne monitorowanie pracy systemu i, w razie potrzeby, wprowadzanie korekt.

Dziś nie będzie trudno znaleźć kolektor słoneczny i którykolwiek z elementów niezbędnych do jego działania na rynku. Całkiem możliwe jest złożenie systemu z elementów zakupionych osobno. Jednak producenci oferują gotowe zestawy, które obejmują kolektor, pompy, zbiorniki, automatykę sterowania itp. Zakup takiego zestawu to nie tylko oszczędność czasu, ale także gwarancja wydajności systemu.