Collettori solari: tipi, principio di funzionamento, progettazione del sistema
Pompe di calore attingere energia dal suolo, dall'acqua o dall'aria riscaldata dal sole. Le caldaie utilizzano il calore rilasciato durante la combustione del combustibile, che alla fine è anche un prodotto della conversione dell'energia solare durante la lunga evoluzione della Terra. I collettori solari sono, in un certo senso, unici: ricevono energia direttamente dal sole.
Per avere l'opportunità domani di riscaldare l'acqua per l'acqua calda sanitaria in modo assolutamente gratuito o di riscaldare la tua casa, oggi devi ancora spendere soldi per acquistare collettori solari. Dato il notevole costo di tali apparecchiature, è molto importante non commettere errori nella scelta. Quindi, dovresti avere almeno idee generali sulle specifiche dei collettori solari e sulle sfumature del loro lavoro.
contenuto:
Le specifiche dell'uso dei collettori solari
La caratteristica principale dei collettori solari che li distingue dagli altri tipi di generatori di calore è la natura ciclica del loro lavoro. Nessun sole - nessuna energia termica. Di conseguenza, tali installazioni sono passive di notte.
La produzione media giornaliera di calore dipende direttamente dalla durata delle ore di luce. Quest'ultimo è determinato, in primo luogo, dalla latitudine geografica dell'area e, in secondo luogo, dal periodo dell'anno. In estate, durante la quale cade il picco di insolazione nell'emisfero settentrionale, il collezionista lavorerà con la massima efficienza. In inverno, la sua produttività diminuisce, raggiungendo un minimo tra dicembre e gennaio.
In inverno, l'efficienza dei collettori solari diminuisce non solo a causa di una diminuzione della durata delle ore di luce diurna, ma anche a causa di un cambiamento nell'angolo di incidenza della luce solare. Le fluttuazioni delle prestazioni del collettore solare nel corso dell'anno dovrebbero essere prese in considerazione nel calcolo del suo contributo al sistema di fornitura di calore.
Un altro fattore che può influire sulla produttività del collettore solare sono le caratteristiche climatiche della regione. Sul territorio del nostro paese ci sono molti luoghi in cui, per più di 200 giorni all'anno, il sole è nascosto dietro uno spesso strato di nuvole o dietro un velo di nebbia. In tempo nuvoloso, le prestazioni del collettore solare non scendono a zero, poiché è in grado di catturare la luce solare diffusa, ma è significativamente ridotta.
Il principio di funzionamento e i tipi di collettori solari
È tempo di dire alcune parole sul dispositivo e sul principio di funzionamento del collettore solare. L'elemento principale del suo design è un adsorbitore, che è una piastra di rame con un tubo saldato ad esso. Assorbendo il calore della luce solare che cade su di esso, la piastra (e con essa il tubo) si riscalda rapidamente. Questo calore viene trasferito al liquido di raffreddamento che circola attraverso il tubo e che a sua volta lo trasporta ulteriormente attraverso il sistema.
La capacità del corpo fisico di assorbire o riflettere i raggi del sole dipende, prima di tutto, dalla natura della sua superficie. Ad esempio, una superficie a specchio riflette perfettamente la luce e il calore, ma il nero, al contrario, assorbe. Ecco perché viene applicato un rivestimento nero alla piastra di rame dell'adsorbitore (l'opzione più semplice è la vernice nera).
Il principio di funzionamento del collettore solare
1. Collettore solare.
2. Serbatoio tampone.
3. Acqua calda
4. Acqua fredda
5. Il controller
6. Scambiatore di calore.
7. Pompa.
8. Flusso caldo.
9. Flusso freddo.
È possibile aumentare la quantità di calore ricevuto dal sole attraverso la corretta selezione del vetro che copre l'adsorbitore. Il vetro normale non è abbastanza trasparente.Inoltre, abbaglia, riflettendo parte della luce solare che vi cade sopra. Nei collettori solari, di norma, cercano di utilizzare vetri speciali con un basso contenuto di ferro, che aumenta la sua trasparenza. Per ridurre la frazione di luce riflessa dalla superficie, viene applicato un rivestimento antiriflesso sul vetro. E così che polvere e umidità, che riducono anche la portata del vetro, non penetrano nel collettore, la custodia è sigillata e talvolta persino riempita con un gas inerte.
