Solfångare: typer, driftsprincip, systemdesign

Värmepumpar dra energi från jord, vatten eller luft värmd av solen. Pannor använder den värme som frigörs under förbränningen av bränsle, vilket i slutändan också är en produkt av omvandlingen av solenergi under jordens långa utveckling. Soluppsamlare är på något sätt unika: de får energi direkt från solen.

För att få möjlighet att värma vatten till varmvatten helt gratis imorgon eller att värma ditt hus, måste du idag spendera pengar på att köpa solfångare. Med tanke på den betydande kostnaden för sådan utrustning är det mycket viktigt att inte göra ett misstag när du väljer. Så du borde få åtminstone allmänna idéer om solkollektorernas detaljer och nyanserna i deras arbete.

Specifikationerna för att använda solfångare

Huvuddelen av solfångare som skiljer dem från andra typer av värmegeneratorer är deras cykliska karaktär. Ingen sol - ingen termisk energi. Som ett resultat är sådana installationer passiva på natten.

Den genomsnittliga dagliga värmeproduktionen beror direkt på dagsljusets längd. Det senare bestäms för det första av områdets geografiska bredd och för det andra av tiden på året. På sommaren, under vilken insoleringens topp faller på norra halvklotet, kommer samlaren att arbeta med maximal effektivitet. På vintern sjunker produktiviteten och når ett minimum i december-januari.

På vintern minskar effektiviteten hos solfångare inte bara på grund av en minskning av dagsljusets varaktighet, utan också på grund av en förändring i solljusets infallsvinkel. Fluktuationer i solfångarens prestanda under året bör beaktas vid beräkning av dess bidrag till värmeförsörjningssystemet.

En annan faktor som kan påverka solfångarens produktivitet är regionens klimatfunktioner. I vårt land finns det många platser där solen är dold bakom ett tjockt molnlager i 200 dagar eller mer om året. Vid molnigt väder sjunker inte soluppsamlarens prestanda till noll, eftersom den kan fånga det spridda solljuset, men minskar avsevärt.

Funktionsprincipen och typer av solfångare

Det är dags att säga några ord om enheten och funktionen för solfångaren. Huvudelementet i dess konstruktion är en adsorberare, som är en kopparplatta med ett rör svetsat på den. Genom att absorbera solskenet som faller på den värms plattan (och med den röret) snabbt upp. Denna värme överförs till det flytande kylvätska som cirkulerar genom röret och som i sin tur transporterar det vidare genom systemet.

Förmågan hos den fysiska kroppen att absorbera eller reflektera solens strålar beror först på allt på ytan. Till exempel reflekterar en spegelyta perfekt ljus och värme, men svart absorberar tvärtom. Det är därför en svart beläggning appliceras på adsorberarens kopparplatta (det enklaste alternativet är svart färg).

Principen för drift av solfångare

Det är möjligt att öka mängden värme som tas emot från solen genom korrekt val av glas som täcker adsorberaren. Vanligt glas är inte tillräckligt transparent.Dessutom bländar det, vilket speglar en del av solljuset som faller på det. I solfångare försöker de som regel använda specialglas med låg järnhalt, vilket ökar dess transparens. För att reducera den fraktion som reflekteras av ytan appliceras en antireflekterande beläggning på glaset. Och så att damm och fukt, som också minskar genomströmningen av glaset, inte kommer in i kollektorn, är höljet tätat och ibland till och med fyllt med en inert gas.

Trots alla dessa tricks är solfångarnas effektivitet fortfarande långt från 100% på grund av bristande konstruktion. Den uppvärmda adsorberplattan strålar ut en del av den mottagna värmen till miljön och värmer upp luften i kontakt med den. För att minimera värmeförlust måste adsorberaren vara isolerad. Sökandet efter en effektiv metod för värmeisolering av adsorberaren har lett till att ingenjörer skapat flera olika solfångare, varav de vanligaste är plana och rörformiga vakuum.

Plana solfångare

Plana solfångare.

Konstruktionen av en platt solfångare är extremt enkel: det är en metalllåda täckt med glas uppifrån. För värmeisolering av kroppens botten och väggar används som regel mineralull. Detta alternativ är långt ifrån idealiskt, eftersom värmeöverföring från adsorberaren till glaset genom luften inuti kanalen inte är utesluten. Med en stor temperaturskillnad inuti kollektorn och utanför är värmeförlusten ganska betydande. Som ett resultat blir en platt solfångare, som fungerar perfekt på våren och sommaren, extremt ineffektiv på vintern.

