Sunčeva energija kao alternativni izvor energije: vrste i značajke solarnih sustava
U posljednjem desetljeću solarna energija kao alternativni izvor energije sve se više koristi za grijanje i pripremu tople vode u zgradama. Glavni razlog je želja da se tradicionalno gorivo zamijeni pristupačnim, ekološki prihvatljivim i obnovljivim izvorima energije.
Pretvorba sunčeve energije u toplinsku energiju događa se u solarnim sustavima - dizajn i princip rada modula određuje specifičnosti njegove primjene. U ovom materijalu ćemo pogledati vrste solarnih kolektora i načela njihovog rada, a također ćemo govoriti o popularnim modelima solarnih modula.
Sadržaj članka:
Izvedivost korištenja solarnog sustava
Solarni sustav je kompleks za pretvaranje energije sunčevog zračenja u toplinu, koja se zatim prenosi u izmjenjivač topline za zagrijavanje rashladne tekućine sustava grijanja ili vodoopskrbe.
Učinkovitost solarne toplinske instalacije ovisi o sunčevoj insolaciji - količini energije primljene tijekom jednog dnevnog sata po 1 kvadratnom metru površine koja se nalazi pod kutom od 90° u odnosu na smjer sunčevih zraka. Mjerna vrijednost indikatora je kW*h/m², vrijednost parametra varira ovisno o sezoni.
Prosječna razina sunčeve insolacije za područje s umjereno kontinentalnom klimom iznosi 1000-1200 kWh/m2 (godišnje). Količina sunca je odlučujući parametar za izračun performansi solarnog sustava.
Ugradnja solarnog sustava grijanja je skup pothvat. Da bi kapitalni troškovi bili opravdani, potreban je točan izračun sustava i usklađenost s tehnologijom ugradnje.
Primjer. Prosječna vrijednost sunčeve insolacije za Tulu sredinom ljeta iznosi 4,67 kV/m²*dan, pod uvjetom da je ploča sustava postavljena pod kutom od 50°. Produktivnost solarnog kolektora površine 5 m2 izračunava se na sljedeći način: 4,67*4=18,68 kW toplinske energije dnevno. Ovaj volumen dovoljan je za zagrijavanje 500 litara vode od 17 °C do 45 °C.
Govoreći o isplativosti uvođenja novih tehnologija, važno je uzeti u obzir tehničke karakteristike pojedinog solarnog kolektora. Neki počinju raditi s 80 W/m² solarne energije, dok drugima treba 20 W/m².
Čak iu južnoj klimi korištenje kolektorskog sustava samo za grijanje neće se isplatiti. Ako se instalacija koristi isključivo zimi kada nedostaje sunca, tada se troškovi opreme neće moći pokriti ni za 15-20 godina.
Da bi se solarni kompleks koristio što je moguće učinkovitije, mora se uključiti u sustav opskrbe toplom vodom. Čak i zimi, solarni kolektor će vam omogućiti da “srežete” račune za energiju za grijanje vode do 40-50%.
Osim ekonomske koristi, solarno grijanje ima i dodatne prednosti:
- Ekološka prihvatljivost. Smanjene su emisije ugljičnog dioksida. Tijekom godine 1 m2 solarnog kolektora sprječava ulazak 350-730 kg otpada u atmosferu.
- Estetika. Prostor kompaktne kupaonice ili kuhinje može se eliminirati od glomaznih kotlova ili gejzira.
- Izdržljivost. Proizvođači uvjeravaju da će, ako se slijedi tehnologija ugradnje, kompleks trajati oko 25-30 godina. Mnoge tvrtke daju jamstvo do 3 godine.
Argumenti protiv korištenja solarne energije: izražena sezonalnost, ovisnost o vremenskim prilikama i visoka početna ulaganja.
Opća struktura i princip rada
Razmotrimo opciju solarnog sustava s kolektorom kao glavnim radnim elementom sustava. Izgled jedinice podsjeća na metalnu kutiju, čija je prednja strana izrađena od kaljenog stakla. Unutar kutije nalazi se radni element - zavojnica s apsorberom.
Jedinica za upijanje topline osigurava zagrijavanje rashladne tekućine - cirkulirajuće tekućine, prenosi generiranu toplinu u krug opskrbe vodom.
