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 топла вода на сгради. Основната причина е желанието да се замени традиционното гориво с достъпни, екологични и възобновяеми енергийни ресурси.

Преобразуването на слънчевата енергия в топлинна енергия се извършва в слънчеви системи - дизайнът и принципът на работа на модула определя спецификата на неговото приложение. В този материал ще разгледаме видовете слънчеви колектори и принципите на тяхната работа, както и ще говорим за популярни модели слънчеви модули.

Възможността за използване на слънчева система

Соларната система е комплекс за преобразуване на енергията на слънчевата радиация в топлина, която впоследствие се прехвърля към топлообменник за загряване на охлаждащата течност на отоплителна или водоснабдителна система.

Ефективността на слънчевата топлинна инсталация зависи от слънчевата инсолация - количеството енергия, получено за един светъл час от денонощието на 1 квадратен метър повърхност, разположена под ъгъл 90° спрямо посоката на слънчевите лъчи. Стойността на измерване на индикатора е kW*h/кв.м, като стойността на параметъра варира в зависимост от сезона.

Средното ниво на слънчева инсолация за район с умереноконтинентален климат е 1000-1200 kWh/кв.м (годишно). Количеството слънце е определящият параметър за изчисляване на ефективността на слънчевата система.

Използването на алтернативен източник на енергия ви позволява да отоплявате къща и да получавате топла вода без традиционни разходи за енергия - изключително чрез слънчева радиация

Инсталирането на слънчева отоплителна система е скъпо начинание. За да бъдат оправдани капиталовите разходи, е необходимо точно изчисление на системата и спазване на инсталационната технология.

Пример. Средната стойност на слънчевата инсолация за Тула в средата на лятото е 4,67 kV/кв.м*ден, при условие че системният панел е монтиран под ъгъл 50°. Производителността на слънчев колектор с площ 5 кв.м се изчислява по следния начин: 4,67*4=18,68 kW топлинна енергия на ден. Този обем е достатъчен за загряване на 500 литра вода от 17 °C до 45 °C.

Както показва практиката, когато използват слънчева електроцентрала, собствениците на вили през лятото могат напълно да преминат от електрическо или газово отопление на вода към слънчев метод

Говорейки за осъществимостта на въвеждането 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, а други се нуждаят от 20 W/кв.м.

Дори в южен климат използването на колекторна система само за отопление няма да се изплати. Ако инсталацията се използва изключително през зимата, когато има недостиг на слънце, тогава цената на оборудването няма да бъде покрита дори след 15-20 години.

За да се използва слънчевият комплекс възможно най-ефективно, той трябва да бъде включен в системата за захранване с топла вода. Дори през зимата слънчевият колектор ще ви позволи да „намалите” сметките за енергия за подгряване на вода с до 40-50%.

Според експерти за домашна употреба една слънчева система се изплаща за приблизително 5 години. С нарастването на цените на електроенергията и газа срокът 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 една година 1 кв.м слънчев колектор предотвратява навлизането в атмосферата на 350-730 кг отпадъци.
2. Естетика. Пространството на компактна баня или кухня може да бъде премахнато от обемисти котли или гейзери.
3. Издръжливост. Производителите уверяват, че при спазване на инсталационната технология комплексът ще продължи около 25-30 години. Много компании предоставят гаранция до 3 години.

Аргументи против използването на слънчева енергия: изразена сезонност, зависимост от времето и висока първоначална инвестиция.

Общо устройство и принцип на действие

Нека разгледаме варианта на слънчева система с колектор като основен работен елемент на системата. Външният вид на устройството прилича на метална кутия, чиято предна страна е изработена от закалено стъкло. Вътре в кутията има работен елемент - намотка с абсорбатор.

Топлопоглъщащият блок осигурява нагряване на охлаждащата течност - циркулираща течност, прехвърля генерираната топлина към водоснабдителната верига.

Основните компоненти на соларната система: 1 – колекторно поле, 2 – вентилационен отвор, 3 – разпределителна станция, 4 – резервоар за освобождаване на свръхналягане, 5 – контролер, 6 – резервоар за бойлер, 7.8 – нагревателен елемент и топлообменник, 9 – термосмесителен вентил, 10 – поток гореща вода, 11 – вход за студена вода, 12 – дренаж, T1/T2 – температурни сензори

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

Схема на работа:

1. Слънцето нагрява повърхността колектор.
2. Топлинното излъчване се предава на абсорбиращия елемент (абсорбер), който съдържа работната течност.
3. Охлаждащата течност, циркулираща през тръбите на намотката, се нагрява.
4. Помпеното оборудване, блокът за управление и наблюдение осигурява отстраняването на охлаждащата течност през тръбопровод към намотката на резервоара за съхранение.
5. Топлината се предава на водата в котела.
6. Охладената охлаждаща течност се връща обратно в колектора и цикълът се повтаря.

