Güneş kollektörleri: çeşitleri, çalışma prensibi, sistem tasarımı

Isı pompaları Güneş tarafından ısınan toprak, su veya havadan enerji çekin. Kazanlar, yakıtın yanması sırasında açığa çıkan ısıyı kullanır; bu, nihayetinde Dünya'nın uzun evrimi sırasında güneş enerjisinin dönüşümünün ürünüdür. Güneş kollektörleri bir anlamda benzersizdir: doğrudan güneşten enerji alırlar.

Yarın kullanım sıcak suyunun suyunu tamamen ücretsiz olarak kullanma veya evinizi ısıtma şansını elde etmek için, bugün hala güneş kollektörleri satın almak için para harcamak zorundasınız. Bu tür ekipmanın önemli maliyeti göz önüne alındığında, seçim yaparken hata yapmamak çok önemlidir. Bu nedenle, en azından güneş kolektörlerinin özellikleri ve çalışmalarının nüansları hakkında genel fikir sahibi olmalısınız.

Güneş kollektörlerinin kullanım özellikleri

Onları diğer ısı jeneratörlerinden ayıran güneş kolektörlerinin temel özelliği, çalışmalarının döngüsel niteliğidir. Güneş yok - termal enerji yok. Sonuç olarak, bu tür kurulumlar geceleri pasiftir.

Ortalama günlük ısı üretimi doğrudan gündüz saatlerinin uzunluğuna bağlıdır. İkincisi, önce alanın coğrafi enlemi ile, ikincisi ise yılın zamanı ile belirlenir. Kolleksiyonun doruğunun kuzey yarımkürede düştüğü yaz aylarında, toplayıcı maksimum verimlilikle çalışacaktır. Kışın verimliliği düşer ve aralık-ocak aylarında minimum olur.

Kışın, güneş kollektörlerinin verimliliği sadece gündüz saatlerinde meydana gelen düşüş nedeniyle değil, aynı zamanda güneş ışığının görülme derecesinde meydana gelen bir değişiklik nedeniyle de azalır. Isı tedarik sistemine katkısı hesaplanırken, yıl boyunca güneş kolektörünün performansındaki dalgalanmalar dikkate alınmalıdır.

Güneş kollektörünün verimliliğini etkileyebilecek bir diğer faktör bölgenin iklimsel özellikleridir. Ülkemizde yılda 200 gün veya daha fazla güneşin yoğun bir bulut tabakasının arkasına veya bir sis perdesinin arkasına saklandığı birçok yer var. Bulutlu havalarda güneş kolektörünün performansı, dağınık güneş ışığını yakalayabildiğinden sıfıra düşmez, ancak önemli ölçüde azalır.

Güneş enerjisi toplayıcılarının çalışma prensibi ve çeşitleri

Güneş kollektörünün cihazı ve çalışma prensibi hakkında birkaç şey söyleme zamanı geldi. Tasarımının ana elemanı, kendisine kaynak yapılmış bir boruyla bakır plaka olan bir adsorbe edicidir. Üzerine düşen güneş ışığının ısısını emen plaka (ve bununla birlikte boru) hızla ısınır. Bu ısı, boru içinde dolaşan sıvı soğutucuna aktarılır ve bu da daha sonra sistemden daha fazla taşınır.

Fiziksel bedenin güneş ışınlarını emme veya yansıtma kabiliyeti her şeyden önce yüzeyinin yapısına bağlıdır. Örneğin, bir ayna yüzeyi ışığı ve ısıyı mükemmel bir şekilde yansıtır, ancak siyah, aksine emer. Bu nedenle, adsorbanın bakır plakasına siyah bir kaplama uygulanır (en basit seçenek siyah boyadır).

Güneş kollektörünün çalışma prensibi

Güneşten gelen ısı miktarını adsorbarı kaplayan uygun cam seçimi ile arttırmak mümkündür. Normal cam yeterince saydam değildir.Buna ek olarak, üzerine düşen güneş ışığının bir kısmını yansıtan parlıyor. Güneş kollektörlerinde kural olarak düşük demir içeriğine sahip özel camlar kullanmaya çalışır ve şeffaflığını arttırır. Yüzeyden yansıyan ışığın oranını azaltmak için cama yansıma önleyici bir kaplama uygulanır. Ve böylece camın verimini de azaltan toz ve nem, kolektörün içine girmez, kılıf kapatılır ve hatta bir inert gazla doldurulur.

