Соларна енергија као алтернативни извор енергије: врсте и карактеристике соларних система

У последњој деценији, соларна енергија као алтернативни извор енергије се све више користи за грејање и снабдевање зграда топлом водом. Главни разлог је жеља да се традиционално гориво замени приступачним, еколошки прихватљивим и обновљивим изворима енергије.

Претварање соларне енергије у топлотну се дешава у соларним системима - дизајн и принцип рада модула одређују специфичности његове примене. У овом материјалу ћемо погледати врсте соларних колектора и принципе њиховог рада, а такође ћемо говорити о популарним моделима соларних модула.

Изводљивост коришћења соларног система

Соларни систем је комплекс за претварање енергије сунчевог зрачења у топлоту, која се затим преноси у измењивач топлоте за загревање расхладне течности система за грејање или водоснабдевање.

Ефикасност соларне термалне инсталације зависи од сунчеве инсолације – количине енергије примљене током једног светлосног сата по 1 квадратном метру површине која се налази под углом од 90° у односу на правац сунчевих зрака. Мерна вредност индикатора је кВ*х/ск.м, вредност параметра варира у зависности од сезоне.

Просечан ниво сунчеве инсолације за регион са умерено-континенталном климом је 1000-1200 кВх/м2 (годишње). Количина сунца је одлучујући параметар за израчунавање перформанси соларног система.

Употреба алтернативног извора енергије вам омогућава да загрејете кућу и добијете топлу воду без традиционалних трошкова енергије - искључиво путем сунчевог зрачења

Инсталација соларног система грејања је скуп подухват. Да би капитални трошкови били оправдани, неопходна је тачна калкулација система и усклађеност са технологијом уградње.

Пример. Просечна вредност соларне инсолације за Тулу средином лета је 4,67 кВ/м2*дан, под условом да је системска плоча постављена под углом од 50°. Продуктивност соларног колектора површине 5 м2 израчунава се на следећи начин: 4,67*4=18,68 кВ топлотне енергије дневно. Ова запремина је довољна за загревање 500 литара воде од 17 °Ц до 45 °Ц.

Као што показује пракса, када користе соларну електрану, власници викендица љети могу у потпуности прећи са електричног или плинског гријања воде на соларну методу

Говорећи о изводљивости увођења нових технологија, важно је узети у обзир техничке карактеристике одређеног соларног колектора. Неки почињу да раде на 80 В/м2 соларне енергије, док је другима потребно 20 В/м2.

Чак иу јужној клими, коришћење колекторског система само за грејање неће се исплатити. Ако се инсталација користи искључиво зими када постоји недостатак сунца, онда трошкови опреме неће бити покривени ни за 15-20 година.

Да би соларни комплекс користио што ефикасније, мора бити укључен у систем за снабдевање топлом водом. Чак и зими, соларни колектор ће вам омогућити да „смањите“ рачуне за енергију за грејање воде и до 40-50%.

Према мишљењу стручњака, за кућну употребу, соларни систем се исплати за отприлике 5 година. Са поскупљењем струје и гаса, период отплате комплекса биће смањен

Поред економских предности, соларно грејање има и додатне предности:

1. Пријатељство животне средине. Емисије угљен-диоксида су смањене. У току године, 1 м2 соларног колектора спречава 350-730 кг отпада да уђе у атмосферу.
2. Естетика. Простор компактног купатила или кухиње може се елиминисати од гломазних котлова или гејзира.
3. Трајност. Произвођачи уверавају да ће, ако се поштује технологија уградње, комплекс трајати око 25-30 година. Многе компаније дају гаранцију до 3 године.

Аргументи против коришћења соларне енергије: изражена сезоналност, зависност од времена и висока почетна улагања.

Општа структура и принцип рада

Хајде да размотримо опцију соларног система са колектором као главним радним елементом система. Изглед уређаја подсећа на металну кутију, чија је предња страна направљена од каљеног стакла. Унутар кутије налази се радни елемент - калем са апсорбером.

