Bộ thu năng lượng mặt trời: các loại, nguyên lý hoạt động, thiết kế hệ thống
Bơm nhiệt lấy năng lượng từ đất, nước hoặc không khí được sưởi ấm bởi mặt trời. Lò hơi sử dụng nhiệt được giải phóng trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, cuối cùng cũng là sản phẩm của sự chuyển đổi năng lượng mặt trời trong quá trình tiến hóa lâu dài của Trái đất. Theo một nghĩa nào đó, các nhà sưu tập năng lượng mặt trời là duy nhất: họ nhận năng lượng trực tiếp từ mặt trời.
Để có thể hoàn toàn miễn phí vào ngày mai để đun nước nóng cho nước nóng trong nhà hoặc sưởi ấm ngôi nhà của bạn, ngày nay bạn vẫn phải chi tiền cho việc mua các bộ thu năng lượng mặt trời. Với chi phí đáng kể của thiết bị như vậy, điều rất quan trọng là không phạm sai lầm khi lựa chọn. Vì vậy, bạn nên có ít nhất những ý tưởng chung về đặc thù của người thu gom năng lượng mặt trời và sắc thái công việc của họ.
Nội dung:
Các chi tiết cụ thể của việc sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời
Tính năng chính của các bộ thu năng lượng mặt trời giúp phân biệt chúng với các loại máy phát nhiệt khác là tính chất chu kỳ trong công việc của chúng. Không có mặt trời - không có năng lượng nhiệt. Kết quả là, cài đặt như vậy là thụ động vào ban đêm.
Sản lượng nhiệt trung bình hàng ngày trực tiếp phụ thuộc vào độ dài của giờ ban ngày. Cái sau được xác định, thứ nhất, theo vĩ độ địa lý của khu vực, và thứ hai, theo thời gian trong năm. Trong thời kỳ mùa hè, trong thời gian cực đại của sự xấc xược rơi ở bán cầu bắc, người thu gom sẽ làm việc với hiệu quả tối đa. Vào mùa đông, năng suất của nó giảm xuống, đạt mức tối thiểu vào tháng 12-1.
Vào mùa đông, hiệu quả của các bộ thu năng lượng mặt trời giảm không chỉ do thời lượng của giờ ban ngày giảm mà còn do sự thay đổi góc của ánh sáng mặt trời. Biến động trong hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời trong năm nên được tính đến khi tính toán đóng góp của nó cho hệ thống cung cấp nhiệt.
Một yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến năng suất của bộ thu năng lượng mặt trời là các đặc điểm khí hậu của khu vực. Trên lãnh thổ nước ta có nhiều nơi, trong hơn 200 ngày một năm, mặt trời bị che khuất sau một lớp mây dày hoặc đằng sau một màn sương mù. Trong thời tiết nhiều mây, hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời không giảm xuống 0, vì nó có thể thu được ánh sáng mặt trời tán xạ, nhưng giảm đáng kể.
Nguyên lý hoạt động và các loại bộ thu năng lượng mặt trời
Đã đến lúc nói vài lời về thiết bị và nguyên tắc hoạt động của bộ thu năng lượng mặt trời. Yếu tố chính trong thiết kế của nó là một bộ phận hấp phụ, là một tấm đồng với một ống được hàn với nó. Hấp thụ sức nóng của ánh sáng mặt trời chiếu vào nó, tấm (và với nó là đường ống) nhanh chóng nóng lên. Nhiệt này được truyền đến chất làm mát chất lỏng lưu thông qua đường ống, và đến lượt nó vận chuyển nó qua hệ thống.
Khả năng cơ thể vật lý hấp thụ hoặc phản xạ các tia của mặt trời, trước hết, phụ thuộc vào bản chất bề mặt của nó. Ví dụ, một bề mặt gương phản chiếu hoàn hảo ánh sáng và nhiệt, nhưng ngược lại, màu đen lại hấp thụ. Đó là lý do tại sao một lớp phủ màu đen được áp dụng cho tấm đồng hấp phụ (tùy chọn đơn giản nhất là sơn màu đen).
