Treść artykułu
- Główne elementy systemu grzewczego
- Odmiany i różnice kolekcjonerów
- Problemy z energią słoneczną
- Integracja z systemem grzewczym
- Obliczanie mocy i kroki instalacji
- Czy potrzebuję pompy ciepła
- Koszt systemu ogrzewania słonecznego
Czy dostarczanie do domu słonecznej energii cieplnej jest realistyczne? Dzisiaj omówimy perspektywę wykorzystania systemów solarnych jako głównego źródła ogrzewania, rozważymy kwestię uzasadnienia ekonomicznego i sprawności kolektorów słonecznych.
Główne elementy systemu grzewczego
Kolektory słoneczne służą jako źródło ogrzewania układu słonecznego, którego celem jest jak najefektywniejsze przekazanie energii widma podczerwonego promieniowania słonecznego do chłodziwa. Zakres termiczny światła słonecznego wynosi 40–45% całkowitego strumienia promieniowania, w konkretnych liczbach 200–500 W / m2 w zależności od szerokości geograficznej, pory roku i dnia.
W zasadzie same kolektory wystarczą do zbudowania najprostszego układu słonecznego. Poprzez ich kanały można cyrkulować zwykłą wodę, wykorzystywaną na potrzeby domowe i do ogrzewania domu. Takie podejście nie jest jednak wystarczająco skuteczne z wielu powodów, z których pierwszym jest brak uzupełniania strat energii przez cały dzień. Dlatego jednym z najważniejszych elementów instalacji solarnej jest akumulator ciepła – pojemnik z wodą.
Schemat ogrzewania domu kolektorami słonecznymi: 1 – dostawa zimnej wody; 2 – wymiennik ciepła; 3 – akumulator ciepła; 4 – czujnik temperatury; 5 – obwód płynu chłodzącego; 6 – przepompownia; 7 – kontroler; 8 – zbiornik wyrównawczy; 9 – ciepła woda; 10 – zawór trójdrogowy; 11 – kolektor słoneczny
Pewnym ograniczeniem jest również techniczne urządzenie kolektora słonecznego. Jego kanały mają dość małą powierzchnię przepływu, co stwarza ryzyko zatykania się zanieczyszczeniami mechanicznymi. Istnieje również duże prawdopodobieństwo zamarznięcia chłodziwa w nocy, przy czym górna granica zakresu temperatur roboczych wynosi 200–300 ° С. Kolektory są zaprojektowane do szybkiej, ciągłej cyrkulacji chłodziwa, który wpada w niskiej temperaturze, jest szybko nagrzewany przez światło słoneczne i równie szybko oddaje ciepło do akumulatora.
Próżniowe rury kolektorów słonecznych w kształcie litery U.
Z tych powodów zwykle stosuje się glikol propylenowy z zestawem specjalnych dodatków do bezpośredniego ogrzewania w rurach cieplnych. Tak więc trzecim obowiązkowym elementem grzewczego układu słonecznego jest specjalny płyn chłodzący i obwód wymienny, który często jest strukturalnie zawarty w akumulatorze ciepła lub może być częścią samego kolektora.
Odmiany i różnice kolekcjonerów
Bez wchodzenia w szczegóły techniczne urządzenia, główna różnica między kolektorami płaskimi i próżniowymi polega na celowości ich stosowania w różnych strefach klimatycznych. Kolektory płaskie najlepiej stosować na południowych szerokościach geograficznych z przeważającymi temperaturami powyżej zera, kolektory próżniowe bliżej północnych.
Budowa płaskiego kolektora słonecznego: 1 – wylot chłodziwa; 2 – rama kolektora; 3 – szkło strukturalne odporne na grad; 4 – pochłaniacz; 5 – rurki miedziane; 6 – izolacja termiczna; 7 – wlot chłodziwa
Możliwość zastosowania niektórych typów kolektorów słonecznych wynika z szeregu cech:
- niezdolność kolektorów próżniowych do samodzielnego odśnieżania;
- duże straty ciepła płaskich kolektorów słonecznych, rosnące wraz z różnicą temperatur;
- niska odporność kolektorów płaskich na obciążenia wiatrem;
- wysoki koszt projektu próżniowych kolektorów słonecznych;
- niskie temperatury efektywne wykorzystanie kolektorów płaskich.
Konstrukcja kolektora próżniowego z pośrednim przenoszeniem ciepła: 1 – wlot schłodzonego nośnika ciepła; 2 – wymiennik ciepła (kolektor); 3 – uszczelniona wtyczka; 4 – rura próżniowa; 5 – płyta aluminiowa (absorber); 6 – rura cieplna; 7 – płyn roboczy; 8 – podgrzewany wylot chłodziwa; 9 – korpus radiatora; 10 – skraplacz rurkowy; 11 – izolacja
Jedna z najważniejszych różnic dotyczy procesu instalacji. Kolektory płaskie wymagają wstępnie zmontowanej dostawy na dach, natomiast kolektory próżniowe można zmontować na miejscu. Ponadto płaskie kolektory zwykle nie mają własnego akumulatora ciepła i obwodu wymiennika..