Solarni kolektor nužno radi u tandemu sa spremnikom. Budući da se rashladna tekućina zagrijava do temperature od 90-130 ° C, ne može se dovoditi izravno u slavine tople vode ili radijatore grijanja. Rashladna tekućina ulazi u izmjenjivač topline kotla. Spremnik za skladištenje često je dopunjen električnim grijačem.
Shema rada:
- Sunce zagrijava površinu kolektor.
- Toplinsko zračenje prenosi se na apsorbirajući element (apsorber), koji sadrži radni fluid.
- Rashladna tekućina koja cirkulira kroz cijevi zavojnice se zagrijava.
- Oprema za pumpanje, upravljačka i nadzorna jedinica osigurava uklanjanje rashladne tekućine kroz cjevovod do zavojnice spremnika.
- Toplina se prenosi na vodu u kotlu.
- Ohlađena rashladna tekućina teče natrag u kolektor i ciklus se ponavlja.
Zagrijana voda iz bojlera dovodi se u krug grijanja ili do vodozahvata.
Solarni paneli u privatnim kućama najčešće se koriste kao rezervni izvor električne energije:
Vrste solarnih kolektora
Neovisno o namjeni, solarni sustav je opremljen ravnim ili sfernim cjevastim solarnim kolektorom. Svaka opcija ima niz karakterističnih značajki u pogledu tehničkih karakteristika i operativne učinkovitosti.
Vakuum – za hladnu i umjerenu klimu
Strukturno, vakuumski solarni kolektor podsjeća na termos - uske cijevi s rashladnom tekućinom smještene su u boce većeg promjera. Između posuda stvara se vakuumski sloj koji je odgovoran za toplinsku izolaciju (zadržavanje topline je do 95%). Cjevasti oblik je najoptimalniji za održavanje vakuuma i "okupaciju" sunčevih zraka.
Unutarnja (toplinska) cijev ispunjena je slanom otopinom s niskim vrelištem (24-25 °C). Kada se zagrijava, tekućina isparava - para se diže do vrha tikvice i zagrijava rashladnu tekućinu koja cirkulira u tijelu kolektora.
Tijekom procesa kondenzacije, kapi vode teku u vrh cijevi i proces se ponavlja.
Zahvaljujući prisutnosti vakuumskog sloja, tekućina unutar termalne tikvice može prokuhati i ispariti na uličnim temperaturama ispod nule (do -35 ° C).
Karakteristike solarnih modula ovise o sljedećim kriterijima:
- dizajn cijevi - pero, koaksijalni;
- uređaj toplinskog kanala – "Toplotna cijev", izravna cirkulacija.
Boca od perja - staklena cijev koja sadrži pločasti apsorber i toplinski kanal. Vakuumski sloj prolazi cijelom duljinom toplinskog kanala.
Koaksijalna cijev – dvostruka tikvica s vakuumskim “umetkom” između stijenki dva spremnika. Prijenos topline odvija se s unutarnje površine cijevi. Vrh termocijevi opremljen je indikatorom vakuuma.
Kanal “Heat pipe” najčešća je opcija prijenosa topline u solarnim kolektorima.
Mehanizam djelovanja temelji se na stavljanju tekućine koja lako isparava u zatvorene metalne cijevi.
Kanal izravnog protoka – kroz staklenu tikvicu prolaze paralelne metalne cijevi spojene u obliku slova U
Rashladna tekućina koja teče kroz kanal se zagrijava i dovodi u tijelo kolektora.
Koaksijalne i pernate cijevi mogu se na različite načine kombinirati s toplinskim kanalima.
Opcija 1. Koaksijalna tikvica s "Heat pipe" je najpopularnije rješenje. U kolektoru se ponavlja prijenos topline sa stijenki staklene cijevi na unutarnju tikvicu, a zatim na rashladno sredstvo. Stupanj optičke učinkovitosti doseže 65%.
opcija 2. Koaksijalna tikvica s izravnom cirkulacijom poznata je kao razdjelnik u obliku slova U. Zahvaljujući dizajnu, gubitak topline je smanjen - toplinska energija iz aluminija prenosi se na cijevi s cirkulirajućim rashladnim sredstvom.