Загрятата вода от бойлера се подава към отоплителния кръг или към водоприемните точки.

При инсталиране на отоплителна система или целогодишно захранване с топла вода, системата е оборудвана с източник на допълнително отопление (бойлер, електрически нагревател). Това е необходимо условие за поддържане на зададената температура

Слънчевите панели в частните домове най-често се използват като резервен източник на електроенергия:

Видове слънчеви колектори

Независимо от предназначението, слънчевата система е оборудвана с плосък или сферичен тръбен слънчев колектор. Всяка опция има редица отличителни характеристики по отношение на технически характеристики и ефективност на работа.

Вакуум – за студен и умерен климат

Структурно вакуумният слънчев колектор прилича на термос - тесни тръби с охлаждаща течност се поставят в колби с по-голям диаметър. Между съдовете се образува вакуумен слой, който отговаря за топлоизолацията (задържане на топлина е до 95%). Тръбната форма е най-оптимална за поддържане на вакуум и "заемане" на слънчевите лъчи.

Основни елементи на тръбна слънчева термална инсталация: носеща рамка, корпус на топлообменник, вакуумни стъклени тръби, обработени с високо селективно покритие за интензивно „поглъщане“ на слънчева 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 до горната част на колбата и загрява охлаждащата течност, циркулираща в тялото на колектора.

По време на процеса на кондензация, капки вода се вливат в върха на тръбата и процесът се повтаря.

Благодарение на наличието на вакуумен слой, течността вътре в термичната колба може да заври и да се изпари при минусови улични температури (до -35 ° C).

Характеристиките на соларните модули зависят от следните критерии:

• дизайн на тръбата - перо, коаксиален;
• термично канално устройство – "топлинна тръба", директна циркулация.

Колба с пера - стъклена тръба, съдържаща пластинчат абсорбер и топлинен канал. Вакуумният слой преминава през цялата дължина на термоканала.

Коаксиална тръба – двойна колба с вакуумна „вложка“ между стените на два резервоара. Преносът на топлина се извършва от вътрешната повърхност на тръбата. Накрайникът на термотръбата е снабден с индикатор за вакуум.

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 с пера ще трябва да бъде сменена изцяло

Каналът “Heat pipe” е най-често срещаният вариант за пренос на топлина в слънчевите колектори.

Механизмът на действие се основава на поставяне на лесно изпаряваща се течност в запечатани метални тръби.

Популярността на „Heat pipe“ се дължи на достъпната цена, лесната поддръжка и поддръжка. Поради сложността на процеса на топлообмен, максималното ниво на ефективност е 65%

Канал с директен поток – през стъклената колба преминават успоредни метални тръби, свързани в U-образна дъга

Охлаждащата течност, протичаща през канала, се нагрява и подава към тялото на колектора.

Варианти на конструкцията на вакуумния слънчев колектор: 1 – модификация с отоплителна централна тръба „Heat pipe“, 2 – слънчева инсталация с директна циркулация на охлаждащата течност

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

Опция 1. Коаксиална колба с “Heat pipe” е най-популярното решение. В колектора се извършва многократно предаване на топлина от стените на стъклената тръба към вътрешната колба и след това към охлаждащата течност. Степента на оптична ефективност достига 65%.

Диаграма на конструкцията на коаксиална тръба „Топлинна тръба“: 1 – стъклена обвивка, 2 – селективно покритие, 3 – метални ребра, 4 – вакуум, 5 – термоколба с лесно кипящо вещество, 6 – вътрешна стъклена тръба

Вариант 2. Коаксиална колба с директна циркулация е известна като U-образен колектор. Благодарение на дизайна загубата на топлина е намалена - топлинната енергия от алуминий се прехвърля към тръби с циркулираща охлаждаща течност.

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

• сложност на монтажа - колбите са неразделна част от корпуса на двутръбния колектор (магнит) и се монтират изцяло;
• подмяната на единични тръби е изключена.

В допълнение, U-образният модул изисква охлаждаща течност и е по-скъп от моделите с топлинна тръба.

