27.09.2019
Systemy ogrzewania słonecznego to systemy wykorzystujące promieniowanie słoneczne jako źródło energii cieplnej. Ich charakterystyczna różnica w stosunku do innych systemów ogrzewanie niskotemperaturowe jest zastosowanie specjalnego elementu - odbiornika słonecznego przeznaczonego do wychwytywania promieniowania słonecznego i przekształcania go w energia cieplna.
Ze względu na sposób wykorzystania promieniowania słonecznego niskotemperaturowe systemy grzewcze dzieli się na pasywne i aktywne.
Bierny nazywane są solarnymi systemami grzewczymi, w których sam budynek lub jego poszczególne ogrodzenia (budynek-kolektor, ściana-kolektor, dach-kolektor, rysunek 1) służą jako element odbierający promieniowanie słoneczne i zamieniający je na ciepło.
W pasywnych systemach fotowoltaicznych wykorzystanie energii słonecznej odbywa się wyłącznie dzięki rozwiązaniom architektoniczno-konstrukcyjnym budynków.
W pasywnym systemie słonecznego niskotemperaturowego ogrzewania budynku-kolektora promieniowanie słoneczne, przenikając przez otwory świetlne do pomieszczenia, wpada niejako w pułapkę cieplną. Krótkofalowe promieniowanie słoneczne przechodzi swobodnie szyba i dostając się na wewnętrzne ogrodzenia pomieszczenia, zamienia się w ciepło. Całe promieniowanie słoneczne, które dostaje się do pomieszczenia, jest w nim zamieniane na ciepło i jest w stanie je częściowo lub całkowicie zrekompensować. strata ciepła.
Dla zwiększenia efektywności układu budynek-kolektor, na elewacji południowej umieszczono otwory doświetlające o dużej powierzchni, zaopatrując je w żaluzje, które po zamknięciu powinny zapobiegać stratom z przeciwpromieniowaniem w ciemności i podczas upałów, w połączeniu z innymi urządzeniami chroniącymi przed słońcem, przegrzaniem pomieszczenia. Wewnętrzne powierzchnie są pomalowane na ciemne kolory.
Zadaniem obliczeń dla tej metody ogrzewania jest określenie wymaganej powierzchni otworów świetlnych, aby przepuszczać do pomieszczenia strumień promieniowania słonecznego, co jest niezbędne, biorąc pod uwagę akumulację, do kompensacji strat ciepła. Z reguły wydajność pasywnego systemu budynek-kolektor w okresie zimowym jest niewystarczająca iw budynku instaluje się dodatkowe źródło ciepła, zamieniając system w kombinowany. W tym przypadku ekonomicznie opłacalne powierzchnie otworów świetlnych i moc dodatkowego źródła ciepła określa się obliczeniowo.
Pasywny system solarny niskotemperaturowego ogrzewania powietrza „ścienny-kolektor” obejmuje masywną zewnętrzna ściana, przed którym w niewielkiej odległości zainstalowany jest promiennik z żaluzjami. Szczelinowe otwory z zaworami rozmieszczone są przy podłodze i pod sufitem w ścianie. Promienie słoneczne, przechodząc przez ekran promiennika, są pochłaniane przez powierzchnię masywnej ściany i zamieniane na ciepło, które jest przekazywane przez konwekcję do powietrza znajdującego się w przestrzeni między ekranem a ścianą. Powietrze nagrzewa się i unosi, wpadając przez szczelinę pod sufitem do obsługiwanego pomieszczenia, a jego miejsce zajmuje schłodzone powietrze z pomieszczenia, które wnika w przestrzeń między ścianą a ekranem przez szczelinę przy podłodze pokój. Dopływ ogrzanego powietrza do pomieszczenia reguluje się otwierając zawór. Jeśli zawór jest zamknięty, ciepło gromadzi się w masywie ściany. Ciepło to może być odebrane przez konwekcyjny przepływ powietrza poprzez otwarcie zaworu w nocy lub przy pochmurnej pogodzie.
Przy obliczaniu takiego pasywnego niskotemperaturowego słonecznego systemu ogrzewania powietrza określa się wymaganą powierzchnię ściany. System ten jest również powielany przez dodatkowe źródło ciepła.
aktywny nazywane są solarnymi niskotemperaturowymi systemami grzewczymi, w których kolektor słoneczny jest niezależnym, odrębnym urządzeniem niezwiązanym z budynkiem. Aktywne systemy słoneczne można podzielić na:
W aktywnych instalacjach solarnych stosowane są dwa rodzaje odbiorników słonecznych: koncentracyjne i płaskie.
Powietrze jest szeroko stosowanym czynnikiem chłodzącym, który nie zamarza w całym zakresie parametrów pracy. W przypadku zastosowania jako nośnik ciepła istnieje możliwość łączenia systemów ogrzewania z systemem wentylacji. Jednak powietrze jest nośnikiem ciepła o małej pojemności cieplnej, co prowadzi do wzrostu zużycia metalu do instalacji systemów ogrzewania powietrznego w porównaniu z systemami wodnymi. Woda jest ciepłochłonnym i powszechnie dostępnym czynnikiem chłodzącym. Jednak przy temperaturach poniżej 0 ◦ C konieczne jest dodanie do niego płynu niezamarzającego. Ponadto należy wziąć pod uwagę, że woda nasycona tlenem powoduje korozję rurociągów i aparatury. Jednak zużycie metalu w wodnych systemach fotowoltaicznych jest znacznie mniejsze, co w dużej mierze przyczynia się do ich szerszego wykorzystania.
Sezonowe systemy solarne do ciepłej wody użytkowej są zazwyczaj jednoobwodowe i pracują w miesiącach letnich i przejściowych, w okresach z dodatnimi temperaturami zewnętrznymi. Mogą posiadać dodatkowe źródło ciepła lub obejść się bez niego, w zależności od przeznaczenia obsługiwanego obiektu i warunków eksploatacji.
Solarna instalacja podgrzewania wody SVU (rysunek 2) składa się z kolektor słoneczny i wymiennik ciepła-akumulator. W kolektorze słonecznym krąży czynnik chłodzący (płyn niezamarzający). Czynnik chłodniczy ogrzewany jest w kolektorze słonecznym energią słoneczną, a następnie oddaje energię cieplną wodzie poprzez wymiennik ciepła wbudowany w zasobnik. Zasobnik przechowuje ciepłą wodę do momentu jej zużycia, dlatego musi być dobrze zaizolowany. W obiegu pierwotnym, w którym znajduje się kolektor słoneczny, można zastosować naturalny lub wymuszony obieg chłodziwa. W zasobniku można zainstalować elektryczną lub inną automatyczną grzałkę dodatkową. Jeśli temperatura w zasobniku spadnie poniżej ustawionej wartości (długie zachmurzenie lub niewielka liczba godzin nasłonecznienia w zimie), grzałka BUH automatycznie włącza się i podgrzewa wodę do ustawionej temperatury.
Systemy solarne do ogrzewania budynków są zazwyczaj dwuobwodowe lub najczęściej wieloobwodowe, a do różnych obiegów można stosować różne nośniki ciepła (np. powietrze w obiegu odbiorczym). Zespolone całoroczne systemy solarne do zaopatrywania budynków w ciepło i chłód są wieloobwodowe i zawierają dodatkowe źródło ciepła w postaci tradycyjnego generatora ciepła na paliwo organiczne lub transformatora ciepła. Schemat ideowy słonecznej instalacji grzewczej przedstawiono na rysunku 3. Obejmuje ona trzy obiegi cyrkulacyjne:
System ogrzewania słonecznego działa w następujący sposób. Czynnik chłodniczy (środek przeciw zamarzaniu) obwodu odbierającego ciepło, ogrzewany w kolektorach słonecznych 1, wchodzi do wymiennika ciepła 3, gdzie ciepło płynu przeciw zamarzaniu jest przekazywane do wody krążącej w przestrzeni pierścieniowej wymiennika ciepła 3 pod działaniem pompy 8 obiegu wtórnego. Ogrzana woda wpływa do zasobnika 2. Woda jest pobierana ze zasobnika przez pompę dostarczającą ciepłą wodę 8, doprowadzana w razie potrzeby do wymaganej temperatury w podwajaczu 7 i wchodzi do systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę budynku. Zbiornik akumulatora jest ładowany z sieci wodociągowej. W celu ogrzewania woda ze zbiornika 2 jest dostarczana przez pompę trzeciego obwodu 8 do grzejnika 5, przez który powietrze przepływa za pomocą wentylatora 9 i po podgrzaniu wchodzi do budynku 4. W przypadku braku nasłonecznienia lub braku energii cieplnej generowanej przez kolektory słoneczne włącza się podwajacz pracy 6. Dobór i rozmieszczenie elementów instalacji solarnej każdorazowo uwarunkowany jest czynnikami klimatycznymi, przeznaczeniem obiektu, tryb zużycia ciepła i wskaźniki ekonomiczne.
Na rysunku 4 przedstawiono schemat słonecznej instalacji grzewczej dla energooszczędnego, przyjaznego dla środowiska domu.
System wykorzystuje jako nośnik ciepła: wodę o temperaturze dodatniej i środek przeciw zamarzaniu w okresie grzewczym (obieg solarny), wodę (drugi obieg ogrzewania podłogowego) i powietrze (trzeci powietrzny obieg grzewczy solarny).
Jako rezerwowe źródło wykorzystano kocioł elektryczny, a do akumulacji ciepła na jedną dobę służy akumulator o pojemności 5 m 3 z dyszą kamykową. Jeden metr sześcienny kamyków akumuluje średnio 5 MJ ciepła dziennie.
Niskotemperaturowe zasobniki ciepła obejmują zakres temperatur od 30 do 100 ◦C i są stosowane w systemach ogrzewania powietrznego (30 ◦) i wodnego (30–90 ◦ C) oraz ciepłej wody użytkowej (45–60 ◦ C).
System magazynowania ciepła z reguły zawiera zbiornik, materiał magazynujący ciepło, za pomocą którego odbywa się gromadzenie i magazynowanie energii cieplnej, urządzenia do wymiany ciepła do dostarczania i odprowadzania ciepła podczas ładowania i rozładowywania akumulatora oraz izolacja cieplna.
Baterie można podzielić ze względu na charakter procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w materiałach akumulujących ciepło:
Najszerzej stosowane akumulatory ciepła są typu pojemnościowego.
Ilość ciepła Q (kJ), którą można zgromadzić w pojemnościowym akumulatorze ciepła, określa wzór
Najbardziej efektywnym materiałem magazynującym ciepło w płynnych systemach solarnych jest woda. Do sezonowej akumulacji ciepła obiecujące jest wykorzystanie podziemnych zbiorników, gleby skalnej i innych naturalnych formacji.
