Colectoare solare: tipuri, principiul funcționării, proiectarea sistemului

Pompe de căldură atrage energie din sol, apă sau aer încălzit de soare. Cazanele folosesc căldura degajată în timpul arderii combustibilului, care este, în final, și produsul conversiei energiei solare în timpul evoluției îndelungate a Pământului. Colectorii solari sunt, într-un anumit sens, unici: primesc energie direct de la soare.

Pentru a avea posibilitatea de a încălzi apa pentru apă caldă menajeră absolut gratuit mâine sau pentru a vă încălzi casa, astăzi mai trebuie să cheltuiți bani pentru achiziționarea de colectoare solare. Având în vedere costul considerabil al unui astfel de echipament, este foarte important să nu greșiți atunci când alegeți. Deci, ar trebui să obțineți cel puțin idei generale despre specificul colectoarelor solare și nuanțele muncii lor.

Caracteristicile utilizării colectoarelor solare

Principala caracteristică a colectoarelor solare care le distinge de alte tipuri de generatoare de căldură este natura ciclică a activității lor. Fără soare - fără energie termică. Drept urmare, astfel de instalații sunt pasive noaptea.

Producția medie zilnică de căldură depinde direct de durata orei de zi. Acesta din urmă este determinat, în primul rând, de latitudinea geografică a zonei, iar în al doilea rând, de perioada anului. Vara, timp în care vârful insolării cade în emisfera nordică, colectorul va funcționa cu eficiență maximă. Iarna, productivitatea sa scade, atingând un minim în decembrie-ianuarie.

În timpul iernii, eficiența colectoarelor solare scade nu numai din cauza scăderii duratei de zi, dar și din cauza schimbării unghiului de incidență a luminii solare. Fluctuațiile performanței colectorului solar în cursul anului ar trebui să fie luate în considerare la calcularea contribuției sale la sistemul de alimentare cu căldură.

Un alt factor care poate afecta productivitatea colectorului solar este caracteristicile climatice ale regiunii. În țara noastră există multe locuri în care timp de 200 de zile sau mai mult pe an soarele este ascuns în spatele unui strat gros de nori sau în spatele unui văl de ceață. Pe vreme înnorată, performanța colectorului solar nu scade la zero, deoarece este capabil să capteze lumina soarelui împrăștiată, dar este semnificativ redusă.

Principiul funcționării și tipurile de colectoare solare

Este timpul să spunem câteva cuvinte despre dispozitivul și principiul funcționării colectorului solar. Elementul principal al designului său este un adsorber, care este o placă de cupru cu o țeavă sudată la acesta. Absorbând căldura soarelui care cade pe ea, placa (și cu ea țeava) se încălzește rapid. Această căldură este transferată lichidului de răcire lichid care circulă prin conductă și, la rândul său, îl transportă mai departe prin sistem.

Capacitatea corpului fizic de a absorbi sau reflecta razele soarelui depinde, în primul rând, de natura suprafeței sale. De exemplu, o suprafață oglindă reflectă perfect lumina și căldura, dar negrul, dimpotrivă, se absoarbe. Acesta este motivul pentru care se aplică o acoperire neagră pe placa de cupru a adsorberului (cea mai simplă opțiune este vopseaua neagră).

Principiul funcționării colectorului solar

Este posibilă creșterea cantității de căldură primită de la soare prin selectarea corectă a sticlei care acoperă adsorberul. Sticla obișnuită nu este suficient de transparentă.În plus, strălucește, reflectând o parte din lumina soarelui care cade pe ea. În colectoarele solare, de regulă, încearcă să folosească sticlă specială cu un conținut scăzut de fier, ceea ce crește transparența acestuia. Pentru a reduce fracția de lumină reflectată de suprafață, se aplică pe sticlă un strat anti-reflectorizant. Și astfel încât praful și umiditatea, care reduc și debitul paharului, să nu intre în colector, carcasa este sigilată și uneori chiar umplută cu un gaz inert.