Конструкция на U-образен слънчев колектор: 1 – стъклен „цилиндър“, 2 – абсорбиращо покритие, 3 – алуминиев „корпус“, 4 – колба с охлаждаща течност, 5 – вакуум, 6 – вътрешна стъклена тръба

Вариант 3. Перна тръба с принцип на работа “Heat pipe”. Отличителни черти на колектора:

• високи оптични характеристики - ефективност около 77%;
• плоският абсорбер директно пренася топлинна енергия към тръбата на охлаждащата течност;
• поради използването на един слой стъкло, отразяването на слънчевата радиация е намалено;

Възможна е подмяна на повреден елемент без източване на охладителната течност от соларната система.

Вариант 4. Крушка с директен поток е най-ефективният инструмент за използване на слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия за отопление на вода или отопление на дома. Високопроизводителният колектор работи с КПД 80%. Недостатъкът на системата е трудността на ремонта.

Проектни схеми за перови слънчеви колектори: 1 – слънчева система с канал “Heat pipe”, 2 – корпус на двутръбен слънчев колектор с директен поток на охлаждащата течност

Независимо от дизайна, тръбните колектори имат следните предимства:

• производителност при ниски температури;
• ниски топлинни загуби;
• продължителност на работа през деня;
• способността за нагряване на охлаждащата течност до високи температури;
• нисък вятър;
• лекота на монтаж.

Основният недостатък на вакуумните модели е невъзможността за самопочистване от снежна покривка. Вакуумният слой не позволява на топлината да излиза, така че слоят сняг не се топи и блокира достъпа на слънцето до колекторното поле. Допълнителни недостатъци: висока цена и необходимост от поддържане на работен ъгъл на наклон на колбите най-малко 20 °.

Колекторни слънчеви устройства, които загряват въздушния охладител, могат да се използват при подготовката на топла вода, ако са оборудвани с резервоар за съхранение:

Прочетете повече за принципа на работа на вакуумен слънчев колектор с тръби По-нататък.

Vodyanoy – най-добрият вариант за южните ширини

Плоският (панелен) слънчев колектор представлява правоъгълна алуминиева плоча, покрита отгоре с пластмасов или стъклен капак. Вътре в кутията има абсорбционно поле, метална намотка и слой топлоизолация. Зоната на колектора е изпълнена с поточен тръбопровод, през който се движи охлаждащата течност.

Основните компоненти на плоския слънчев колектор: корпус, абсорбер, защитно покритие, топлоизолационен слой и крепежни елементи. По време на монтажа се използва матирано стъкло с пропускливост на спектралния диапазон от 0,4-1,8 микрона

Топлинната абсорбция на високоселективното абсорбиращо покритие достига 90%. Между „абсорбера” и топлоизолацията се поставя течащ метален тръбопровод. Използват се две схеми за полагане на тръби: „арфа“ и „меандър“.

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

Ако отоплителният кръг е допълнен с линия, доставяща санитарна вода към захранването с топла вода, има смисъл да свържете топлинен акумулатор към слънчевия колектор. Най-простият вариант би бил резервоар от подходящ контейнер с топлоизолация, който може да поддържа температурата на нагрятата вода. Трябва да го инсталирате на надлеза:

Тръбен колектор с течна охлаждаща течност действа като "парников" ефект - слънчевите лъчи проникват през стъклото и загряват тръбопровода. Благодарение на плътността и топлоизолацията топлината се задържа вътре в панела.

Здравината на соларния модул до голяма степен се определя от материала на защитния капак:

• обикновено стъкло – най-евтиното и крехко покритие;
• цедено стъкло – висока степен на светлоразсейване и повишена здравина;
• антирефлексно стъкло – характеризира се с максимална абсорбираща способност (95%) поради наличието на слой, който елиминира отразяването на слънчевите лъчи;
• самопочистващо се (полярно) стъкло с титанов диоксид - органичните замърсители изгарят на слънце, а останалите отпадъци се измиват от дъжда.

Най-удароустойчиво е поликарбонатното стъкло. Материалът е инсталиран в скъпи модели.

