Слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия: видове и характеристики на слънчевите системи

През последното десетилетие слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия все повече се използва за отопление и осигуряване на сгради с топла вода. Основната причина е желанието да се заменят традиционните горива с достъпни, екологични и възобновяеми енергийни източници.

Преобразуването на слънчевата енергия в топлина се случва в слънчевите системи - дизайнът и принципът на работа на модула определят спецификите на неговото приложение. В този материал ще разгледаме видовете слънчеви колектори и принципите на тяхното функциониране, както и ще говорим за популярните модели слънчеви модули.

Възможността за използване на слънчева система

Хелиосистема - комплекс за преобразуване на слънчевата радиация в топлина, който впоследствие се прехвърля в топлообменник, за да загрява отоплителната среда на отоплителна система или водоснабдяване.

Ефективността на слънчевата топлинна инсталация зависи от слънчевата инсолация - количеството енергия, доставено по време на една дневна светлина на 1 квадратен метър повърхност, разположена под ъгъл 90 ° спрямо насочеността на слънчевата светлина. Измерената стойност на индикатора е kW * h / кв.м, стойността на параметъра варира в зависимост от сезона.

Средното ниво на слънчева инсулация за района на умерено континентален климат е 1000-1200 кВтч / кв.м (годишно). Количеството слънце е определящ параметър за изчисляване на работата на слънчевата система.

Използването на алтернативен източник на енергия ви позволява да отоплявате къщата, да получавате топла вода без традиционните енергийни разходи - изключително чрез слънчева радиация

Инсталирането на слънчева отоплителна система е скъпо начинание. За да се изплащат капиталовите разходи, е необходимо точно изчисляване на системата и спазване на технологията за монтаж.

Пример. Средната стойност на слънчевата инсулация за Тула в средата на лятото е 4,67 kV / кв.м * ден, при условие че системният панел е инсталиран под ъгъл 50 °. Капацитетът на слънчевия колектор от 5 квадратни метра се изчислява, както следва: 4,67 * 4 = 18,68 kW топлина на ден. Този обем е достатъчен за загряване на 500 литра вода от температура от 17 ° C до 45 ° C.

Както показва практиката, когато използват слънчева инсталация, собствениците на вилата през лятото могат напълно да преминат от електрическо или газово отопление към слънчевия метод

Говорейки за възможностите за въвеждане на нови технологии, е важно да се вземат предвид техническите характеристики на конкретен слънчев колектор. Някои започват да работят при 80 W / кв.м слънчева енергия, докато други се нуждаят само от 20 W / кв.м.

Дори в южен климат използването на колекторна система изключително за отопление няма да се изплати. Ако инсталацията ще се използва изключително през зимата с недостиг на слънце, тогава разходите за оборудване няма да бъдат покрити за 15-20 години.

За да използвате хелиокомплекса възможно най-ефективно, той трябва да бъде включен в системата за подаване на топла вода. Дори и през зимата слънчевият колектор ще ви позволи да "намалите" сметките за енергия за отопление на водата до 40-50%.

Според експерти, с вътрешна употреба, слънчевата система се изплаща за около 5 години. С повишаването на цените за електричество и газ периодът на изплащане на комплекса ще бъде намален

В допълнение към икономическите ползи, „слънчевото отопление“ има и допълнителни предимства:

1. Екологичност. Емисиите на въглероден диоксид са намалени. За година 1 квадратен метър от слънчевия колектор предотвратява навлизането на 350-730 кг минно дело в атмосферата.
2. Естетика. Пространството на компактна вана или кухня може да бъде елиминирано от обемисти котли или гейзери.
3. Дълготрайност. Производителите твърдят, че при спазване на технологията за монтаж комплексът ще издържи около 25-30 години. Много компании предоставят гаранция до 3 години.

Аргументи срещу използването на слънчева енергия: изразена сезонност, атмосферна зависимост и високи първоначални инвестиции.

Общ режим и принцип на действие

Разгледайте слънчевата система с колектор като основен работен елемент на системата. Външният вид на устройството наподобява метална кутия, предната страна на която е от закалено стъкло. Вътре в кутията има работно тяло - намотка с абсорбатор.