Uz visoku učinkovitost (do 75%), model ima nedostatke:
- složenost ugradnje - tikvice su sastavni dio dvocijevnog razvodnog tijela (mainold) i ugrađuju se u cijelosti;
- zamjena pojedinačnih cijevi je isključena.
Osim toga, jedinica u obliku slova U zahtijeva rashladnu tekućinu i skuplja je od modela s toplinskom cijevi.
Opcija 3. Feather pipe s principom rada “Heat pipe”. Izrazite karakteristike kolektora:
- visoke optičke karakteristike - učinkovitost od oko 77%;
- ravni apsorber izravno prenosi toplinsku energiju na cijev rashladne tekućine;
- zbog upotrebe jednog sloja stakla smanjuje se refleksija sunčevog zračenja;
Moguće je zamijeniti oštećeni element bez ispuštanja rashladne tekućine iz solarnog sustava.
Opcija 4. Direktna pernata žarulja je najučinkovitiji alat za korištenje sunčeve energije kao alternativnog izvora energije za grijanje vode ili grijanje doma. Visokoučinkoviti kolektor radi s učinkovitošću od 80%. Nedostatak sustava je poteškoća popravka.
Bez obzira na dizajn, cijevni kolektori imaju sljedeće prednosti:
- performanse na niskim temperaturama;
- mali gubici topline;
- trajanje rada tijekom dana;
- sposobnost zagrijavanja rashladne tekućine na visoke temperature;
- nizak vjetar;
- jednostavnost ugradnje.
Glavni nedostatak vakuumskih modela je nemogućnost samočišćenja od snježnog pokrivača. Vakuumski sloj ne dopušta odlazak topline, tako da se sloj snijega ne topi i blokira pristup sunca kolektorskom polju. Dodatni nedostaci: visoka cijena i potreba za održavanjem radnog kuta nagiba tikvica od najmanje 20 °.
Kolektorski solarni uređaji koji zagrijavaju rashladnu tekućinu zraka mogu se koristiti u pripremi tople vode ako su opremljeni spremnikom:
Pročitajte više o principu rada vakuumskog solarnog kolektora s cijevima Unaprijediti.
Vodyanoy – najbolja opcija za južne geografske širine
Ravni (panel) solarni kolektor je pravokutna aluminijska ploča prekrivena s gornje strane plastičnim ili staklenim poklopcem. Unutar kutije nalazi se apsorpcijsko polje, metalna zavojnica i sloj toplinske izolacije. Područje kolektora ispunjeno je protočnim cjevovodom kroz koji se kreće rashladna tekućina.
Apsorpcija topline visoko selektivnog upijajućeg premaza doseže 90%. Između "apsorbera" i toplinske izolacije postavljen je protočni metalni cjevovod. Koriste se dvije sheme polaganja cijevi: "harfa" i "meander".
Proces sastavljanja solarnih kolektora koji zagrijavaju rashladnu tekućinu uključuje nekoliko tradicionalnih koraka:
Ako je krug grijanja dopunjen vodom za dovod sanitarne vode do tople vode, ima smisla spojiti akumulator topline na solarni kolektor. Najjednostavnija opcija bila bi spremnik odgovarajućeg spremnika s toplinskom izolacijom koja može održavati temperaturu zagrijane vode. Morate ga instalirati na nadvožnjaku:
Cjevasti kolektor s tekućim rashladnim sredstvom djeluje kao efekt staklenika - sunčeve zrake prodiru kroz staklo i zagrijavaju cjevovod. Zahvaljujući nepropusnosti i toplinskoj izolaciji, toplina se zadržava unutar panela.
Snaga solarnog modula uvelike je određena materijalom zaštitnog poklopca:
- obično staklo – najjeftiniji i najkrhkiji premaz;
- procijeđeno staklo – visok stupanj disperzije svjetlosti i povećana čvrstoća;
- antirefleksno staklo – odlikuje se maksimalnom sposobnošću upijanja (95%) zbog prisutnosti sloja koji eliminira refleksiju sunčevih zraka;
- samočisteće (polarno) staklo s titanijevim dioksidom - organski kontaminanti izgaraju na suncu, a preostali otpad ispire kiša.
Polikarbonatno staklo je najotpornije na udarce. Materijal je ugrađen u skupe modele.