Отражение на слънчевата светлина и абсорбционна способност: 1 – антирефлексно покритие, 2 – закалено удароустойчиво стъкло. Оптималната дебелина на защитната външна обвивка е 4 мм

Експлоатационни и функционални характеристики на панелните соларни инсталации:

• системите с принудителна циркулация имат функция за размразяване, която ви позволява бързо да се отървете от снежната покривка на хелиополето;
• призматичното стъкло улавя широка гама от лъчи под различни ъгли - през лятото ефективността на монтажа достига 78-80%;
• колекторът не се страхува от прегряване - ако има излишък на топлинна енергия, е възможно принудително охлаждане на охлаждащата течност;
• повишена устойчивост на удар в сравнение с тръбните колеги;
• Възможност за монтаж под всякакъв ъгъл;
• достъпна ценова политика.

Системите не са без недостатъци. По време на периоди на недостиг на слънчева радиация, с увеличаване на температурната разлика, ефективността на плоския слънчев колектор намалява значително поради недостатъчна топлоизолация. Следователно панелният модул е ​​оправдан през лятото или в райони с топъл климат.

Слънчеви системи: характеристики на дизайна и работата

Разнообразието от соларни системи може да се класифицира според следните параметри: метод на използване на слънчевата радиация, метод на циркулация на охлаждащата течност, брой кръгове и сезонност на работа.

Активен и пасивен комплекс

Всяка система за преобразуване на слънчева енергия има слънчев приемник. Въз основа на начина на използване на получената топлина се разграничават два вида слънчеви комплекси: пасивни и активни.

Първият тип е слънчева отоплителна система, при която структурните елементи на сградата действат като топлопоглъщащ елемент на слънчевата радиация. Покривът, колекторната стена или прозорците действат като слънчева приемна повърхност.

Схема на нискотемпературна пасивна соларна система с колекторна стена: 1 - слънчеви лъчи, 2 - полупрозрачен екран, 3 - въздушна бариера, 4 - нагрят въздух, 5 - изходящи въздушни потоци, 6 - топлинно излъчване от стената, 7 - топлопоглъщаща повърхност на стената на колектора, 8 – декоративни щори

В европейските страни пасивните технологии се използват при изграждането на енергийно ефективни сгради. Слънчевите приемни повърхности са декорирани като фалшиви прозорци. Зад стъкленото покритие има почерняла тухлена стена със светли отвори.

Като топлинни акумулатори действат елементите на конструкцията - стени и тавани, изолирани отвън с полистирол.

Активните системи предполагат използването на независими устройства, които не са свързани със структурата.

Тази категория включва горепосочените комплекси с тръбни, плоски колектори - слънчевите топлинни инсталации обикновено се разполагат на покрива на сградата

Термосифонни и циркулационни системи

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

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

Схемата на работа е типична за едноконтурни сезонни системи. Термосифонният комплекс не се препоръчва за използване при колектори с площ над 12 кв.м.

Соларната система без налягане има широк спектър от недостатъци:

• в облачни дни производителността на комплекса пада - необходима е голяма температурна разлика, за да се движи охлаждащата течност;
• топлинни загуби поради бавното движение на течността;
• рискът от прегряване на резервоара поради неконтролируемост на процеса на нагряване;
• нестабилност на колектора;
• трудности при поставянето на резервоара за съхранение - когато се монтира на покрива, загубата на топлина се увеличава, процесите на корозия се ускоряват и съществува риск от замръзване на тръбите.

Предимствата на системата "гравитация": простота на дизайна и достъпност.

Капиталовите разходи за инсталиране на циркулационна (принудителна) слънчева система са значително по-високи от инсталирането на комплекс със свободен поток. Помпата се "врязва" във веригата, осигурявайки движението на охлаждащата течност. Работата на помпената станция се контролира от контролер.

Допълнителната топлинна мощност, генерирана в комплекса с принудителен въздух, надвишава мощността, консумирана от помпеното оборудване. Ефективността на системата ще се увеличи с една трета

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

Предимства на напълно функционален комплекс:

• неограничен избор на местоположение на резервоара за съхранение;
• представяне извън сезона;
• избор на оптимален режим на отопление;
• безопасност – блокиране на работата при прегряване.

Недостатъкът на системата е зависимостта й от електричество.

Техническо решение на вериги: едно- и двуконтурни

В едноконтурни инсталации циркулира течност, която впоследствие се подава към точките за всмукване на вода. През зимата водата от системата трябва да се източи, за да се предотврати замръзване и напукване на тръбите.

Характеристики на едноконтурни слънчеви топлинни комплекси:

• препоръчва се системата да се „напълни“ с пречистена, мека вода - отлагането на соли по стените на тръбите води до запушване на каналите и повреда на колектора;
• корозия поради излишък на въздух във водата;
• ограничен експлоатационен живот - в рамките на четири до пет години;
• висока ефективност през лятото.