Јединица која апсорбује топлоту обезбеђује загревање расхладне течности - циркулишуће течности, преноси произведену топлоту у круг довода воде.

Главне компоненте соларног система: 1 – колекторско поље, 2 – вентилациони отвор, 3 – разводна станица, 4 – резервоар за смањење вишка притиска, 5 – контролер, 6 – резервоар бојлера, 7.8 – грејни елемент и измењивач топлоте, 9 – термо мешајући вентил, 10 – проток топле воде, 11 – улаз хладне воде, 12 – одвод, Т1/Т2 – температурни сензори

Соларни колектор нужно ради у тандему са резервоаром за складиштење. Пошто се расхладна течност загрева на температуру од 90-130°Ц, не може се директно доводити у славине за топлу воду или радијаторе за грејање. Расхладна течност улази у измењивач топлоте котла. Резервоар за складиштење је често допуњен електричним грејачем.

Шема рада:

1. Сунце загрева површину колекционар.
2. Топлотно зрачење се преноси на апсорбујући елемент (апсорбер), који садржи радни флуид.
3. Расхладна течност која циркулише кроз цеви завојнице се загрева.
4. Опрема за пумпање, јединица за контролу и надзор обезбеђује уклањање расхладне течности кроз цевовод до завојнице резервоара за складиштење.
5. Топлота се преноси на воду у котлу.
6. Охлађено расхладно средство тече назад у колектор и циклус се понавља.

Загрејана вода из бојлера се доводи у круг грејања или на тачке за унос воде.

Приликом уградње система грејања или целогодишњег снабдевања топлом водом, систем је опремљен извором додатног грејања (бојлер, електрични грејни елемент). Ово је неопходан услов за одржавање подешене температуре

Соларни панели у приватним кућама најчешће се користе као резервни извор електричне енергије:

Врсте соларних колектора

Без обзира на намену, соларни систем је опремљен равним или сферним цевастим соларним колектором. Свака опција има низ карактеристичних карактеристика у погледу техничких карактеристика и оперативне ефикасности.

Вакум – за хладну и умерену климу

Конструктивно, вакуум соларни колектор подсећа на термос - уске цеви са расхладном течношћу постављене су у боце већег пречника. Између посуда се формира вакуумски слој који је одговоран за топлотну изолацију (задржавање топлоте је до 95%). Цевасти облик је најоптималнији за одржавање вакуума и "заузимање" сунчевих зрака.

Основни елементи цевасте соларне термалне инсталације: носећи оквир, кућиште измењивача топлоте, вакуум стаклене цеви третиране високо селективним премазом за интензивну „апсорпцију“ сунчеве енергије

Унутрашња (топлотна) цев је напуњена физиолошким раствором са ниском тачком кључања (24-25 ° Ц). Када се загреје, течност испарава - пара се подиже до врха боце и загрева расхладну течност која циркулише у телу колектора.

Током процеса кондензације, капи воде теку у врх цеви и процес се понавља.

Захваљујући присуству вакуумског слоја, течност унутар термо бочице може да кључа и испарава на уличним температурама испод нуле (до -35 ° Ц).

Карактеристике соларних модула зависе од следећих критеријума:

• дизајн цеви - перо, коаксијални;
• уређај термалног канала - "Топлотном цеви", циркулација директног тока.

Феатхер боца - стаклена цев која садржи плочасти апсорбер и топлотни канал. Вакуумски слој пролази целом дужином термичког канала.

Коаксијална цев – дупла боца са вакуумским „уметком“ између зидова два резервоара. Пренос топлоте се дешава са унутрашње површине цеви. Врх термоцеви је опремљен индикатором вакуума.

Ефикасност перастих цеви (1) је већа у поређењу са коаксијалним моделима (2). Међутим, први су скупљи и теже се инсталирају. Поред тога, у случају квара, бочица за перје ће се морати потпуно заменити

Канал „Хеат пипе“ је најчешћа опција за пренос топлоте у соларним колекторима.