Problemy z energią słoneczną
Systemy ogrzewania słonecznego nie są pozbawione wad, z których najważniejszym jest niestałość źródła energii. W nocy system nie nagrzewa się, a przy długiej pochmurnej pogodzie oczekiwanie, że bezchmurne niebo ogrzeje dom, to przyjemność poniżej średniej. Jeżeli bateria o dostatecznie dużej pojemności jest w stanie utrzymać wymaganą ilość ciepła przynajmniej do rana, to kilku dni autonomicznej pracy w warunkach niedostatecznego oświetlenia można spodziewać się jedynie przy znacznej rozbudowie farmy słonecznej. To z kolei powoduje odwrotny problem: po osiągnięciu trybu maksymalnej mocy (na przykład w pogodny wiosenny dzień) taki układ słoneczny będzie wymagał intensywniejszego odprowadzania ciepła lub chwilowego wyłączenia kilku absorberów z ich zacienieniem.
Ważne jest, aby zrozumieć, że systemy słoneczne w realiach rosyjskiego klimatu nie mogą być wykorzystywane jako jedyne ani główne źródło ogrzewania. Są jednak w stanie znacząco obniżyć zużycie energii w sezonie grzewczym. Szczególnie efektywnie sprawdzają się kolektory hybrydowe, w których grzałki są połączone z fotokomórkami. Jeśli zachmurzenie opóźnia większość promieniowania podczerwonego, to utrata fotoelektrycznej części widma nie jest tak znacząca.
Kolejną wadą kolektorów słonecznych jest konieczność wymuszonej cyrkulacji chłodziwa w układzie kolektor-akumulator. Niektóre kolektory próżniowe są wyposażone w zbiornik zapewniający naturalną cyrkulację i znajdują się nad absorberem. Takie instalacje są zwykle stosowane w instalacjach ciepłej wody z poborem wody pod ciśnieniem zimnej wody. Ale nadal istnieją sposoby na ustalenie wspólnej pracy takich kolektorów słonecznych z systemem grzewczym..
Próżniowy kolektor słoneczny ze zbiornikiem
Integracja z systemem grzewczym
Istnieją dwa sposoby łączenia kolektorów słonecznych z dowolnie złożonym systemem ogrzewania cieczą. Głównym źródłem energii może być gaz lub energia elektryczna – nie ma znaczącej różnicy.
Pierwsza opcja polega na podgrzaniu całkowitego dziennego akumulatora. Akumulator komunikuje się z kotłem wspólnie i sekwencyjnie, przy niedostatecznie wysokiej temperaturze ten ostatni zostaje uruchomiony i podgrzewa ciecz. Właściwie zaprojektowany system tego typu może skutecznie działać nawet bez wymuszonego obiegu..
1 – obieg grzewczy; 2 – ciecz grzewcza; 3 – czujnik temperatury; 4 – przepompownia; 5 – kontroler; 6 – pompa; 7 – zbiornik wyrównawczy; 8 – woda sanitarna; 9 – zimna woda; 10 – zaopatrzenie w ciepłą wodę; 11 – kolektor słoneczny; 12 – kocioł grzewczy
Drugi rodzaj połączenia polega na zastosowaniu akumulatora ciepła z dwoma obwodami. Przez jedną z kolektora odprowadzane jest ciepło, przez drugą – podgrzewanie chłodziwa w układzie, woda z akumulatora służy jako źródło zaopatrzenia w ciepłą wodę. Ponieważ obiegi są od siebie odizolowane, w systemie grzewczym i cyklu wymiany ciepła z kolektora słonecznego można zastosować więcej płynów pochłaniających ciepło lub płynu niezamarzającego. Główną wadą jest zmienność układu, ponieważ w obu obwodach cyrkulacja jest wymuszona.
1 – dopływ zimnej wody; 2 – czujnik temperatury; 3 – wymiennik ciepła kolektora słonecznego; 4 – wymiennik ciepła kotła; 5 – obieg chłodziwa kolektora; 6 – przepompownia; 7 – kontroler; 8 – zbiornik wyrównawczy; 9 – pompa obiegowa; 10 – wylot ciepłej wody; 11 – kocioł grzewczy; 12 – kolektor słoneczny
Obliczanie mocy i kroki instalacji
Przejście na energię słoneczną nie wymaga pośpiechu i powierzchownego podejścia. Często wnioski o celowości instalacji układu słonecznego można wyciągnąć dopiero po kilku latach obserwacji i obliczeń..
Niestety nie ma sensu polegać na mapach słońca, ponieważ lokalne warunki pogodowe mogą znacznie zniekształcić średnią. Dlatego pierwszą rzeczą do zrobienia jest samodzielne sporządzenie raportu o natężeniu promieniowania słonecznego w miejscu montażu kolektorów. Do pomiarów używane są pirometry; w ciągu 5 tysięcy rubli można kupić urządzenie budżetowe z wystarczającym zestawem funkcji.
