Saules kolektori: veidi, darbības princips, sistēmas dizains
Siltumsūkņi smelt enerģiju no augsnes, ūdens vai gaisa, ko silda saule. Katli izmanto siltumu, kas izdalās kurināmā sadegšanas laikā, kas galu galā ir arī saules enerģijas pārvēršanas produkts Zemes ilgstošās evolūcijas laikā. Saules kolektori savā ziņā ir unikāli: viņi saņem enerģiju tieši no saules.
Lai rīt varētu pilnīgi bez maksas sildīt ūdeni karstajam ūdenim vai sildīt māju, šodien jums joprojām ir jātērē nauda saules kolektoru iegādei. Ņemot vērā ievērojamās šāda aprīkojuma izmaksas, ir ļoti svarīgi, izvēloties, nekļūdīties. Tātad, jums vajadzētu iegūt vismaz vispārīgas idejas par saules kolektoru specifiku un viņu darba niansēm.
Saturs:
Saules kolektoru izmantošanas specifika
Saules kolektoru galvenā iezīme, kas tos atšķir no citiem siltuma ģeneratoru veidiem, ir to darba cikliskums. Nav saules - nav siltumenerģijas. Tā rezultātā šādas instalācijas ir pasīvas naktī.
Vidējā dienas siltuma ražošana ir tieši atkarīga no dienasgaismas stundu ilguma. Pēdējo nosaka, pirmkārt, apgabala ģeogrāfiskais platums un, otrkārt, gada laiks. Vasaras periodā, kura laikā insolācijas virsotne nokrīt ziemeļu puslodē, kolektors strādās ar maksimālu efektivitāti. Ziemā tā produktivitāte pazeminās, decembrī-janvārī sasniedzot minimumu.
Ziemā saules kolektoru efektivitāte samazinās ne tikai tāpēc, ka samazinās dienasgaismas stundu ilgums, bet arī tāpēc, ka mainās saules gaismas iedarbības leņķis. Aprēķinot tā ieguldījumu siltumapgādes sistēmā, jāņem vērā saules kolektora darbības svārstības gada laikā.
Vēl viens faktors, kas var ietekmēt saules kolektora produktivitāti, ir reģiona klimatiskās īpatnības. Mūsu valsts teritorijā ir daudz vietu, kur vairāk nekā 200 dienas gadā saule ir paslēpta aiz bieza mākoņu slāņa vai aiz miglas plīvura. Mākoņainā laikā saules kolektora darbība nenokrīt līdz nullei, jo tas spēj uztvert izkliedēto saules gaismu, bet ir ievērojami samazināts.
Saules kolektoru darbības princips un veidi
Ir pienācis laiks pateikt dažus vārdus par saules kolektora ierīci un darbības principu. Galvenais tā dizaina elements ir adsorberis, kas ir vara plāksne ar cauruli, kas pie tā metināta. Uzsūcot uz to krītošās saules gaismas siltumu, plāksne (un kopā ar to caurule) ātri uzsilst. Šis siltums tiek nodots šķidrajam dzesēšanas šķidrumam, kas cirkulē caur cauruli, un tas, savukārt, to tālāk pārvadā caur sistēmu.
Fiziskā ķermeņa spēja absorbēt vai atspoguļot saules starus, pirmkārt, ir atkarīga no tā virsmas rakstura. Piemēram, spoguļa virsma lieliski atspoguļo gaismu un siltumu, bet melna, gluži pretēji, absorbē. Tāpēc uz adsorberatora vara plāksnes tiek uzklāts melns pārklājums (vienkāršākā iespēja ir melna krāsa).
Saules kolektora darbības princips
1. Saules kolektors.
2. Buferu tvertne.
3. Karstu ūdeni.
4. Auksts ūdens.
5. Kontrolieris.
6. Siltummainis.
7. Sūknis
8. Karstā straume.
9. Aukstā straume.
Pareizi izvēloties stiklu, kas pārklāj adsorbētāju, ir iespējams palielināt no saules saņemtā siltuma daudzumu. Parasts stikls nav pietiekami caurspīdīgs.Turklāt tas atspīd, atspoguļojot daļu saules gaismas, kas uz tā nokrīt. Saules kolektoros, kā likums, viņi mēģina izmantot īpašu stiklu ar mazu dzelzs saturu, kas palielina tā caurspīdīgumu. Lai samazinātu gaismas daļu, ko atstaro virsma, stiklam tiek uzklāts pretatstarojošs pārklājums. Un tā, lai putekļi un mitrums, kas samazina arī stikla caurlaidību, nenokļūtu kolektorā, korpuss tiek noslēgts un dažreiz pat piepildīts ar inertu gāzi.