În ciuda tuturor acestor trucuri, eficiența colectoarelor solare este încă departe de 100%, datorită imperfecțiunii designului lor. Placa de adsorber încălzită radiază o parte din căldura primită în mediu, încălzind aerul în contact cu acesta. Pentru a reduce la minimum pierderile de căldură, adsorberul trebuie să fie izolat. Căutarea unei metode eficiente de izolare termică a adsorberilor i-a determinat pe ingineri să creeze mai multe varietăți de colectoare solare, dintre care cele mai frecvente sunt cele plate și tubulare.

Colectoare solare plate

Colectoare solare plate.

Designul unui colector solar plat este extrem de simplu: este o cutie metalică acoperită cu sticlă de sus. Pentru izolarea termică a fundului și a pereților corpului, de regulă, se folosește vată minerală. Această opțiune este departe de a fi ideală, deoarece transferul de căldură de la adsorber la sticlă prin aerul din interiorul conductei nu este exclus. Cu o diferență mare de temperatură în interiorul colectorului și în exterior, pierderea de căldură este destul de semnificativă. Drept urmare, un colector solar plat, care funcționează perfect primăvara și vara, devine extrem de ineficient iarna.

Dispozitiv cu colector solar

Colectoare solare cu vid tubular

Colectoare solare tubulare sub vid.

Colectorul solar de vid este un panou format dintr-un număr mare de tuburi de sticlă relativ subțiri. În fiecare dintre ele se află un adsorber. Pentru a exclude transferul de căldură prin gaz (aer), tuburile sunt evacuate. Din cauza lipsei de gaz în apropierea adsorbtoarelor, colectoarele de vid se caracterizează prin pierderi reduse de căldură chiar și pe vreme înghețată.

Dispozitiv cu galerie de vid

Aplicații pentru colectoare solare

Scopul principal al colectoarelor solare, ca orice alte generatoare de căldură, este încălzirea clădirilor și pregătirea apei pentru un sistem de alimentare cu apă caldă. Rămâne să aflăm ce tip de colectoare solare este cel mai potrivit pentru a îndeplini o anumită funcție.

Colectoarele solare plate, așa cum am constatat, se disting prin performanțe bune primăvara și vara, dar sunt ineficiente iarna. De aici rezultă că este inexact să le utilizăm pentru încălzire, nevoia care apare tocmai odată cu apariția vremii reci. Totuși, acest lucru nu înseamnă că nu există nicio activitate pentru acest echipament.

Colectoarele plate au un avantaj incontestabil - sunt semnificativ mai ieftine decât modelele de vid, astfel încât în ​​cazurile în care este planificată utilizarea energiei solare exclusiv vara, are sens să le achiziționați. Colectoarele solare plate fac față perfect sarcinii de a pregăti apa pentru apă caldă vara. Chiar mai des, sunt folosite pentru încălzirea până la o temperatură confortabilă a apei în bazinele exterioare.

Colectiile tubulare de vid sunt mai versatile. Odată cu apariția răcelilor de iarnă, performanța lor scade nu atât de mult ca în cazul modelelor plate, ceea ce înseamnă că pot fi folosite pe tot parcursul anului.Acest lucru face posibilă utilizarea unor astfel de colectoare solare nu numai pentru alimentarea cu apă caldă, ci și în sistemul de încălzire.

Comparație de colectoare solare plate și vid.

Amplasarea colectoarelor solare

Eficiența colectorului solar depinde direct de cantitatea de lumină solară care intră în adsorber. Rezultă că colectorul trebuie să fie amplasat într-un spațiu deschis, unde niciodată (sau cel puțin atâta timp cât se poate) umbra din clădirile învecinate, copaci amplasați lângă munți etc.