Platt solfångare

Tubular Vacuum Solar Collectors

Tubular vakuum solfångare.

Vakuumsolekollektorn är en panel som består av ett stort antal relativt tunna glasrör. Inuti var och en av dem finns en adsorberare. För att utesluta värmeöverföring med gas (luft) evakueras rören. På grund av bristen på gas nära adsorberna kännetecknas vakuumsamlare av låg värmeförlust även i frostigt väder.

Vakuumgrenrörsanordning

Applikationer för solfångare

Det huvudsakliga syftet med solfångare, liksom alla andra värmegeneratorer, är att värma byggnader och förbereda vatten för ett varmvattenförsörjningssystem. Det återstår att ta reda på vilken typ av solfångare som är bäst lämpad för att utföra en viss funktion.

Som vi har funnit kännetecknas av platta solfångare av bra prestanda på våren och sommaren, men är ineffektiva på vintern. Av detta följer att det inte är praktiskt att använda dem för uppvärmning, vars behov uppstår exakt med början av kallt väder. Detta betyder dock inte att det inte finns några affärer alls för denna utrustning.

Plana samlare har en obestridlig fördel - de är betydligt billigare än vakuummodeller, så i de fall det är planerat att använda solenergi uteslutande på sommaren är det vettigt att köpa dem. Plana solfångare klarar perfekt uppgiften att förbereda vatten för varmt vatten på sommaren. Ännu ofta används de för att värma upp till en behaglig vattentemperatur i utomhuspooler.

Rörformiga vakuumgrenrör är mer mångsidiga. När vinterkylan kommer, minskar deras prestanda inte så betydligt som för platta modeller, vilket innebär att de kan användas året runt.Detta gör det möjligt att använda sådana solfångare inte bara för varmvattenförsörjning utan också i värmesystemet.

Jämförelse av solfångare och platta solfangare.

Plats för solfångare

Effektiviteten hos solfångaren beror direkt på mängden solljus som kommer in i adsorberaren. Av detta följer att samlaren bör vara belägen i ett öppet utrymme, där aldrig (eller åtminstone så länge som möjligt) skuggan från angränsande byggnader, träd som ligger nära berg etc.

Av stor vikt är inte bara kollektorns placering utan också dess orientering. Den mest "soliga" sidan på vår norra halvklot är södra sidan, vilket innebär att kollektorns "speglar" helst bör vridas exakt söderut. Om det är tekniskt omöjligt att göra detta, bör du välja riktningen så nära syd - sydväst eller sydost.

Man bör inte ignorera en sådan parameter som lutningsvinkeln för solfångaren. Vinkelens storlek beror på avvikelsen från solens position från zeniten, vilket i sin tur bestäms av den geografiska breddgraden i det område där utrustningen kommer att drivas. Om lutningsvinkeln inte är korrekt inställd kommer den optiska energiförlusten att öka avsevärt, eftersom en betydande del av solljuset reflekteras från kollektorglaset och därför inte når absorbenten.

Hur man väljer rätt solfångare

Om du vill att värmesystemet i ditt hus ska klara uppgiften att upprätthålla en behaglig temperatur i lokalerna, och varmt snarare än varmt vatten som strömmar från kranarna, och samtidigt planerar att använda en soluppsamlare som värmegenerator, måste du beräkna utrustningens nödvändiga kraft i förväg. I detta fall måste ett ganska stort antal parametrar beaktas, inklusive syftet med uppsamlaren (varmvattenförsörjning, uppvärmning eller en kombination av båda), objektets värmebehov (total yta av uppvärmda rum eller genomsnittlig daglig konsumtion av varmt vatten), klimatfunktioner i regionen och funktioner i uppsamlarinstallationen.

I princip är det inte så svårt att göra sådana beräkningar. Prestandan för varje modell är känd, vilket innebär att du enkelt kan uppskatta antalet samlare som behövs för att ge värme till huset. Företag som producerar solfångare har information (och kan tillhandahålla den till konsumenten) om förändringen i utrustningens kraft beroende på områdets geografiska breddgrad, lutningsvinkeln för "speglarna", avvikelsen från deras riktning från söder, etc., vilket gör att du kan göra nödvändiga ändringar vid beräkning av samlarprestanda.

