Energia solară ca sursă alternativă de energie: scheme

În ultimul deceniu, energia solară, ca sursă alternativă de energie, a fost utilizată din ce în ce mai mult pentru încălzirea și furnizarea de apă caldă pentru clădiri. Principalul motiv este dorința de a înlocui carburanții tradiționali cu resurse de energie accesibile, ecologice și regenerabile.

Conversia energiei solare în căldură are loc în sistemele solare - proiectarea și principiul de funcționare a modulului determină specificul utilizării acestuia.

În acest material, luăm în considerare tipurile de colectoare solare și principiile de funcționare ale acestora, precum și descrierea modelelor populare ale modulelor solare.

Fezabilitatea folosirii sistemelor solare

Heliosystem este un complex pentru transformarea energiei radiației solare în căldură, care este apoi transferată către un schimbător de căldură pentru încălzirea mediului de încălzire al sistemului de încălzire sau a alimentării cu apă.

Eficiența unei instalații termice solare depinde de insolarea solară - cantitatea de energie furnizată pe zi la 1 metru pătrat la un unghi de 90 ° față de direcția razelor solare. Valoarea măsurată a indicatorului este kWh / mp, valoarea parametrului variază în funcție de sezon.

Nivelul mediu de insolare solară pentru regiunea temperat continentală este de 1000-1200 kWh / mp (pe an). Cantitatea de soare este parametrul determinant pentru calculul performanței sistemului solar.

Utilizarea unei surse alternative de energie vă permite să încălziți casa, să faceți apă caldă fără consumul tradițional de energie - exclusiv prin radiația solară.

Instalarea sistemului de încălzire solară este un eveniment scump. Pentru ca cheltuielile de capital să se justifice, este necesar un calcul exact al sistemului și respectarea tehnologiei de instalare.

Un exemplu. Valoarea medie a insolationului solar pentru Tula, în mijlocul verii, este de 4, 67 kV / m2 * zi, cu condiția ca panoul de sistem să fie instalat la un unghi de 50 °. Performanța colectorului solar cu o suprafață de 5 metri pătrați este calculată după cum urmează: 4, 67 * 4 = 18, 68 kW de energie termică pe zi. Acest volum este suficient pentru a încălzi 500 de litri de apă de la o temperatură cuprinsă între 17 ° C și 45 ° C.

După cum arată practica, atunci când se folosește energie solară, proprietarii cabanei în perioada de vară pot trece complet de la încălzirea electrică sau cu gaz de apă la metoda solare

Referindu-se la fezabilitatea introducerii de noi tehnologii, este important să se țină seama de caracteristicile tehnice ale unui anumit colector solar. Unii încep să lucreze la energia solară de 80 W / mp, în timp ce alții sunt suficienți - 20 W / mp.

Chiar și în climatul sudic, utilizarea unui sistem de colectare exclusiv pentru încălzire nu se plătește. Dacă instalația va fi utilizată exclusiv în timpul iernii, cu o lipsă de soare, costul echipamentului nu va fi acoperit timp de 15-20 de ani.

Pentru a utiliza cât mai eficient complexul solar, acesta trebuie inclus în sistemul de alimentare cu apă caldă. Chiar și în timpul iernii, detectorul solar vă va permite să "tăiați" facturile de energie pentru încălzirea apei până la 40-50%.

Potrivit experților, în utilizarea zilnică, sistemul solar se rambursează în aproximativ 5 ani. Odată cu creșterea prețurilor la energie electrică și gaz, perioada de rambursare a complexului va fi redusă

În plus față de beneficiile economice, "încălzirea solară" are avantaje suplimentare:

1. Protecția mediului. Reducerea emisiilor de dioxid de carbon. În cursul anului, 1 mp de colector solar împiedică eliberarea în atmosferă a 350-730 kg de exploatări miniere.
2. Estetica. Spațiul unei băi compacte sau al unei bucătării poate scăpa de cazane voluminoase sau încălzitoare de apă pe gaz.
3. Durabilitate. Producătorii asigură că, în funcție de tehnologia de instalare, complexul va dura aproximativ 25-30 de ani. Multe companii oferă o garanție de până la 3 ani.