Nguyên lý hoạt động của bộ thu năng lượng mặt trời
1. Thu năng lượng mặt trời.
2. Bể đệm.
3. Nước nóng.
4. Nước lạnh.
5. Bộ điều khiển.
6. Trao đổi nhiệt.
7. Bơm
8. Suối nóng.
9. Dòng lạnh.
Có thể tăng lượng nhiệt nhận được từ mặt trời bằng cách lựa chọn kính phù hợp bao phủ bộ phận hấp phụ. Kính thông thường không đủ trong suốt.Ngoài ra, nó còn chói, phản chiếu một phần ánh sáng mặt trời chiếu vào nó. Trong các bộ sưu tập năng lượng mặt trời, theo quy luật, họ cố gắng sử dụng kính đặc biệt có hàm lượng sắt thấp, làm tăng tính trong suốt của nó. Để giảm phần ánh sáng phản chiếu bởi bề mặt, một lớp phủ chống phản chiếu được áp dụng cho kính. Và do đó, bụi và hơi ẩm, cũng làm giảm thông lượng của kính, không vào bên trong bộ thu, vỏ được niêm phong và đôi khi còn chứa đầy khí trơ.
Bất chấp tất cả những mánh khóe này, hiệu quả của các bộ thu năng lượng mặt trời vẫn còn xa 100%, do sự không hoàn hảo trong thiết kế của chúng. Các tấm hấp phụ được làm nóng tỏa ra một phần nhiệt nhận được vào môi trường, làm nóng không khí tiếp xúc với nó. Để giảm thiểu thất thoát nhiệt, bộ phận hấp phụ phải được cách nhiệt. Việc tìm kiếm một phương pháp cách nhiệt hiệu quả của các kỹ sư hấp dẫn đã tạo ra một số loại máy thu năng lượng mặt trời, trong đó phổ biến nhất là loại chân không phẳng và hình ống.
Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng.
Thiết kế của một bộ thu năng lượng mặt trời phẳng cực kỳ đơn giản: đó là một hộp kim loại được phủ bằng kính từ trên cao. Để cách nhiệt cho đáy và thành của cơ thể, theo quy luật, len khoáng sản được sử dụng. Tùy chọn này là xa lý tưởng, vì truyền nhiệt từ chất hấp phụ vào kính bằng không khí bên trong ống dẫn không được loại trừ. Với sự chênh lệch lớn về nhiệt độ bên trong bộ thu và bên ngoài, sự mất nhiệt là khá đáng kể. Kết quả là, một bộ thu năng lượng mặt trời phẳng, hoạt động hoàn hảo vào mùa xuân và mùa hè, trở nên cực kỳ kém hiệu quả trong mùa đông.
Thiết bị thu năng lượng mặt trời phẳng
1. Đường ống vào.
2. Kính bảo vệ.
3. Lớp hấp thụ.
4. Khung nhôm.
5. Ống đồng.
6. Cách nhiệt.
7. Đường ống ra.
Bộ thu năng lượng mặt trời hình ống
Bộ thu năng lượng mặt trời hình ống.
Bộ thu năng lượng mặt trời chân không là một bảng điều khiển bao gồm một số lượng lớn các ống thủy tinh tương đối mỏng. Bên trong mỗi người là một bộ phận hút. Để loại trừ truyền nhiệt bằng khí (không khí), các ống được sơ tán. Do thiếu khí gần các bộ phận hấp thụ, các bộ thu chân không được đặc trưng bởi tổn thất nhiệt thấp ngay cả trong thời tiết băng giá.
Thiết bị chân không
1. Cách nhiệt.
2. Vỏ trao đổi nhiệt.
3. Bộ trao đổi nhiệt (bộ thu)
4. Nút chai kín.
5. Ống chân không.
6. Tụ điện.
7. Tấm hấp thụ.
8. Ống dẫn nhiệt với chất lỏng làm việc.
Ứng dụng cho người thu gom năng lượng mặt trời
Mục đích chính của người thu gom năng lượng mặt trời, cũng như bất kỳ máy phát nhiệt nào khác, là sưởi ấm các tòa nhà và chuẩn bị nước cho hệ thống cấp nước nóng. Vẫn còn phải tìm ra loại bộ thu năng lượng mặt trời nào phù hợp nhất để thực hiện một chức năng cụ thể.