Топлопоглъщащият блок осигурява загряване на топлоносителя - циркулиращата течност, предава генерираната топлина във водоснабдителната верига.

Основните компоненти на хелиосистемата: 1 - колекторно поле, 2 - вентилационен отвор, 3 - разпределителна станция, 4 - резервоар за намаляване на налягането, 5 - контролер, 6 - бойлер, 7.8 - нагревателен елемент и топлообменник, 9 - вентил за смесване на топлина, 10 - консумация на топла вода, 11 - прием на студена вода, 12 - изпускане, T1 / T2 - температурни датчици

Слънчевият колектор трябва да работи в тандем с резервоар за съхранение. Тъй като охлаждащата течност се нагрява до температура 90-130 ° C, тя не може да се подава директно към кранове за топла вода или радиатори за отопление. Топлоносителят влиза в топлообменника на котела. Резервоарът за съхранение често се допълва от електрически нагревател.

Схема на работа:

1. Слънцето загрява повърхността колектор.
2. Топлинното излъчване се предава на абсорбиращия елемент (абсорбер), който съдържа работната течност.
3. Топлоносителят, циркулиращ през тръбите на намотката, се нагрява.
4. Помпено оборудване, блок за контрол и наблюдение осигуряват извеждането на охлаждащата течност през тръбопровода до намотката на резервоара за съхранение.
5. Топлината се прехвърля във водата в котела.
6. Охладената охлаждаща течност се връща обратно към колектора и цикълът се повтаря.

Загрятата вода от бойлера се подава към отоплителния кръг или до точките за прием на вода.

Когато организирате отоплителна система или целогодишно захранване с гореща вода, системата е снабдена с източник на допълнително отопление (бойлер, електрически нагревател). Това е предпоставка за поддържане на зададената температура.

Слънчевите панели при подреждането на частни къщи най-често се използват като резервен източник на електроенергия:

Сортове на слънчеви колектори

Независимо от целта, слънчевата система е оборудвана с плосък или сферичен тръбен слънчев колектор. Всяка от опциите има редица отличителни характеристики по отношение на техническите характеристики и експлоатационната ефективност.

Вакуум - за студен и умерен климат

Конструктивно вакуумен слънчев колектор наподобява термос - тесни тръби с охлаждаща течност се поставят в колби с по-голям диаметър. Между съдовете се образува вакуум слой, който е отговорен за топлоизолацията (запазване на топлината - до 95%). Тръбната форма е най-оптимална за поддържане на вакуума и "заемане" на слънчевите лъчи.

Основни елементи на тръбна соларна термична инсталация: носеща рамка, корпус на топлообменника, вакуумни стъклени тръби, обработени със силно селективно покритие за интензивно "усвояване" на слънчевата енергия

Вътрешната (топлинна) тръба се пълни с физиологичен разтвор с ниска точка на кипене (24-25 ° C). При нагряване течността се изпарява - парата се издига нагоре в колбата и загрява охлаждащата течност, циркулираща в тялото на колектора.

В процеса на кондензация водни капчици се вливат в върха на тръбата и процесът се повтаря.

Поради наличието на вакуум слой, течността вътре в крушката може да кипи и да се изпарява при минус улична температура (до -35 ° С).

Характеристиките на слънчевите модули зависят от такива критерии:

• дизайн на тръбата - перо, коаксиален;
• устройство за топлинен канал - "Топлинна тръба"циркулация с директен поток.

Перо крушка - стъклена тръба, в която са затворени плоча абсорбатор и топлинен канал. Вакуумният слой преминава по цялата дължина на топлинния канал.

Коаксиална тръба - двойна колба с вакуумна "вложка" между стените на два резервоара. Топлината се предава от вътрешността на тръбата. Върхът на термотрупата е снабден с вакуум индикатор.

Ефективността на перовите тръби (1) е по-висока в сравнение с коаксиалните модели (2). Първите обаче са по-скъпи и по-трудни за инсталиране. Освен това, в случай на повреда, колбата на писалката ще трябва да бъде заменена изцяло.