Механизам деловања се заснива на стављању течности која лако испарава у запечаћене металне цеви.

Популарност "Хеат пипе" је због приступачне цене, лакоће одржавања и могућности одржавања. Због сложености процеса размене топлоте, максимални ниво ефикасности је 65%

Канал директног протока – кроз стаклену тиквицу пролазе паралелне металне цеви повезане у лук у облику слова У

Расхладна течност која тече кроз канал се загрева и доводи у тело колектора.

Опције дизајна вакуумског соларног колектора: 1 – модификација са централном грејном цеви „Хеат пипе“, 2 – соларна инсталација са директним протоком расхладне течности

Коаксијалне и перасте цеви могу се комбиновати са топлотним каналима на различите начине.

Опција 1. Коаксијална боца са "Хеат пипе" је најпопуларније решење. У колектору се понавља пренос топлоте са зидова стаклене цеви на унутрашњу посуду, а затим на расхладну течност. Степен оптичке ефикасности достиже 65%.

Дијаграм дизајна коаксијалне цеви „Хеат пипе“: 1 – стаклена шкољка, 2 – селективни премаз, 3 – метална ребра, 4 – вакуум, 5 – термо боца са супстанцом која се лако кључа, 6 – унутрашња стаклена цев

Опција 2. Коаксијална боца са директном циркулацијом позната је као колектор у облику слова У. Захваљујући дизајну, губитак топлоте је смањен - топлотна енергија из алуминијума се преноси на цеви са циркулишућим расхладним средством.

Поред високе ефикасности (до 75%), модел има недостатке:

• сложеност уградње - тиквице су интегралне са телом двоцевног колектора (маинфолд) и уграђене су у целини;
• замена појединачних цеви је искључена.

Поред тога, јединица у облику слова У захтева расхладну течност и скупља је од модела „Хеат пипе“.

Структура соларног колектора у облику слова У: 1 – стаклени „цилиндар“, 2 – упијајући премаз, 3 – алуминијумски „кућиште“, 4 – боца са расхладном течношћу, 5 – вакуум, 6 – унутрашња стаклена цев

Опција 3. Феатхер пипе са принципом рада "Хеат пипе". Карактеристичне карактеристике колекционара:

• високе оптичке карактеристике - ефикасност од око 77%;
• равни апсорбер директно преноси топлотну енергију на цев расхладне течности;
• због употребе једног слоја стакла смањује се рефлексија сунчевог зрачења;

Могуће је заменити оштећени елемент без испуштања расхладне течности из соларног система.

Опција 4. Перо сијалица са директним протоком је најефикасније средство за коришћење соларне енергије као алтернативног извора енергије за загревање воде или загревање куће. Колектор високих перформанси ради са ефикасношћу од 80%. Недостатак система је тешкоћа поправке.

Пројектне шеме за соларне колекторе: 1 – соларни систем са каналом „Хеат пипе“, 2 – двоцевно кућиште соларног колектора са директним протоком расхладне течности

Без обзира на дизајн, цевасти колектори имају следеће предности:

• перформансе на ниским температурама;
• мали губици топлоте;
• трајање рада током дана;
• способност загревања расхладне течности на високе температуре;
• ниска ветрованост;
• једноставност уградње.

Главни недостатак вакуумских модела је немогућност самочишћења од снежног покривача. Вакумски слој не дозвољава топлоти да прође, тако да се слој снега не топи и блокира приступ сунцу до поља колектора. Додатни недостаци: висока цена и потреба за одржавањем радног угла нагиба боца од најмање 20°.

Колекторски соларни уређаји који загревају расхладну течност ваздуха могу се користити за припрему топле воде ако су опремљени резервоаром за складиштење:

Прочитајте више о принципу рада вакуумског соларног колектора са цевима Даље.