Argumente împotriva utilizării energiei solare: sezonalitate pronunțată, dependență de vreme și investiție inițială ridicată.

Dispozitiv general și principiu de funcționare

Luați în considerare opțiunea unui sistem solar cu un colector ca principal element de lucru al sistemului. Aspectul unității seamănă cu o cutie de metal, a cărei față este din sticlă călită. În interiorul cutiei se află corpul de lucru - bobină cu absorbant.

Unitatea de absorbție a căldurii asigură încălzirea lichidului de răcire - lichidul circulant transferă căldura generată în circuitul de alimentare cu apă.

Nodurile principale ale sistemului solar: 1 - câmp colector, 2 - ventilație aer, 3 - stație de distribuție, 4 - rezervor de relief suprapresiune, 5 - regulator, 6 - rezervor încălzitor, 7.8 - PETN și schimbător de căldură, consumul de apă caldă, 11 - admisie de apă rece, 12 - scurgere, T1 / T2 - senzori de temperatură

Colectorul solar funcționează în mod necesar în tandem cu un rezervor de acumulare. Deoarece lichidul de răcire este încălzit la o temperatură de 90-130 ° C, acesta nu poate fi alimentat direct în robinetele de apă caldă sau în radiatoarele de încălzire. Răcirea intră în schimbătorul de căldură al cazanului. Rezervorul de stocare este adesea suplimentat cu un încălzitor electric.

Schema de lucru:

1. Soarele încălzește suprafața colectorului.
2. Radiația de căldură este transmisă elementului absorbant (absorber), care conține fluidul de lucru.
3. Răcirea care circulă prin tuburile de bobină este încălzită.
4. Echipamentele de pompare, o unitate de comandă și monitorizare asigură că lichidul de răcire este descărcat printr-o conductă la bobina rezervorului de stocare.
5. Căldura este transferată în apa din cazan.
6. Lichidul de răcire răcit curge înapoi în colector și ciclul se repetă.

Apa încălzită din încălzitorul de apă este alimentată la circuitul de încălzire sau la punctele de admisie a apei.

La amenajarea sistemului de incalzire sau a alimentarii cu apa calda pe tot parcursul anului, sistemul este finalizat cu o sursa de incalzire suplimentara (boiler, element electric de incalzire). Aceasta este o condiție prealabilă pentru menținerea temperaturii setate.

Soiurile colectoarelor solare

Indiferent de destinație, sistemul solar este completat cu un colector solar tubular plat sau sferic. Fiecare dintre opțiuni are o serie de caracteristici distinctive în ceea ce privește caracteristicile tehnice și eficiența operațională.

Vacuum - pentru climă rece și temperat

Din punct de vedere structural, colectorul solar de vid se aseamănă cu un tub termos - îngust, cu suport de căldură, plasat în baloane cu un diametru mai mare. Se formează un strat de vid între vase, care este responsabil de izolarea termică (păstrarea căldurii este de până la 95%). Forma tubulară este optimă pentru a menține vidul și a "ocupa" razele solare.

Elementele de bază ale unei instalații termice solare tubulare: cadrul suport, carcasa schimbătorului de căldură, tuburile din sticlă vidată, tratate cu un înveliș selectiv înalt pentru "absorbția" intensivă a energiei solare

Tubul intern (termic) este umplut cu o soluție salină cu punct de fierbere scăzut (24-25 ° C). Când este încălzit, lichidul se evaporă - evaporarea se ridică în balon și se încălzește lichidul de răcire care circulă în corpul colectorului.

În procesul de condensare, picăturile de apă curg în vârful tubului și procesul se repetă.