Như những người thu thập năng lượng mặt trời bằng phẳng, như chúng ta đã tìm ra, được phân biệt bởi hiệu suất tốt trong giai đoạn xuân hè, nhưng không hiệu quả trong mùa đông. Từ đó, việc sử dụng chúng để sưởi ấm là không thực tế, nhu cầu phát sinh chính xác khi bắt đầu thời tiết lạnh. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là không có doanh nghiệp nào cho thiết bị này.
Các nhà sưu tập phẳng có một lợi thế không thể chối cãi - chúng rẻ hơn đáng kể so với các mô hình chân không, vì vậy trong trường hợp dự định sử dụng năng lượng mặt trời dành riêng cho mùa hè, việc mua chúng là hợp lý. Người thu gom năng lượng mặt trời phẳng hoàn toàn đối phó với nhiệm vụ chuẩn bị nước cho nước nóng vào mùa hè. Thậm chí thường xuyên hơn, chúng được sử dụng để làm nóng đến nhiệt độ nước thoải mái trong hồ bơi ngoài trời.
Đa tạp chân không hình ống là linh hoạt hơn. Với sự xuất hiện của cảm lạnh mùa đông, hiệu suất của chúng giảm không đáng kể như trong trường hợp của các mô hình phẳng, có nghĩa là chúng có thể được sử dụng quanh năm.Điều này làm cho nó có thể sử dụng các bộ thu năng lượng mặt trời như vậy không chỉ để cung cấp nước nóng, mà còn trong hệ thống sưởi ấm.
So sánh các bộ thu năng lượng mặt trời bằng phẳng và chân không.
Vị trí thu gom năng lượng mặt trời
Hiệu quả của bộ thu năng lượng mặt trời trực tiếp phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời rơi vào bộ phận hấp phụ. Theo sau đó, người thu gom phải được đặt trong một không gian mở, nơi không bao giờ (hoặc ít nhất là càng lâu càng tốt) bóng từ các tòa nhà lân cận, cây cối nằm gần núi, v.v.
Tầm quan trọng lớn không chỉ là vị trí của người sưu tầm, mà còn là định hướng của nó. Phía nắng nhiều nhất ở phía bắc bán cầu của chúng tôi là phía nam của chúng tôi, điều đó có nghĩa là, lý tưởng nhất, các gương gương của nhà sưu tập nên được quay chính xác về phía nam. Nếu về mặt kỹ thuật là không thể làm điều này, thì bạn nên chọn hướng càng gần càng tốt về phía nam - tây nam hoặc đông nam.
Không nên bỏ qua một tham số như góc nghiêng của bộ thu năng lượng mặt trời. Độ lớn của góc phụ thuộc vào độ lệch của vị trí của Mặt trời so với thiên đỉnh, từ đó được xác định bởi vĩ độ địa lý của khu vực mà thiết bị sẽ được vận hành. Nếu góc nghiêng không được đặt chính xác, tổn thất năng lượng quang sẽ tăng đáng kể, vì một phần đáng kể của ánh sáng mặt trời sẽ được phản xạ từ kính thu và do đó, sẽ không đến được bộ hấp thụ.
Cách chọn bộ thu năng lượng mặt trời phù hợp
Nếu bạn muốn hệ thống sưởi ấm trong nhà của bạn đối phó với nhiệm vụ duy trì nhiệt độ thoải mái trong khuôn viên, và nước nóng chứ không phải nước ấm chảy từ vòi, đồng thời lên kế hoạch sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời làm máy phát nhiệt, bạn cần tính toán trước công suất cần thiết của thiết bị. Trong trường hợp này, một số lượng lớn các thông số sẽ phải được tính đến, bao gồm cả mục đích của bộ thu (cung cấp nước nóng, sưởi ấm hoặc kết hợp chúng), nhu cầu nhiệt của đối tượng (tổng diện tích phòng được sưởi ấm hoặc mức tiêu thụ nước nóng trung bình hàng ngày), tính năng khí hậu của khu vực.