Koncentrujące odbiorniki słoneczne to zwierciadła sferyczne lub paraboliczne (rys. 5.), wykonane z polerowanego metalu, w ognisku których umieszczony jest element odbierający ciepło (kocioł słoneczny), przez który krąży czynnik chłodzący. Jako nośnik ciepła stosuje się wodę lub płyny niezamarzające. W przypadku używania wody jako nośnika ciepła w nocy iw okresach chłodów należy opróżnić instalację, aby nie dopuścić do jej zamarznięcia.
Aby zapewnić wysoką efektywność procesu wychwytywania i przetwarzania promieniowania słonecznego, skupiający odbiornik słoneczny musi być stale skierowany ściśle na Słońce. W tym celu odbiornik słoneczny wyposażony jest w układ śledzenia, w skład którego wchodzi czujnik kierunku słońca, układ elektronicznego przetwarzania sygnału, silnik elektryczny z przekładnią do obracania konstrukcji odbiornika słonecznego w dwóch płaszczyznach.
Zaletą systemów z koncentratorami solarnymi jest możliwość wytwarzania ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze (do 100◦C), a nawet pary wodnej. Wady obejmują wysoki koszt budowy; potrzeba ciągłego czyszczenia powierzchni odblaskowych z kurzu; pracować tylko w ciągu dnia, a zatem potrzeba dużych baterii; wysokie energochłonność napędu układu śledzenia ruchu Słońca, współmierna do generowanej energii. Te mankamenty utrudniają powszechne stosowanie aktywnych niskotemperaturowych słonecznych systemów grzewczych z koncentracyjnymi odbiornikami słonecznymi. W Ostatnio najczęściej do słonecznych niskotemperaturowych systemów grzewczych stosuje się płaskie kolektory słoneczne.
Płaski kolektor słoneczny to wymiennik ciepła przeznaczony do ogrzewania cieczy lub gazu za pomocą energii słonecznej. Zakres stosowania płaskich kolektorów słonecznych to instalacje grzewcze budynków mieszkalnych i przemysłowych, instalacje klimatyzacyjne, instalacje ciepłej wody użytkowej, a także elektrownie z niskowrzącym płynem roboczym, zwykle pracujące według cyklu Rankine'a. Płaskie kolektory słoneczne (zdjęcia 6 i 7) składają się z osłony szklanej lub plastikowej (pojedynczej, podwójnej, potrójnej), panelu pochłaniającego ciepło od strony słonecznej pomalowanego na kolor czarny, izolacji na Odwrotna strona i korpusu (metal, plastik, szkło, drewno).
Jako panel odbierający ciepło możesz użyć dowolnego arkusza metalu lub tworzywa sztucznego z kanałami na chłodziwo. Panele odbierające ciepło wykonane są z aluminium lub stali w dwóch rodzajach: blacha-rura i panele tłoczone (rura w blasze). Plastikowe panele ze względu na kruchość i szybkie starzenie się pod wpływem światła słonecznego, a także ze względu na niską przewodność cieplną, nie są szeroko stosowane. Pod wpływem promieniowania słonecznego panele odbierające ciepło nagrzewają się do temperatur 70–80 ◦ C, przekraczających temperaturę środowisko, co prowadzi do wzrostu konwekcyjnego przekazywania ciepła przez panel do otoczenia i jego własnego promieniowania do nieba. Aby osiągnąć wyższe temperatury chłodziwa, powierzchnia płytki jest pokryta spektralnie selektywnymi warstwami, które aktywnie pochłaniają krótkofalowe promieniowanie Słońca i redukują własne promieniowanie cieplne w długofalowej części widma. Takie konstrukcje oparte na „czarnym niklu”, „czarnym chromie”, tlenku miedzi na aluminium, tlenku miedzi na miedzi i innych są drogie (ich koszt jest często współmierny do kosztu samego panelu odbierającego ciepło). Innym sposobem na poprawę wydajności kolektorów płaskich jest wytworzenie próżni pomiędzy panelem pochłaniającym ciepło a przezroczystą izolacją w celu zmniejszenia strat ciepła (kolektory słoneczne czwartej generacji).
Zasada działania kolektora polega na tym, że odbiera on promieniowanie słoneczne z odpowiednio wysokim współczynnikiem pochłaniania światła widzialnego i ma stosunkowo niewielkie straty ciepła, m.in. szklana pokrywa dla promieniowania cieplnego w temperaturze roboczej. Oczywiste jest, że temperatura powstałego chłodziwa zależy od bilansu cieplnego kolektora. Elementem wejściowym wagi jest strumień ciepła promieniowania słonecznego z uwzględnieniem sprawności optycznej kolektora; część wydatkowa jest określana przez kwotę podlegającą zwrotowi ciepło użytkowe, całkowity współczynnik strat ciepła oraz różnica między temperaturą pracy a otoczeniem. O doskonałości kolektora decyduje jego sprawność optyczna i termiczna.
Sprawność optyczna ηо pokazuje, jaka część promieniowania słonecznego, która dotarła do powierzchni oszklenia kolektora, jest pochłaniana przez czarną powierzchnię pochłaniającą promieniowanie i uwzględnia straty energii związane z absorpcją w szkle, odbiciem i różnicą promieniowania cieplnego współczynnik powierzchni pochłaniającej od jedności.
Najprostszy kolektor słoneczny z pojedynczą szklaną powłoką transparentną, izolacją pozostałych powierzchni pianką poliuretanową i absorberem pokrytym czarną farbą ma sprawność optyczną około 85%, a współczynnik strat ciepła około 5–6 W/(m 2 K ) (Rys. 7). Połączenie płaskiej powierzchni pochłaniającej promienie i rur (kanałów) dla chłodziwa tworzy jedną całość element konstrukcyjny- pochłaniacz. Taki kolektor latem na średnich szerokościach geograficznych może podgrzać wodę do temperatury 55-60 ◦C i ma średnią dzienną wydajność 70-80 litrów wody na 1 m2 powierzchni ogrzewacza.
W celu uzyskania wyższych temperatur stosuje się kolektory rurowe próżniowe z powłoką selektywną (rysunek 8).
W kolektorze próżniowym przestrzeń zawierająca czarną powierzchnię pochłaniającą promieniowanie słoneczne jest oddzielona od otoczenia przestrzenią ewakuowaną (każdy element absorbera umieszczony jest w osobnej szklanej rurce, wewnątrz której wytwarzana jest próżnia), co umożliwia prawie całkowicie wyeliminować straty ciepła do otoczenia na skutek przewodnictwa cieplnego i konwekcji. Straty promieniowania są w dużej mierze tłumione przez zastosowanie selektywnej powłoki. W kolektorze próżniowym chłodziwo można podgrzać do temperatury 120–150 ◦C. Sprawność kolektora próżniowego jest znacznie wyższa niż kolektora płaskiego, ale jest też znacznie droższa.
Sprawność instalacji fotowoltaicznych w dużej mierze zależy od właściwości optycznych powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne. Aby zminimalizować straty energii, konieczne jest, aby w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma słonecznego współczynnik absorpcji tej powierzchni był jak najbardziej zbliżony do jedności, a w zakresie długości fal własnego promieniowania cieplnego powierzchni współczynnik odbicia powinien dążyć do jedności. Powierzchnia musi więc mieć właściwości selektywne – dobrze jest absorbować promieniowanie krótkofalowe i dobrze odbijać promieniowanie długofalowe.
Ze względu na rodzaj mechanizmu odpowiedzialnego za selektywność właściwości optycznych wyróżnia się cztery grupy powłok selektywnych:
Niewielka liczba ma własną selektywność właściwości optycznych. znane materiały, na przykład W, Cu2S, HfC.
Najbardziej rozpowszechnione są dwuwarstwowe powłoki selektywne. Warstwę o wysokim współczynniku odbicia w obszarze długofalowym widma, taką jak miedź, nikiel, molibden, srebro i aluminium, nakłada się na powierzchnię, której należy nadać właściwości selektywne. Na wierzch tej warstwy nakładana jest warstwa, która jest przezroczysta w obszarze długich fal, ale ma wysoki współczynnik absorpcji w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma. Wiele tlenków ma takie właściwości.
Selektywność powierzchni mogą zapewnić czynniki czysto geometryczne: nieregularności powierzchni muszą być większe niż długość fali światła w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma oraz mniejsze niż długość fali odpowiadająca własnemu promieniowaniu termicznemu powierzchni. Taka powierzchnia dla pierwszego z tych obszarów widmowych będzie czarna, a dla drugiego - lustro.
Selektywne właściwości posiadają powierzchnie o strukturze dendrytycznej lub porowatej z odpowiednią wielkością igieł dendrytycznych lub porów.
Powierzchnie selektywne dla zakłóceń są utworzone przez kilka przerywanych warstw metalu i dielektryka, w których promieniowanie krótkofalowe jest tłumione w wyniku interferencji, a promieniowanie długofalowe jest swobodnie odbijane.
Według IEA do końca 2001 roku łączna powierzchnia zainstalowanych kolektorów w 26 najbardziej aktywnych pod tym względem krajach wynosiła około 100 mln m 2 , z czego 27,7 mln m basenów. Resztę - kolektory płaskie przeszklone i kolektory z rurkami próżniowymi - stosowano w instalacjach ciepłej wody użytkowej lub do ogrzewania pomieszczeń. Liderami pod względem liczby zainstalowanych kolektorów na 1000 mieszkańców są Izrael (608 m2), Grecja (298) i Austria (220). Za nimi plasują się Turcja, Japonia, Australia, Dania i Niemcy z określoną powierzchnią zainstalowanych kolektorów 118-45 m 2 /1000 mieszkańców.
Łączna powierzchnia kolektorów słonecznych zainstalowanych do końca 2004 roku w UE osiągnęła 13,96 mln m2, a na świecie przekroczyła już 150 mln m2. Roczny wzrost powierzchni kolektorów słonecznych w Europie wynosi średnio 12%, aw niektórych krajach kształtuje się na poziomie 28-30% lub więcej. Światowym liderem pod względem liczby kolektorów na tysiąc mieszkańców jest Cypr, gdzie 90% domów wyposażonych jest w instalacje fotowoltaiczne (na tysiąc mieszkańców przypada 615,7 m 2 kolektorów słonecznych), a następnie Izrael, Grecja i Austria. Absolutnym liderem pod względem powierzchni zainstalowanych kolektorów w Europie są Niemcy – 47%, następnie Grecja – 14%, Austria – 12%, Hiszpania – 6%, Włochy – 4%, Francja – 3%. Kraje europejskie są niekwestionowanymi liderami w rozwoju nowych technologii solarnych systemów grzewczych, ale daleko im do Chin pod względem uruchamiania nowych instalacji fotowoltaicznych.
Z całkowitej powierzchni kolektorów słonecznych zainstalowanych na świecie w 2004 roku 78% zainstalowano w Chinach. Rynek IED w Chinach rośnie w ostatnim czasie w tempie 28% rocznie.
W 2007 roku łączna powierzchnia kolektorów słonecznych zainstalowanych na świecie wyniosła już 200 mln m2, w tym ponad 20 mln m2 w Europie.