Каналът на топлинната тръба е най-често срещаният вариант на пренос на топлина в слънчеви колектори.

Механизмът на действие се основава на поставянето на летлива течност в запечатани метални тръби.

Популярността на „Топлопровод“ се дължи на достъпна цена, непретенциозност на обслужването и поддръжка. Поради сложността на процеса на топлообмен, максималното ниво на ефективност е 65%

Канал с директен поток - паралелни метални тръби, свързани в U-образна дъга, преминават през стъклена колба

Топлоносителят, преминаващ през канала, се нагрява и подава към тялото на колектора.

Варианти за проектиране на вакуумен слънчев колектор: 1 - модификация с тръба за централно отопление „Топлинна тръба“, 2 - соларна инсталация с циркулация на директния поток на охлаждащата течност

Коаксиалните и перови тръби могат да се комбинират с топлинни канали по различни начини.

Вариант 1 Коаксиална колба с "Топлинна тръба" е най-популярното решение. В колектора топлината многократно се прехвърля от стените на стъклената тръба във вътрешната колба, а след това към охлаждащата течност. Степента на оптична ефективност достига 65%.

Схемата на коаксиалната тръба „Топлинна тръба”: 1 - обвивка от стъкло, 2 - селективно покритие, 3 - метални перки, 4 - вакуум, 5 - крушка с леко врящо вещество, 6 - вътрешна стъклена тръба

Вариант 2 Коаксиалната колба с директен поток е известна като U-образен колектор. Благодарение на дизайна се намаляват топлинните загуби - топлинната енергия от алуминий се прехвърля в тръбите с циркулираща охлаждаща течност.

Наред с високата ефективност (до 75%), моделът има и недостатъци:

• сложност на монтажа - колбите са едно цяло с двутръбно тяло на колектора (основно) и се инсталират като цяло;
• изключва се подмяна на една тръба

В допълнение, U-образната единица е взискателна към охлаждащата течност и по-скъпа от моделите „Топлинна тръба“.

Устройството на U-образния слънчев колектор: 1 - стъклен "цилиндър", 2 - абсорбиращо покритие, 3 - алуминиев "капак", 4 - колба с охлаждаща течност, 5 - вакуум, 6 - вътрешна стъклена тръба

Вариант 3 Перо тръба с принципа на действие "Топлинна тръба". Отличителни характеристики на колектора:

• високи оптични характеристики - ефективност от около 77%;
• плосък абсорбер директно предава топлинната енергия в тръбата за пренос на топлина;
• чрез използването на един слой стъкло се намалява отражението на слънчевата радиация;

Възможно е да се замени повреден елемент без източване на охлаждащата течност от слънчевата система.

Вариант 4 Фонтаната колба с директен поток е най-ефективният инструмент за използване на слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия за отопление на вода или отопление на домовете. Високопроизводителният колектор работи с ефективност от 80%. Недостатъкът на системата е трудността на ремонта.

Схеми на устройството на пера от слънчеви колектори: 1 - слънчева система с канал "Топлопровод", 2 - двутръбен корпус на слънчев колектор с движение на директния поток на охлаждащата течност

Независимо от дизайна, тръбните колектори имат следните предимства:

• ниска температура;
• ниски загуби на топлина;
• продължителност на функционирането през деня;
• способността да загрява охлаждащата течност до високи температури;
• ниска печалба;
• лекота на инсталиране.

Основният недостатък на вакуумните модели е невъзможността за самопочистване от снежна покривка. Вакуумният слой не изпуска топлина, следователно снежният слой не се топи и блокира достъпа на слънцето до колекторното поле. Допълнителни недостатъци: висока цена и необходимост от спазване на работния ъгъл на колбата най-малко 20 °.

Слънчевите колектори, които загряват въздушната охлаждаща течност, могат да се използват при приготвянето на топла вода, ако са оборудвани с резервоар за съхранение:

Прочетете повече за принципа на работа на вакуумен слънчев колектор с тръби. още.

Водата - най-добрият вариант за южните ширини

Плосък (панелен) слънчев колектор - правоъгълна алуминиева плоча, затворена отгоре с пластмасов или стъклен капак. Вътре в кутията има абсорбиращо поле, метална намотка и слой топлоизолация. Зоната на колектора е запълнена с поточна линия, през която се движи охлаждащата течност.

