Solarni kolektori: vrste, princip rada, dizajn sustava
Toplinske pumpe crpe energiju iz tla, vode ili zraka zagrijanog od sunca. Kotlovi koriste toplinu koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva, što je u konačnici i proizvod pretvorbe solarne energije tijekom dugog evolucije Zemlje. Solarni kolektori su u izvjesnom smislu jedinstveni: energiju primaju izravno od sunca.
Kako biste sutra mogli potpuno besplatno grijati vodu za kućnu toplu vodu ili grijati kuću, danas morate potrošiti novac na kupovinu solarnih kolektora. S obzirom na znatne troškove takve opreme, vrlo je važno ne pogriješiti pri odabiru. Dakle, trebali biste dobiti barem općenite ideje o specifičnostima solarnih kolektora i nijansama njihovog rada.
sadržaj:
Specifičnosti korištenja solarnih kolektora
Glavna značajka solarnih kolektora koja ih razlikuje od ostalih vrsta generatora topline je ciklička priroda njihovog rada. Nema sunca - nema toplinske energije. Kao rezultat toga, takve su instalacije pasivne noću.
Prosječna dnevna proizvodnja topline izravno ovisi o duljini dnevnog vremena. Potonje je određeno, prvo, zemljopisnom širinom područja, i drugo, doba godine. Tijekom ljetnog razdoblja, tijekom kojeg vrh insolacije pada na sjevernoj hemisferi, sakupljač će raditi s maksimalnom učinkovitošću. Zimi njegova produktivnost opada, dostižući minimum u prosincu-siječnju.
Zimi se učinkovitost solarnih kolektora smanjuje ne samo zbog smanjenja trajanja dnevnog svjetla, već i zbog promjene kuta upada sunčeve svjetlosti. Kolebanja performansi solarnog kolektora tijekom godine trebalo bi uzeti u obzir prilikom izračuna njegovog doprinosa sustavu opskrbe toplinom.
Drugi čimbenik koji može utjecati na produktivnost solarnog kolektora su klimatske značajke regije. Na teritoriju naše zemlje postoji mnogo mjesta na kojima se sunce više od 200 dana godišnje skriva iza debelog sloja oblaka ili iza vela magle. U oblačnom vremenu performanse solarnog kolektora ne padaju na nulu, jer je u stanju da hvata raspršenu sunčevu svjetlost, ali je značajno smanjen.
Princip rada i vrste solarnih kolektora
Vrijeme je da kažem nekoliko riječi o uređaju i principu rada solarnog kolektora. Glavni element njegovog dizajna je adsorber, koji je bakrena ploča s cijevi zavarena na njega. Apsorbirajući toplinu sunčeve svjetlosti koja pada na njega, ploča (a s njom i cijev) brzo se zagrijava. Ta se toplina prenosi na tekuću rashladnu tekućinu koja cirkulira kroz cijev, a ta ga zauzvrat dalje prenosi kroz sustav.
Sposobnost fizičkog tijela da apsorbira ili reflektira sunčeve zrake ovisi, prije svega, o prirodi njegove površine. Na primjer, zrcalna površina savršeno odražava svjetlost i toplinu, ali crna, naprotiv, apsorbira. Zbog toga se na bakrenu ploču adsorbera nanosi crni premaz (najjednostavnija opcija je crna boja).
Princip rada solarnog kolektora
1. Solarni kolektor.
2. Spremnik pufera.
3. Topla voda.
4. Hladna voda.
5. Kontroler.
6. Izmjenjivač topline
7. Pumpa.
8. Vruća struja.
9. Hladni tok.
Moguće je povećati količinu topline dobivene od sunca pravilnim odabirom stakla koje prekriva adsorber. Redovito staklo nije dovoljno prozirno.Uz to, blještavi, odražava dio sunčeve svjetlosti koja pada na njega. U solarnim kolektorima u pravilu pokušavaju koristiti posebno staklo s malim sadržajem željeza, što povećava njegovu prozirnost. Da bi se smanjila frakcija svjetlosti koja se odbija od površine, na staklo se nanosi antirefleksni premaz. I tako da prašina i vlaga, koji također smanjuju propusnost stakla, ne dospijeju u kolektor, kućište je zapečaćeno, a ponekad čak i napunjeno inertnim plinom.