Về nguyên tắc, thực hiện các tính toán như vậy không quá khó. Hiệu suất của từng mô hình được biết đến, có nghĩa là bạn có thể dễ dàng ước tính số lượng người thu gom cần thiết để cung cấp nhiệt cho ngôi nhà. Các công ty sản xuất bộ thu năng lượng mặt trời có thông tin (và có thể cung cấp cho người tiêu dùng) về sự thay đổi sức mạnh của thiết bị tùy thuộc vào vĩ độ địa lý của địa hình, góc nghiêng của gương Mirror, độ lệch của hướng từ phía nam, v.v., cho phép bạn thực hiện các sửa đổi cần thiết từ phía nam, v.v. khi tính toán hiệu suất hồ chứa.
Khi chọn công suất thu cần thiết, điều rất quan trọng là phải đạt được sự cân bằng giữa sự thiếu hụt và nhiệt dư thừa được tạo ra. Các chuyên gia khuyên bạn nên tập trung vào sức mạnh thu thập tối đa có thể, tức là sử dụng chỉ báo cho mùa hè năng suất cao nhất trong các tính toán. Điều này mâu thuẫn với mong muốn của người dùng trung bình sử dụng thiết bị có lề (nghĩa là để tính toán sức mạnh của tháng lạnh nhất), do đó nhiệt từ người thu gom sẽ đủ trong những ngày mùa thu và mùa đông ít nắng hơn.
Tuy nhiên, nếu bạn đi theo con đường chọn một bộ thu năng lượng mặt trời với công suất tăng, thì ở đỉnh cao hiệu suất của nó, đó là trong thời tiết nắng ấm, bạn sẽ gặp phải một vấn đề nghiêm trọng: nhiệt sẽ được tạo ra nhiều hơn tiêu thụ và điều này đe dọa quá nhiệt của mạch và các hậu quả khó chịu khác . Có hai lựa chọn để giải quyết vấn đề này: cài đặt bộ thu năng lượng mặt trời năng lượng thấp và song song kết nối các nguồn nhiệt dự phòng song song hoặc mua một mô hình có dự trữ năng lượng lớn và cung cấp các cách để thải nhiệt dư thừa trong mùa xuân hè.
Hệ thống đình trệ
Chúng ta hãy nói thêm một chút về các vấn đề liên quan đến sự dư thừa nhiệt được tạo ra.Vì vậy, giả sử bạn đã cài đặt một bộ thu năng lượng mặt trời đủ mạnh, có thể cung cấp đầy đủ nhiệt cho hệ thống sưởi ấm nhà của bạn. Nhưng mùa hè đã đến, và nhu cầu sưởi ấm biến mất. Nếu bạn có thể tắt nguồn cho nồi hơi điện, hãy tắt nguồn cung cấp nhiên liệu cho nồi hơi, sau đó chúng ta không có điện trên mặt trời - chúng ta có thể Tắt nó khi quá nóng.
Sự đình trệ của hệ thống là một trong những vấn đề tiềm năng chính của người thu gom năng lượng mặt trời. Nếu không đủ nhiệt được lấy từ mạch thu, chất làm mát quá nóng. Tại một thời điểm nhất định, cái sau có thể sôi lên, điều này sẽ dẫn đến sự chấm dứt lưu thông của nó dọc theo mạch. Khi chất làm mát nguội đi và ngưng tụ, hệ thống sẽ hoạt động trở lại. Tuy nhiên, xa tất cả các loại chất làm mát bình tĩnh chuyển quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí và ngược lại. Một số là kết quả của việc quá nhiệt có được tính nhất quán giống như thạch, khiến cho hoạt động tiếp theo của mạch không thể thực hiện được.
Chỉ loại bỏ nhiệt ổn định được tạo ra bởi người thu gom sẽ giúp tránh ứ đọng. Nếu việc tính toán công suất của thiết bị được thực hiện chính xác, khả năng xảy ra sự cố là gần như bằng không.