Bütün bu hilelere rağmen, güneş kollektörlerinin verimliliği tasarımlarının kusurundan dolayı hala% 100'den uzaktır. Isıtılmış adsorbe plakası, alınan ısının bir kısmını ortama yayar ve bununla temas eden havayı ısıtır. Isı kaybını en aza indirmek için, adsorbanın yalıtılması gerekir. Adsorbanın ısı yalıtımının etkili bir yönteminin araştırılması, mühendislerin en yaygınları düz ve borulu vakumlu olanları olan çeşitli güneş kollektörleri üretmelerine neden olmuştur.

Düz güneş kollektörleri

Düz güneş kollektörleri.

Düz bir güneş kollektörünün tasarımı oldukça basittir: yukarıdan camla kaplı metal bir kutudur. Vücudun taban ve duvarlarının ısı yalıtımı için, kural olarak, mineral yün kullanılır. Bu seçenek ideal olmaktan uzaktır, çünkü adsorbe ediciden cama, kanal içindeki hava yoluyla ısı transferi hariç değildir. Kolektörün içinde ve dışında büyük bir sıcaklık farkı olması durumunda, ısı kaybı oldukça önemlidir. Sonuç olarak, ilkbahar ve yaz aylarında kusursuz çalışan düz bir güneş kolektörü, kışın aşırı derecede verimsiz hale gelir.

Düz güneş enerjisi sistemleri

Borulu Vakumlu Güneş Kollektörleri

Borulu vakumlu güneş kollektörleri.

Vakumlu güneş kolektörü, çok sayıda nispeten ince cam tüpten oluşan bir paneldir. Her birinin içinde bir adsorbe edici vardır. Gazla (hava) ısı transferini dışlamak için, tüpler boşaltılır. Adsorbanların yakınında gaz bulunmamasından dolayı, vakum toplayıcılar soğuk havalarda bile düşük ısı kaybıyla karakterize edilir.

Vakum manifoldu cihazı

Güneş kollektörleri için uygulamalar

Güneş kollektörlerinin ve diğer ısı jeneratörlerinin temel amacı binaları ısıtmak ve sıcak su temini sistemi için su hazırlamaktır. Belirli bir işlevi yerine getirmek için hangi tip güneş kollektörlerinin en uygun olduğunu bulmak için kalır.

Düz güneş kolektörleri, bulduğumuz gibi, ilkbahar ve yaz aylarında iyi bir performansla ayırt edilir, ancak kışın etkisizdir. Bundan, onları soğuk havaların başlamasıyla kesin olarak ortaya çıkan ihtiyaç olan ısıtma için kullanmanın pratik olmadığını takip eder. Ancak, bu, bu ekipman için hiç iş olmadığı anlamına gelmez.

Yassı kollektörlerin tartışılmaz bir avantajı vardır - bunlar vakumlu modellere göre çok daha ucuzdur, bu nedenle, yalnızca yaz aylarında güneş enerjisi kullanmanın planlandığı durumlarda, bunları satın almak mantıklıdır. Düz güneş kollektörleri yaz aylarında sıcak suya su hazırlama görevi ile mükemmel bir şekilde baş eder. Daha da sıklıkla açık havuzlarda rahat bir su sıcaklığına ısıtmak için kullanılırlar.

Borulu vakum manifoldları daha çok yönlüdür. Kış soğukluğunun ortaya çıkmasıyla, performansları düz modellerde olduğu kadar önemli ölçüde azalmaz, bu da yıl boyunca kullanılabilecekleri anlamına gelir.Bu, bu tür güneş kollektörlerinin sadece sıcak su temini için değil, aynı zamanda ısıtma sisteminde de kullanılmasını mümkün kılar.

Düz ve vakumlu güneş kollektörlerinin karşılaştırılması.

Güneş kollektörlerinin konumu

Güneş kollektörünün verimliliği doğrudan adsorbe ediciye düşen güneş ışığına bağlıdır. Toplayıcının açık bir alana yerleştirilmesi gerektiği, hiçbir zaman (veya en azından mümkün olduğu kadar) komşu binaların, dağların yakınında bulunan ağaçların, vs.