Radne i funkcionalne značajke panel solarnih instalacija:
- sustavi s prisilnom cirkulacijom imaju funkciju odmrzavanja koja vam omogućuje brzo uklanjanje snježnog pokrivača na heliopolju;
- prizmatično staklo hvata širok raspon zraka pod različitim kutovima - ljeti učinkovitost ugradnje doseže 78-80%;
- kolektor se ne boji pregrijavanja - ako postoji višak toplinske energije, moguće je prisilno hlađenje rashladne tekućine;
- povećana otpornost na udarce u usporedbi s cjevastim kolegama;
- Mogućnost ugradnje pod bilo kojim kutom;
- pristupačna politika cijena.
Sustavi nisu bez nedostataka. U razdobljima nedostatka sunčevog zračenja, povećanjem temperaturne razlike, učinkovitost ravnog solarnog kolektora značajno opada zbog nedovoljne toplinske izolacije. Stoga je panelni modul opravdan ljeti ili u regijama s toplom klimom.
Solarni sustavi: značajke dizajna i rada
Raznolikost solarnih sustava može se klasificirati prema sljedećim parametrima: način korištenja sunčevog zračenja, način cirkulacije rashladnog sredstva, broj krugova i sezonskost rada.
Aktivni i pasivni kompleks
Svaki sustav za pretvorbu solarne energije ima solarni prijemnik. Na temelju načina korištenja primljene topline razlikuju se dvije vrste solarnih kompleksa: pasivni i aktivni.
Prvi tip je solarni sustav grijanja, gdje konstruktivni elementi zgrade djeluju kao element koji apsorbira toplinu sunčevog zračenja. Krov, zid kolektora ili prozori djeluju kao solarna površina.
U europskim zemljama pasivne tehnologije koriste se u izgradnji energetski učinkovitih zgrada. Prihvatne površine sunca su ukrašene lažnim prozorima. Iza staklenog pokrova nalazi se zid od crne opeke sa svijetlim otvorima.
Elementi konstrukcije - zidovi i stropovi, izvana izolirani polistirenom - djeluju kao akumulatori topline.
Aktivni sustavi podrazumijevaju korištenje neovisnih uređaja koji nisu povezani sa strukturom.
Termosifonski i cirkulacijski sustavi
Solarna toplinska oprema s prirodnim kretanjem rashladne tekućine duž kruga kolektor-akumulator-kolektor izvodi se zbog konvekcije - topla tekućina niske gustoće diže se prema gore, ohlađena tekućina teče prema dolje.
U termosifonskim sustavima spremnik se nalazi iznad kolektora, osiguravajući spontanu cirkulaciju rashladne tekućine.
Solarni sustav bez pritiska ima niz nedostataka:
- u oblačnim danima, izvedba kompleksa pada - potrebna je velika temperaturna razlika za kretanje rashladne tekućine;
- gubici topline zbog sporog kretanja tekućine;
- opasnost od pregrijavanja spremnika zbog nekontroliranosti procesa grijanja;
- nestabilnost kolektora;
- poteškoće pri postavljanju spremnika - kada se postavlja na krov, gubitak topline se povećava, procesi korozije se ubrzavaju i postoji opasnost od smrzavanja cijevi.
Prednosti "gravitacijskog" sustava: jednostavnost dizajna i pristupačnost.
Kapitalni troškovi ugradnje cirkulacijskog (prisilnog) solarnog sustava značajno su veći od ugradnje kompleksa sa slobodnim protokom. Pumpa se "uključuje" u krug, osiguravajući kretanje rashladne tekućine. Radom crpne stanice upravlja upravljač.
Ova metoda cirkulacije koristi se u solarnim toplinskim instalacijama s dva kruga tijekom cijele godine.
Prednosti potpuno funkcionalnog kompleksa:
- neograničen izbor mjesta spremnika;
- izvedba izvan sezone;
- izbor optimalnog načina grijanja;
- sigurnost – blokada rada u slučaju pregrijavanja.
Nedostatak sustava je njegova ovisnost o električnoj energiji.