Datorită prezenței unui strat de vid, lichidul din interiorul balonului termic este capabil să fiarbă și să se evapore la minus temperatura exterioară (până la -35 ° C).

Caracteristicile modulelor solare depind de următoarele criterii:

• proiectare tub - stilou, coaxial;
• dispozitivul canalului de căldură - "conductă de încălzire", circulație directă.

Un bec cu pene este un tub din sticlă în care sunt închise un absorber de placă și un canal de căldură. Stratul de vid trece prin toată lungimea canalului de căldură.

Un tub coaxial este un balon dublu cu o "inserție" de vid între pereții a două rezervoare. Transferul de căldură are loc din interiorul tubului. Vârful tubului de încălzire este echipat cu un indicator de vid.

Eficiența tuburilor de pene (1) este mai mare comparativ cu modelele coaxiale (2). Cu toate acestea, primul este mai scump și mai greu de instalat. În plus, în cazul unei defecțiuni, sticla completă trebuie complet schimbată.

Canalul "Teava de căldură" este cea mai comună variantă a transferului de căldură în colectoarele solare.

Mecanismul de acțiune se bazează pe plasarea lichidului volatil în tuburile metalice închise.

Popularitatea "conductei de căldură" se datorează costurilor sale accesibile, mentenanței și mentenabilității nepretențioase. Datorită complexității procesului de schimb de căldură, nivelul maxim de eficiență este de 65%

Canalul in-line - tuburile metalice paralele sunt conectate printr-un balon de sticlă, fiind conectate într-un arc în formă de U.

Răcirea, care curge prin canal, este încălzită și alimentată pe corpul colectorului.

Modele de proiectare a colectoarelor solare: 1 - modificare cu o conductă centrală de încălzire "Conductă de încălzire", 2 - sistem solar cu circulație directă a agentului de răcire

Tuburile coaxiale și de pene pot fi combinate cu canalele de căldură în diferite moduri.

Opțiunea 1. Balon coaxial cu "conductă de încălzire" - soluția cea mai populară. În colector, există un transfer repetat de căldură din pereții tubului de sticlă în balonul interior și apoi la lichidul de răcire. Gradul de eficiență optică atinge 65%.

Diagrama dispozitivului tubulatura coaxială "Țeavă de căldură": 1 - sticlă din sticlă, 2 - înveliș selectiv, 3 - aripioare metalice, 4 - vid, 5 - termoizolant cu substanță fierbinte,

Opțiunea 2. Balonul coaxial cu circulație directă este cunoscut sub numele de colector în formă de U. Datorită designului, pierderile de căldură sunt reduse - energia termică din aluminiu este transferată în tuburi cu agent de răcire circulant.

Odată cu eficiența ridicată (până la 75%), modelul are dezavantaje:

• complexitatea instalatiei - baloanele sunt una cu corpul colector cu doua țevi (mainfold) si sunt instalate in intregime;
• înlocuirea unui singur tub este exclusă.

În plus, unitatea în formă de U este solicitantă pentru lichidul de răcire și modelele mai scumpe de "căldură".

Dispozitivul colectorului solar în formă de U: 1 "cilindru" din sticlă, 2 straturi de absorbție, 3 "acoperire" din aluminiu, 4 - cu suport pentru căldură, 5 - vid, 6 -

Opțiunea 3. Tub de fântână cu principiul de acțiune "Conductă de încălzire". Trăsături distinctive ale colectorului:

• performanță optică ridicată - eficiență de aproximativ 77%;
• un absorbant plin direct transmite energie termică la tub cu agent de răcire;
• datorită utilizării unui singur strat de sticlă redus de reflexie a radiației solare;

Este posibil să înlocuiți un element deteriorat fără a scurge lichidul de răcire din sistemul solar.