Nonostante tutti questi trucchi, l'efficienza dei collettori solari è ancora lontana dal 100%, a causa dell'imperfezione del loro design. La piastra di assorbimento riscaldata irradia parte del calore ricevuto nell'ambiente, riscaldando l'aria a contatto con essa. Al fine di ridurre al minimo la perdita di calore, l'adsorbitore deve essere isolato. La ricerca di un metodo efficace di isolamento termico dell'adsorbitore ha portato gli ingegneri a creare diverse varietà di collettori solari, i più comuni dei quali sono quelli a vuoto piani e tubolari.
Collettori solari piani
Collettori solari piani.
Il design di un collettore solare piano è estremamente semplice: è una scatola di metallo ricoperta di vetro dall'alto. Per l'isolamento termico del fondo e delle pareti del corpo, di norma viene utilizzata la lana minerale. Questa opzione è tutt'altro che ideale, dal momento che il trasferimento di calore dall'adsorbitore al vetro attraverso l'aria all'interno del condotto non è escluso. Con una grande differenza di temperatura all'interno del collettore e all'esterno, la perdita di calore è piuttosto significativa. Di conseguenza, un collettore solare piano, che funziona perfettamente in primavera e in estate, diventa estremamente inefficiente in inverno.
Collettore solare piano
1. Tubo di aspirazione.
2. Vetro protettivo.
3. Lo strato di assorbimento.
4. Telaio in alluminio.
5. Tubi di rame.
6. Isolante termico.
7. Tubo di scarico.
Collettori solari tubolari sotto vuoto
Collettori solari sotto vuoto tubolari.
Il collettore solare sotto vuoto è un pannello costituito da un gran numero di tubi di vetro relativamente sottili. All'interno di ognuno di essi c'è un adsorbitore. Per escludere il trasferimento di calore dal gas (aria), i tubi vengono evacuati. A causa della mancanza di gas vicino agli adsorbitori, i collettori sottovuoto sono caratterizzati da una bassa perdita di calore anche con tempo gelido.
Dispositivo collettore sotto vuoto
1. Isolamento termico.
2. Alloggiamento dello scambiatore di calore.
3. Scambiatore di calore (collettore)
4. Sughero sigillato
5. Tubo a vuoto.
6. Condensatore.
7. Piastra assorbente.
8. Condotto termico con fluido di lavoro.
Applicazioni per collettori solari
Lo scopo principale dei collettori solari, nonché di qualsiasi altro generatore di calore, è il riscaldamento degli edifici e la preparazione dell'acqua per un sistema di approvvigionamento di acqua calda. Resta da scoprire quale tipo di collettori solari è più adatto per svolgere una particolare funzione.
I collettori solari piatti, come abbiamo scoperto, sono caratterizzati da buone prestazioni in primavera ed estate, ma sono inefficaci in inverno. Ne consegue che non è pratico usarli per il riscaldamento, la cui necessità sorge proprio con l'inizio del freddo. Ciò, tuttavia, non significa che non ci siano affari per questa apparecchiatura.
I collettori piani hanno un indiscutibile vantaggio: sono significativamente più economici dei modelli a vuoto, quindi nei casi in cui si prevede di utilizzare l'energia solare esclusivamente in estate, ha senso acquistarli. I collettori solari piatti affrontano perfettamente il compito di preparare l'acqua per l'acqua calda in estate. Ancora più spesso vengono utilizzati per riscaldarsi a una temperatura dell'acqua confortevole nelle piscine all'aperto.
I collettori di vuoto tubolari sono più versatili. Con l'avvento dei raffreddori invernali, le loro prestazioni diminuiscono in modo non significativo come nel caso dei modelli piatti, il che significa che possono essere utilizzati tutto l'anno.Ciò consente di utilizzare tali collettori solari non solo per l'approvvigionamento di acqua calda, ma anche nel sistema di riscaldamento.
Confronto tra collettori solari piani e sotto vuoto.