Unatoč svim tim trikovima, učinkovitost solarnih kolektora još uvijek je daleko od 100%, zbog nesavršenosti njihovog dizajna. Grijana adsorberska ploča zrači dio primljene topline u okoliš, zagrijavajući zrak u dodiru s njom. Da bi se minimizirali gubici topline, adsorber se mora izolirati. Potraga za učinkovitom metodom toplinske izolacije adsorbera inženjeri su stvorili nekoliko sorti solarnih kolektora, od kojih su najčešći ravne i cevasti vakuum.
Ravni solarni kolektori
Ravni solarni kolektori.
Dizajn ravnog solarnog kolektora je krajnje jednostavan: to je metalna kutija prekrivena staklom odozgo. Za toplinsku izolaciju dna i zidova tijela, u pravilu se koristi mineralna vuna. Ova je opcija daleko od idealne, jer nije isključen prijenos topline iz adsorbera u staklo pomoću zraka unutar kanala. S velikom razlikom u temperaturi unutar kolektora i izvana, gubitak topline je prilično značajan. Kao rezultat toga, ravni solarni kolektor, koji savršeno funkcionira u proljeće i ljeto, zimi postaje krajnje neučinkovit.
Uređaj s ravnim solarnim kolektorom
1. Ulazna cijev.
2. Zaštitno staklo.
3. Apsorpcijski sloj.
4. Aluminijski okvir.
5. Bakrene cijevi.
6. Toplinski izolator.
7. Izlazna cijev.
Cjevasti vakuumski solarni kolektori
Cjevasti vakuumski solarni kolektori.
Vakuum solarni kolektor je ploča koja se sastoji od velikog broja relativno tankih staklenih cijevi. Unutar svakog od njih nalazi se adsorber. Da bi se isključio prijenos topline plinom (zrakom), cijevi se evakuiraju. Zbog nedostatka plina u blizini adsorbera, vakuumske kolektore karakteriziraju mali gubici topline čak i po mraznom vremenu.
Uređaj za vakuumski razdjelnik
1. Toplinska izolacija.
2. Kućište izmjenjivača topline.
3. Izmjenjivač topline (sakupljač)
4. Zaptivena pluta.
5. Vakuumska cijev.
6. Kondenzator.
7. Ploča za upijanje.
8. Toplinska cijev s radnom tekućinom.
Aplikacije za solarne kolektore
Glavna svrha solarnih kolektora, kao i svih drugih generatora topline, je grijanje zgrada i priprema vode za sustav opskrbe toplom vodom. Ostaje nam otkriti koja je vrsta solarnih kolektora najprikladnija za obavljanje određene funkcije.
Ravni solarni kolektori, kako smo saznali, odlikuju se dobrim performansama u proljetno-ljetnom razdoblju, ali zimi nisu učinkoviti. Iz toga proizlazi da ih nije praktično koristiti za grijanje, čija se potreba javlja upravo s početkom hladnog vremena. To, međutim, ne znači da uopće nema posla s ovom opremom.
Ravni kolektori imaju jednu neospornu prednost - značajno su jeftiniji od vakuumskih modela, pa u slučajevima kada se planira koristiti solarnu energiju isključivo ljeti, ima smisla kupiti ih. Ravni solarni kolektori savršeno se nose sa zadatkom pripreme vode za toplu vodu ljeti. Još češće se koriste za zagrijavanje do ugodne temperature vode u vanjskim bazenima.
Cjevasti vakuumski razdjelnici su svestraniji. S pojavom zimskih hladnoća njihov se učinak ne smanjuje toliko značajno kao u slučaju ravnih modela, što znači da se mogu koristiti tijekom cijele godine.To omogućuje korištenje takvih solarnih kolektora ne samo za opskrbu toplom vodom, već i u sustavu grijanja.