В двуконтурните слънчеви комплекси циркулира специална охлаждаща течност (незамръзваща течност с добавки против пенообразуване и антикорозия), която предава топлина на водата през топлообменник.

Схеми за проектиране на едноконтурна (1) и двуконтурна (2) слънчева система. Вторият вариант се характеризира с повишена надеждност, способност за работа през зимата и дълъг експлоатационен живот (20-50 години)

Нюансите на работа на двуконтурен модул: леко намаляване на ефективността (3-5% по-малко, отколкото в едноконтурна система), необходимостта от пълна подмяна на охлаждащата течност на всеки 7 години.

Условия за работа и подобряване на ефективността

По-добре е да поверите изчисляването и инсталирането на слънчева система на професионалисти. Спазването на инсталационната техника ще осигури работоспособност и постигане на декларираната производителност. За да се подобри ефективността и експлоатационния живот, е необходимо да се вземат предвид някои нюанси.

Термостатичен вентил. В традиционните системи за отопление термостатичен елемент рядко се инсталира, тъй като топлинният генератор е отговорен за регулирането на температурата. Въпреки това, когато инсталирате соларна система, не трябва да забравяте за предпазния клапан.

Загряването на резервоара до максимално допустимата температура увеличава производителността на колектора и ви позволява да използвате слънчева топлина дори при облачно време

Оптималното разположение на вентила е 60 см от нагревателя. Когато е поставен близо, „термостатът“ се нагрява и блокира подаването на топла вода.

Разположение на резервоара за съхранение. Буферният съд за БГВ трябва да се монтира на достъпно място. При поставяне в компактна стая се обръща специално внимание на височината на таваните.

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

Инсталация разширителен съд. Елементът компенсира топлинното разширение по време на периоди на стагнация. Монтирането на резервоара над помпеното оборудване ще доведе до прегряване на мембраната и преждевременното й износване.

Оптималното място за разширителния резервоар е под помпената група. Температурният ефект при този монтаж е значително намален, а мембраната запазва своята еластичност по-дълго.

Свързване на соларна верига. При свързване на тръби се препоръчва да се организира контур. Термичният контур намалява загубата на топлина, като предотвратява изпускането на нагрята течност.

Технически правилен вариант за реализиране на „примка” на соларен кръг. Пренебрегването на това изискване води до спад на температурата в резервоара за съхранение с 1-2°C през нощта

Възвратен клапан. Предотвратява „преобръщане“ на циркулацията на охлаждащата течност. С липса на слънчева активност възвратен клапан предотвратява разсейването на натрупаната през деня топлина.

Популярни модели соларни модули

Търсят се соларни системи от местни и чуждестранни компании. Продуктите на производителите са спечелили добра репутация: NPO Mashinostroeniya (Русия), Gelion (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. Минималният емисионен капацитет и високото ниво на абсорбция осигуряват ефективност до 80%.

Характеристики на изпълнение:

• работна температура – ​​до -21 °C;
• обратно топлинно излъчване – 3-5%;
• горен слой – закалено стъкло (4 мм).

Колектор SVK-A (Alten). Вакуумна соларна инсталация с абсорбционна площ 0,8-2,41 кв.м (в зависимост от модела). Охлаждащата течност е пропилей гликол, топлоизолацията на 75 мм меден топлообменник минимизира загубата на топлина.

Допълнителни опции:

• корпус – анодизиран алуминий;
• диаметър на топлообменника – 38 mm;
• изолация – минерална вата с антихигроскопична обработка;
• покритие – боросиликатно стъкло 3,3 мм;
• Ефективност – 98%.

Vitosol 100-F е плосък слънчев колектор за хоризонтален или вертикален монтаж. Меден абсорбер с тръбна намотка във формата на арфа и хелио-титаниево покритие. Светлопропускливост – 81%.

Ориентировъчни цени на соларни системи: плоски слънчеви колектори – от 400 USD/кв.м, тръбни слънчеви колектори – 350 USD/10 термоса. Пълен комплект циркулационна система – от 2500 USD

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 на монтаж на панелен слънчев колектор по примера на модела Buderus:

Слънчевата енергия е възобновяем източник на топлина. Като се вземат предвид нарастващите цени на традиционните енергийни ресурси, внедряването на соларни системи оправдава капиталовите инвестиции и се изплаща в следващите пет години, ако се спазват техниките за инсталиране.

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