Opțiunea 4. Flaconul cu penetrare directă este instrumentul cel mai eficient pentru utilizarea energiei solare ca sursă alternativă de energie pentru încălzirea apei sau pentru încălzirea unei locuințe. Colectorul de înaltă performanță funcționează cu eficiență - 80%. Lipsa unui sistem este dificultatea reparării.

Diagrame ale dispozitivului de colectare a panourilor solare: 1 - heliosisteme cu canal de "căldură", 2 - cu două tuburi de colector solar cu mișcare directă a căldurii

Indiferent de tuburile de performanță, diversele au următoarele avantaje:

• performanță la temperaturi scăzute;
• pierdere redusă de căldură;
• durata de funcționare în timpul zilei;
• capacitatea de a încălzi lichidul de răcire la temperaturi ridicate;
• vânt scăzut;
• instalare ușoară

Principalul dezavantaj al modelelor cu vid este imposibilitatea autocurățării de pe acoperirea cu zăpadă. Stratul de vid nu lasă căldura, astfel încât stratul de zăpadă nu se topește și împiedică accesul soarelui la câmpul colector. Dezavantaje suplimentare: preț ridicat și necesitatea de a respecta unghiul de lucru al baloanelor de cel puțin 20 °.

Mai multe detalii despre principiul de funcționare al unui colector solar cu tuburi citite mai departe.

Apa - cea mai bună opțiune pentru latitudinile sudice

Colector solar plat (panou) - o placă de aluminiu dreptunghiulară, închisă pe partea superioară cu un capac din plastic sau de sticlă. În interiorul cutiei se află un câmp de absorbție, o bobină metalică și un strat de izolare termică. Zona colectorului este umplută cu o conductă prin care curge lichidul de răcire.

Componentele de bază ale unui heliocollector plat sunt: corpul, absorbantul, stratul de protecție, stratul termoizolant și dispozitivele de fixare. La asamblare se folosește un pahar maturat cu o lățime de bandă spectrală de 0, 4-1, 8 microni

Absorbția de căldură a acoperirii absorbante foarte selective atinge 90%. Conducta metalică care curge este situată între "absorber" și izolarea termică. Se folosesc două modele de așezare: "harpă" și "meander".

Un colector tubular cu lichid de răcire acționează ca un efect de seră - razele soarelui pătrund prin sticlă și încălzesc conducta. Din cauza etanșeității și a izolației termice, căldura este reținută în interiorul panoului.

Rezistența modulului solar este în mare măsură determinată de materialul capacului de protecție:

• sticla obișnuită - stratul cel mai ieftin și mai fragil;
• sticlă călită - un grad ridicat de împrăștiere a luminii și o rezistență sporită;
• sticlă antireflex - are o capacitate maximă de absorbție (95%) datorită prezenței unui strat care elimină reflexia razelor solare;
• sticla autocurătoare (polară) cu dioxid de titan - poluarea organică se arde la soare și reziduurile de gunoi sunt spălate de ploaie.

Impactul cel mai durabil suflă din sticlă din policarbonat. Materialul este instalat în modele scumpe.

Reflecția razelor solare și a absorbției: 1 - înveliș antireflexiv, 2 - sticlă rezistentă la impact. Grosimea optimă a carcasei de protecție - 4 mm

Caracteristicile funcționale și funcționale ale sistemelor solare panou:

• în sistemele de circulație forțată, este prevăzută o funcție de decongelare, care vă permite să scăpați rapid de capacul de zăpadă de pe Heliopolis;
• sticla prismatică captează o gamă largă de raze în diferite unghiuri - în timpul verii, eficiența instalației ajunge la 78-80%;
• colectorul nu se teme de supraîncălzire - cu un exces de energie termică, este posibilă răcirea forțată a agentului de răcire;
• rezistență sporită la impact în comparație cu omologii tubulari;
• posibilitate de montare sub orice unghi;
• o politică de prețuri accesibilă.