Büyük öneme sahip olan sadece toplayıcının yeri değil, aynı zamanda yönelimidir. Kuzey yarımküremizdeki en "güneşli" taraf güney tarafıdır, yani ideal olarak kollektörün “aynaları” tam olarak güneye çevrilmelidir. Bunu yapmak teknik olarak imkansızsa, yönü güney - güneybatı ya da güneydoğuya mümkün olduğunca yakın seçmelisiniz.

Güneş kollektörünün eğim açısı gibi bir parametre göz ardı edilmemelidir. Açının büyüklüğü, Güneş'in konumunun zirveden sapmasına bağlıdır; bu da ekipmanın kullanılacağı alanın coğrafi enlemiyle belirlenir. Eğim açısı doğru ayarlanmadığında, optik enerji kaybı önemli ölçüde artacaktır, çünkü güneş ışığının önemli bir kısmı kollektör camından yansıtılır ve bu nedenle emiciye ulaşmaz.

Doğru güneş kolektörü nasıl seçilir

Evinizin ısıtma sisteminin tesislerinde konforlu bir sıcaklık sağlama görevi ile ve musluklardan akan ılık su yerine sıcak ve aynı zamanda bir ısı toplayıcı olarak bir güneş kolektörü kullanmayı planlıyorsanız, ekipmanın gerekli gücünü önceden hesaplamanız gerekir. Bu durumda, kolektörün amacı (sıcak su temini, ısıtma veya her ikisinin bir kombinasyonu), nesnenin ısı talebi (ısıtılmış odaların toplam alanı veya günlük ortalama sıcak su tüketimi), bölgenin iklim özellikleri ve toplayıcı kurulumunun özellikleri dahil olmak üzere çok sayıda parametre dikkate alınmalıdır.

İlke olarak, bu tür hesaplamalar yapmak o kadar zor değil. Her modelin performansı bilinmektedir, bu da eve ısı sağlamak için gereken toplayıcı sayısını kolayca tahmin edebileceğiniz anlamına gelir. Güneş kollektörleri üreten şirketler, bölgenin coğrafi enlemesine, “aynaların” eğim açısına, yönelimlerinin güneyden sapmasına, vb. Bağlı olarak değişiklik yapmanıza bağlı olarak ekipmanın gücündeki değişime ilişkin bilgileri tüketiciye sağlayabilir (ve tüketiciye sağlayabilir). rezervuar performansını hesaplarken.

Gerekli olan toplayıcı gücünü seçerken, üretilen kıtlık ve aşırı ısı arasında bir denge sağlanması çok önemlidir. Uzmanlar, mümkün olan maksimum toplayıcı gücüne odaklanmayı tavsiye eder, yani hesaplamalarda en verimli yaz sezonu için göstergeyi kullanın. Bu, ortalama bir kullanıcının marjlı ekipman alma (yani en soğuk ayın gücünü hesaplama) isteğini, böylece koleksiyoncudan gelen sıcaklığın daha az güneşli sonbahar ve kış günlerinde yeterli olacağı yönüyle çelişmektedir.

Bununla birlikte, yüksek güçte bir güneş kolektörü seçme yolunda ilerlerseniz, performansının zirvesinde, yani sıcak güneşli havalarda, ciddi bir sorunla karşılaşırsınız: tüketilenden daha fazla ısı üretilecek ve bu durum devrenin aşırı ısınmasını ve diğer rahatsız edici sonuçları tehdit edecektir. . Bu sorunu çözmek için iki seçenek vardır: ya düşük güçte bir güneş kolektörü takın ve paralel olarak yedek ısı kaynaklarını paralel bağlayın ya da büyük bir güç rezervine sahip bir model satın alın ve ilkbahar-yaz mevsiminde aşırı ısıyı boşaltmanın yollarını bulun.

Sistem durgunluğu

Üretilen aşırı ısı ile ilgili problemler hakkında biraz daha konuşalım. Bu nedenle, evinizin ısıtma sistemine tam olarak ısı sağlayabilecek yeterince güçlü bir güneş kolektörü kurduğunuzu varsayalım. Ancak yaz geldi ve ısınma ihtiyacı ortadan kalktı. Elektrikli kazan gücü kesebiliyorsa, gaz kazanı yakıt beslemesini kesebilir, o zaman güneş üzerinde herhangi bir gücümüz olmaz - çok sıcak olduğunda kapatamayız.