De mare importanță nu este doar locația colecționarului, ci și orientarea acestuia. Partea cea mai „însorită” din emisfera noastră nordică este latura sudică, ceea ce înseamnă că, în mod ideal, „oglinzile” colectorului ar trebui să fie întoarse exact spre sud. Dacă este imposibil din punct de vedere tehnic să faceți acest lucru, atunci ar trebui să alegeți direcția cât mai aproape de sud - sud-vest sau sud-est.

Nu trebuie ignorat un astfel de parametru precum unghiul de înclinare al colectorului solar. Mărimea unghiului depinde de abaterea poziției Soarelui de la zenit, care la rândul său este determinată de latitudinea geografică a zonei în care va fi operat echipamentul. Dacă unghiul de înclinare nu este setat corect, pierderea de energie optică va crește semnificativ, deoarece o parte semnificativă a luminii solare se va reflecta din sticla colectorului și, prin urmare, nu va ajunge la absorbant.

Cum să alegi colectorul solar potrivit

Dacă doriți ca sistemul de încălzire al casei dvs. să facă față sarcinii de menținere a unei temperaturi confortabile în spații și a apei calde, mai degrabă decât a apei calde care curge din robinete, și în același timp intenționați să utilizați un colector solar ca generator de căldură, trebuie să calculați în avans puterea necesară a echipamentului. În acest caz, un număr destul de mare de parametri va trebui să fie luat în considerare, inclusiv scopul colectorului (alimentarea cu apă caldă, încălzirea sau o combinație a ambelor), cererea de căldură a obiectului (suprafața totală a camerelor încălzite sau consumul mediu zilnic de apă caldă), caracteristicile climatice ale regiunii și caracteristicile instalației colectorului.

În principiu, efectuarea unor astfel de calcule nu este atât de dificilă. Performanțele fiecărui model sunt cunoscute, ceea ce înseamnă că puteți estima cu ușurință numărul de colectori necesari pentru a furniza căldură casei. Companiile care produc colectoare solare au informații (și le pot furniza consumatorului) despre schimbarea puterii echipamentelor în funcție de latitudinea geografică a zonei, unghiul de înclinare a „oglinzilor”, abaterea orientării lor de la sud etc., ceea ce vă permite să faceți modificările necesare la calcularea performanțelor rezervorului.

Atunci când selectați puterea necesară a colectorului, este foarte important să atingem un echilibru între deficitul și excesul de căldură generată. Experții recomandă să vă concentrați pe puterea maximă a colectorului, adică să folosiți indicatorul pentru cel mai productiv sezon de vară în calcule. Acest lucru contrazice dorința utilizatorului mediu de a lua echipament cu o marjă (adică, pentru a calcula puterea celei mai reci luni), astfel încât căldura de la colector să fie suficientă în zilele mai puțin însorite de toamnă și iarnă.

Cu toate acestea, dacă mergeți pe calea alegerii unui colector solar cu putere crescută, atunci în vârful performanțelor sale, adică pe vreme caldă cu soare, veți întâmpina o problemă serioasă: va fi generată mai multă căldură decât consumată, iar acest lucru amenință circuitul cu supraîncălzirea și alte consecințe neplăcute. . Există două opțiuni pentru rezolvarea acestei probleme: fie instalați un colector solar cu consum redus de energie și în paralel conectați sursele de căldură redundante în paralel, fie achiziționați un model cu o rezervă mare de energie și oferiți modalități de descărcare a căldurii în exces în sezonul de primăvară-vară.

Stagnarea sistemului

Să vorbim puțin mai mult despre problemele asociate cu un exces de căldură generată. Așadar, să presupunem că ați instalat un colector solar suficient de puternic, care poate furniza complet căldură sistemului de încălzire din casa dvs. Dar a venit vara, iar nevoia de încălzire a dispărut. Dacă puteți opri alimentarea pentru un cazan electric, opriți alimentarea cu un cazan pe gaz, atunci nu avem putere la soare - nu o putem opri când este prea cald.