Neskatoties uz visiem šiem trikiem, saules kolektoru efektivitāte joprojām ir tālu no 100%, ņemot vērā to dizaina nepilnības. Apsildāmā adsorbera plāksne izstaro daļu saņemtā siltuma vidē, sildot gaisu, kas ar to saskaras. Lai samazinātu siltuma zudumus, adsorbentam jābūt izolētam. Adsorbentu inženieru efektīvas siltumizolācijas metodes meklēšana, lai izveidotu vairāku veidu saules kolektorus, no kuriem visizplatītākie ir plakanie un cauruļveida vakuuma.
Plakanie saules kolektori
Plakanie saules kolektori.
Plakanā saules kolektora dizains ir ārkārtīgi vienkāršs: tā ir metāla kaste, kas no augšas ir pārklāta ar stiklu. Korpusa dibena un sienu siltināšanai parasti izmanto minerālvilnu. Šī opcija nebūt nav ideāla, jo nav izslēgta siltuma pārnešana no adsorbētāja uz stiklu ar gaisa palīdzību kanālā. Ar lielu temperatūras starpību kolektora iekšpusē un ārpusē siltuma zudumi ir diezgan ievērojami. Tā rezultātā plakans saules kolektors, kas lieliski darbojas pavasarī un vasarā, ziemā kļūst ārkārtīgi neefektīvs.
Plakanā saules kolektora ierīce
1. Ieplūdes caurule.
2. Aizsargstikls.
3. Absorbcijas slānis.
4. Alumīnija rāmis.
5. Vara caurules.
6. Siltumizolators.
7. Izplūdes caurule.
Cauruļveida vakuuma saules kolektori
Cauruļveida vakuuma saules kolektori.
Vakuuma saules kolektors ir panelis, kas sastāv no daudzām relatīvi plānām stikla caurulēm. Katrā no tām ir adsorberis. Lai izslēgtu siltuma pārnesi ar gāzi (gaisu), caurules tiek evakuētas. Tā kā adsorbatoru tuvumā nav gāzes, vakuuma kolektoriem ir raksturīgi mazi siltuma zudumi pat salnā laikā.
Vakuuma kolektora ierīce
1. Siltumizolācija.
2. Siltummaiņa korpuss.
3. Siltummainis (kolektors)
4. Aizzīmogots korķis.
5. Vakuuma caurule.
6. Kondensators.
7. Absorbējošā plāksne.
8. Siltuma caurule ar darba šķidrumu.
Pieteikumi saules kolektoriem
Saules kolektoru, kā arī visu citu siltuma ģeneratoru galvenais mērķis ir ēku sildīšana un ūdens sagatavošana karstā ūdens apgādes sistēmai. Atliek noskaidrot, kurš saules kolektoru tips ir vispiemērotākais noteiktas funkcijas veikšanai.
Plakanie saules kolektori, kā mēs esam noskaidrojuši, raksturo labu sniegumu pavasarī un vasarā, bet ziemā ir neefektīvi. No tā izriet, ka nav praktiski tos izmantot apkurei, kuru nepieciešamība rodas tieši ar aukstā laika iestāšanos. Tas tomēr nenozīmē, ka šai iekārtai vispār nav biznesa.
Plakaniem kolekcionāriem ir viena neapstrīdama priekšrocība - tie ir ievērojami lētāki nekā vakuuma modeļi, tāpēc gadījumos, kad saules enerģiju plānots izmantot tikai vasarā, ir jēga tos iegādāties. Plakanie saules kolektori lieliski tiek galā ar uzdevumu karstā ūdens pagatavošanai vasarā. Pat biežāk tos izmanto, lai uzsildītu līdz komfortablai ūdens temperatūrai āra baseinos.
Cauruļveida vakuuma kolektori ir daudzpusīgāki. Ar ziemas saaukstēšanos to veiktspēja nemazinās tik ievērojami kā plakanu modeļu gadījumā, kas nozīmē, ka tos var izmantot visu gadu.Tas ļauj šādus saules kolektorus izmantot ne tikai karstā ūdens apgādei, bet arī apkures sistēmā.
Plakano un vakuuma saules kolektoru salīdzinājums.
Saules kolektoru atrašanās vieta
Saules kolektora efektivitāte ir tieši atkarīga no saules gaismas daudzuma, kas nokrīt uz adsorbera. No tā izriet, ka kolekcionāram jāatrodas atklātā telpā, kur nekad (vai vismaz tik ilgi, cik iespējams) nav ēnu no kaimiņu ēkām, kokiem, kas atrodas netālu no kalniem utt.