Sistemdeki durgunluk, güneş kollektörlerinin temel potansiyel sorunlarından biridir. Kolektör devresinden yetersiz ısı alınırsa, soğutucu aşırı ısınır. Belli bir anda, bu, kaynamaya neden olabilir ve bu, devre boyunca dolaşımının sona ermesine yol açacaktır. Soğutucu soğuduğunda ve yoğunlaştığında, sistem çalışmaya devam eder. Bununla birlikte, her tür soğutucudan uzak, sakin bir şekilde bir sıvı durumdan bir gaz haline geçişi transfer eder ve bunun tersi de geçerlidir. Bazıları aşırı ısınmanın bir sonucu olarak, devrenin daha fazla çalışmasını imkansız kılan jöle benzeri bir kıvam elde eder.

Sadece kollektör tarafından üretilen ısının kararlı şekilde uzaklaştırılması durgunluğun önlenmesine yardımcı olacaktır. Ekipmanın gücünün hesaplanması doğru yapılırsa, sorunların olasılığı neredeyse sıfırdır.

Bununla birlikte, bu durumda bile, mücbir sebep hallerinin ortaya çıkması hariç değildir, bu nedenle aşırı ısınmaya karşı korunma yollarının önceden öngörülmesi gerekir:

1. Sıcak su biriktirmek için bir yedek tankın montajı. Sıcak su besleme sisteminin ana tankındaki su ayarlanan azami seviyeye ulaştıysa ve güneş kolektörü ısı sağlamaya devam ederse, anahtarlama otomatik olarak gerçekleşir ve su zaten yedek depoda ısınmaya başlar. Yaratılan ılık su stoğu bulutlu havalarda daha sonra evsel ihtiyaçlar için kullanılabilir.

2. Havuzda ısıtılmış su. Havuzlu ev sahipleri (farketmez, iç veya dış mekan değil) aşırı sıcağı yönlendirmek için harika bir fırsata sahiptir. Havuzun hacmi, içerisindeki suyun artık ısıyı absorbe edemeyecek kadar fazla ısınmayacağını takip ettiği, herhangi bir ev eşyasının hacminden karşılaştırılamaz derecede daha yüksektir.

3. Sıcak suyu boşaltın. Aşırı ısı harcama kabiliyetinin yokluğunda, ısıtılmış suyu sıcak su için depodan, küçük porsiyonlardaki küçük kanalizasyonlara kolayca boşaltabilirsiniz. Tanka giren soğuk su tüm hacmin sıcaklığını düşürür ve bu da devreden ısı almaya devam eder.

4. Fanlı harici ısı eşanjörü. Güneş kollektörü yüksek bir kapasiteye sahipse, aşırı ısı da çok büyük olabilir. Bu durumda, sistem soğutucu akışkanla doldurulmuş ek bir devre ile donatılmıştır. Bu ilave devre, bir fan ile donatılmış ve binanın dışına monte edilmiş bir ısı eşanjörü vasıtasıyla sisteme bağlanır. Aşırı ısınma riski varsa, fazla ısı ek devreye girer ve ısı eşanjörü üzerinden havaya "serbest bırakılır".

5. Isının toprağa deşarjı. Evdeki güneş kolektörüne ek olarak bir toprak ısı pompası varsa, kuyuya aşırı ısı gönderilebilir. Aynı anda iki sorunu bir seferde çözüyorsunuz: Bir yandan, kolektör devresini aşırı ısınmaya karşı koruyorsunuz, diğer yandan da kışın tükenen topraktaki ısı stokunu geri yüklüyorsunuz.

6. Doğrudan güneş ışığından güneş kollektörü yalıtımı. Bu yöntem teknik açıdan en basitlerinden biridir. Tabii ki, tavana tırmanmak ve toplayıcıyı elle perdelemek buna değmez - zor ve güvensiz. Panjur gibi uzaktan kumandalı bir ekran takmak çok daha mantıklı. Damper kontrol ünitesini kontrol ünitesine bile bağlayabilirsiniz - eğer devredeki sıcaklık tehlikeli bir şekilde artarsa, kolektör otomatik olarak kapanır.

7. Soğutma suyu tahliyesi. Bu yöntem kardinal olarak kabul edilebilir, ancak aynı zamanda oldukça basittir.Aşırı ısınma riski varsa, soğutucu bir pompanın içinden sistem devresine entegre edilmiş özel bir tanka boşaltılır. Koşullar tekrar uygun hale geldiğinde, pompa soğutucuyu devreye geri döndürür ve toplayıcı geri yüklenir.