Tuy nhiên, ngay cả trong trường hợp này, không xảy ra trường hợp bất khả kháng, do đó, các cách để bảo vệ chống quá nhiệt nên được dự báo trước:
1. Lắp đặt bể dự trữ để tích tụ nước nóng. Nếu nước trong bể chính của hệ thống cấp nước nóng đã đạt đến mức tối đa đã đặt và bộ thu năng lượng mặt trời tiếp tục cung cấp nhiệt, việc chuyển đổi sẽ tự động xảy ra và nước sẽ bắt đầu nóng lên trong bể dự trữ. Nguồn nước ấm được tạo ra có thể được sử dụng cho nhu cầu trong nước sau này, trong thời tiết nhiều mây.
2. Nước nóng trong hồ bơi. Chủ sở hữu của những ngôi nhà có hồ bơi (không quan trọng, trong nhà hoặc ngoài trời) có cơ hội tuyệt vời để chuyển hướng nhiệt dư thừa. Thể tích của hồ bơi lớn hơn nhiều so với thể tích của bất kỳ thiết bị lưu trữ gia đình nào, ngụ ý rằng nước trong nó không nóng lên nhiều đến mức không thể hấp thụ nhiệt nữa.
3. Xả nước nóng. Trong trường hợp không có khả năng tiêu thụ nhiệt dư thừa, bạn có thể rút nước nóng ra khỏi bể chứa một cách hữu ích để xả nước nóng vào các cống nhỏ ở những phần nhỏ. Nước lạnh chảy vào bể sẽ làm giảm nhiệt độ của toàn bộ thể tích, sẽ tiếp tục loại bỏ nhiệt khỏi mạch.
4. Trao đổi nhiệt bên ngoài với quạt. Nếu bộ thu năng lượng mặt trời có công suất cao, nhiệt dư thừa cũng có thể rất lớn. Trong trường hợp này, hệ thống được trang bị một mạch bổ sung chứa đầy chất làm lạnh. Mạch bổ sung này được kết nối với hệ thống bằng bộ trao đổi nhiệt được trang bị quạt và gắn bên ngoài tòa nhà. Nếu có nguy cơ quá nhiệt, nhiệt dư sẽ đi vào mạch bổ sung và được "giải phóng" vào không khí thông qua bộ trao đổi nhiệt.
5. Việc xả nhiệt xuống đất. Nếu ngoài bộ thu năng lượng mặt trời trong nhà còn có máy bơm nhiệt đất, nhiệt thừa có thể được gửi đến giếng. Trong trường hợp này, bạn giải quyết hai vấn đề cùng một lúc: một mặt, bạn bảo vệ mạch thu khỏi quá nóng và mặt khác, bạn khôi phục dự trữ nhiệt đã cạn kiệt trong lòng đất trong mùa đông.
6. Cách ly thu năng lượng mặt trời từ ánh sáng mặt trời trực tiếp. Phương pháp này là một trong những phương pháp đơn giản nhất. Tất nhiên, trèo lên mái nhà và tự làm rèm cho người sưu tầm là không xứng đáng - điều đó thật khó khăn và không an toàn. Sẽ hợp lý hơn nhiều khi cài đặt một màn hình được điều khiển từ xa, giống như một màn trập lăn. Bạn thậm chí có thể kết nối bộ điều khiển sàng lọc với bộ điều khiển - nếu nhiệt độ trong mạch tăng lên một cách nguy hiểm, bộ thu sẽ tự động đóng lại.
7. Nước làm mát cống. Phương pháp này có thể được coi là hồng y, nhưng đồng thời nó khá đơn giản. Nếu có nguy cơ quá nhiệt, chất làm mát được thải qua máy bơm vào một bể đặc biệt được tích hợp vào mạch hệ thống.Khi các điều kiện trở nên thuận lợi trở lại, máy bơm sẽ đưa chất làm mát trở lại mạch, và bộ thu sẽ được phục hồi.
Các thành phần hệ thống khác
Nó không đủ để chỉ thu thập nhiệt lượng tỏa ra bởi mặt trời. Vẫn cần phải vận chuyển, tích lũy, chuyển giao cho người tiêu dùng, cần kiểm soát tất cả các quy trình này, v.v. Điều này có nghĩa là ngoài các bộ thu nằm trên mái nhà, hệ thống còn chứa nhiều thành phần khác, có thể ít được chú ý hơn, nhưng không kém phần quan trọng. Hãy để chúng tôi chỉ tập trung vào một số trong số họ.