Водјаној - најбоља опција за јужне географске ширине

Равни (панел) соларни колектор је правоугаона алуминијумска плоча прекривена одозго пластичним или стакленим поклопцем. Унутар кутије налази се апсорпционо поље, метални калем и слој топлотне изолације. Подручје колектора је испуњено проточним цевоводом кроз који се расхладна течност креће.

Основне компоненте равног соларног колектора: кућиште, апсорбер, заштитни премаз, термоизолациони слој и причвршћивачи. Приликом монтаже користи се мат стакло са пропусношћу спектралног опсега од 0,4-1,8 микрона

Апсорпција топлоте високо селективног упијајућег премаза достиже 90%. Између „апсорбера“ и топлотне изолације постављен је проточни метални цевовод. Користе се две шеме полагања цеви: „харфа“ и „меандер“.

Процес склапања соларних колектора који загревају расхладну течност укључује низ традиционалних корака:

Ако је круг грејања допуњен водом који доводи санитарну воду до топле воде, има смисла прикључити акумулатор топлоте на соларни колектор. Најједноставнија опција би био резервоар одговарајуће посуде са топлотном изолацијом која може одржавати температуру загрејане воде. Морате га инсталирати на надвожњаку:

Цевасти колектор са течним расхладним средством делује као ефекат „стаклене баште“ - сунчеви зраци продиру кроз стакло и загревају цевовод. Захваљујући непропусности и топлотној изолацији, топлота се задржава унутар панела.

Снага соларног модула је у великој мери одређена материјалом заштитног поклопца:

• обично стакло – најјефтинији и најломљивији премаз;
• напето стакло – висок степен дисперзије светлости и повећана чврстоћа;
• антирефлексно стакло – одликује се максималним капацитетом апсорпције (95%) због присуства слоја који елиминише рефлексију сунчевих зрака;
• самочистеће (поларно) стакло са титанијум диоксидом – органски загађивачи сагоревају на сунцу, а преостали отпад се спира кишом.

Поликарбонатно стакло је најотпорније на ударце. Материјал је уграђен у скупе моделе.

Рефлексија сунчеве светлости и способност апсорпције: 1 – антирефлексни премаз, 2 – каљено стакло отпорно на ударце. Оптимална дебљина заштитног спољашњег омотача је 4 мм

Оперативне и функционалне карактеристике панел соларних инсталација:

• системи са принудном циркулацијом имају функцију одмрзавања која вам омогућава да се брзо ослободите снежног покривача на хелиопољу;
• призматично стакло хвата широк спектар зрака под различитим угловима - лети ефикасност уградње достиже 78-80%;
• колектор се не плаши прегревања - ако постоји вишак топлотне енергије, могуће је присилно хлађење расхладне течности;
• повећана отпорност на ударце у поређењу са цевастим колегама;
• Могућност уградње под било којим углом;
• приступачна политика цена.

Системи нису без недостатака. Током периода недостатка сунчевог зрачења, како се температурна разлика повећава, ефикасност равног соларног колектора значајно опада због недовољне топлотне изолације. Због тога је панелни модул оправдан лети или у регионима са топлом климом.

Соларни системи: карактеристике дизајна и рада

Разноврсност соларних система се може класификовати према следећим параметрима: начин коришћења сунчевог зрачења, начин циркулације расхладне течности, број кругова и сезонски рад.

Активни и пасивни комплекс

Сваки систем за конверзију соларне енергије има соларни пријемник. На основу начина коришћења примљене топлоте разликују се два типа соларних комплекса: пасивни и активни.

Први тип је соларни систем грејања, где конструктивни елементи зграде делују као елемент који апсорбује топлоту сунчевог зрачења. Кров, зид колектора или прозори делују као површина за пријем соларне енергије.

Шема нискотемпературног пасивног соларног система са колекторским зидом: 1 - сунчеви зраци, 2 - прозирни екран, 3 - ваздушна баријера, 4 - загрејани ваздух, 5 - токови издувног ваздуха, 6 - топлотно зрачење из зида, 7 - топлотно апсорбујућа површина зида колектора, 8 – декоративне ролетне

У европским земљама у изградњи енергетски ефикасних зграда користе се пасивне технологије. Соларне површине за пријем су украшене као лажни прозори. Иза стаклене облоге налази се зид од поцрнеле цигле са светлим отворима.