Posizione dei collettori solari
L'efficienza del collettore solare dipende direttamente dalla quantità di luce solare che entra nell'adsorbitore. Ne consegue che il collettore dovrebbe trovarsi in uno spazio aperto, dove mai (o almeno il più a lungo possibile) l'ombra proveniente da edifici vicini, alberi situati vicino alle montagne, ecc.
Di grande importanza non è solo la posizione del collezionista, ma anche il suo orientamento. Il lato più "soleggiato" del nostro emisfero settentrionale è il lato meridionale, il che significa che, idealmente, gli "specchi" del collettore dovrebbero essere rivolti esattamente a sud. Se è tecnicamente impossibile farlo, allora dovresti scegliere la direzione il più vicino possibile a sud - sud-ovest o sud-est.
Non si dovrebbe ignorare un parametro come l'angolo di inclinazione del collettore solare. L'entità dell'angolo dipende dalla deviazione della posizione del Sole dallo zenit, che a sua volta è determinata dalla latitudine geografica dell'area in cui verrà utilizzata l'apparecchiatura. Se l'angolo di inclinazione non è impostato correttamente, la perdita di energia ottica aumenterà in modo significativo, poiché una parte significativa della luce solare verrà riflessa dal vetro del collettore e, pertanto, non raggiungerà l'assorbitore.
Come scegliere il giusto collettore solare
Se vuoi che il sistema di riscaldamento della tua casa affronti il compito di mantenere una temperatura confortevole nei locali e che l'acqua calda e non tiepida fluisca dai rubinetti e allo stesso tempo pensi di utilizzare un collettore solare come generatore di calore, devi calcolare in anticipo la potenza necessaria dell'attrezzatura. In questo caso, dovrà essere preso in considerazione un numero piuttosto elevato di parametri, tra cui lo scopo del collettore (fornitura di acqua calda, riscaldamento o una loro combinazione), la richiesta di calore dell'oggetto (area totale delle stanze riscaldate o consumo medio giornaliero di acqua calda), caratteristiche climatiche della regione e caratteristiche dell'installazione del collettore.
In linea di principio, effettuare tali calcoli non è così difficile. Le prestazioni di ciascun modello sono note, il che significa che è possibile stimare facilmente il numero di collettori necessari per fornire calore alla casa. Le aziende che producono collettori solari dispongono di informazioni (e possono fornirle al consumatore) in merito alla variazione della potenza dell'attrezzatura in base alla latitudine geografica del terreno, all'angolo di inclinazione degli "specchi", alla deviazione del loro orientamento da sud, ecc., Che consente di apportare le modifiche necessarie nel calcolo delle prestazioni del serbatoio.
Quando si seleziona la potenza del collettore richiesta, è molto importante raggiungere un equilibrio tra la carenza e il calore in eccesso generato. Gli esperti raccomandano di concentrarsi sulla massima potenza possibile del collettore, ovvero utilizzare l'indicatore per la stagione estiva più produttiva nei calcoli. Ciò contraddice il desiderio dell'utente medio di prendere le attrezzature con un margine (cioè, per calcolare la potenza del mese più freddo), in modo che il calore dal collettore sarebbe sufficiente in meno soleggiati giorni autunnali e invernali.
Tuttavia, se segui la strada della scelta di un collettore solare con maggiore potenza, quindi al culmine delle sue prestazioni, cioè in un clima caldo e soleggiato, incontrerai un grave problema: verrà generato più calore di quello consumato, e questo minaccia il surriscaldamento del circuito e altre spiacevoli conseguenze . Esistono due opzioni per risolvere questo problema: installare un collettore solare a bassa potenza e in parallelo collegare in parallelo fonti di calore ridondanti oppure acquistare un modello con una grande riserva di potenza e fornire modi per scaricare il calore in eccesso nella stagione primavera-estate.
Sistema di ristagno
Parliamo un po 'di più dei problemi associati a un eccesso di calore generato.Supponiamo quindi di aver installato un collettore solare sufficientemente potente in grado di fornire completamente calore al sistema di riscaldamento di casa tua. Ma arrivò l'estate e scomparve il bisogno di riscaldamento. Se la caldaia elettrica può disattivare l'alimentazione, la caldaia a gas può interrompere l'alimentazione di carburante, quindi non abbiamo energia sul sole - non possiamo spegnerlo quando è troppo caldo.