Obecnie na rynku światowym koszt urządzenia IED (rys. 9), w skład którego wchodzi kolektor o powierzchni 5–6 m 2 , zbiornik magazynowy o pojemności około 300 litrów oraz niezbędna armatura, wynosi 300– 400 USD za 1 m2 kolektora. Takie systemy instalowane są głównie w domach jednorodzinnych jedno i dwurodzinnych i posiadają grzałkę rezerwową (elektryczną lub gazową). Gdy zbiornik magazynowy jest zainstalowany nad kolektorem, system może pracować na obiegu naturalnym (zasada termosyfonu); podczas instalowania zbiornika magazynowego w piwnicy - na wymuszonym.
W praktyce światowej najbardziej rozpowszechnione są małe systemy ogrzewania słonecznego. Z reguły takie systemy obejmują kolektory słoneczne o łącznej powierzchni 2-8 m2, zbiornik magazynowy, którego pojemność jest określona przez powierzchnię zainstalowanych kolektorów, pompa obiegowa(w zależności od rodzaju obwodu termicznego) i innych urządzeń pomocniczych.
Systemy aktywne duży rozmiar, w których zasobnik umieszczony jest pod kolektorami, a obieg czynnika chłodniczego odbywa się za pomocą pompy, wykorzystywane są na potrzeby zaopatrzenia w ciepłą wodę i ogrzewania. Z reguły w systemach aktywnych, zajmujących się pokryciem części obciążenia grzewczego, zapewnione jest rezerwowe źródło ciepła, zasilane energią elektryczną lub gazem.
Stosunkowo nowym zjawiskiem w praktyce wykorzystania ogrzewania słonecznego są duże systemy, które mogą zaspokoić potrzeby ciepłej wody użytkowej i ogrzewania budynki mieszkalne lub całe obszary mieszkalne. W takich systemach zapewnione jest dobowe lub sezonowe magazynowanie ciepła. Akumulacja dobowa implikuje możliwość eksploatacji systemu przy zużyciu ciepła skumulowanego w ciągu kilku dni, sezonowo - przez kilka miesięcy. Do sezonowego magazynowania ciepła wykorzystywane są duże podziemne zbiorniki wypełnione wodą, do których odprowadzany jest cały nadmiar ciepła odbieranego z kolektorów w okresie letnim. Inną opcją akumulacji sezonowej jest ogrzewanie gruntu za pomocą studni z rurami, przez które krąży ciepła woda z kolektorów.
W tabeli 1 przedstawiono główne parametry dużych instalacji fotowoltaicznych z dobowym i sezonowym magazynowaniem ciepła w porównaniu z małą instalacją fotowoltaiczną dla domu jednorodzinnego.
Tabela 1. - Główne parametry słonecznych systemów grzewczych Obecnie w Europie pracuje 10 instalacji solarnych o powierzchni kolektorów od 2400 do 8040 m 2 , 22 instalacje o powierzchni kolektorów od 1000 do 1250 m 2 oraz 25 instalacji o powierzchni kolektorów od 500 do 1000 m 2 . Poniżej znajdują się specyfikacje niektórych większych systemów.
Hamburg, Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu to 14800 m 2 . Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 3000 m 2 . Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 4500 m 3 .
Friedrichshafen (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń to 33000 m 2 . Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 4050 m 2 . Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 12000 m 3 .
Ulm-am-Neckar (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń to 25000 m 2 . Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 5300 m 2 . Objętość gruntowego akumulatora ciepła wynosi 63400 m 3 .
Rostock (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń to 7000 m 2 . Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 1000 m2. Objętość gruntowego akumulatora ciepła wynosi 20000 m 3 .
Hemnitza (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu to 4680 m 2 . Powierzchnia próżniowych kolektorów słonecznych wynosi 540 m 2 . Pojemność żwirowo-wodnego akumulatora ciepła wynosi 8000 m 3 .
Attenkirchen (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu to 4500 m 2 . Powierzchnia próżniowych kolektorów słonecznych wynosi 800 m 2 . Objętość gruntowego akumulatora ciepła wynosi 9850 m 3 .
Saro (Szwecja). System składa się z 10 małych domów, w tym 48 mieszkań. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 740 m 2 . Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 640 m 3 . System solarny pokrywa 35% całkowitego obciążenia cieplnego systemu grzewczego.
Obecnie w Rosji istnieje kilka firm, które produkują kolektory słoneczne nadające się do niezawodnej pracy. Głównymi z nich są Kovrov Mechanical Plant, NPO Mashinostroenie i CJSC ALTEN.
Kolektory Zakładów Mechanicznych Kovrov (Ryc. 10), które nie mają powłoki selektywnej, są tanie i proste w konstrukcji i są głównie zorientowane na rynek krajowy. W Terytorium Krasnodarskie obecnie zainstalowanych jest ponad 1500 kolektorów tego typu.
Kolekcjoner NPO Mashinostroeniya jest zbliżony do standardów europejskich pod względem właściwości. Absorber kolektora wykonany jest ze stopu aluminium z selektywną powłoką i jest przeznaczony głównie do pracy w dwuobwodowych systemach grzewczych, ponieważ bezpośredni kontakt wody z stopy aluminium może prowadzić do korozji wżerowej kanałów, przez które przepływa płyn chłodzący.
Kolektor ALTEN-1 ma całkowicie nową konstrukcję i spełnia normy europejskie, może być stosowany zarówno w jedno-, jak i dwuprzewodowych schematach zaopatrzenia w ciepło. Kolektor charakteryzuje się wysoką wydajnością cieplną, szeroki zasięg możliwe zastosowania, lekki i atrakcyjny design.
Doświadczenie w eksploatacji instalacji opartych na kolektorach słonecznych ujawniło szereg wad takich systemów. Przede wszystkim jest to wysoki koszt kolektorów związany z nakładaniem powłok selektywnych, zwiększających przejrzystość przeszkleń, odkurzaniem itp. Istotną wadą jest konieczność częstego czyszczenia szkła z kurzu, co praktycznie wyklucza zastosowanie kolektora w przemyśle obszary. Podczas długotrwałej eksploatacji kolektorów słonecznych, zwłaszcza w warunkach zimowych, dochodzi do częstych ich awarii z powodu nierównomiernego rozszerzania się oświetlonych i ciemnych obszarów szkła w wyniku naruszenia integralności oszklenia. Występuje również duży odsetek awarii kolektorów podczas transportu i instalacji. Istotną wadą systemów z kolektorami jest również nierównomierność obciążenia w ciągu roku i dnia. Doświadczenia z eksploatacji kolektorów w warunkach Europy i europejskiej części Rosji przy wysokim udziale promieniowania rozproszonego (do 50%) wykazały niemożność stworzenia całorocznej System autonomiczny zaopatrzenie w ciepłą wodę i ogrzewanie. Wszystkie systemy solarne z kolektorami słonecznymi na średnich szerokościach geograficznych wymagają instalacji dużych zbiorników magazynowych oraz włączenia do systemu dodatkowego źródła energii, co zmniejsza efekt ekonomiczny ich użytkowania. Z tego względu najbardziej celowe jest ich stosowanie w miejscach o dużym natężeniu promieniowania słonecznego (nie mniejszym niż 300 W/m2).
w mieszkaniach i budynki administracyjne energia słoneczna wykorzystywana jest głównie w postaci ciepła do zaspokojenia potrzeb ciepłej wody użytkowej, ogrzewania, chłodzenia, wentylacji, suszenia itp.
Wykorzystanie ciepła słonecznego punkt ekonomiczny z punktu widzenia najkorzystniejsze jest przy tworzeniu systemów zaopatrzenia w ciepłą wodę oraz w zbliżonych do nich pod względem technicznym instalacjach do podgrzewania wody (w basenach, urządzeniach przemysłowych). Zaopatrzenie w ciepłą wodę jest niezbędne w każdym budynku mieszkalnym, a ponieważ zapotrzebowanie na ciepłą wodę zmienia się stosunkowo niewiele w ciągu roku, takie instalacje są bardzo wydajne i szybko się zwracają.
W przypadku słonecznych systemów grzewczych okres ich użytkowania w ciągu roku jest krótki, w okresie grzewczym intensywność promieniowania słonecznego jest niewielka, a co za tym idzie, powierzchnia kolektorów jest znacznie większa niż w systemach zaopatrzenia w ciepłą wodę, a efektywność ekonomiczna jest niżej. Zwykle przy projektowaniu łączą system ogrzewania słonecznego i zaopatrzenia w ciepłą wodę.
W systemach chłodzenia słonecznego okres eksploatacji jest jeszcze krótszy (trzy miesiące letnie), co prowadzi do długich przestojów urządzeń i bardzo niskiego stopnia wykorzystania. Biorąc pod uwagę wysoki koszt sprzętu chłodzącego, ekonomiczna efektywność systemów staje się minimalna.
Roczny stopień wykorzystania urządzeń w połączonych systemach ogrzewania i chłodzenia (ciepła woda, ogrzewanie i chłodzenie) jest najwyższy, a systemy te na pierwszy rzut oka są bardziej opłacalne niż połączone systemy ogrzewania i ciepłej wody. Jeśli jednak weźmie się pod uwagę koszt wymaganych kolektorów słonecznych i mechanizmów układu chłodzenia, okazuje się, że takie instalacje fotowoltaiczne będą bardzo drogie i mało opłacalne ekonomicznie.
Przy tworzeniu systemów ogrzewania słonecznego należy stosować schematy pasywne, które zapewniają zwiększenie izolacyjności termicznej budynku i efektywne wykorzystanie promieniowania słonecznego wpadającego przez otwory okienne. Problem izolacji termicznej należy rozwiązać w oparciu o elementy architektoniczne i konstrukcyjne, stosując materiały i konstrukcje o niskim przewodnictwie cieplnym. Zaleca się uzupełnienie brakującego ciepła za pomocą aktywnych systemów solarnych.
Główny problem powszechnego stosowania instalacji solarnych związany jest z ich brakiem efektywności ekonomicznej w porównaniu z tradycyjnymi systemami grzewczymi. Koszt energii cieplnej w instalacjach z kolektorami słonecznymi jest wyższy niż w instalacjach z tradycyjnymi paliwami. Okres zwrotu z inwestycji w instalację solarną T ok można wyznaczyć ze wzoru:
Efekt ekonomiczny instalacji kolektorów słonecznych na obszarach scentralizowanego zaopatrzenia w energię E można określić jako przychód ze sprzedaży energii w całym okresie życia instalacji pomniejszony o koszty eksploatacji:
W tabeli 2 przedstawiono koszt systemów ogrzewania słonecznego (w cenach z 1995 r.). Z danych wynika, że inwestycje krajowe są 2,5–3 razy tańsze niż zagraniczne.
Niską cenę systemów krajowych tłumaczy się tym, że są one wykonane z tanich materiałów, proste w konstrukcji i zorientowane na rynek krajowy.
Tabela 2. Koszt instalacji solarnych Jednostkowy efekt ekonomiczny (E/S) w obszarze ciepłownictwa sieciowego w zależności od żywotności kolektorów waha się od 200 do 800 rubli/m 2 .