Liela nozīme ir ne tikai kolekcionāra atrašanās vietai, bet arī tā orientācijai. Vissaulainākā puse mūsu ziemeļu puslodē ir dienvidu puse, kas nozīmē, ka ideālā gadījumā kolektora “spoguļus” vajadzētu pagriezt tieši uz dienvidiem. Ja to izdarīt nav tehniski iespējams, tad jāizvēlas virziens pēc iespējas tuvāk dienvidiem - dienvidrietumiem vai dienvidaustrumiem.
Nevajadzētu ignorēt tādu parametru kā saules kolektora slīpuma leņķis. Leņķa lielums ir atkarīgs no Saules stāvokļa novirzes no zenīta, ko savukārt nosaka tā apgabala ģeogrāfiskais platums, kurā iekārta darbosies. Ja slīpuma leņķis nav iestatīts pareizi, optiskās enerģijas zudumi ievērojami palielināsies, jo ievērojama saules gaismas daļa tiks atspoguļota no kolektora stikla un līdz ar to nesasniegs absorbētāju.
Kā izvēlēties pareizo saules kolektoru
Ja vēlaties, lai jūsu mājas apkures sistēma tiktu galā ar uzdevumu uzturēt komfortablu temperatūru telpās un karstu, nevis remdenu ūdeni, kas plūst no krāniem, un tajā pašā laikā plānojat izmantot saules kolektoru kā siltuma ģeneratoru, jums iepriekš jāaprēķina vajadzīgā aprīkojuma jauda. Šajā gadījumā būs jāņem vērā diezgan liels skaits parametru, ieskaitot kolektora mērķi (karstā ūdens padeve, apkure vai to kombinācija), objekta siltuma pieprasījumu (apsildāmo telpu kopējā platība vai vidējais karstā ūdens patēriņš dienā), reģiona klimatiskās īpatnības un kolektora uzstādīšanas iezīmes.
Principā veikt šādus aprēķinus nav tik grūti. Katra modeļa veiktspēja ir zināma, kas nozīmē, ka jūs varat viegli novērtēt kolektoru skaitu, kas nepieciešami, lai mājai nodrošinātu siltumu. Uzņēmumiem, kas ražo saules kolektorus, ir informācija (un to var sniegt patērētājam) par aprīkojuma jaudas izmaiņām atkarībā no reljefa ģeogrāfiskā platuma, “spoguļu” slīpuma leņķa, to orientācijas novirzes no dienvidiem utt., Kas ļauj veikt nepieciešamos grozījumus aprēķinot rezervuāra veiktspēju.
Izvēloties nepieciešamo kolektora jaudu, ir ļoti svarīgi panākt līdzsvaru starp radīto siltuma trūkumu un lieko siltumu. Eksperti iesaka koncentrēties uz maksimālo iespējamo kolektora jaudu, t.i., aprēķinos izmantot indikatoru visproduktīvākajai vasaras sezonai. Tas ir pretrunā ar vidusmēra lietotāja vēlmi ņemt aprīkojumu ar rezervi (t.i., aprēķināt aukstākā mēneša jaudu), lai siltums no kolektora būtu pietiekams mazāk saulainās rudens un ziemas dienās.
Tomēr, ja jūs ejat pa soli, izvēloties palielinātas jaudas saules kolektoru, tad tā darbības maksimuma laikā, tas ir, siltā saulainā laikā, jūs saskarsities ar nopietnu problēmu: tiks saražots vairāk siltuma nekā patērēts, un tas apdraud ķēdes pārkaršanu un citas nepatīkamas sekas . Šīs problēmas risināšanai ir divas iespējas: vai nu uzstādīt mazjaudas saules kolektoru un paralēli pieslēgt liekos siltuma avotus, vai arī iegādāties modeli ar lielu jaudas rezervi un nodrošināt veidus, kā pavasara-vasaras sezonā novadīt lieko siltumu.
Sistēmas stagnācija
Parunāsim nedaudz vairāk par problēmām, kas saistītas ar ģenerētā siltuma pārpalikumu.Tātad, pieņemsim, ka esat uzstādījis pietiekami jaudīgu saules kolektoru, kas var pilnībā nodrošināt siltumu jūsu mājas apkures sistēmā. Bet pienāca vasara, un nepieciešamība pēc apkures pazuda. Ja jūs varat izslēgt elektriskā katla enerģiju, izslēgt degvielas padevi gāzes katlam, tad mums nav enerģijas pār sauli - mēs to nevaram izslēgt, kad tas ir pārāk karsts.