Елементи конструкције - зидови и плафони, изоловани полистиреном споља - делују као акумулатори топлоте.

Активни системи подразумевају употребу независних уређаја који нису повезани са структуром.

У ову категорију спадају горе поменути комплекси са цевастим, равним колекторима - соларне термалне инсталације се обично налазе на крову зграде.

Термосифон и циркулациони системи

Соларна термичка опрема са природним кретањем расхладне течности дуж кола колектор-акумулатор-колектор врши се због конвекције - топла течност мале густине се диже нагоре, охлађена течност тече доле.

У термосифонским системима, резервоар за складиштење се налази изнад колектора, обезбеђујући спонтану циркулацију расхладне течности.

Шема рада је типична за сезонске системе са једним кругом. Термосифонски комплекс се не препоручује за употребу за колекторе са површином већом од 12 квадратних метара.

Соларни систем без притиска има широк спектар недостатака:

• у облачним данима, перформансе комплекса опадају - потребна је велика температурна разлика за кретање расхладне течности;
• губици топлоте због спорог кретања течности;
• ризик од прегревања резервоара због неконтролисаности процеса грејања;
• нестабилност колектора;
• потешкоће у постављању резервоара за складиштење - када се инсталира на кров, повећава се губитак топлоте, убрзавају се процеси корозије, постоји ризик од смрзавања цеви.

Предности „гравитационог“ система: једноставност дизајна и приступачност.

Капитални трошкови уградње циркулационог (присилног) соларног система су знатно већи од уградње комплекса са слободним протоком. Пумпа "сече" у круг, осигуравајући кретање расхладне течности. Радом пумпне станице управља контролер.

Додатна топлотна снага произведена у комплексу принудног ваздуха премашује снагу коју троши опрема за пумпање. Ефикасност система ће се повећати за трећину

Ова метода циркулације се користи у целогодишњим двокружним соларним термалним инсталацијама.

Предности потпуно функционалног комплекса:

• неограничен избор локације резервоара за складиштење;
• перформансе ван сезоне;
• избор оптималног режима грејања;
• сигурност – блокирање рада у случају прегревања.

Недостатак система је зависност од електричне енергије.

Техничко решење кола: једнострука и двокружна

У инсталацијама са једним кругом циркулише течност, која се затим доводи до места за унос воде. Зими се вода из система мора испустити како би се спречило смрзавање и пуцање цеви.

Карактеристике соларних термалних комплекса са једним кругом:

• препоручује се да се систем "пуни" пречишћеном, меком водом - таложење соли на зидовима цеви доводи до зачепљења канала и квара колектора;
• корозија због вишка ваздуха у води;
• ограничен радни век - у року од четири до пет година;
• висока ефикасност током лета.

У соларним комплексима са двоструким кругом циркулише посебна расхладна течност (течност која се не смрзава са адитивима против пене и корозије), која преноси топлоту у воду кроз измењивач топлоте.

Шеме пројектовања једнокружног (1) и двокружног (2) соларног система. Другу опцију карактерише повећана поузданост, способност рада зими и дуг радни век (20-50 година)

Нијансе рада модула са два кола: благи пад ефикасности (3-5% мање него у систему са једним кругом), потреба за потпуном заменом расхладне течности сваких 7 година.

Услови за рад и побољшање ефикасности

Прорачун и уградњу соларног система боље је поверити професионалцима. Усклађеност са техником уградње ће осигурати оперативност и постизање декларисаних перформанси. Да бисте побољшали ефикасност и радни век, потребно је узети у обзир неке нијансе.

Термостатски вентил. У традиционалним системима грејања термостатски елемент ретко се инсталира, јер је генератор топлоте одговоран за регулисање температуре. Међутим, приликом постављања соларног система, не треба заборавити на сигурносни вентил.