Il ristagno del sistema è uno dei principali problemi potenziali dei collettori solari. Se dal circuito del collettore viene prelevato calore insufficiente, il liquido di raffreddamento si surriscalda. Ad un certo momento, quest'ultimo potrebbe bollire, il che porterà alla cessazione della sua circolazione lungo il circuito. Quando il liquido di raffreddamento si raffredda e si condensa, il sistema riprenderà a funzionare. Tuttavia, tutt'altro che tutti i tipi di refrigeranti trasferiscono con calma la transizione da uno stato liquido a uno stato gassoso e viceversa. Alcuni a causa del surriscaldamento acquisiscono una consistenza gelatinosa, che rende impossibile l'ulteriore funzionamento del circuito.
Solo la rimozione stabile del calore prodotto dal collettore contribuirà ad evitare il ristagno. Se il calcolo della potenza dell'apparecchiatura viene eseguito correttamente, la probabilità di problemi è quasi zero.
Tuttavia, anche in questo caso, il verificarsi di circostanze di forza maggiore non è escluso, pertanto i modi di protezione dal surriscaldamento dovrebbero essere previsti in anticipo:
1. Installazione di un serbatoio di riserva per l'accumulo di acqua calda. Se l'acqua nel serbatoio principale del sistema di erogazione dell'acqua calda ha raggiunto il massimo impostato e il collettore solare continua a fornire calore, la commutazione avverrà automaticamente e l'acqua inizierà a riscaldarsi già nel serbatoio di riserva. Lo stock di acqua calda creato può essere utilizzato per esigenze domestiche in seguito, con tempo nuvoloso.
2. Acqua riscaldata in piscina. I proprietari di case con piscina (non importa, al coperto o all'aperto) hanno una grande opportunità per deviare il calore in eccesso. Il volume della piscina è incomparabilmente maggiore del volume di qualsiasi dispositivo di accumulo domestico, il che implica che l'acqua al suo interno non si riscalda così tanto da non poter più assorbire il calore.
3. Scolare l'acqua calda. In assenza della capacità di spendere calore in eccesso, è possibile semplicemente scaricare in modo utile l'acqua riscaldata dal serbatoio di accumulo per l'acqua calda in piccole fogne in piccole porzioni. L'acqua fredda che entra nel serbatoio abbasserà la temperatura dell'intero volume, che continuerà a rimuovere il calore dal circuito.
4. Scambiatore di calore esterno con ventilatore. Se il collettore solare ha una capacità elevata, anche il calore in eccesso può essere molto grande. In questo caso, il sistema è dotato di un circuito aggiuntivo riempito di refrigerante. Questo circuito aggiuntivo è collegato al sistema tramite uno scambiatore di calore dotato di un ventilatore e montato all'esterno dell'edificio. Se esiste il rischio di surriscaldamento, il calore in eccesso entra nel circuito aggiuntivo e viene "rilasciato" nell'aria attraverso lo scambiatore di calore.
5. Lo scarico di calore nel terreno. Se, oltre al collettore solare, la casa dispone di una pompa di calore sotterranea, il calore in eccesso può essere inviato al pozzo. In questo caso, risolvi due problemi contemporaneamente: da un lato, proteggi il circuito del collettore dal surriscaldamento e, dall'altro, ripristini la riserva di calore esaurita nel terreno durante l'inverno.
6. Isolamento del collettore solare dalla luce solare diretta. Questo metodo è tecnicamente uno dei più semplici. Naturalmente, non vale la pena arrampicarsi sul tetto e curare manualmente il collettore: è difficile e pericoloso. È molto più razionale installare uno schermo controllato a distanza, come una tapparella. È anche possibile collegare l'unità di controllo della schermatura al controller: se la temperatura nel circuito aumenta pericolosamente, il collettore si chiuderà automaticamente.