Sistēmas stagnācija ir viena no galvenajām saules kolektoru iespējamām problēmām. Ja no kolektora ķēdes tiek uzņemts nepietiekams siltums, dzesēšanas šķidrums pārkarst. Noteiktā brīdī pēdējais var vārīties, kas novedīs pie tā cirkulācijas pārtraukšanas gar ķēdi. Kad dzesēšanas šķidrums atdziest un kondensējas, sistēma atsāks darbību. Tomēr tālu no visiem dzesēšanas šķidrumu veidiem mierīgi pārnes pāreju no šķidra stāvokļa uz gāzveida stāvokli un otrādi. Daži pārkaršanas rezultātā iegūst želejveidīgu konsistenci, kas padara turpmāku ķēdes darbību neiespējamu.
Tikai stabila kolektora radītā siltuma noņemšana palīdzēs izvairīties no stagnācijas. Ja aprīkojuma jaudas aprēķins tiek veikts pareizi, problēmu iespējamība ir gandrīz nulle.
Tomēr pat šajā gadījumā nav izslēgta force majeure apstākļu rašanās, tāpēc iepriekš jāparedz veidi, kā aizsargāties pret pārkaršanu:
1. Rezerves tvertnes uzstādīšana karstā ūdens uzkrāšanai. Ja karstā ūdens apgādes sistēmas galvenajā tvertnē ūdens ir sasniedzis iestatīto maksimumu un saules kolektors turpina piegādāt siltumu, automātiski notiek pārslēgšanās, un ūdens sāk sildīties jau rezerves tvertnē. Izveidoto siltā ūdens krājumu vēlāk mākoņainā laikā var izmantot sadzīves vajadzībām.
2. Apsildāms ūdens baseinā. Māju ar baseinu īpašniekiem (tas nav svarīgi, iekštelpās vai ārpus tām) ir lieliska iespēja novirzīt lieko siltumu. Baseina tilpums ir nesalīdzināmi lielāks nekā jebkuras sadzīves glabāšanas ierīces tilpums, kas nozīmē, ka tajā esošais ūdens nesasilda tik daudz, ka vairs nespēj absorbēt siltumu.
3. Nolejiet karstu ūdeni. Ja nav iespējas iztērēt lieko siltumu, jūs varat vienkārši novadīt karsēto ūdeni no karstā ūdens uzglabāšanas tvertnes nelielās kanalizācijā nelielās porcijās. Aukstais ūdens, kas nonāk tvertnē, pazeminās visa tilpuma temperatūru, kas turpinās noņemt siltumu no ķēdes.
4. Ārējs siltummainis ar ventilatoru. Ja saules kolektoram ir liela jauda, arī siltuma pārpalikums var būt ļoti liels. Šajā gadījumā sistēma ir aprīkota ar papildu ķēdi, kas piepildīta ar dzesēšanas šķidrumu. Šī papildu ķēde ir savienota ar sistēmu ar siltummaini, kas aprīkots ar ventilatoru un uzstādīts ārpus ēkas. Ja pastāv pārkaršanas risks, pārmērīgais siltums nonāk papildu kontūrā un caur siltummaini tiek “izlaists” gaisā.
5. Siltuma novadīšana zemē. Ja papildus saules kolektoram mājā ir arī augsnes siltumsūknis, lieko siltumu var nosūtīt uz aku. Šajā gadījumā jūs vienlaikus atrisināt divas problēmas: no vienas puses, jūs aizsargājat kolektora ķēdi no pārkaršanas, un, no otras puses, jūs ziemā atjaunojat noplicinātu siltuma rezervi zemē.
6. Saules kolektora izolācija no tiešiem saules stariem. Šī metode ir tehniski viena no vienkāršākajām. Protams, kāpt uz jumta un manuāli savienot kolektoru nav vērts - tas ir grūti un nedroši. Daudz racionālāk ir uzstādīt attālināti vadāmu ekrānu, piemēram, slēģi. Jūs pat varat savienot ekrāna vadības bloku ar kontrolieri - ja temperatūra kontūrā bīstami paaugstinās, kolektors automātiski aizveras.
7. Dzesēšanas šķidruma aizplūšana. Šo metodi var uzskatīt par kardinālu, taču tajā pašā laikā tā ir diezgan vienkārša. Ja pastāv pārkaršanas risks, dzesēšanas šķidrums caur sūkni tiek izvadīts speciālā tvertnē, kas integrēta sistēmas ķēdē.Kad apstākļi atkal kļūst labvēlīgi, sūknis atgriezīs dzesēšanas šķidrumu ķēdē, un kolektors tiks atjaunots.