När du väljer önskad kollektorkraft är det mycket viktigt att uppnå en balans mellan bristen och överskottsvärmen som genereras. Experter rekommenderar att du fokuserar på maximal möjlig kollektorkraft, dvs. använd indikatorn för den mest produktiva sommarsäsongen i beräkningarna. Detta motsäger önskan hos den genomsnittliga användaren att ta utrustning med en marginal (dvs att beräkna kraften i den kallaste månaden) så att värmen från kollektorn skulle vara tillräcklig under mindre soliga höst- och vinterdagar.

Men om du går längs vägen att välja en solfångare med ökad kraft, kommer du då att uppnå högsta prestanda, det vill säga i varmt soligt väder, ett allvarligt problem: mer värme kommer att genereras än förbrukas, och detta hotar kretsen att överhettas och andra obehagliga konsekvenser . Det finns två alternativ för att lösa detta problem: antingen installera en solenergi med låg effekt och parallellt ansluta redundanta värmekällor parallellt, eller köpa en modell med en stor kraftreserv och ge sätt att tömma överskottsvärme under vår-sommarsäsongen.

Systemstagnation

Låt oss prata lite mer om problemen i samband med ett överskott av genererad värme. Så antar att du installerade en tillräckligt kraftfull solfångare som helt kan tillhandahålla värme till ditt hem värmesystem. Men sommaren kom och behovet av uppvärmning försvann. Om elpannan kan stänga av strömmen, kan gaspannan stänga av bränsletillförseln, då har vi ingen ström över solen - vi kan inte stänga av den när den är för varm.

Stagnation av systemet är ett av de största potentiella problemen för solfångare. Om otillräckligt med värme tas från kollektorkretsen överhettas kylvätskan. Vid ett visst ögonblick kan det senare koka, vilket kommer att leda till att dess cirkulation upphör längs kretsen. När kylvätskan kyls och kondenseras kommer systemet att återuppta drift. Men långt ifrån alla typer av kylmedel överför lugnt övergången från ett flytande tillstånd till ett gasformigt tillstånd och vice versa. Vissa som ett resultat av överhettning får en geléliknande konsistens, vilket gör att den fortsatta driften av kretsen är omöjlig.

Endast stabilt avlägsnande av värme som produceras av samlaren hjälper till att undvika stagnation. Om beräkningen av utrustningens effekt görs korrekt är risken för problem nästan noll.

Men även i detta fall är förekomsten av force majeure-omständigheter inte uteslutna, därför bör man i förväg förutse sätt att skydda mot överhettning:

1. Installation av en reservtank för ansamling av varmt vatten. Om vattnet i varmvattenförsörjningssystemets huvudtank har nått det inställda maximumet, och solfångaren fortsätter att tillföra värme, kommer växling automatiskt att ske och vattnet börjar värmas upp redan i reservtanken. Det skapade lageret av varmt vatten kan användas för hushållsbehov senare, i molnigt väder.

2. Uppvärmt vatten i poolen. Ägare av hus med pool (det spelar ingen roll, inomhus eller utomhus) har en stor möjlighet att avleda överskottsvärme. Poolens volym är jämförelsevis större än volymen för någon hushållsförvaring, varifrån det följer att vattnet i den inte kommer att värmas upp så mycket att det inte längre kan ta upp värme.

3. Tappa av varmt vatten. I avsaknad av förmågan att spendera överskottsvärme kan du helt enkelt enkelt tömma det uppvärmda vattnet från lagringstanken för varmt vatten i små avlopp i små delar. Det kalla vattnet som kommer in i tanken kommer att sänka hela volymen, vilket fortsätter att ta bort värme från kretsen.

4. Extern värmeväxlare med fläkt. Om solfångaren har en hög kapacitet kan överskottsvärmen också vara mycket stor. I detta fall är systemet utrustat med en extra krets fylld med köldmedium. Denna ytterligare krets är ansluten till systemet med hjälp av en värmeväxlare utrustad med en fläkt och monterad utanför byggnaden. Om det finns risk för överhettning kommer överskottsvärme in i tilläggskretsen och "släpps" ut i luften genom värmeväxlaren.