Stagnarea sistemului este una dintre principalele probleme potențiale ale colectoarelor solare. Dacă se prelevează căldură insuficientă din circuitul colectorului, lichidul de răcire se supraîncălzește. La un moment dat, acesta din urmă poate fierbe, ceea ce va duce la încetarea circulației sale de-a lungul circuitului. Când lichidul de răcire se răcește și se condensează, sistemul va relua funcționarea. Cu toate acestea, departe de toate tipurile de lichide de răcire transferați calm tranziția de la o stare lichidă la o stare gazoasă și invers. Unele ca urmare a supraîncălzirii dobândesc o consistență asemănătoare cu jeleu, ceea ce face imposibilă funcționarea ulterioară a circuitului.

Numai îndepărtarea stabilă a căldurii produse de colector va ajuta la evitarea stagnării. Dacă calculul puterii echipamentului se face corect, probabilitatea problemelor este aproape zero.

Cu toate acestea, chiar și în acest caz, apariția unor circumstanțe de forță majoră nu este exclusă, prin urmare, trebuie prevăzute în avans modalități de protecție împotriva supraîncălzirii:

1. Instalarea unui rezervor de rezervă pentru acumularea de apă caldă. Dacă apa din rezervorul principal al sistemului de alimentare cu apă caldă a atins valoarea maximă stabilită, iar colectorul solar continuă să furnizeze căldură, comutarea va avea loc automat, iar apa va începe să se încălzească deja în rezervorul de rezervă. Stocul creat de apă caldă poate fi utilizat pentru nevoile menajere mai târziu, pe vreme înnorată.

2. Apa încălzită în bazin. Proprietarii de case cu piscină (nu contează, interioare sau exterioare) au o mare oportunitate de a devia căldura în exces. Volumul piscinei este incomparabil mai mare decât volumul oricărui depozit gospodăresc, din care rezultă că apa din ea nu se va încălzi atât de mult încât nu mai poate absorbi căldura.

3. Scurgeți apa caldă. În absența capacității de a cheltui excesul de căldură, puteți pur și simplu să scurgeți în mod util apa încălzită din rezervorul de stocare pentru apă caldă în canalizări mici în porții mici. Apa rece care intră în rezervor va scădea temperatura întregului volum, ceea ce va continua să îndepărteze căldura din circuit.

4. Schimbator de caldura extern cu ventilator. Dacă colectorul solar are o capacitate mare, căldura în exces poate fi, de asemenea, foarte mare. În acest caz, sistemul este echipat cu un circuit suplimentar umplut cu agent frigorific. Acest circuit suplimentar este conectat la sistem cu ajutorul unui schimbător de căldură echipat cu un ventilator și montat în afara clădirii. Dacă există riscul supraîncălzirii, excesul de căldură intră în circuitul suplimentar și este „eliberat” în aer prin schimbătorul de căldură.

5. Descărcarea de căldură în pământ. Dacă pe lângă colectorul solar din casă există o pompă de căldură a solului, se poate trimite exces de căldură către fântână. În acest caz, rezolvați două probleme simultan: pe de o parte, protejați circuitul colector de supraîncălzire, iar pe de altă parte, restabiliți rezerva de căldură din solul epuizat pe timpul iernii.

6. Izolarea colectorului solar de lumina directă a soarelui. Această metodă este una dintre cele mai simple din punct de vedere tehnic. Desigur, urcarea pe acoperiș și cortina manuală a colectorului nu merită - este dificilă și nesigură. Este mult mai rațional să instalați un ecran controlat de la distanță, precum un obturator cu role. Puteți conecta chiar și unitatea de control a amortizorului la regulator - dacă temperatura din circuit crește periculos, colectorul se va închide automat.

7. Scurgerea lichidului de răcire. Această metodă poate fi considerată cardinală, dar în același timp este destul de simplă.Dacă există riscul supraîncălzirii, lichidul de răcire este evacuat printr-o pompă într-un rezervor special integrat în circuitul sistemului. Când condițiile devin din nou favorabile, pompa va readuce lichidul de răcire în circuit, iar colectorul va fi restabilit.