Usporedba ravnih i vakuumskih solarnih kolektora.
Položaj solarnih kolektora
Učinkovitost solarnog kolektora izravno ovisi o količini sunčeve svjetlosti koja ulazi u adsorber. Slijedi da bi se sakupljač trebao nalaziti na otvorenom prostoru, gdje nikada (ili barem što je duže moguće) sjenka iz susjednih zgrada, drveća smještenih u blizini planina itd.
Od velike važnosti nije samo mjesto kolektora, već i njegova orijentacija. Najsunčanija strana naše sjeverne hemisfere je južna strana, što znači da bi, u idealnom slučaju, "ogledala" kolektora trebala biti okrenuta točno prema jugu. Ako je to tehnički nemoguće učiniti, trebali biste odabrati smjer što bliže jugu - jugozapadu ili jugoistoku.
Ne treba zanemariti ni takav parametar kao što je kut nagiba solarnog kolektora. Jačina kuta ovisi o odstupanju položaja Sunca od zenita, a to je zauzvrat određeno zemljopisnom širinom područja na kojem će se opremom upravljati. Ako kut nagiba nije postavljen pravilno, gubitak optičke energije značajno će se povećati, jer će se značajan dio sunčeve svjetlosti odraziti od stakla kolektora i, stoga, neće doprijeti do apsorbera.
Kako odabrati pravi solarni kolektor
Ako želite da se sustav grijanja vaše kuće može nositi sa zadatkom održavanja ugodne temperature u prostorijama i vruće, a ne mlake vode koja teče iz slavina, a istovremeno planirate koristiti solarni kolektor kao generator topline, morate unaprijed izračunati potrebnu snagu opreme. U ovom slučaju morat će se uzeti u obzir prilično veliki broj parametara, uključujući svrhu kolektora (opskrba toplom vodom, grijanjem ili kombinacijom istih), potrebu za toplinom objekta (ukupna površina grijanih prostorija ili prosječna dnevna potrošnja tople vode), klimatske značajke regije i značajke instalacije kolektora.
U principu, izrađivanje takvih izračuna nije tako teško. Učinkovitost svakog modela je poznata, što znači da možete lako procijeniti broj kolektora potrebnih za grijanje kuće. Tvrtke koje proizvode solarne kolektore imaju informacije (i mogu ih pružiti potrošaču) o promjeni snage opreme ovisno o zemljopisnoj širini terena, kutu nagiba ogledala, odstupanju njihove orijentacije od juga itd., Što vam omogućava da unesete potrebne izmjene prilikom izračunavanja performansi kolektora.
Prilikom odabira potrebne snage kolektora, vrlo je važno postići ravnotežu između nestašice i pretjerane topline. Stručnjaci preporučuju da se usredotočite na najveću moguću snagu kolektora, tj. Da u izračunima koristite indikator za najproduktivniju ljetnu sezonu. To je u suprotnosti sa željom prosječnog korisnika da opremu uzme s maržom (tj. Da izračuna snagu najhladnijeg mjeseca) kako bi toplina iz kolektora bila dovoljna u manje sunčanih jesenskih i zimskih dana.
Međutim, ako krenete putem odabira solarnog kolektora s povećanom snagom, tada ćete na vrhuncu njegovih performansi, to jest u toplom sunčanom vremenu, naići na ozbiljan problem: stvorit će se više topline nego što se troši, a to prijeti pregrijavanjem kruga i drugim neugodnim posljedicama , Postoje dvije mogućnosti za rješavanje ovog problema: ili instalirajte solarni kolektor male snage i paralelno povežite suvišne izvore topline, ili kupite model s velikom rezervom snage i osigurajte načine ispuštanja viška topline u proljetno-ljetnoj sezoni.