Загревање резервоара на максималну дозвољену температуру повећава перформансе колектора и омогућава вам да користите соларну топлоту чак и по облачном времену

Оптимално постављање вентила је 60 цм од грејача. Када се постави близу, „термостат“ се загрева и блокира довод топле воде.

Постављање резервоара за складиштење. Међуспремник ПТВ-а мора бити инсталиран на приступачној локацији. Када се поставља у компактну просторију, посебна пажња се посвећује висини плафона.

Минимални слободни простор изнад резервоара је 60 цм Овај размак је неопходан за сервисирање батерије и замену магнезијумске аноде

Инсталација проширење резервоар. Елемент компензује топлотну експанзију током периода стагнације. Постављање резервоара изнад опреме за пумпање ће изазвати прегревање мембране и њено превремено хабање.

Оптимално место за експанзиони резервоар је испод пумпне групе. Температурни ефекат током ове инсталације је значајно смањен, а мембрана дуже задржава еластичност.

Повезивање соларног круга. Приликом повезивања цеви препоручује се организовање петље. Термална петља смањује губитак топлоте спречавањем ослобађања загрејане течности.

Технички исправна опција за имплементацију "петље" соларног кола. Занемаривање овог захтева доводи до пада температуре у резервоару за 1-2°Ц преко ноћи

Неповратни вентил. Спречава „превртање“ циркулације расхладне течности. Са недостатком сунчеве активности неповратни вентил спречава да се топлота акумулирана током дана расипа.

Популарни модели соларних модула

Тражени су соларни системи домаћих и страних компанија. Производи произвођача стекли су добру репутацију: НПО Масхиностроенииа (Русија), Гелион (Русија), Аристон (Италија), Алтен (Украјина), Виессман (Немачка), Амцор (Израел) итд.

Сунчев систем "Сокол". Раван соларни колектор опремљен вишеслојним оптичким премазом са магнетронским распршивањем. Минимални капацитет емисије и висок ниво апсорпције обезбеђују ефикасност до 80%.

Техничке карактеристике:

• радна температура – ​​до -21 °Ц;
• обрнуто топлотно зрачење – 3-5%;
• горњи слој – каљено стакло (4 мм).

Колекционар СВК-А (Алтен). Вакуумска соларна инсталација са апсорпционом површином од 0,8-2,41 м2 (у зависности од модела). Расхладна течност је пропилен гликол, топлотна изолација бакарног измењивача топлоте од 75 мм минимизира губитак топлоте.

Додатне опције:

• тело – анодизовани алуминијум;
• пречник измењивача топлоте - 38 мм;
• изолација – минерална вуна са антихигроскопном обрадом;
• премаз – боросиликатно стакло 3,3 мм;
• Ефикасност - 98%.

Витосол 100-Ф је раван соларни колектор за хоризонталну или вертикалну уградњу. Бакарни апсорбер са цевастим намотајем у облику харфе и премазом од хелио-титанијума. Пропустљивост светлости – 81%.

Оквирне цене соларних система: равни соларни колектори – од 400 УСД/м2, цевасти соларни колектори – 350 УСД/10 вакум боца. Комплетан сет циркулационог система – од 2500 УСД

Закључци и користан видео на тему

Принцип рада соларних колектора и њихови типови:

Процена перформанси равног колектора на температурама испод нуле:

Технологија уградње панелног соларног колектора на примеру модела Будерус:

Сунчева енергија је обновљив извор топлоте. Узимајући у обзир растуће цене традиционалних енергената, имплементација соларних система оправдава капитална улагања и исплати се у наредних пет година уколико се поштују технике уградње.

Ако имате драгоцене информације које бисте желели да поделите са посетиоцима нашег сајта, оставите своје коментаре у пољу испод чланка. Тамо можете поставити питања о теми чланка или поделити своје искуство коришћења соларних колектора.