7. Scarico del refrigerante. Questo metodo può essere considerato cardinale, ma allo stesso tempo è abbastanza semplice. Se esiste il rischio di surriscaldamento, il liquido di raffreddamento viene scaricato attraverso una pompa in uno speciale serbatoio integrato nel circuito di sistema.Quando le condizioni tornano favorevoli, la pompa restituirà il liquido di raffreddamento al circuito e il collettore verrà ripristinato.
Altri componenti di sistema
Non è sufficiente raccogliere semplicemente il calore irradiato dal sole. È ancora necessario trasportarlo, accumularlo, trasferirlo ai consumatori, è necessario controllare tutti questi processi, ecc. Ciò significa che oltre ai collettori situati sul tetto, il sistema contiene molti altri componenti, che possono essere meno evidenti, ma non meno importanti. Concentriamoci solo su alcuni di essi.
mezzo termico
La funzione del liquido di raffreddamento nel circuito del collettore può essere acqua o un fluido non congelante.
L'acqua presenta una serie di inconvenienti che impongono alcune restrizioni al suo utilizzo come refrigerante nei collettori solari:
- In primo luogo, a temperature gelide si congela. Affinché il refrigerante congelato non rompa i tubi del circuito, dovrà essere drenato con l'avvicinarsi del freddo, il che significa che in inverno non riceverai anche piccole quantità di energia termica dal collettore.
- In secondo luogo, un punto di ebollizione dell'acqua non troppo elevato può causare frequenti ristagni in estate.
Il liquido non congelante, a differenza dell'acqua, ha un punto di congelamento significativamente più basso e un punto di ebollizione incomparabilmente più elevato, il che aumenta la comodità di usarlo come refrigerante. Tuttavia, alle alte temperature, il "non congelamento" può subire cambiamenti irreversibili, quindi dovrebbe essere protetto da un eccessivo surriscaldamento.
Pompa adattata per sistemi solari
Per garantire la circolazione forzata del liquido di raffreddamento lungo il circuito del collettore, è necessaria una pompa adatta per i sistemi solari.
Scambiatore di calore ACS
Il trasferimento di calore dal circuito del collettore solare all'acqua utilizzata nella fornitura di acqua calda sanitaria o al vettore di calore del sistema di riscaldamento viene effettuato mediante uno scambiatore di calore. Di norma, per l'accumulo di acqua calda, viene utilizzato un serbatoio di grande volume con uno scambiatore di calore già incorporato. È razionale utilizzare serbatoi con due o più scambiatori di calore: ciò consentirà di prelevare calore non solo dal collettore solare, ma anche da altre fonti (caldaia a gas o elettrica, pompa di calore, ecc.).
automazione
Un sistema così complesso non può fare a meno dell'automazione, che controlla e controlla il processo. Il controller consente di automatizzare il funzionamento del collettore: analizza la temperatura nel circuito e nel serbatoio di stoccaggio, controlla la pompa e le valvole responsabili del movimento del refrigerante lungo il circuito. Se il liquido di raffreddamento nel circuito si surriscalda e l'acqua nel serbatoio si surriscalda, il controller darà un comando per rilasciare il calore a un dissipatore di calore alternativo - un serbatoio di acqua aggiuntivo o uno scambiatore di calore dell'aria esterna.
Se alla fine delle ore di luce la temperatura dell'acqua nel serbatoio supera la temperatura del liquido di raffreddamento nel circuito del collettore, l'automazione interromperà la circolazione del liquido di raffreddamento lungo il circuito in modo che il calore accumulato non venga rilasciato nell'atmosfera attraverso il collettore stesso. I moderni controller consentono di monitorare in remoto il funzionamento del sistema e, se necessario, effettuare regolazioni.
Oggi non sarà difficile trovare sul mercato un collettore solare e tutti i componenti necessari per il suo funzionamento. È del tutto possibile assemblare un sistema da elementi acquistati separatamente. Tuttavia, i produttori offrono kit già pronti, che includono un collettore, pompe, serbatoi di stoccaggio, automazione di controllo, ecc. L'acquisto di tale kit non è solo un risparmio di tempo, ma anche una garanzia delle prestazioni del sistema.