Znacznie większy efekt ekonomiczny dają instalacje ciepłownicze z kolektorami słonecznymi w regionach oddalonych od scentralizowanych sieci energetycznych, które w Rosji stanowią ponad 70% jej terytorium z populacją około 22 milionów ludzi. Jednostki te przeznaczone są do pracy w trybie offline dla odbiorców indywidualnych, gdzie zapotrzebowanie na energię cieplną jest bardzo duże. Jednocześnie koszt paliw tradycyjnych jest znacznie wyższy niż ich koszt w strefach ciepłowniczych ze względu na koszty transportu i straty paliwa podczas transportu, tj. czynnik regionalny r đ jest wliczony w koszt paliwa w regionie C tr:
gdzie r đ > 1 i może zmieniać swoją wartość dla różnych regionów. Jednocześnie koszt jednostkowy zakładu C pozostaje prawie niezmieniony w porównaniu z C tr. Dlatego przy zastępowaniu C t przez C tr we wzorach
obliczony okres zwrotu instalacji autonomicznych na obszarach oddalonych od sieci scentralizowanych zmniejsza się r p razy, a efekt ekonomiczny wzrasta proporcjonalnie do r p.
W dzisiejszych warunkach w Rosji, kiedy ceny energii stale rosną i są nierównomierne w różnych regionach ze względu na warunki transportowe, decyzja o ekonomicznej wykonalności wykorzystania kolektorów słonecznych jest w dużym stopniu uzależniona od lokalnych warunków społeczno-ekonomicznych, geograficznych i klimatycznych.
Z punktu widzenia nieprzerwanej dostawy energii do odbiorcy najbardziej efektywne są kombinowane układy technologiczne wykorzystujące dwa lub więcej rodzajów odnawialnych źródeł energii.
Dzięki słonecznej energii cieplnej możliwe jest pełne zaspokojenie zapotrzebowania na ciepłą wodę w domu w okresie letnim. W okresie jesienno-wiosennym do 30% energii potrzebnej do ogrzewania i do 60% zapotrzebowania na ciepłą wodę można pozyskać ze Słońca.
W ostatnie lata aktywnie rozwijają się geotermalne systemy zaopatrzenia w ciepło oparte na pompach ciepła. W takich systemach, jak wspomniano powyżej, jako podstawowe źródło ciepła wykorzystywana jest woda termalna o niskim potencjale (20–40 ◦ C) lub energia petrotermalna górnych warstw. skorupa Ziemska. Przy wykorzystaniu ciepła gruntowego stosuje się gruntowe wymienniki ciepła, umieszczane albo w odwiertach pionowych o głębokości 100-300 m, albo poziomo na pewnej głębokości.
Dla efektywnego ogrzewania i gorąca woda zdecentralizowani odbiorcy małej mocy w IPG DSC RAS opracowali połączony system solarno-geotermalny (rysunek 11).
Taki układ składa się z kolektora słonecznego 1, wymiennika ciepła 2, zasobnika 3, pompy ciepła 7 oraz studzienki wymiennika ciepła 8. Przez kolektor słoneczny krąży czynnik chłodzący (przeciw zamarzaniu). Czynnik chłodniczy ogrzewany jest w kolektorze słonecznym energią słoneczną, a następnie oddaje energię cieplną wodzie poprzez wymiennik ciepła 2 wbudowany w zasobnik 3. Ciepła woda magazynowana jest w zasobniku do momentu jej zużycia, dzięki czemu musi mieć dobrą izolację termiczną. W obiegu pierwotnym, w którym znajduje się kolektor słoneczny, można zastosować naturalny lub wymuszony obieg chłodziwa. Wbudowany w zbiornik magazynowy i grzejnik elektryczny 6. Jeżeli temperatura w zasobniku spadnie poniżej ustawionej wartości (długie zachmurzenie lub kilka godzin nasłonecznienia w zimie), automatycznie włącza się grzałka elektryczna i podgrzewa wodę do ustawionej temperatury.
Zespół kolektorów słonecznych pracuje przez cały rok i zaopatruje odbiorców w ciepłą wodę, a niskotemperaturowy zespół ogrzewania podłogowego z pompą ciepła (HP) i studnią wymiennika ciepła o głębokości 100-200 m uruchamiany jest tylko w okresie grzewczym. pora roku.
W obiegu HP zimna woda o temperaturze 5 ◦ C opada w przestrzeni pierścieniowej szybowego wymiennika ciepła i usuwa ciepło o niskim potencjale z otaczającej skały. Następnie, w zależności od głębokości odwiertu, woda podgrzana do temperatury 10–15◦C unosi się wzdłuż centralnego ciągu rur na powierzchnię. Aby zapobiec wstecznemu odpływowi ciepła, kolumna środkowa jest izolowana termicznie od zewnątrz. Na powierzchni woda ze studni wpływa do wyparki HP, gdzie niskowrzący czynnik roboczy jest podgrzewany i odparowywany. Po parowniku schłodzona woda jest ponownie wysyłana do studni. W okresie grzewczym, przy stałej cyrkulacji wody w studni, następuje stopniowe ochładzanie skały wokół studni.
Z badań obliczeniowych wynika, że promień frontu chłodzenia w okresie grzewczym może sięgać 5–7 m. W okresie międzyogrzewawczym, gdy system grzewczy jest wyłączony, następuje częściowe (do 70%) przywrócenie temperatury pole wokół studni ze względu na dopływ ciepła ze skał poza strefą chłodzenia; zasięg pełne wyzdrowienie pole temperatury wokół odwiertu w czasie jego przestoju nie jest możliwe.
Kolektory słoneczne są instalowane w oparciu o okres zimowy działanie systemu przy minimalnym nasłonecznieniu. W części letniej gorąca woda ze zbiornika magazynowego jest wysyłany do studni, aby w pełni przywrócić temperaturę głaz wokół studni.
W okresie bezgrzania zawory 13 i 14 są zamknięte, a przy otwartych zaworach 15 i 16 gorąca woda ze zbiornika akumulacyjnego pompowana jest pompą obiegową do przestrzeni pierścieniowej studni, gdzie w miarę jej opuszczania ciepło następuje wymiana ze skałą otaczającą studnię. Ponadto schłodzona woda jest przesyłana z powrotem do zbiornika magazynowego przez centralną izolowaną termicznie kolumnę. Przeciwnie, podczas okresu ogrzewania zawory 13 i 14 są otwarte, a zawory 15 i 16 są zamknięte.
W proponowanym układzie technologicznym potencjał energii słonecznej wykorzystywany jest do podgrzewania wody w systemie zaopatrzenia w ciepłą wodę oraz skał wokół studni w niskotemperaturowym systemie grzewczym. Odzysk ciepła w skale umożliwia eksploatację systemu ciepłowniczego w optymalnym ekonomicznie trybie.
Słońce jest znaczącym źródłem energii na planecie Ziemia. Energia słoneczna bardzo często staje się przedmiotem różnorodnych dyskusji. Gdy tylko pojawia się projekt nowej elektrowni słonecznej, pojawiają się pytania o wydajność, moc, wielkość zainwestowanych środków i okres zwrotu.
Są naukowcy, którzy postrzegają elektrownie słoneczne jako zagrożenie dla środowiska. Lustra stosowane w termalnych elektrowniach słonecznych bardzo podgrzewają powietrze, co prowadzi do zmian klimatu i śmierci przelatujących obok ptaków. Mimo to w ostatnich latach elektrownie słoneczne stają się coraz bardziej rozpowszechnione. W 1984 roku uruchomiono pierwszą elektrownię słoneczną w pobliżu Cramer Junction w Kalifornii na pustyni Mojabe (rysunek 6.1). Stacja została nazwana Solar Energy Generating System, w skrócie SEGS.
Ryż. 6.1. Elektrownia słoneczna na pustyni Mojabe W tej elektrowni promieniowanie słoneczne jest wykorzystywane do wytwarzania pary, która obraca turbinę i wytwarza energię elektryczną. Produkcja słonecznej energii elektrycznej na dużą skalę jest dość konkurencyjna. Obecnie elektrownie słoneczne o łącznej zainstalowanej mocy ponad 400 MW zostały już zbudowane przez amerykańskie przedsiębiorstwa energetyczne, które dostarczają energię elektryczną do 350 000 ludzi i wymieniają 2,3 miliona baryłek ropy rocznie. Dziewięć elektrowni zlokalizowanych na pustyni Mojabe ma moc zainstalowaną 354 MW. W innych regionach świata również wkrótce powinny ruszyć projekty wykorzystania ciepła słonecznego do produkcji energii elektrycznej. Indie, Egipt, Maroko i Meksyk opracowują odpowiednie programy. Dotacje na ich finansowanie zapewnia Global Environment Facility (GEF). W Grecji, Hiszpanii i USA nowe projekty rozwijają niezależni producenci energii elektrycznej.
Ze względu na sposób wytwarzania ciepła elektrownie słoneczne dzielą się na koncentratory słoneczne (zwierciadła) i stawy słoneczne.
Termiczne elektrownie słoneczne koncentrują energię słoneczną za pomocą soczewek i reflektorów. Ponieważ to ciepło może być magazynowane, takie stacje mogą wytwarzać energię elektryczną w razie potrzeby, w dzień lub w nocy, przy każdej pogodzie. Duże lustra — punktowe lub liniowe — skupiają promienie słoneczne w takim stopniu, że woda zamienia się w parę, jednocześnie uwalniając wystarczającą ilość energii, aby obrócić turbinę. Systemy te mogą przetwarzać energię słoneczną na energię elektryczną z wydajnością około 15%. Wszystkie elektrownie cieplne, z wyjątkiem stawów słonecznych, wykorzystują koncentratory do osiągania wysokich temperatur, które odbijają światło słoneczne z większej powierzchni na mniejszą powierzchnię odbiornika. Zazwyczaj taki system składa się z koncentratora, odbiornika, chłodziwa, układu magazynowania i układu przesyłu energii. Nowoczesne technologie obejmują koncentratory paraboliczne, słoneczne paraboliczne lustra i słoneczne wieże energetyczne. Można je łączyć z obiektami spalania paliw kopalnych, aw niektórych przypadkach zaadaptować do magazynowania ciepła. Główną zaletą takiej hybrydyzacji i magazynowania ciepła jest to, że technologia ta może zapewniać harmonogramowanie wytwarzania energii elektrycznej, to znaczy wytwarzanie energii elektrycznej może odbywać się w czasie, gdy jest to potrzebne. Hybrydyzacja i magazynowanie ciepła mogą zwiększyć wartość ekonomiczną produkowanej energii elektrycznej i obniżyć jej średni koszt.