Tehničko rješenje sklopova: jednokružni i dvokružni
U instalacijama s jednim krugom cirkulira tekućina, koja se zatim dovodi do mjesta za dovod vode. Zimi se voda iz sustava mora ispustiti kako bi se spriječilo smrzavanje i pucanje cijevi.
Značajke solarnih toplinskih kompleksa s jednim krugom:
- preporuča se "napuniti" sustav pročišćenom, mekom vodom - taloženje soli na stijenkama cijevi dovodi do začepljenja kanala i kvara kolektora;
- korozija zbog viška zraka u vodi;
- ograničeni vijek trajanja - unutar četiri do pet godina;
- visoka učinkovitost ljeti.
U solarnim kompleksima s dva kruga cirkulira posebna rashladna tekućina (tekućina bez smrzavanja s aditivima protiv pjenjenja i korozije), koja toplinu prenosi u vodu kroz izmjenjivač topline.
Nijanse rada modula s dva kruga: blagi pad učinkovitosti (3-5% manje nego u sustavu s jednim krugom), potreba za potpunom zamjenom rashladne tekućine svakih 7 godina.
Uvjeti za rad i poboljšanje učinkovitosti
Izračun i instalaciju solarnog sustava bolje je povjeriti profesionalcima. Usklađenost s tehnikom ugradnje osigurat će operativnost i postizanje deklariranih performansi. Da biste poboljšali učinkovitost i vijek trajanja, potrebno je uzeti u obzir neke nijanse.
Termostatski ventil. U tradicionalnim sustavima grijanja termostatski element rijetko instaliran, budući da je generator topline odgovoran za regulaciju temperature. No, kod ugradnje solarnog sustava ne treba zaboraviti na sigurnosni ventil.
Optimalno postavljanje ventila je 60 cm od grijača. Kada se postavi blizu, "termostat" se zagrijava i blokira dovod tople vode.
Postavljanje spremnika za skladištenje. Međuspremnik PTV-a mora biti instaliran na pristupačnom mjestu. Kada se postavljaju u kompaktnu sobu, posebna se pozornost posvećuje visini stropova.
Montaža ekspanzijska posuda. Element kompenzira toplinsko širenje tijekom razdoblja stagnacije. Ugradnja spremnika iznad crpne opreme uzrokovat će pregrijavanje membrane i njezino prerano trošenje.
Priključak solarnog kruga. Prilikom spajanja cijevi preporuča se organizirati petlju. Toplinska petlja smanjuje gubitak topline sprječavajući ispuštanje zagrijane tekućine.
Provjeriti ventil. Sprječava "prevrtanje" cirkulacije rashladnog sredstva. Uz nedostatak sunčeve aktivnosti provjeriti ventil sprječava rasipanje topline nakupljene tijekom dana.
Popularni modeli solarnih modula
Traženi su solarni sustavi domaćih i stranih tvrtki. Dobru reputaciju stekli su proizvodi proizvođača: NPO Mashinostroeniya (Rusija), Gelion (Rusija), Ariston (Italija), Alten (Ukrajina), Viessman (Njemačka), Amcor (Izrael) itd.
Sunčev sustav "Falcon". Ravni solarni kolektor opremljen višeslojnim optičkim premazom s magnetronskim raspršivanjem. Minimalni kapacitet emisije i visoka razina apsorpcije osiguravaju učinkovitost do 80%.
Karakteristike izvedbe:
- radna temperatura – do -21 °C;
- obrnuto toplinsko zračenje – 3-5%;
- gornji sloj – kaljeno staklo (4 mm).
Kolektor SVK-A (Alten). Vakuumska solarna instalacija s apsorpcijskom površinom od 0,8-2,41 m2 (ovisno o modelu). Rashladno sredstvo je propilen glikol, toplinska izolacija bakrenog izmjenjivača topline od 75 mm minimalizira gubitak topline.
Dodatne opcije:
- tijelo – eloksirani aluminij;
- promjer izmjenjivača topline – 38 mm;
- izolacija – mineralna vuna s antihigroskopnom obradom;
- premaz – borosilikatno staklo 3,3 mm;
- Učinkovitost – 98%.
Vitosol 100-F je plosnati solarni kolektor za horizontalnu ili vertikalnu ugradnju. Bakreni apsorber s cjevastim svitkom u obliku harfe i premazom od helio-titana. Propuštanje svjetla – 81%.