Diğer sistem bileşenleri

Güneş tarafından yayılan ısının toplanması yeterli değildir. Hala bu ürünlerin nakliyesi, biriktirilmesi, aktarılması, tüm bu işlemlerin kontrol edilmesi, vs. yapılması gerekmektedir. Bu, çatı üzerinde bulunan kollektörlere ek olarak, sistemin daha az dikkat çeken ancak daha az önemli olmayan birçok başka bileşen içerdiği anlamına gelir. Sadece bazılarına odaklanalım.

ısı transfer maddesi

Kolektör devresindeki soğutucu işlevi su veya donmayan bir sıvı olabilir.

Suyun, güneş kollektörlerinde soğutucu olarak kullanılmasıyla ilgili bazı kısıtlamalar getiren bir dizi dezavantajı vardır:

• İlk olarak, donma sıcaklıklarında donar. Dondurulmuş soğutma sıvısı devrenin borularını kırmaz, böylece soğuk hava yaklaşımı ile boşaltılmalıdır, yani kışın toplayıcıdan az miktarda termal enerji almazsınız.
• İkincisi, çok yüksek olmayan bir kaynama noktası, yaz aylarında sık sık durgunluğa neden olabilir.

Dondurucu olmayan sıvı, sudan farklı olarak, önemli ölçüde daha düşük bir donma noktasına ve kıyaslanamayacak şekilde daha yüksek bir kaynama noktasına sahiptir, bu da onu soğutucu olarak kullanma rahatlığını arttırır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıklarda “donmayan” geri dönüşümsüz değişikliklere uğrayabilir, bu nedenle aşırı ısınmaya karşı korunmalıdır.

Güneş enerjisi sistemleri için uyarlanmış pompa

Soğutma sıvısının kolektör devresi boyunca zorla dolaşmasını sağlamak için, güneş enerjisi sistemleri için uyarlanmış bir pompaya ihtiyaç vardır.

Boyler ısı eşanjörü

Güneş kollektör devresinden evsel sıcak su kaynağında kullanılan suya veya ısıtma sisteminin ısı taşıyıcısına ısı transferi bir ısı eşanjörü vasıtasıyla gerçekleştirilir. Kural olarak, sıcak su birikimi için, halihazırda yerleşik bir ısı eşanjörüne sahip büyük hacimli bir tank kullanılmaktadır. İki veya daha fazla sayıda ısı eşanjörlü tankların kullanılması rasyoneldir: bu, yalnızca güneş kollektöründen değil diğer kaynaklardan da (gaz veya elektrikli kazan, ısı pompası vb.) Isı almanızı sağlar.

otomasyon

Böyle karmaşık bir sistem, işlemi kontrol eden ve kontrol eden otomasyon olmadan yapamaz. Kontrolör, kollektörün çalışmasını otomatikleştirmenize izin verir: devrede ve depolama tankındaki sıcaklığı analiz eder, soğutma sıvısının devre boyunca hareket etmesinden sorumlu pompa ve valfleri kontrol eder. Devredeki soğutucu ve depodaki su aşırı ısınırsa, kontrol cihazı ısıyı alternatif bir soğutucuya (bir ilave su tankı veya bir dış hava ısı eşanjörü) boşaltmak için bir komut verecektir.

Gündüz saatlerinin sonunda, depolama tankındaki suyun sıcaklığı, toplama devresindeki soğutma sıvısının sıcaklığını aşarsa, otomasyon soğutma sıvısının devre boyunca dolaşımını durduracak, böylece biriken ısı toplayıcı kendi içinden atmosfere bırakılmayacaktır. Modern kontrol üniteleri sistemin çalışmasını uzaktan takip etmeyi ve gerekirse ayarlamaları yapmayı mümkün kılar.

Bugün bir güneş kolektörü ve piyasada çalışması için gerekli bileşenlerden herhangi birini bulmak zor olmayacaktır. Ayrı olarak satın alınan unsurlardan bir sistem kurmak oldukça mümkündür. Bununla birlikte, üreticiler bir toplayıcı, pompalar, depolama tankları, kontrol otomasyonu vb. İçeren hazır kitler sunar. Böyle bir kitin satın alınması yalnızca zamandan tasarruf etmekle kalmaz, aynı zamanda sistemin performansını garanti eder.