Niektóre termiczne elektrownie słoneczne wykorzystują lustra paraboliczne, które skupiają światło słoneczne na rurkach odbiorczych zawierających płyn przenoszący ciepło. Ciecz ta jest podgrzewana do prawie 400 ºC i pompowana przez szereg wymienników ciepła; wytwarza to przegrzaną parę, która napędza konwencjonalny generator turbinowy do produkcji energii elektrycznej. Aby zmniejszyć straty ciepła, rura odbiorcza może być otoczona przezroczystą szklaną rurką umieszczoną wzdłuż linii ogniskowej cylindra. Z reguły takie instalacje obejmują jednoosiowe lub dwuosiowe systemy śledzenia słońca. W rzadkich przypadkach są nieruchome (ryc. 6.2).
Ryż. 6.2. Instalacja fotowoltaiczna z koncentratorem parabolicznym Szacunki tej technologii wskazują na wyższy koszt wytwarzanej energii elektrycznej niż w przypadku innych elektrowni słonecznych. Wynika to z niskiego stężenia promieniowania słonecznego, niższych temperatur. Jednak dzięki większemu doświadczeniu operacyjnemu, ulepszonej technologii i zmniejszonym kosztom eksploatacji, koncentratory paraboliczne mogą być najtańszą i najbardziej niezawodną technologią najbliższej przyszłości.
Instalacje solarne typu talerzowego to bateria parabolicznych zwierciadeł czaszowych zbliżonych kształtem do anteny satelitarnej, które skupiają energię słoneczną na odbiornikach umieszczonych w ognisku każdej czaszy (rys. 6.3). Ciecz w odbiorniku jest podgrzewana do 1000°C i jest bezpośrednio wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej w małym silniku i generatorze podłączonym do odbiornika.
Ryż. 6.3. Typ płyty słonecznej Wysoka sprawność optyczna i niski koszt początkowy sprawiają, że systemy zwierciadeł/silników są najbardziej wydajne ze wszystkich technologii solarnych. Silnik Stirlinga i system parabolicznych zwierciadeł są rekordzistami świata w najbardziej wydajnej konwersji energii słonecznej na energię elektryczną. W 1984 r. Rancho Mirage w Kalifornii osiągnęło praktyczną wydajność 29%. Dzięki modułowej konstrukcji takie systemy są najlepsza opcja w celu zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną zarówno konsumentów autonomicznych, jak i konsumentów hybrydowych działających we wspólnej sieci.
Elektrownie słoneczne typu wieża z centralnym odbiornikiem Wieże fotowoltaiczne z centralnym odbiornikiem wykorzystują wirujące pole reflektorów heliostatu. Skupiają światło słoneczne na umieszczonym na szczycie wieży centralnym odbiorniku, który pochłania energię cieplną i napędza turbogenerator (rys. 6.4, rys. 6.5).
Ryż. 6.4. Wieża solarna z centralnym odbiornikiem Sterowany komputerowo dwuosiowy system śledzenia ustawia heliostaty tak, aby odbite promienie słoneczne były nieruchome i zawsze padały na odbiornik. Ciecz krążąca w odbiorniku przekazuje ciepło do akumulatora ciepła w postaci pary. Para napędza turbinę do wytwarzania energii elektrycznej lub jest bezpośrednio wykorzystywana procesy przemysłowe. Temperatury w odbiorniku sięgają od 500 do 1500 ºC. Dzięki akumulacji ciepła elektrownie wieżowe stały się unikalną technologią słoneczną, która pozwala na wytwarzanie energii elektrycznej według z góry ustalonego harmonogramu.
Ryż. 6.5. Wieża energii słonecznej „Solar Two” w Kalifornii Ani zwierciadła skupiające, ani ogniwa słoneczne nie mogą generować energii w nocy. W tym celu energia słoneczna zgromadzona w ciągu dnia musi być magazynowana w zasobnikach ciepła. Proces ten zachodzi naturalnie w tzw. stawach słonecznych (ryc. 6.6).
Ryż. 6.6. Schemat urządzenia stawu słonecznego Stawy słoneczne mają wysokie stężenie soli w dolnych warstwach wody, niekonwekcyjną środkową warstwę wody, w której stężenie soli wzrasta wraz z głębokością, oraz warstwę konwekcyjną o niskim stężeniu soli na powierzchni. światło słoneczne spada na powierzchnię stawu, a ciepło jest zatrzymywane w dolnych warstwach wody ze względu na wysokie stężenie soli. Woda wysokie zasolenie, ogrzewany energią słoneczną pochłanianą przez dno stawu, nie może się podnieść ze względu na dużą gęstość. Pozostaje na dnie stawu, stopniowo nagrzewając się, aż prawie się zagotuje. Gorąca dolna „solanka” wykorzystywana jest w dzień lub w nocy jako źródło ciepła, dzięki czemu specjalna organiczna turbina chłodząca może generować energię elektryczną. Środkowa warstwa oczka słonecznego pełni rolę izolacji termicznej, zapobiegając konwekcji i utracie ciepła z dna na powierzchnię. Różnica temperatur między dnem a powierzchnią wody w stawie jest wystarczająca do napędzania generatora. Chłodziwo, przepuszczane rurami przez dolną warstwę wody, jest wprowadzane dalej do zamkniętego układu Rankina, w którym obraca się turbina wytwarzająca energię elektryczną.
Wieże fotowoltaiczne z centralnym odbiornikiem oraz elektrownie fotowoltaiczne z koncentratorami parabolicznymi optymalnie pracują w ramach dużych, przyłączonych do sieci elektrowni o mocy 30-200 MW, natomiast elektrownie talerzowe składają się z modułów i mogą być stosowane zarówno W instalacje autonomiczne oraz grupy o łącznej mocy kilku megawatów.
Tabela 6.1 Charakterystyka elektrowni słonecznych Paraboliczne koncentratory słoneczne są zdecydowanie najbardziej zaawansowaną technologią energii słonecznej i prawdopodobnie będą stosowane w najbliższej przyszłości. Elektrownie wieżowe z centralnym odbiornikiem, ze względu na efektywne magazynowanie ciepła, mogą w niedalekiej przyszłości stać się również elektrowniami słonecznymi. Modułowy charakter jednostek typu grzybkowego pozwala na ich stosowanie w mniejszych jednostkach. Elektrownie wieżowe z odbiornikiem centralnym oraz elektrownie talerzowe pozwalają na osiągnięcie wyższych wartości sprawności przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną przy niższych kosztach niż elektrownie z koncentratorami parabolicznymi. w tabeli. 6.1 przedstawia główne cechy trzech opcji wytwarzania energii słonecznej.
Głównym kryterium komfortu w prywatnym domku lub mieszkaniu jest ciepło. W zimnym domu nawet najbardziej luksusowe wyposażenie nie pomoże stworzyć komfortowych warunków. Ale aby utrzymać optymalną temperaturę do życia w pomieszczeniu, nie tylko latem, ale także zimą, konieczne będzie zainstalowanie systemu grzewczego.
Można to łatwo zrobić już dziś, kupując jako źródło ciepła kocioł gazowy, olejowy lub elektryczny. Problem polega jednak na tym, że paliwo do takiego sprzętu jest drogie i nie we wszystkich miejscowościach dostępne. Co w takim razie wybrać? Najlepszym rozwiązaniem są alternatywne źródła ciepła, aw szczególności ogrzewanie słoneczne.
Czym jest taki system? Przede wszystkim należy powiedzieć, że istnieją dwie opcje ogrzewania słonecznego. Polegają one na zastosowaniu elementów różniących się zarówno konstrukcyjnie, jak i przeznaczeniem:
A jeśli sprzęt pierwszego typu jest przeznaczony wyłącznie do utrzymywania komfortowej temperatury w pomieszczeniu, wówczas do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła można wykorzystać panele słoneczne do ogrzewania domu. Ich zasada działania opiera się na przetwarzaniu energii słonecznej i gromadzeniu jej w bateriach, aby później można ją było wykorzystać do różnych potrzeb.
Obejrzyj wideo, wszystko o tym kolekcjonerze:
Zastosowanie kolektora pozwala na zorganizowanie tylko systemów ogrzewania słonecznego dla prywatnego domu przy wykorzystaniu energii cieplnej. Takie urządzenie działa w następujący sposób. Promienie słoneczne ogrzewają wodę, która jest nośnikiem ciepła i pochodzi z rurociągu. Ten sam system może być również używany jako źródło ciepłej wody. W skład wchodzą specjalne fotokomórki.
Urządzenie kolekcjonerskie
Ale oprócz nich pakiet ogrzewania słonecznego obejmuje:
Na dachu umieszczono panele słoneczne do ogrzewania domu. W nim podgrzana woda przepływa do komory przedniej, gdzie jest zastępowana gorącym płynem chłodzącym. Pozwala to na utrzymanie stałego ciśnienia dynamicznego w układzie.
Najłatwiejszym sposobem zamiany energii słonecznej na ciepło jest wykorzystanie paneli słonecznych do ogrzewania domu. Coraz częściej są wykorzystywane jako dodatkowe źródła energii. Ale czym są te urządzenia i czy są naprawdę skuteczne?
Oglądamy wideo, typy i ich cechy pracy:
Zadaniem kolektora zainstalowanego na dachu instalacji słonecznej do ogrzewania domu jest pochłonięcie jak największej ilości promieniowania słonecznego, a następnie przekształcenie go w tak potrzebną człowiekowi energię. Należy jednak pamiętać, że można ją przekształcić zarówno w energię cieplną, jak i elektryczną. Systemy ogrzewania słonecznego służą do wytwarzania ciepła i ciepłej wody użytkowej. Baterie służą do wytwarzania energii elektrycznej. Magazynują energię w ciągu dnia i uwalniają ją w nocy. Jednak dzisiaj istnieją również systemy łączone. Panele słoneczne wytwarzają jednocześnie ciepło i energię elektryczną.
Jeśli chodzi o słoneczne podgrzewacze wody do ogrzewania domu, są one reprezentowane na rynku przez szeroką gamę. Ponadto modele mogą mieć inny cel, konstrukcję, zasadę działania, wymiary.
Różne opcje
Na przykład przez wygląd a projekt systemu grzewczego prywatnego domu dzieli się na:
Ze względu na przeznaczenie dzielą się na używane do:
Istnieją różnice w zasadzie działania. Ogrzewanie słoneczne z kolektorami to idealny wybór dla domy wiejskie ponieważ nie wymagają podłączenia elektrycznego. Modele z wymuszonym obiegiem są podłączone do wspólnego systemu grzewczego, w którym chłodziwo krąży za pomocą pompy.
Obejrzyj film, porównaj kolektory płaskie i rurowe:
Nie wszystkie kolektory nadają się do ogrzewania słonecznego Chatka. Według tego kryterium dzielą się one na:
Te pierwsze służą do ogrzewania domków letniskowych, te drugie w prywatnych gospodarstwach domowych.
Jeśli porównasz ten sprzęt z gazowym lub elektrycznym, ma on znacznie więcej zalet. Pierwsza to oszczędność paliwa. Latem ogrzewanie słoneczne jest w stanie w pełni zapewnić domownikom ciepłą wodę. Jesienią i wiosną, gdy jest mało pogodnych dni, sprzęt można wykorzystać do zmniejszenia obciążenia standardowego kotła. Dotyczący zimowy czas, to zazwyczaj w tym czasie sprawność kolektorów jest bardzo niska.