Sistemele nu sunt fără defecte. În perioada de deficiență a radiației solare, pe măsură ce diferența de temperatură crește, eficiența unui colector solar plat scade semnificativ datorită izolației insuficiente. Prin urmare, modulul panoului se justifică în vara sau în regiunile cu climat cald.

Heliosystems: caracteristici de proiectare și operare

Varietatea sistemelor solare poate fi clasificată în funcție de astfel de parametri: metoda de utilizare a radiației solare, metoda de circulație a agentului de răcire, numărul de circuite și sezonalitatea funcționării.

Complex activ și pasiv

În orice sistem de conversie a energiei solare este prevăzut un receptor solar. Pe baza metodei de utilizare a căldurii obținute, există două tipuri de heliocomplexe: pasive și active.

Primul tip este sistemul de încălzire solară, în care elementele structurale ale clădirii acționează ca element de absorbție a căldurii al radiației solare. Acoperișul, colectorul de perete sau ferestrele acționează ca o suprafață de primire solară.

Schema sistemelor solare pasive cu temperatură joasă cu un colector de perete: 1 - razele solare, 2 - un ecran translucid, 3 - o barieră aeriană, 4 - aerul încălzit, 5 - fluxurile de aer uzat, 6 - radiația căldurii de pe perete, 8 - jaluzele decorative

În țările europene, tehnologiile pasive sunt utilizate în construcția de clădiri eficiente din punct de vedere energetic. Suprafețele de primire solară sunt decorate cu ferestre false. În spatele stratului de sticlă se află un perete din cărămidă încastrat cu orificii.

Deoarece acumulatorii de căldură reprezintă elementele structurii - pereții și podelele izolate cu polistiren din exterior.

Sistemele active implică utilizarea unor dispozitive independente care nu sunt legate de structură.

Complexele menționate mai sus cu colectoare tubulare și plate intră în această categorie - instalațiile solare termice, de regulă, sunt situate pe acoperișul unei clădiri.

Thermosifon și sisteme de circulație

Echipamentele solare termice cu mișcare naturală a lichidului de răcire de-a lungul circuitului colector-baterie-colector sunt realizate prin convecție - un lichid cald cu o creștere a densității scăzute, un lichid răcit curge în jos.

În sistemele de termosifon, rezervorul de stocare este amplasat deasupra colectorului, asigurând circulația spontană a agentului de răcire.

Schema de lucru este specifică sistemelor sezoniere cu un singur circuit. Complexul Thermosyphon nu este recomandat pentru colectorii cu o suprafață mai mare de 12 mp

Heliosistemul cu flux liber are o gamă largă de dezavantaje:

• în zilele tulbure, capacitatea complexului scade - este necesară o diferență mare de temperatură pentru a mișca lichidul de răcire;
• pierderea de căldură datorată mișcării lente a fluidului;
• riscul supraîncălzirii rezervorului datorită necontrolabilității procesului de încălzire;
• instabilitatea rezervoarelor;
• complexitatea amplasării rezervorului de baterii - atunci când este montat pe acoperiș crește pierderile de căldură, accelerează procesele corozive, există riscul de a îngheța tuburile.

Плюсы «гравитационной» системы: простота конструкции и ценовая доступность.

Капитальные затраты на обустройство циркуляционной (принудительной) гелиосистемы значительно выше установки безнапорного комплекса. В контур «врезается» насос, обеспечивающий движения теплоносителя. Работа насосной станции управляется контролером.

Дополнительная тепловая мощность, вырабатываемая в принудительном комплексе, превышает мощность, потребляемую насосным оборудованием. Эффективность системы возрастет на треть

Такой способ циркуляции задействован в круглогодичных двухконтурных гелиотермических установках.

Плюсы полнофункционального комплекса:

• неограниченный выбор месторасположения аккумулирующего бака;
• работоспособность вне сезона;
• выбор оптимального режима нагрева;
• безопасность – блокировка работы при перегреве.