Nước làm mát
Chức năng của chất làm mát trong mạch thu có thể được thực hiện bằng nước hoặc chất lỏng không đóng băng.
Nước có một số nhược điểm áp đặt một số hạn chế nhất định đối với việc sử dụng làm chất làm mát trong các bộ thu năng lượng mặt trời:
- Thứ nhất, ở nhiệt độ đóng băng, nó đóng băng. Vì vậy, chất làm mát đông lạnh không phá vỡ các đường ống của mạch, nó sẽ phải thoát nước theo cách tiếp cận của thời tiết lạnh, điều đó có nghĩa là vào mùa đông, bạn sẽ không nhận được một lượng nhỏ năng lượng nhiệt từ bộ thu.
- Thứ hai, điểm sôi không quá cao của nước có thể gây ứ đọng thường xuyên trong mùa hè.
Chất lỏng không đóng băng, không giống như nước, có điểm đóng băng thấp hơn đáng kể và điểm sôi cao hơn hoàn toàn, làm tăng sự tiện lợi khi sử dụng nó làm chất làm mát. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, tàu không đóng băng có thể trải qua những thay đổi không thể đảo ngược, do đó, nó cần được bảo vệ khỏi quá nóng.
Bơm thích ứng cho hệ mặt trời
Để đảm bảo lưu thông cưỡng bức chất làm mát dọc theo mạch thu, cần có một bơm thích ứng cho các hệ mặt trời.
Trao đổi nhiệt DHW
Truyền nhiệt từ mạch thu năng lượng mặt trời sang nước được sử dụng trong nguồn cung cấp nước nóng trong nước, hoặc đến chất mang nhiệt của hệ thống sưởi ấm được thực hiện bằng phương tiện trao đổi nhiệt. Theo quy định, để tích tụ nước nóng, một bể lớn với bộ trao đổi nhiệt đã được tích hợp sẵn được sử dụng. Điều hợp lý là sử dụng các bể có hai hoặc nhiều bộ trao đổi nhiệt: điều này sẽ cho phép bạn lấy nhiệt không chỉ từ bộ thu năng lượng mặt trời, mà còn từ các nguồn khác (nồi hơi gas hoặc điện, bơm nhiệt, v.v.).
Tự động hóa
Một hệ thống phức tạp như vậy không thể làm mà không có tự động hóa, điều khiển và kiểm soát quá trình. Bộ điều khiển cho phép bạn tự động hóa hoạt động của bộ thu: nó phân tích nhiệt độ trong mạch và bể chứa, điều khiển bơm và van chịu trách nhiệm cho sự di chuyển của chất làm mát dọc theo mạch. Nếu chất làm mát trong mạch quá nóng và nước trong bể quá nóng, bộ điều khiển sẽ ra lệnh giải phóng nhiệt cho một bộ tản nhiệt thay thế - một bình chứa nước bổ sung hoặc bộ trao đổi nhiệt không khí ngoài trời.
Nếu vào cuối giờ ban ngày, nhiệt độ của nước trong bể chứa vượt quá nhiệt độ của chất làm mát trong mạch thu, thì tự động hóa sẽ ngăn sự lưu thông của chất làm mát dọc theo mạch để nhiệt tích lũy không được giải phóng vào khí quyển qua chính bộ thu. Bộ điều khiển hiện đại cho phép giám sát từ xa hoạt động của hệ thống và, nếu cần, thực hiện điều chỉnh.
Ngày nay, sẽ không khó để tìm thấy một bộ thu năng lượng mặt trời và bất kỳ thành phần nào cần thiết cho hoạt động của nó trên thị trường. Hoàn toàn có thể lắp ráp một hệ thống từ các yếu tố được mua riêng. Tuy nhiên, các nhà sản xuất cung cấp bộ dụng cụ làm sẵn, bao gồm bộ thu, máy bơm, bể chứa, tự động hóa điều khiển, v.v ... Việc mua bộ dụng cụ này không chỉ tiết kiệm thời gian của bạn, mà còn đảm bảo hiệu suất của hệ thống.