Obejrzyj film, wydajność kolektorów zimą:
Jednak oprócz oszczędności paliwa korzystanie z urządzeń zasilanych energią słoneczną zmniejsza zależność od gazu i elektryczności. Aby zainstalować ogrzewanie słoneczne, nie trzeba uzyskiwać pozwolenia i może je zainstalować każdy, kto ma podstawową wiedzę z zakresu hydrauliki.
Obejrzyj wideo, kryteria wyboru sprzętu:
Kolejnym plusem jest długi czas działania kolektora. Gwarantowana żywotność sprzętu wynosi co najmniej 15 lat, co oznacza, że rachunki za media będą minimalne przez ten okres.
Jednak, jak każde urządzenie, kolektor ma pewne wady:
Jest jeszcze jeden niuans. Wydajność ogrzewania słonecznego różni się w zależności od regionu. W regionach południowych, gdzie aktywność słońca jest wysoka, sprzęt będzie miał najwyższą wydajność. Dlatego najbardziej opłaca się korzystać z takiego sprzętu na południu, a mniej efektywnie na północy.
Przed przystąpieniem do instalacji sprzętu wchodzącego w skład systemu grzewczego konieczne jest zbadanie jego możliwości. Aby dowiedzieć się, ile ciepła potrzeba do ogrzania domu, musisz obliczyć jego powierzchnię. Ważne jest, aby wybrać odpowiednie miejsce do zainstalowania kolektora słonecznego. Powinno być tak jasne, jak to możliwe przez cały dzień. Dlatego sprzęt jest zwykle instalowany na południowej części dachu.
Wydajność Roboty instalacyjne lepiej powierzyć to specjalistom, ponieważ nawet niewielki błąd w instalacji instalacji solarnej doprowadzi do znacznego spadku wydajności systemu. Tylko kiedy poprawna instalacja kolektor słoneczny, będzie trwał do 25 lat, aw pełni zwróci się w ciągu pierwszych 3 lat.
Główne typy kolektorów i ich charakterystyka
Jeśli z jakiegoś powodu budynek nie nadaje się do instalacji sprzętu, możesz umieścić panele na sąsiednim budynku, a napęd umieścić w piwnicy.
Niuanse, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze tego systemu, zostały omówione powyżej. A jeśli zrobiłeś wszystko dobrze, to Twój system ogrzewania słonecznego przyniesie Ci tylko przyjemne chwile. Wśród jego zalet należy zauważyć:
Jedyną rzeczą, która powstrzymuje konsumentów przed zakupem systemu słonecznego do ogrzewania prywatnego domu, jest zależność ich pracy od geografii zamieszkania. Jeśli w Twojej okolicy bezchmurne dni są rzadkie, skuteczność sprzętu będzie minimalna.
Przygotowane przez studentów Grupy B3TPEN31
Systemy ogrzewania słonecznego to systemy wykorzystujące promieniowanie słoneczne jako źródło energii cieplnej. Ich charakterystyczną różnicą w stosunku do innych niskotemperaturowych systemów grzewczych jest zastosowanie specjalnego elementu - odbiornika słonecznego, który ma za zadanie wychwytywać promieniowanie słoneczne i zamieniać je na energię cieplną.
Ze względu na sposób wykorzystania promieniowania słonecznego niskotemperaturowe systemy grzewcze dzieli się na pasywne i aktywne.
Systemy ogrzewania słonecznego nazywane są pasywnymi, w których sam budynek lub jego poszczególne ogrodzenia (budynek kolektora, ściana kolektora, dach kolektora itp.) służą jako element odbierający promieniowanie słoneczne i zamieniający je na ciepło.
Pasywny niskotemperaturowy system ogrzewania słonecznego „ściana kolektora”: 1 - promienie słoneczne; 2 – przeźroczysty ekran; 3 - przepustnica powietrza; 4 - ogrzane powietrze; 5 - schłodzone powietrze z pomieszczenia; 6 - własne długofalowe promieniowanie cieplne tablicy ściennej; 7 - czarna powierzchnia odbierająca promienie ściany; 8 - żaluzje.
Solarne niskotemperaturowe systemy grzewcze nazywane są aktywnymi, w których odbiornik słoneczny jest niezależnym, odrębnym urządzeniem niezwiązanym z budynkiem. Aktywne systemy słoneczne można podzielić na:
według celu (zaopatrzenie w ciepłą wodę, systemy grzewcze, połączone systemy zaopatrzenia w ciepło i zimno);
według rodzaju zastosowanego płynu chłodzącego (płyn - woda, płyn niezamarzający i powietrze);
według czasu pracy (całoroczny, sezonowy);
zgodnie z technicznym rozwiązaniem schematów (jedno-, dwu-, wielopętlowy).
można klasyfikować według różnych kryteriów:
po uzgodnieniu:
1. systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę (CWU);
2. systemy grzewcze;
3. systemy łączone;
Rodzaj użytego płynu chłodzącego:
1. płyn;
2. powietrze;
Według czasu pracy:
1. całoroczny;
2. sezonowy;
Zgodnie z rozwiązaniem technicznym schematu:
1. jednoobwodowy;
2. dwuobwodowy;
3. wieloobwodowy.
Powietrze jest szeroko stosowanym czynnikiem chłodzącym, który nie zamarza w całym zakresie parametrów pracy. W przypadku zastosowania jako nośnik ciepła istnieje możliwość łączenia systemów ogrzewania z systemem wentylacji. Jednak powietrze jest nośnikiem ciepła o małej pojemności cieplnej, co prowadzi do wzrostu zużycia metalu do instalacji systemów ogrzewania powietrznego w porównaniu z systemami wodnymi.
Woda jest ciepłochłonnym i powszechnie dostępnym czynnikiem chłodzącym. Jednak przy temperaturach poniżej 0°C konieczne jest dodanie płynu niezamarzającego. Ponadto należy wziąć pod uwagę, że woda nasycona tlenem powoduje korozję rurociągów i aparatury. Jednak zużycie metalu w wodnych systemach fotowoltaicznych jest znacznie mniejsze, co w dużej mierze przyczynia się do ich szerszego wykorzystania.
Sezonowe systemy solarne do ciepłej wody użytkowej są zazwyczaj jednoobwodowe i pracują w miesiącach letnich i przejściowych, w okresach z dodatnimi temperaturami zewnętrznymi. Mogą posiadać dodatkowe źródło ciepła lub obejść się bez niego, w zależności od przeznaczenia obsługiwanego obiektu i warunków eksploatacji.
Systemy solarne do ogrzewania budynków są zwykle dwuobwodowe lub najczęściej wieloobwodowe, a do różnych obiegów można stosować różne nośniki ciepła (np. w obiegu konsumenckim).
Zespolone całoroczne systemy solarne do zaopatrywania budynków w ciepło i chłód są wieloobwodowe i zawierają dodatkowe źródło ciepła w postaci tradycyjnego generatora ciepła na paliwo organiczne lub transformatora ciepła.
pierwszy obieg, składający się z kolektorów słonecznych 1, pompy obiegowej 8 i płynnego wymiennika ciepła 3;
drugi obieg, składający się ze zbiornika magazynowego 2, pompy obiegowej 8 i wymiennika ciepła 3;
trzeci obieg, składający się ze zbiornika magazynowego 2, pompy obiegowej 8, wymiennika ciepła woda-powietrze (grzałka) 5.
Schemat ideowy instalacji solarnej: 1 - kolektor słoneczny; 2 - zbiornik magazynowy; 3 - wymiennik ciepła; 4 - budynek; 5 - grzejnik; 6 - dublet systemu grzewczego; 7 - zapasowy system zaopatrzenia w ciepłą wodę; 8 - pompa obiegowa; 9 - wentylator.
System ogrzewania słonecznego działa w następujący sposób. Czynnik chłodniczy (środek przeciw zamarzaniu) obwodu odbierającego ciepło, ogrzewany w kolektorach słonecznych 1, wchodzi do wymiennika ciepła 3, gdzie ciepło płynu przeciw zamarzaniu jest przekazywane do wody krążącej w przestrzeni pierścieniowej wymiennika ciepła 3 pod działaniem pompy 8 obiegu wtórnego. Podgrzana woda wpływa do zasobnika 2. Woda jest pobierana ze zasobnika przez pompę dostarczającą ciepłą wodę 8, w razie potrzeby doprowadzana do wymaganej temperatury w podwajaczu 7 i wchodzi do systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę budynku. Zbiornik magazynowy zasilany jest z sieci wodociągowej.
W celu ogrzewania woda ze zbiornika 2 jest dostarczana przez pompę trzeciego obwodu 8 do grzejnika 5, przez który powietrze przepływa za pomocą wentylatora 9 i po podgrzaniu wchodzi do budynku 4. W przypadku braku promieniowanie słoneczne lub niedobór energii cieplnej generowanej przez kolektory słoneczne, praca włącza się na rezerwie 6.
Wybór i rozmieszczenie elementów słonecznego systemu zaopatrzenia w ciepło w każdym przypadku zależy od czynników klimatycznych, przeznaczenia obiektu, sposobu zużycia ciepła i wskaźników ekonomicznych.
Cechą systemów jest to, że w przypadku układ termosyfonowy dolny punkt zbiornika akumulacyjnego powinien znajdować się powyżej górnego punktu kolektora i nie dalej niż 3-4 m od kolektorów, a przy pompie cyrkulacji chłodziwa lokalizacja zbiornika akumulacyjnego może być dowolna.
Główna część kosztów utrzymania Własny dom uwzględnione w kosztach ogrzewania. Dlaczego nie wykorzystać darmowej energii z naturalnych źródeł, takich jak słońce, do ogrzewania budynku? W końcu nowoczesna technologia to umożliwia!
Do akumulacji energii słonecznej służą specjalne panele fotowoltaiczne montowane na dachu domu. Po otrzymaniu energia ta jest przekształcana w energię elektryczną, która następnie rozchodzi się przez sieć i jest wykorzystywana, tak jak w naszym przypadku, w urządzeniach grzewczych.
W porównaniu z innymi źródłami energii – standardowymi, autonomicznymi i alternatywnymi – zalety paneli fotowoltaicznych są oczywiste:
Oczywiście ta technologia ma swoje wady:
Baterie przetwarzające energię słoneczną montuje się bezpośrednio na powierzchni dachu domu, łącząc je ze sobą w układ o wymaganej mocy. Jeśli konfiguracja dachu lub innych elementów konstrukcyjnych nie pozwala na ich bezpośrednie zamocowanie, wówczas bloki ram są instalowane na dachu, a nawet na ścianach. Opcjonalnie istnieje możliwość zainstalowania systemu na oddzielnych stojakach w pobliżu domu.