Недостаток системы – зависимость от электроэнергии.

Техническое решение схем: одно – и двухконтурные

В одноконтурных установках циркулирует жидкость, которая впоследствии подается к водозаборным точкам. В зимний период воду с системы надо сливать, чтоб предупредить замерзание и растрескивание труб.

Особенности одноконтурных гелиотермических комплексов:

• рекомендована «заправка» системы очищенной нежесткой водой – оседание солей на стенках труб приводит к засорению каналов и поломке коллектора;
• коррозия из-за избытка воздуха в воде;
• ограниченный срок службы – в пределах четырех-пяти лет;
• высокий КПД летом.

В двухконтурных гелиокомплексах циркулирует специальный теплоноситель (незамерзающая жидкость с противовспенивающими и антикоррозийными добавками), отдающий тепло воде через теплообменник.

Схемы устройства одноконтурной (1) и двухконтурной (2) гелиосистемы. Второй вариант отличается повышенной надежностью, возможностью работы зимой и длительностью эксплуатации (20-50 лет)

Нюансы эксплуатации двухконтурного модуля: незначительное снижение КПД (на 3-5% меньше чем в одноконтурной системе), необходимость полной замены теплоносителя каждые 7 лет.

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте. При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков.

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Подсоединение гелиоконтура. При подключении труб рекомендуется организовать петлю. «Термопетля» сокращает теплопотери, препятствуя выходу разогретой жидкости.

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. При недостатке солнечной активности обратный клапан не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Популярные модели «солнечных» модулей

Спросом пользуются гелиосистемы отечественных и зарубежных компаний. Хорошую репутацию завоевали изделия производителей: НПО Машиностроения (Россия), Гелион (Россия), Ariston (Италия), Альтен (Украина), Viessman (Германия), Amcor (Израиль) и др.

Гелиосистема «Сокол». Плоский гелиоколлектор, оснащенный многослойным оптическим покрытием с магнитронным напылением. Минимальная способность излучения и высокий уровень поглощения обеспечивают КПД до 80%.

Эксплуатационные характеристики:

• рабочая температура – до -21 °С;
• обратное излучение тепла – 3-5%;
• верхний слой – закаленное стекло (4 мм).

Коллектор СВК-А (Альтен). Вакуумная гелиоустановка с площадью абсорбции 0, 8-2, 41 кв.м (зависимо от модели). Теплоноситель – пропиленгликоль, теплоизоляция медного теплообменника в 75 мм минимизирует теплопотери.

Дополнительные параметры:

• корпус – анодированный алюминий;
• диаметр теплообменника – 38 мм;
• изоляция – минвата с антигигроскопичной обработкой;
• покрытие – боросиликатное стекло 3, 3 мм;
• КПД – 98%.

Vitosol 100-F – плоский гелиоколлектор горизонтального или вертикального монтажа. Медный абсорбер с арфообразным трубчатым змеевиком и гелиотитановым покрытием. Пропускание света – 81%.

Ориентировочный порядок цен на гелиосистемы: плоские гелиоколлекторы – от 400 у.е./кв.м, трубчатые солнечные коллекторы – 350 у.е./10 вакуумных колб. Полный комплект циркуляционной системы – от 2500 у.е.

Concluzii și video util pe această temă

Принцип действия солнечных коллекторов и их виды:

Оценка работоспособности плоского коллектора при минусовой температуре:

Технология монтажа панельного гелиоколлектора на примере модели Buderus:

Солнечная энергия – восполняемый источник получения тепла. С учетом роста цен на традиционные энергоресурсы внедрение гелиосистем оправдывает капитальные инвестиции и окупается в ближайшие пять лет при соблюдении техники монтажа.

Если у вас есть ценные сведения которыми вы хотите поделиться с посетителями нашего сайта, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке под статьей. Там же можно задать интересующие вопросы по теме статьи или поделиться опытом использования солнечных коллекторов.