Основните компоненти на плосък слънчев колектор: корпус, абсорбатор, защитно покритие, топлоизолационен слой и крепежни елементи. При сглобяването се използва матирано стъкло с пропускливост на спектралния диапазон 0,4-1,8 микрона.

Поглъщането на топлина на силно селективно абсорбиращо покритие достига 90%. Между „абсорбатора“ и топлоизолацията се поставя течаща метална тръба. Използват се две схеми за полагане на тръби: „арфа“ и „меандър“.

Процесът на сглобяване на слънчеви колектори, които загряват течната охлаждаща течност, включва редица традиционни стъпки:

Ако отоплителният кръг се допълни от линия, подаваща санитарна вода към захранването с топла вода, има смисъл да свържете акумулатор на топлина към слънчевия колектор. Най-простият вариант ще бъде резервоар с подходящ капацитет с топлоизолация, способен да поддържа температурата на загрятата вода. Той трябва да бъде инсталиран на прелеза:

Тръбният колектор с течна охлаждаща течност действа като ефект на "парник" - слънчевите лъчи проникват през стъклото и затоплят тръбопровода. Благодарение на стегнатостта и топлоизолацията, топлината се задържа вътре в панела.

Силата на слънчевия модул се определя до голяма степен от материала на защитния капак:

• обикновена чаша - най-евтиното и крехко покритие;
• закалено стъкло - висока степен на разсейване на светлината и повишена якост;
• антирефлекторно стъкло - се различава в максималната абсорбираща способност (95%) поради наличието на слой, елиминиращ отразяването на слънчевите лъчи;
• самопочистващо се (полярно) стъкло с титанов диоксид - органичното замърсяване изгаря на слънце, а остатъците от боклука се измиват от дъжд.

Поликарбонатното стъкло е най-устойчивото на удар. Материалът е инсталиран в скъпи модели.

Отражение на слънчева светлина и абсорбция: 1 - антирефлекторно покритие, 2 - закалено удароустойчиво стъкло. Оптималната дебелина на защитната външна обвивка е 4 мм

Оперативни и функционални характеристики на слънчевите панели:

• в системите за принудителна циркулация е предвидена функция за размразяване, която ви позволява бързо да се отървете от снежната покривка на хелиопол;
• призматичното стъкло набира широк спектър от лъчи под различни ъгли - през лятото ефективността на инсталацията достига 78-80%;
• колекторът не се страхува от прегряване - с излишък от топлинна енергия е възможно принудително охлаждане на охлаждащата течност;
• повишена устойчивост на удар в сравнение с тръбните колеги;
• способността да се монтира под всякакъв ъгъл;
• достъпни цени.

Системите не са без недостатъци. По време на недостиг на слънчева радиация, тъй като температурната разлика се увеличава, ефективността на плосък слънчев колектор намалява значително поради недостатъчната топлоизолация. Следователно панелният модул се изплаща през лятото или в региони с топъл климат.

Heliosystems: конструктивни и експлоатационни характеристики

Разнообразието от слънчеви системи може да бъде класифицирано по следните параметри: методът на използване на слънчевата радиация, методът на циркулация на охлаждащата течност, броя на веригите и сезонността на работа.

Активен и пасивен комплекс

Във всяка система за преобразуване на слънчева енергия е осигурен слънчев колектор. Въз основа на метода за използване на получената топлина се разграничават два вида хелиокомплекси: пасивни и активни.

Първият сорт е слънчевата отоплителна система, където структурните елементи на сградата действат като топлопоглъщащ елемент на слънчевата радиация. Покривът, колекторната стена или прозорците действат като повърхност, приемаща хелий.

Схема на пасивна слънчева система с ниска температура със стена на колектора: 1 - лъчи на слънцето, 2 - полупрозрачен екран, 3 - въздушна бариера, 4 - нагрят въздух, 5 - потоци от отработен въздух, 6 - топлинна радиация от стената, 7 - повърхност, поглъщаща топлината на стената на колектора, 8 - декоративни щори

В европейските страни пасивните технологии се използват при изграждането на енергийно ефективни сгради. Получаващите хелио повърхности декорират под фалшиви прозорци. Зад стъкленото покритие е почернена тухлена стена с леки отвори.