Citas sistēmas sastāvdaļas
Nepietiek tikai savākt saules izstaroto siltumu. Joprojām ir nepieciešams transportēt, uzkrāt, nodot to patērētājiem, ir nepieciešams kontrolēt visus šos procesus utt. Tas nozīmē, ka papildus kolektoriem, kas atrodas uz jumta, sistēmā ir arī daudz citu sastāvdaļu, kas var būt mazāk pamanāmas, bet ne mazāk svarīgas. Koncentrēsimies tikai uz dažiem no tiem.
Dzesēšanas šķidrums
Dzesēšanas šķidruma funkciju kolektora kontūrā var veikt vai nu ar ūdeni, vai ar nesasalšanas šķidrumu.
Ūdenim ir virkne trūkumu, kas nosaka dažus ierobežojumus tā izmantošanai kā dzesēšanas šķidrumam saules kolektoros:
- Pirmkārt, sasalšanas temperatūrā tas sasalst. Lai saldētais dzesēšanas šķidrums neizlauztu ķēdes caurules, tas būs jāiztukšo, tuvojoties aukstajam laikam, kas nozīmē, ka ziemā no kolektora jūs nesaņemsit pat nelielu daudzumu siltumenerģijas.
- Otrkārt, ne pārāk augsts ūdens viršanas punkts var izraisīt biežu stagnāciju vasarā.
Nesasalstošam šķidrumam, atšķirībā no ūdens, ir ievērojami zemāka sasalšanas temperatūra un nesalīdzināmi augstāka viršanas temperatūra, kas palielina ērtības to izmantot kā dzesēšanas šķidrumu. Tomēr augstā temperatūrā “nesasalšanas” var notikt neatgriezeniskas izmaiņas, tāpēc tas ir jāaizsargā no pārmērīgas pārkaršanas.
Pielāgots sūknis saules sistēmām
Lai nodrošinātu dzesēšanas šķidruma piespiedu cirkulāciju gar kolektora kontūru, ir nepieciešams saules sistēmām pielāgots sūknis.
Karstā ūdens siltummainis
Siltuma pārnesi no saules kolektora kontūra uz ūdeni, kas tiek izmantots karstā ūdens apgādei, vai uz apkures sistēmas sildīšanas līdzekli veic ar siltummaini. Parasti karstā ūdens uzkrāšanai tiek izmantota liela tvertne ar jau integrētu siltummaini. Ir racionāli izmantot tvertnes ar diviem vai vairākiem siltummaiņiem: tas ļaus jums ņemt siltumu ne tikai no saules kolektora, bet arī no citiem avotiem (gāzes vai elektriskā katla, siltumsūkņa utt.).
Automatizācija
Tik sarežģīta sistēma nevar iztikt bez automatizācijas, kas kontrolē un kontrolē procesu. Kontrolieris ļauj automatizēt kolektora darbu: tas analizē temperatūru ķēdē un uzglabāšanas tvertnē, kontrolē sūkni un vārstus, kas ir atbildīgi par dzesēšanas šķidruma kustību gar ķēdi. Ja dzesēšanas šķidrums ķēdē pārkarst un tvertnē esošais ūdens pārkarst, kontrolieris dod komandu atbrīvot siltumu alternatīvai siltuma izlietnei - papildu ūdens tvertnei vai āra gaisa siltummainim.
Ja dienasgaismas stundu beigās ūdens temperatūra uzglabāšanas tvertnē pārsniedz dzesēšanas šķidruma temperatūru kolektora ķēdē, automātika pārtrauks dzesēšanas šķidruma cirkulāciju gar ķēdi, lai uzkrātais siltums netiktu izlaists atmosfērā caur pašu kolektoru. Mūsdienu kontrolleri dod iespēju attālināti uzraudzīt sistēmas darbību un, ja nepieciešams, veikt pielāgojumus.
Šodien tirgū nebūs grūti atrast saules kolektoru un kādu no komponentiem, kas nepieciešami tā darbībai. Ir pilnīgi iespējams sistēmu salikt no elementiem, kas iegādāti atsevišķi. Tomēr ražotāji piedāvā gatavus komplektus, kas ietver kolektoru, sūkņus, uzglabāšanas tvertnes, vadības automātiku utt. Šāda komplekta iegāde ir ne tikai jūsu laika ietaupīšana, bet arī sistēmas veiktspējas garantija.