Stagnacija sustava
Razgovarajmo malo više o problemima povezanima s viškom generirane topline.Pretpostavimo da ste instalirali dovoljno moćan solarni kolektor koji u potpunosti može osigurati toplinu vašem sustavu grijanja u kući. No došlo je ljeto i potreba za grijanjem je nestala. Ako električni kotao može isključiti struju, plinski kotao može prekinuti dovod goriva, tada nemamo napajanje preko sunca - ne možemo ga isključiti kad je previše vruće.
Stagnacija sustava jedan je od glavnih potencijalnih problema solarnih kolektora. Ako se u krugu kolektora ne uzima dovoljno topline, rashladno sredstvo se pregrijava. U određenom trenutku, potonji se može zakuhati, što će dovesti do prestanka njegove cirkulacije duž kruga. Kad se rashladno sredstvo ohladi i kondenzira, sustav će nastaviti s radom. Međutim, daleko od svih vrsta rashladnih sredstava mirno prelaze prijelaz iz tekućeg u plinovito stanje i obrnuto. Neki kao rezultat pregrijavanja dobivaju konzistenciju poput želatine, što onemogućuje daljnji rad kruga.
Samo stabilno uklanjanje topline proizvedene od kolektora pomoći će u izbjegavanju stagnacije. Ako se proračun snage opreme izvrši ispravno, vjerojatnost problema gotovo je nula.
Međutim, ni u ovom slučaju nije isključena pojava više sile, pa je potrebno unaprijed predvidjeti načine zaštite od pregrijavanja:
1. Ugradnja rezervnog spremnika za akumulaciju tople vode. Ako je voda u glavnom spremniku sustava za dovod tople vode dosegla zadani maksimum, a solarni kolektor i dalje opskrbljuje toplinom, automatski će se dogoditi prebacivanje i voda će se početi zagrijavati već u rezervnom spremniku. Stvorena zaliha tople vode može se koristiti za kućne potrebe kasnije, u oblačno vrijeme.
2. Grijana voda u bazenu. Vlasnici kuća s bazenom (nije važno, zatvoreni ili u zatvorenom prostoru) imaju odličnu priliku za preusmjeravanje viška topline. Volumen bazena neusporedivo je veći od volumena bilo kojeg uređaja za skladištenje kućanstva, što implicira da se voda u njemu ne zagrijava toliko da više ne može apsorbirati toplinu.
3. Iscijedite vruću vodu. U nedostatku mogućnosti trošenja viška topline, ugrijanu vodu iz spremnika za vruću vodu možete jednostavno iskoristiti u malim količinama. Hladna voda koja ulazi u spremnik snizit će temperaturu cijelog volumena, koja će i dalje uklanjati toplinu iz kruga.
4. Vanjski izmjenjivač topline s ventilatorom. Ako solarni kolektor ima veliki kapacitet, višak topline također može biti jako velik. U ovom slučaju, sustav je opremljen dodatnim krugom napunjenim rashladnim sredstvom. Ovaj dodatni krug povezan je sa sustavom pomoću izmjenjivača topline opremljenog ventilatorom i montiran izvan zgrade. Ako postoji opasnost od pregrijavanja, višak topline ulazi u dodatni krug i "oslobađa se" u zrak putem izmjenjivača topline.
5. Ispuštanje topline u zemlju. Ako pored solarnog kolektora u kući postoji toplinska pumpa tla, višak topline može se poslati u bunar. U tom slučaju rješavate dva problema odjednom: s jedne strane, štitite krug kolektora od pregrijavanja, a s druge, vraćate osiromašenu pričuvu topline u zemlji tijekom zime.
6. Izolacija solarnog kolektora od izravne sunčeve svjetlosti. Ta je metoda tehnički jedna od najjednostavnijih. Naravno, popeti se na krov i ručno zakloniti kolektor nije vrijedno - teško je i nesigurno. Mnogo je racionalnije instalirati daljinski upravljani ekran, poput roleta. Možete čak spojiti i kontrolnu jedinicu skrininga na regulator - ako temperatura u krugu opasno poraste, kolektor će se automatski zatvoriti.