Топлинните акумулатори са структурни елементи - стени и подове, изолирани от полистирол отвън.

Активните системи включват използването на независими устройства, които не са свързани с конструкцията.

По-горе разглежданите комплекси с тръбни, плоски колектори попадат в тази категория - слънчевите топлинни инсталации, като правило, се поставят на покрива на сграда

Термосифонни и циркулационни системи

Слънчевото топлинно оборудване с естественото движение на охлаждащата течност по веригата колектор-акумулатор-колектор се осъществява чрез конвекция - топла течност с ниска плътност се издига нагоре, охладената течност тече надолу.

В термосифонните системи резервоарът за съхранение е разположен над колектора, осигуряващ спонтанна циркулация на охлаждащата течност.

Схемата на работа е характерна за едноконтурните сезонни системи. Термосифонният комплекс не се препоръчва за колектори с площ над 12 кв.м

Слънчевата система без налягане има широк списък от недостатъци:

• в облачни дни работата на комплекса намалява - необходима е голяма температурна разлика за движението на топлоносителя
• загуба на топлина поради бавно движение на течности;
• рискът от прегряване на резервоара поради неконтролируемостта на отоплителния процес;
• нестабилност на колектора;
• трудността при поставянето на резервоара за акумулатора - когато се монтира на покрива, топлинните загуби се увеличават, корозионните процеси се ускоряват, съществува риск от замръзване на тръбите.

Предимства на „гравитационната“ система: простота на дизайна и достъпна цена.

Капиталовите разходи за организиране на циркулационна (принудителна) слънчева система са значително по-големи от инсталирането на комплекс без налягане. Помпа се срива във веригата, осигурявайки движение на охлаждащата течност. Работата на помпената станция се контролира от контролера.

Допълнителната топлинна енергия, генерирана в принудителния комплекс, надвишава консумираната мощност от помпено оборудване. Ефективността на системата ще се увеличи с една трета

Този метод на циркулация се използва в целогодишните двуконтурни слънчеви топлинни инсталации.

Плюсове на напълно функционален комплекс:

• неограничен избор на местоположението на резервоара за съхранение;
• извънсезонно изпълнение;
• избор на оптимален режим на отопление;
• операция за блокиране на безопасността по време на прегряване.

Недостатъкът на системата е зависимостта й от електричество.

Схеми за техническо решение: едно - и двойна верига

В инсталациите с едно съединение течността циркулира, която впоследствие се подава към точките за прием на вода. През зимата водата от системата трябва да се източва, за да се предотврати замръзване и напукване на тръбите.

Характеристики на едноконтурни слънчеви топлинни комплекси:

• Препоръчва се „зареждане с гориво“ на системата с пречистена нетвърда вода - утаяването на солта по стените на тръбата води до запушване на канали и счупване на колектора;
• корозия поради излишък на въздух във водата;
• ограничен експлоатационен живот - в рамките на четири до пет години;
• висока ефективност през лятото.

В соларните комплекси с две вериги циркулира специална охлаждаща течност (незамръзваща течност с добавки против пенообразуване и антикорозия), която предава топлина на водата през топлообменника.

Едносхема (1) и двойна верига (2) хелиосистема. Вторият вариант се характеризира с повишена надеждност, способност за работа през зимата и продължителност на работа (20-50 години)

Нюансите на работа с модул с две вериги: леко понижение на ефективността (с 3-5% по-малко, отколкото в едно-верижна система), необходимостта от пълна подмяна на охлаждащата течност на всеки 7 години.

Условия за работа и повишаване на ефективността

Изчисляването и инсталирането на слънчевата система е най-добре поверено на професионалисти. Спазването на инсталационната техника ще осигури оперативност и постигане на декларираната производителност. За да се подобри ефективността и експлоатационния живот, трябва да се вземат предвид някои нюанси.