Panele fotowoltaiczne są generatorem energii elektrycznej, która uwalniana jest w procesie reakcji fotowoltaicznych. Niska wydajność elementów obwodu o łącznej powierzchni 15-18 mkw. m pozwala jednak na ogrzewanie pomieszczeń, których powierzchnia przekracza 100 metrów kwadratowych. M! Warto zaznaczyć, że nowoczesna technologia takich urządzeń pozwala na wykorzystanie energii słonecznej nawet w okresach średniego zachmurzenia.
Poza montażem paneli fotowoltaicznych wykonanie instalacji grzewczej wymaga montażu dodatkowych elementów:
Najbardziej optymalna opcja System grzewczy przy korzystaniu z alternatywnego źródła energii - Układ elektryczny. Pozwoli to na ogrzanie dużych pomieszczeń poprzez zainstalowanie przewodzących podłóg. Co więcej, układ elektryczny pozwala na elastyczność zmian reżim temperaturowy w lokalach mieszkalnych, a także eliminuje konieczność instalowania nieporęcznych grzejników i rur pod oknami.
Idealnie byłoby, gdyby elektryczny system ogrzewania zasilany energią słoneczną był dodatkowo wyposażony w termostat i automatyczną kontrolę temperatury we wszystkich pomieszczeniach.
Systemy grzewcze oparte na kolektorach słonecznych pozwalają nie tylko ogrzewać budynki mieszkalne i domki letniskowe, ale także całe kompleksy hotelowe i obiekty przemysłowe.
Kolektory takie, których zasada działania opiera się na „efektie cieplarnianym”, akumulują energię słoneczną do dalszego wykorzystania praktycznie bez strat. Daje to szereg możliwości:
Zadaniem kolektora słonecznego jest zamiana energii promieniowania słonecznego wpadającego do zamkniętej przestrzeni na energię cieplną, która jest akumulowana i magazynowana przez długi czas. Konstrukcja kolektorów nie pozwala na ucieczkę zmagazynowanej energii przez przeźroczystą instalację. Centralny system hydrauliczny ogrzewanie wykorzystuje efekt termosyfonu, dzięki któremu ogrzany płyn wypiera zimniejszy, zmuszając ten ostatni do przemieszczenia się w miejsce grzania.
Istnieją dwie implementacje opisywanej technologii:
Najczęściej spotykany jest płaski kolektor słoneczny. Ze względu na swoją prostą konstrukcję z powodzeniem stosowany jest do ogrzewania pomieszczeń w budynkach mieszkalnych oraz do ogrzewania wody użytkowej. Urządzenie składa się z płyty absorbera energii zamontowanej w przeszklonej tafli.
Drugi typ, kolektor próżniowy z bezpośrednim przenoszeniem ciepła, to zbiornik na wodę z rurkami ustawionymi pod kątem do niego, przez które podgrzana woda unosi się, aby zrobić miejsce dla zimnej cieczy. Taka naturalna konwekcja powoduje ciągłą cyrkulację czynnika roboczego w zamkniętym obiegu kolektora i dystrybucję ciepła w całym systemie grzewczym.
Inna konfiguracja kolektora próżniowego jest zamknięta rurki miedziane specjalnym płynem o niskiej temperaturze wrzenia. Po podgrzaniu ciecz ta odparowuje, pochłaniając ciepło z metalowych rurek. Uniesione do góry opary skraplają się wraz z przekazaniem energii cieplnej do czynnika chłodzącego - wody w systemie grzewczym lub głównego elementu obwodu.
Wdrażając ogrzewanie domu poprzez wykorzystanie energii słonecznej, należy wziąć pod uwagę ewentualną przebudowę dachu lub ścian budynku w celu uzyskania maksymalnego efektu. Projekt musi uwzględniać wszystkie czynniki: od lokalizacji i zaciemnienia konstrukcji po geograficzne wskaźniki pogodowe danego obszaru.
Ekologia konsumpcyjna Dworek: Przez większą część roku musimy wydawać pieniądze na ogrzewanie naszych domów. W takiej sytuacji wszelka pomoc nie będzie zbędna. Energia słoneczna najlepiej nadaje się do tych celów: jest całkowicie przyjazna dla środowiska i bezpłatna.
Przez większą część roku musimy wydawać pieniądze na ogrzewanie naszych domów. W takiej sytuacji wszelka pomoc nie będzie zbędna. Energia słoneczna najlepiej nadaje się do tych celów: jest całkowicie przyjazna dla środowiska i bezpłatna. Nowoczesne technologie pozwalają na słoneczne ogrzewanie prywatnego domu nie tylko w regionach południowych, ale także na środkowym pasie.
Średnio 1 m2 powierzchni ziemi otrzymuje 161 watów energii słonecznej na godzinę. Oczywiście na równiku liczba ta będzie wielokrotnie wyższa niż w Arktyce. Ponadto gęstość promieniowania słonecznego zależy od pory roku. W regionie moskiewskim intensywność promieniowania słonecznego w okresie grudzień-styczeń różni się od maja-lipca ponad pięciokrotnie. Nowoczesne systemy są jednak na tyle wydajne, że mogą pracować niemal w każdym miejscu na ziemi.
Problem wykorzystania energii promieniowania słonecznego z maksymalną wydajnością rozwiązywany jest na dwa sposoby: bezpośrednie ogrzewanie w kolektorach termicznych oraz ogniwach fotowoltaicznych.
Panele fotowoltaiczne najpierw przekształcają energię światła słonecznego w energię elektryczną, a następnie przekazują ją za pośrednictwem specjalnego systemu odbiorcom, takim jak kocioł elektryczny.
Kolektory termiczne nagrzewające się pod wpływem światła słonecznego podgrzewają chłodziwo systemów grzewczych i zaopatrzenia w ciepłą wodę.
Istnieje kilka rodzajów kolektorów termicznych, w tym otwarte i systemy zamknięte, konstrukcje płaskie i sferyczne, koncentratory kolektorów półkulistych i wiele innych opcji.
Energia cieplna pozyskiwana z kolektorów słonecznych wykorzystywana jest do podgrzewania ciepłej wody użytkowej lub nośnika ciepła instalacji grzewczej.
Pomimo wyraźnego postępu w rozwoju rozwiązań w zakresie gromadzenia, magazynowania i wykorzystania energii słonecznej, istnieją wady i zalety.
Wydajność ogrzewania słonecznego w naszych szerokościach geograficznych jest raczej niska, co tłumaczy się niewystarczającą liczbą dni słonecznych do normalnej pracy systemu.
Najbardziej oczywistą zaletą wykorzystania energii słonecznej jest jej dostępność. W rzeczywistości nawet przy najbardziej ponurej i pochmurnej pogodzie energię słoneczną można gromadzić i wykorzystywać.
Drugi plus to zerowa emisja. W rzeczywistości jest najbardziej przyjazny dla środowiska i naturalny wygląd energia. Panele słoneczne i kolektory nie wytwarzają hałasu. W większości przypadków są instalowane na dachach budynków, nie zajmując powierzchni użytkowej obszaru podmiejskiego.
Wadami związanymi z wykorzystaniem energii słonecznej jest niestałość oświetlenia. W nocy nie ma co zbierać, sytuację pogarsza fakt, że szczyt sezonu grzewczego przypada na najkrótsze godziny dzienne w roku.
Istotną wadą ogrzewania opartego na wykorzystaniu kolektorów słonecznych jest brak możliwości akumulacji energii cieplnej. Na schemacie uwzględniono tylko zbiornik wyrównawczy
Konieczne jest monitorowanie czystości optycznej paneli, niewielkie zabrudzenia drastycznie obniżają wydajność.
Poza tym nie można powiedzieć, że eksploatacja instalacji zasilanej energią słoneczną jest całkowicie bezpłatna, są stałe koszty amortyzacji sprzętu, eksploatacji pompy obiegowej i elektroniki sterującej.
Otwarty kolektor słoneczny to system rurek, które nie są chronione przed wpływami zewnętrznymi, przez które krąży czynnik chłodzący nagrzany bezpośrednio przez słońce. Woda, gaz, powietrze, płyn niezamarzający są wykorzystywane jako nośnik ciepła. Rury są albo osadzone na płycie nośnej w kształcie serpentyny, albo połączone w równoległych rzędach z wylotem.
Kolektory słoneczne typu otwartego nie są w stanie poradzić sobie z ogrzewaniem prywatnego domu. Ze względu na brak izolacji płyn chłodzący szybko się ochładza. Używane są latem głównie do podgrzewania wody w prysznicach lub basenach.
Otwarte kolektory zwykle nie mają izolacji. Projekt jest bardzo prosty, dlatego ma niski koszt i często jest wykonywany niezależnie.
Ze względu na brak izolacji praktycznie nie oszczędzają energii otrzymanej od słońca, charakteryzują się niską sprawnością. Stosowane są głównie latem do podgrzewania wody w basenach lub letnich pryszniców. Zainstalowany w słonecznym ciepłe rejony, przy niewielkich różnicach temperatury powietrza otoczenia i podgrzewanej wody. Działa dobrze tylko przy słonecznej, spokojnej pogodzie.
Najprostszy kolektor słoneczny z radiatorem wykonanym ze zwoju rurek polimerowych zapewni zaopatrzenie kraju w podgrzaną wodę na potrzeby nawadniania i bytowe.
Rurowe kolektory słoneczne są montowane z oddzielnych rur, przez które przepływa woda, gaz lub para. Jest to jeden z systemów słonecznych typu otwartego. Jednak płyn chłodzący jest już znacznie lepiej chroniony przed negatywnymi czynnikami zewnętrznymi. Szczególnie w instalacje próżniowe ułożone na zasadzie termosów.
Każda rura jest podłączona do systemu oddzielnie, równolegle do siebie. Jeśli jedna rura ulegnie awarii, łatwo ją wymienić na nową. Całą konstrukcję można montować bezpośrednio na dachu budynku, co znacznie ułatwia montaż.
Kolektor rurowy ma budowę modułową. Głównym elementem jest rura próżniowa, ilość rur waha się od 18 do 30, co pozwala na dokładne dobranie mocy układu
Znaczącym plusem rurowych kolektorów słonecznych jest cylindryczny kształt głównych elementów, dzięki czemu promieniowanie słoneczne jest wychwytywane przez całą dobę bez użycia drogich systemów śledzenia ruchu oprawy.
Specjalna wielowarstwowa powłoka tworzy rodzaj optycznej pułapki na promienie słoneczne. Diagram pokazuje częściowo zewnętrzną ścianę kolby próżniowej odbijającą promienie na ścianki wewnętrznej kolby
Zgodnie z konstrukcją rur rozróżnia się kolektory słoneczne typu pen i koncentryczne.
Rura współosiowa to naczynie Diyur lub znajomy termos. Składają się z dwóch kolb, pomiędzy którymi wypompowywane jest powietrze. Wewnętrzna powierzchnia bańki wewnętrznej pokryta jest wysoce selektywną powłoką, która skutecznie pochłania energię słoneczną.
Energia cieplna z wewnętrznej warstwy selektywnej jest przekazywana do rurki cieplnej lub wewnętrznego wymiennika ciepła płyty aluminiowe. Na tym etapie występują niepożądane straty ciepła.