7. Ispuštanje rashladne tekućine. Ova metoda može se smatrati kardinalnom, ali istodobno je prilično jednostavna. Ako postoji opasnost od pregrijavanja, rashladno sredstvo se pumpa putem pumpe u poseban spremnik integriran u sistemski krug.Kad uvjeti ponovo postanu povoljni, crpka će vratiti rashladno sredstvo u krug, a kolektor će se vratiti.
Ostale komponente sustava
Nije dovoljno jednostavno prikupiti toplinu koju zrači sunce. Potrebno ga je još transportirati, akumulirati, prenijeti na potrošače, potrebno je kontrolirati sve te procese itd. To znači da pored sakupljača smještenih na krovu, sustav sadrži i mnoge druge komponente, koje mogu biti manje uočljive, ali ne manje važne. Usredotočimo se samo na neke od njih.
sredstvo za prijenos topline
Funkcija rashladnog sredstva u krugu kolektora može biti bilo voda ili tekućina koja ne smrzava.
Voda ima niz nedostataka koji nameću određena ograničenja za njezinu upotrebu kao rashladnog sredstva u solarnim kolektorima:
- Prvo, na niskim temperaturama se smrzava. Tako da smrznuta rashladna tekućina ne razbije cijevi kruga, morat ćete je isušiti s pristupom hladnog vremena, što znači da zimi nećete dobiti ni male količine toplinske energije iz kolektora.
- Drugo, ne previsoka točka ključanja vode može uzrokovati česte stagnacije ljeti.
Tekućina koja ne smrzava, za razliku od vode, ima znatno nižu točku smrzavanja i neusporedivo veću točku ključanja, što povećava praktičnost njezine uporabe kao rashladnog sredstva. Međutim, pri visokim temperaturama, "ne smrzavanje" može doživjeti nepovratne promjene, pa ga treba zaštititi od prekomjernog pregrijavanja.
Prilagođena pumpa za solarne sustave
Da bi se osigurala prisilna cirkulacija rashladnog sredstva duž kolektorskog kruga, potrebna je crpka prilagođena solarnim sustavima.
Izmjenjivač topline tople vode
Prijenos topline iz kruga solarnog kolektora u vodu koja se koristi u opskrbi toplom vodom u kućanstvu ili na nosač topline sustava grijanja vrši se pomoću izmjenjivača topline. U pravilu se za akumulaciju tople vode koristi veliki spremnik s već ugrađenim izmjenjivačem topline. Racionalno je koristiti spremnike s dva ili više izmjenjivača topline: to će vam omogućiti da toplinu uzimate ne samo iz solarnog kolektora, već i iz drugih izvora (plinski ili električni bojler, toplinska pumpa itd.).
automatizacija
Takav složen sustav ne može bez automatizacije, koja kontrolira i kontrolira postupak. Regulator vam omogućuje automatizaciju rada kolektora: analizira temperaturu u krugu i spremniku, kontrolira crpku i ventile odgovorne za kretanje rashladne tekućine duž kruga. Ako se rashladna tekućina u krugu pregrijava, a voda u spremniku pregrijava, regulator će dati zapovijed za ispuštanje topline u alternativni hladnjak - dodatni spremnik vode ili vanjski izmjenjivač topline.
Ako na kraju dnevnog sata temperatura vode u spremniku premašuje temperaturu rashladne tekućine u krugu kolektora, automatizacija će zaustaviti cirkulaciju rashladne tekućine duž kruga, tako da se akumulirana toplina ne ispušta u atmosferu kroz sam kolektor. Moderni kontroleri omogućuju daljinsko nadgledanje rada sustava i, ako je potrebno, prilagođavanja.
Danas na tržištu neće biti teško pronaći solarni kolektor i bilo koji od komponenti potrebnih za njegov rad. Sasvim je moguće sastaviti sustav od elemenata kupljenih zasebno. Međutim, proizvođači nude gotove komplete, koji uključuju sakupljač, crpke, spremnike za skladištenje, automatizaciju upravljanja itd. Kupnja takvog kompleta nije samo ušteda vašeg vremena, već i jamstvo za rad sustava.