Термостатичен клапан. В традиционните отоплителни системи термостатичен елемент рядко се монтира, тъй като топлинният генератор е отговорен за регулирането на температурата. При оборудването на слънчевата система обаче не трябва да се забравя предпазният клапан.

Загряването на резервоара до максимално допустимата температура увеличава производителността на колектора и позволява използването на слънчева топлина дори при облачно време.

Оптимално поставяне на клапана - 60 см от нагревателя. В непосредствена близост термостатът се загрява и блокира потока гореща вода.

Поставяне на резервоара за съхранение. Капацитетът на буферната вода трябва да бъде инсталиран на достъпно място. Когато се поставят в компактно помещение, се обръща специално внимание на височината на таваните.

Минималното свободно пространство над резервоара е 60 см. Тази празнина е необходима за поддържане на батерията и замяна на магнезиевия анод.

монтаж разширителен съд. Елементът компенсира топлинното разширение по време на застоя. Поставянето на резервоара над помпеното оборудване ще провокира прегряване на мембраната и преждевременното й износване.

Най-доброто място за разширителния резервоар е под помпата. Температурният ефект по време на тази инсталация е значително намален, а мембраната запазва еластичността си по-дълго

Слънчева връзка. Когато свързвате тръби, се препоръчва да организирате контур. "Thermo Loop" намалява топлинните загуби, предотвратявайки отделянето на нагрята течност.

Технически правилна версия на реализацията на „контура“ хелиоконтур. Пренебрегването на изискването води до понижаване на температурата в резервоара за съхранение с 1-2 ° C на нощ

Възвратен клапан. Предотвратява "преобръщане" на циркулацията на охлаждащата течност. С липса на слънчева активност възвратен клапан предотвратява натрупването на топлина през деня.

Популярни модели на "слънчеви" модули

Хелиосистемите на местни и чуждестранни компании са в търсенето.Продуктите на производители са спечелили добра репутация: NPO Mashinostroeniya (Русия), Helion (Русия), Ariston (Италия), Alten (Украйна), Viessman (Германия), Amcor (Израел) и др.

Слънчева система "Сокол". Плосък слънчев колектор, оборудван с многослойно оптично покритие с магнетронно разпрашване. Минималната радиационна способност и високото ниво на абсорбция осигуряват ефективност до 80%.

Характеристики на изпълнение:

• работна температура - до -21 ° С;
• обратна топлинна радиация - 3-5%;
• горен слой - закалено стъкло (4 мм).

Колектор SVK-A (Alten). Вакуумна слънчева инсталация с абсорбционна площ от 0,8-2,41 кв.м (в зависимост от модела). Топлинният носител е пропилен гликол, топлоизолацията на 75 мм меден топлообменник минимизира топлинните загуби.

Допълнителни опции:

• калъф - анодизиран алуминий;
• диаметър на топлообменника - 38 мм;
• изолация - минерална вата с антихигроскопична обработка;
• покритие - боросиликатно стъкло 3.3 мм;
• Ефективност - 98%.

Vitosol 100-F - плосък слънчев колектор за хоризонтален или вертикален монтаж. Меден абсорбатор с тръбна серпентина с форма на арфа и хелиотитно покритие. Пропускане на светлина - 81%.

Приблизителният ред на цените за слънчевите системи: плоски слънчеви колектори - от 400 куб / кв.м, тръбни слънчеви колектори - 350 куб. / 10 вакуумни колби. Пълен комплект циркулационна система - от 2500 куб

Изводи и полезно видео по темата

Принципът на работа на слънчевите колектори и техните видове:

Оценка на работата на плосък колектор при минусови температури:

Технология за монтиране на колектор за слънчеви панели, използвайки модела Buderus като пример:

Слънчевата енергия е възобновяем източник на топлина. Като се има предвид увеличението на цените на традиционните енергийни ресурси, въвеждането на слънчеви системи оправдава капиталовите инвестиции и се изплаща през следващите пет години, при спазване на техники за монтаж.

Ако имате ценна информация, която искате да споделите с посетителите на нашия сайт, моля, оставете коментарите си в блока под статията. Там можете да зададете интересни въпроси по темата на статията или да споделите опита от използването на слънчеви колектори.