Zaključci i koristan video na tu temu
Princip rada solarnih kolektora i njihove vrste:
Procjena performansi ravnog kolektora na temperaturama ispod nule:
Tehnologija ugradnje panelnog solarnog kolektora na primjeru modela Buderus:
Sunčeva energija je obnovljivi izvor topline. Uzimajući u obzir rastuće cijene tradicionalnih izvora energije, implementacija solarnih sustava opravdava kapitalna ulaganja i isplati se u sljedećih pet godina uz pridržavanje tehnike ugradnje.
Ako imate vrijedne informacije koje biste željeli podijeliti s posjetiteljima naše stranice, ostavite svoje komentare u okviru ispod članka. Tamo možete postaviti pitanja o temi članka ili podijeliti svoje iskustvo korištenja solarnih kolektora.
Moj san je korištenje sunčeve energije za osvjetljavanje i grijanje doma. Uštedjet ću nešto novca i učiniti to. Moj prijatelj je postavio solarne ploče na svoj krov. Cijeli proces obnove koštao je 25.000 dolara. Sada imaju dovoljno struje za svoju obitelj, a višak prodaju državi. Računali su da će se troškovi vratiti za 6 godina, a onda će dobiti prihod. Obećavajuća investicija.
Prijatelj ti je neiskren - ne može privatnik prodavati struju državi. A oprema ne traje vječno. Trebat će ga servisirati i popraviti.
Trebamo pričekati još 20 godina - možda tada bude dostupnije. Ali ne kod nas...
Mnogo će se više kopija razbiti oko ove teme. Više sam puta čitao studije sa skepsom o isplativosti takvih projekata. Navodno se sve svodi na regionalnu povezanost kuće. Čak i uz potrošnju električne energije od 1000 kW mjesečno za 3 rublje, nekako 25 tisuća dolara u 5 godina ne ide).
Ali što se tiče grijanja, po mom mišljenju to je zanimljivo.Samo se postavlja pitanje hoće li solarni kolektor moći u potpunosti preuzeti grijanje i toplu vodu u srednjim geografskim širinama? Tada pitanje povrata novca postaje sekundarno.
Zdravo. I ja si to aktivno postavljam, a problem ovdje nije u srednjim geografskim širinama, već u dužini dnevnog svjetla. Baterije i kolektori rade od sunčeve svjetlosti, a ne od sunčeve topline. Trajanje svjetlosnog ciklusa zimi, noć, oblačna sezona (a ponekad takvo vrijeme traje tjednima).
Verzija proizvođača o 10-godišnjem razdoblju povrata ulaganja postaje dvojbena, uzimajući u obzir prosječni vijek trajanja baterije od 25 godina i punjivih baterija od 12 godina. A verzija nedavno izračunata o povratu od 45 godina, koja se više ne čini tako primjerenom, čini se sve istinitijom.
Kako izračunati povrat za regiju Krasnodar? U redu smo s brojem sunčanih dana. Hoće li biti teško sami postaviti ploče?
Bok Borise. U Krasnodarskom kraju alternativna energija je prilično dobro razvijena, posebno solarne elektrane povezane s mrežom (SPP).
Što se tiče povrata, potrebno je napraviti neke kalkulacije. Da bi bilo jasnije, navest ću primjer gotovog projekta za grad Soči, solarnu elektranu snage 10 kW. Odmah uzimamo u obzir lokalnu tarifu električne energije od 7,9 rubalja/kWh.
Trošak same solarne elektrane iznosi 590 tisuća rubalja, plus pričvršćivanje drva i krova, potrošni materijal i instalacijski radovi koštat će 110 tisuća rubalja. Ukupni iznos je 700 tisuća rubalja.
U prilogu dostavljam grafikon ukupne godišnje proizvodnje električne energije solarne elektrane snage 10 kW godišnje, a to je 15900 kWh.Grafikon prosječne mjesečne uštede pokazuje da SES može uštedjeti iznos od 125 tisuća rubalja. u godini.
Lako je izračunati da će se u Sočiju takva stanica pokvariti za 5 godina.
Savjetujem vam da montažu povjerite timu iz organizacije specijalizirane za toplinske instalacije kako biste dobili službeno jamstvo.