Alte componente ale sistemului

Nu este suficient să colectăm pur și simplu căldura radiată de soare. Încă este necesar să o transportăm, să o acumulăm, să o transferăm consumatorilor, este necesar să controlați toate aceste procese etc. Acest lucru înseamnă că, pe lângă colectoarele amplasate pe acoperiș, sistemul conține multe alte componente, care pot fi mai puțin vizibile, dar nu mai puțin importante. Să ne concentrăm doar pe unii dintre ei.

agent de transfer termic

Funcția de răcire din circuitul colectorului poate fi fie apă, fie un fluid care nu îngheață.

Apa are o serie de dezavantaje care impun anumite restricții privind utilizarea sa ca lichid de răcire în colectoarele solare:

• În primul rând, la temperaturi de îngheț, îngheață. Pentru ca lichidul de răcire înghețat să nu spargă conductele circuitului, acesta va trebui să fie scurs odată cu apropierea de vreme rece, ceea ce înseamnă că în timpul iernii nu veți primi chiar și cantități mici de energie termică de la colector.
• În al doilea rând, un punct de fierbere nu prea mare poate provoca stagnare frecventă vara.

Lichidul care nu îngheață, spre deosebire de apă, are un punct de îngheț semnificativ mai scăzut și un punct de fierbere incomparabil mai mare, ceea ce crește confortul utilizării acestuia ca agent de răcire. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, „neînghețarea” poate suferi modificări ireversibile, de aceea trebuie protejată de supraîncălzirea excesivă.

Pompă adaptată pentru sisteme solare

Pentru a asigura circulația forțată a lichidului de răcire de-a lungul circuitului colector, este necesară o pompă adaptată pentru sistemele solare.

Schimbator de caldura apa calda

Transferul de căldură de la circuitul colectorului solar la apa utilizată la alimentarea cu apă caldă menajeră sau la purtătorul de căldură al sistemului de încălzire se realizează cu ajutorul unui schimbător de căldură. De regulă, pentru acumularea apei calde, se utilizează un rezervor cu volum mare cu un schimbător de căldură deja încorporat. Este rațional să folosiți rezervoare cu două sau mai multe schimbătoare de căldură: acest lucru vă va permite să preiați căldura nu numai de la colectorul solar, ci și de la alte surse (cazan sau electric cazan, pompă de căldură etc.).

automatizare

Un astfel de sistem complex nu se poate descurca fără automatizare, care controlează și controlează procesul. Controlerul vă permite să automatizați activitatea colectorului: analizează temperatura din circuit și rezervorul de stocare, controlează pompa și supapele responsabile pentru mișcarea lichidului de răcire de-a lungul circuitului. Dacă lichidul de răcire din circuit și apa din rezervor se supraîncălzesc, regulatorul va da o comandă de a arunca căldura într-o chiuvetă alternativă - un rezervor de apă suplimentar sau un schimbător de căldură cu aer exterior.

Dacă la sfârșitul orelor de vară temperatura apei din rezervorul de depozitare depășește temperatura lichidului de răcire din circuitul colectorului, automatizarea va opri circulația lichidului de răcire de-a lungul circuitului, astfel încât căldura acumulată să nu fie eliberată în atmosferă prin colectorul însuși. Controlerele moderne permit monitorizarea de la distanță a funcționării sistemului și, dacă este necesar, efectuarea unor ajustări.

Astăzi nu va fi dificil să găsiți un colector solar și oricare dintre componentele necesare funcționării sale pe piață. Este foarte posibil să asamblați un sistem din elemente achiziționate separat. Cu toate acestea, producătorii oferă kituri gata făcute, care includ un colector, pompe, rezervoare de stocare, automatizare de control, etc. Cumpărarea unui astfel de kit nu reprezintă doar o economie de timp, ci și o garanție a performanței sistemului.