5. Utlopp av värme i marken. Om det förutom solfångaren i huset finns en jordvärmepump, kan överskottsvärme skickas till brunnen. I det här fallet löser du två problem på en gång: å ena sidan skyddar du kollektorkretsen från överhettning, och å andra sidan återställer du värmereserven i marken som är utmattad under vintern.

6. Soluppsamlareisolering från direkt solljus. Denna metod är tekniskt en av de enklaste. Naturligtvis är det inte värt att klättra upp på taket och manuellt böja upp samlaren - det är svårt och osäkert. Det är mycket mer rationellt att installera en fjärrstyrd skärm, som en rulllucka. Du kan till och med ansluta spjällkontrollenheten till regulatorn - om temperaturen i kretsen stiger farligt stängs kollektorn automatiskt.

7. Kylvätsketränna. Denna metod kan betraktas som kardinal, men samtidigt är den ganska enkel.Om det finns risk för överhettning tappas kylvätskan genom en pump till en specialtank integrerad i systemkretsen. När förhållandena blir gynnsamma återgår pumpen kylvätska till kretsen och kollektorn återställs.

Andra systemkomponenter

Det räcker inte att bara samla upp den värme som strålas av solen. Det måste transporteras, ackumuleras, överföras till konsumenterna, alla dessa processer måste kontrolleras osv. Detta innebär att systemet förutom de samlare som finns på taket innehåller många andra komponenter som kan vara mindre märkbara, men inte mindre viktiga. Låt oss bara fokusera på några av dem.

värmeöverföringsmedel

Kylmedelfunktionen i kollektorkretsen kan vara antingen vatten eller en frysfluid.

Vatten har ett antal nackdelar som medför vissa begränsningar för dess användning som kylvätska i solfångare:

• För det första fryser det vid frysningstemperaturer. Så att den frusna kylvätskan inte bryter kretsens rör måste den tömmas med kallt väder, vilket innebär att du inte får ens små mängder termisk energi från samlaren på vintern.
• För det andra kan en inte för hög kokpunkt för vatten orsaka ständig stagnation på sommaren.

Icke-frysande vätska har till skillnad från vatten en betydligt lägre fryspunkt och en jämförbar högre kokpunkt, vilket ökar bekvämligheten med att använda den som kylvätska. Men vid höga temperaturer kan "icke-frysningen" genomgå irreversibla förändringar, därför bör det skyddas mot överhettning.

Anpassad pump för solsystem

För att säkerställa tvingad cirkulation av kylvätskan längs kollektorkretsen behövs en pump anpassad för solsystem.

VV-värmeväxlare

Värmeöverföring från solfångarkretsen till vattnet som används i varmvattenförsörjningen eller till värmesystemets värmebärare utförs med hjälp av en värmeväxlare. För ackumulering av varmt vatten används som regel en stor volymtank med en redan inbyggd värmeväxlare. Det är rationellt att använda tankar med två eller flera värmeväxlare: detta gör att du kan ta värme inte bara från solfångaren, utan också från andra källor (gas- eller elpanna, värmepump etc.).

automation

Ett sådant komplext system kan inte utan automatisering, som styr och kontrollerar processen. Styrenheten låter dig automatisera kollektorns arbete: den analyserar temperaturen i kretsen och lagringstanken, styr pumpen och ventilerna som är ansvariga för kylvätska rörelse längs kretsen. Om kylvätskan i kretsen och vattnet i tanken överhettas, kommer regulatorn att ge ett kommando att dumpa värmen i ett alternativt kylfläns - en extra vattentank eller en utomhusluftvärmeväxlare.

Om temperaturen på vattnet i lagringstanken vid slutet av dagsljuset överstiger kylvätsketemperaturen i kollektorkretsen, kommer automatiseringen att stoppa kylvätskans cirkulation längs kretsen så att den ackumulerade värmen inte släpps ut i atmosfären genom själva kollektorn. Moderna styrenheter gör det möjligt att fjärrövervaka driften av systemet och vid behov göra justeringar.

Idag kommer det inte att vara svårt att hitta en solfångare och någon av de komponenter som är nödvändiga för dess drift på marknaden. Det är fullt möjligt att montera ett system från element som köps separat. Tillverkare erbjuder dock färdiga satser, som inkluderar en kollektor, pumpar, lagringstankar, kontrollautomation, etc. Köp av en sådan kit är inte bara en tidsbesparing, utan också en garanti för systemets prestanda.