Rurka z piór to szklany cylinder z umieszczonym wewnątrz absorberem z piór.
Aby zapewnić dobrą izolację termiczną, powietrze jest wypompowywane z rury. Przenoszenie ciepła z absorbera odbywa się bez strat, dzięki czemu sprawność rur puchowych jest wyższa.
Zgodnie z metodą wymiany ciepła istnieją dwa systemy: bezpośredni przepływ i rura cieplna (rurka cieplna).
Termorurka to szczelnie zamknięty pojemnik z lotną cieczą.
Wewnątrz termorurki znajduje się lotna ciecz, która pochłania ciepło z wewnętrznej ścianki kolby lub z absorbera z piór. Pod wpływem temperatury ciecz wrze i unosi się w postaci pary. Po oddaniu ciepła do ogrzewania lub gorącej wody chłodzącej, para skrapla się do postaci cieczy i spływa w dół.
Woda pod niskim ciśnieniem jest często używana jako ciecz lotna.
System bezpośredniego przepływu wykorzystuje rurkę w kształcie litery U, przez którą krąży woda lub czynnik chłodzący system grzewczy.
Jedna połowa rury w kształcie litery U jest przeznaczona do zimnego płynu chłodzącego, a druga do podgrzanego. Po podgrzaniu płyn chłodzący rozszerza się i wchodzi do zbiornika magazynowego, zapewniając naturalny obieg. Podobnie jak w przypadku systemów z rurkami termoutwardzalnymi, minimalny kąt nachylenie musi wynosić co najmniej 20⁰.
Systemy bezpośredniego przepływu są bardziej wydajne, ponieważ natychmiast podgrzewają chłodziwo.
Jeżeli planowane jest zastosowanie systemów kolektorów słonecznych cały rok, następnie pompowane są do nich specjalne środki przeciw zamarzaniu.
Zastosowanie rurowych kolektorów słonecznych ma szereg zalet i wad. Konstrukcja rurowego kolektora słonecznego składa się z tych samych elementów, które są stosunkowo łatwe do wymiany.
Zalety:
Strukturalnie struktura rurowa ma ograniczoną powierzchnię otworu. Ma następujące wady:
Pomimo początkowo wysokich kosztów, kolektory rurowe zwracają się szybciej. Mają długą żywotność.
Kolektor płaski składa się z aluminiowej ramy, specjalnej warstwy absorbującej - absorbera, przezroczystej powłoki, rurociągu oraz grzałki.
Jako absorber stosowana jest blacha miedziana czerniona, która charakteryzuje się idealną przewodnością cieplną do tworzenia systemów solarnych. Gdy energia słoneczna jest pochłaniana przez absorber, odebrana przez niego energia słoneczna jest przekazywana do nośnika ciepła krążącego w układzie rur przylegających do absorbera.
Z zewnętrzna strona panel zamknięty zabezpieczone przezroczystą powłoką. Wykonany jest z odpornego na uderzenia materiału szkło hartowane o szerokości pasma 0,4-1,8 μm. Ten zakres odpowiada maksymalnemu promieniowaniu słonecznemu. Szkło antywstrząsowe to dobra ochrona przed gradem. Z tyłu cały panel jest bezpiecznie izolowany.
Płaskie kolektory słoneczne charakteryzują się maksymalną wydajnością i prostą konstrukcją. Ich efektywność jest zwiększona dzięki zastosowaniu absorbera. Są w stanie wychwytywać rozproszone i bezpośrednie promieniowanie słoneczne.
Lista zalet płaskich paneli zamkniętych obejmuje:
Płaskie kolektory słoneczne są szczególnie korzystne, jeśli ich zastosowanie jest zaplanowane na etapie projektowania. Żywotność produktów wysokiej jakości wynosi 50 lat.
Wady obejmują:
Zakres zastosowania kolektorów zamkniętych jest znacznie szerszy niż w przypadku instalacji solarnych typu otwartego. Latem są w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę. W chłodne dni, które nie są uwzględniane przez media w okresie grzewczym, mogą pracować zamiast grzejników gazowych i elektrycznych.
Najważniejszym wskaźnikiem kolektora słonecznego jest wydajność. Wydajność użytkowa kolektorów słonecznych o różnych konstrukcjach zależy od różnicy temperatur. Jednocześnie kolektory płaskie są znacznie tańsze od rurowych.
Wartości sprawności zależą od jakości wykonania kolektora słonecznego. Celem wykresu jest pokazanie efektywności wykorzystania różnych systemów w zależności od różnicy temperatur.
Wybierając kolektor słoneczny należy zwrócić uwagę na szereg parametrów świadczących o sprawności i mocy urządzenia.
Istnieje kilka ważnych cech kolektorów słonecznych:
Obszar apertury to obszar roboczy kolektora słonecznego. Płaski kolektor ma maksymalną powierzchnię apertury. Powierzchnia apertury jest równa powierzchni absorbera.
Ponieważ urządzenia zasilane energią słoneczną nie mogą zapewnić stabilnego i całodobowego zaopatrzenia w energię, potrzebny jest system odporny na te wady.
W centralnej Rosji urządzenia słoneczne nie mogą zagwarantować stabilnych dostaw energii, dlatego są wykorzystywane jako system dodatkowy. Integracja z istniejącym systemem ogrzewania i ciepłej wody różni się w przypadku kolektora słonecznego i baterii słonecznej.
W zależności od przeznaczenia kolektora stosuje się różne systemy przyłączy. Może być kilka opcji:
Wersja letnia jest najprostsza i może obejść się nawet bez pompy obiegowej, wykorzystując naturalny obieg wody.
Woda podgrzewana jest w kolektorze słonecznym i na skutek rozszerzalności cieplnej trafia do zasobnika lub kotła. W takim przypadku zachodzi naturalna cyrkulacja: zimna woda jest zasysana w miejsce ciepłej wody ze zbiornika.
Zimą, kiedy temperatury ujemne bezpośrednie podgrzewanie wody nie jest możliwe. Specjalny płyn niezamarzający krąży w obiegu zamkniętym, zapewniając transfer ciepła z kolektora do wymiennika ciepła w zbiorniku
Jak każdy system oparty na naturalnym obiegu, nie działa zbyt wydajnie, wymagając przestrzegania niezbędnych spadków. Ponadto zasobnik musi być wyższy niż kolektor słoneczny.
Aby woda pozostawała gorąca tak długo, jak to możliwe, zbiornik musi być starannie zaizolowany.
Jeśli chcesz naprawdę osiągnąć najbardziej wydajną pracę kolektora słonecznego, schemat połączeń stanie się bardziej skomplikowany.
W systemie kolektorów słonecznych krąży niezamarzający czynnik chłodzący. wymuszony obieg zapewnia pompę pod kontrolą sterownika.
Sterownik steruje pracą pompy obiegowej na podstawie wskazań co najmniej dwóch czujników temperatury. Pierwszy czujnik mierzy temperaturę w Zbiornik, drugi - na rurze doprowadzającej gorący płyn chłodzący kolektora słonecznego. Gdy tylko temperatura w zbiorniku przekroczy temperaturę płynu chłodzącego, sterownik w kolektorze wyłącza pompę obiegową, zatrzymując obieg płynu chłodzącego w układzie.
Z kolei gdy temperatura w zasobniku spadnie poniżej ustawionej wartości, kocioł grzewczy zostaje załączony.
Kuszące byłoby zastosowanie podobnego schematu podłączenia baterii słonecznej do sieci elektroenergetycznej, jak jest to realizowane w przypadku kolektora słonecznego, akumulującego energię otrzymaną w ciągu dnia. Niestety, w przypadku systemu zasilania prywatnego domu stworzenie zestawu akumulatorów o wystarczającej pojemności jest bardzo drogie. Dlatego schemat połączeń jest następujący.
Gdy moc prądu elektrycznego z baterii słonecznej spada, jednostka ATS ( automatyczne włączanie rezerwa) zapewnia podłączenie odbiorców do wspólnej sieci elektroenergetycznej
Z panele słoneczneładunek trafia do kontrolera ładowania, który spełnia kilka funkcji: zapewnia ciągłe ładowanie akumulatorów oraz stabilizuje napięcie. Dalej Elektryczność wchodzi do falownika, gdzie prąd stały 12V lub 24V jest przetwarzany na prąd przemienny jednofazowy 220V.
Niestety nasze sieci energetyczne nie są przystosowane do odbioru energii, mogą pracować tylko w jednym kierunku od źródła do konsumenta. Z tego powodu nie będziesz w stanie sprzedać wyprodukowanego prądu lub przynajmniej sprawić, by licznik kręcił się w przeciwnym kierunku.
Korzystanie z paneli słonecznych jest korzystne, ponieważ zapewnia bardziej wszechstronną formę energii, ale nie można ich porównywać pod względem wydajności z kolektorami słonecznymi. Te ostatnie nie mają jednak zdolności do magazynowania energii, w przeciwieństwie do fotowoltaicznych baterii słonecznych.
Przy obliczaniu wymaganej wydajności kolektora słonecznego bardzo często mylone jest dokonywanie obliczeń w oparciu o dopływ energii słonecznej w najzimniejszych miesiącach roku.
Faktem jest, że w pozostałych miesiącach roku cały system będzie się stale przegrzewał. Temperatura czynnika chłodniczego latem na wylocie z kolektora słonecznego może osiągnąć 200°C przy podgrzewaniu parą lub gazem, 120°C płynu niezamarzającego, 150°C wody. Jeśli płyn chłodzący się zagotuje, częściowo odparuje. W rezultacie będzie musiał zostać wymieniony.
Odpoczynek wymagane ciepło powinien opracować standard sprzęt grzewczy. Niemniej jednak przy takich wskaźnikach rocznie oszczędza się średnio około 40% na ogrzewaniu i zaopatrzeniu w ciepłą wodę.
Moc generowana przez pojedynczy system próżniowy różni się w zależności od położenia geograficznego. Wskaźnik energii słonecznej przypadającej w ciągu roku na 1 m2 gruntu nazywa się nasłonecznieniem. Znając długość i średnicę rury, możesz obliczyć aperturę - efektywną powierzchnię pochłaniania. Pozostaje zastosować współczynniki absorpcji i emisji do obliczenia mocy jednej lampy rocznie.
Przykład obliczenia:
Standardowa długość rury to 1800 mm, długość efektywna to 1600 mm. Średnica 58 mm. Przysłona to zacieniony obszar utworzony przez tubus. Zatem obszar prostokąta cienia będzie wynosił:
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m2
Sprawność środkowej rury wynosi 80%, nasłonecznienie dla Moskwy wynosi około 1170 kWh/m2 rocznie. W ten sposób jedna tuba będzie działać rocznie:
W \u003d 0,0928 * 1170 * 0,8 \u003d 86,86 kW * h
Należy zauważyć, że jest to bardzo przybliżona kalkulacja. Ilość wytwarzanej energii zależy od orientacji instalacji, kąta, średniej rocznej temperatury itp. opublikowany