Pyranometer
Pomiary należy wykonywać o różnych porach dnia z częstotliwością około tygodnia przez cały rok. Podczas pomiarów należy wziąć pod uwagę kąt nachylenia i orientację kolektorów. Uzyskane dane są ostatecznie weryfikowane ze statystykami ośrodka hydrometeorologicznego w zakresie odsetka dni pochmurnych w roku..
Aby zapewnić wysoką sprawność elektrowni słonecznej, należy wziąć pod uwagę najbardziej negatywny scenariusz, czyli za punkt odniesienia przyjąć najdłuższy okres z najniższym natężeniem oświetlenia. W idealnym przypadku można uwzględnić prawdopodobieństwo wystąpienia jeszcze gorszych warunków pogodowych, korzystając ze statystyk meteorologicznych z ostatnich 15–20 lat. Uzyskane dane o napływającej energii słonecznej pozwolą ustalić wymaganą całkowitą powierzchnię pola absorpcyjnego oraz określić liczbę kolektorów, które należy zakupić.
Jak wspomniano, kolektory są bardzo rzadko stosowane jako główne źródło ogrzewania, zwykle pełnią rolę pomocniczą. Ale udział udziału można obliczyć, jest on wskazany jako procent całkowitej mocy systemu elektroenergetycznego domu lub jego strat ciepła. Po otrzymaniu wymaganej liczby kilowatów mnożymy ją przez sprawność optyczną absorberów, dodaje się kilka współczynników – poprawki na orientację, pochylenie, warunki temperaturowe, a także margines bezpieczeństwa.
Zgodnie z wartością „netto” generowanej mocy dobiera się:
- wymaganą liczbę kolektorów danego modelu i średnio jeden zapasowy kolektor słoneczny na 10-15 pracujących;
- instalacja rurowa o zalecanej przez producenta przepustowości i odporności cieplnej;
- grupa cyrkulacyjna, zawory odcinające, inne urządzenia pomocnicze;
- objętość i położenie zbiornika magazynowego. W instalacjach o dziennym składowaniu lub wydajności odprowadzania ciepła powyżej 20 kW sensowne jest budowanie izolowanych zbiorników betonowych o pojemności 15–20 m33.
W celu samodzielnego montażu i konserwacji konieczne jest sporządzenie projektu systemu, wydzielenie miejsca na umieszczenie urządzeń pomocniczych oraz zamocowanie kolektora słonecznego na południowej (dla półkuli północnej) połaci dachowej z uwzględnieniem zaleceń dostawcy sprzętu dotyczących obciążenia wiatrem. Nie zapominaj, że kupując pełną gamę urządzeń od jednego dystrybutora, otrzymujesz możliwość darmowego sporządzenia, jeśli nie projektu instalacji solarnej, to przynajmniej listy dobrze kompatybilnych urządzeń i komponentów.
Czy potrzebuję pompy ciepła
Jedną z głównych wad systemów ogrzewania słonecznego jest wysoki koszt. O ile technologia produkcji kolektorów płaskich jest dobrze opanowana, to absorbery próżniowe pozostają drogie iw pewnych warunkach pogodowych tylko one mogą być z powodzeniem eksploatowane. Ale jest inna alternatywa – kolektory powietrzne.
Kolektor słoneczny typu powietrznego
Ze względu na prostsze urządzenie ich koszt jest mniejszy, a ponadto istnieje możliwość autonomicznej pracy. Sprawność kolektorów powietrza zwiększa się dzięki zamontowaniu dmuchawy zasilanej zintegrowanym panelem słonecznym. Dzięki przyspieszonemu, ale proporcjonalnemu do nagrzewania chłodzeniu kanałów, zminimalizowane są straty ciepła powrotnego przez kolektor. Ograniczenie mocy można osiągnąć poprzez regulację prędkości wentylatora lub po prostu odcięcie przepływu – kolektory powietrza nie boją się szoku termicznego, ponadto łatwo jest ustawić naturalną recyrkulację.
Brak systemów powietrznych przy małym stopniu nagrzania chłodziwa. Pojemność cieplna powietrza jest mniejsza, a pochłaniacz jest prawie zawsze podgrzewany bez ogniskowania. Aby móc zintegrować się z systemem grzewczym (co jest najczęściej konieczne ze względu na brak możliwości ułożenia kanału wentylacyjnego w ogrzewanym pomieszczeniu), potrzebna jest pompa ciepła lub system typu split.
Ale powietrzne pompy ciepła mogą być również używane w celu zwiększenia wydajności klimatyzacji. Dzięki nim szybkość cyrkulacji można podnieść do wartości, które są niedopuszczalne w domowych systemach wentylacyjnych, co daje 2-3 krotny wzrost wydajności z powodu dużej różnicy temperatur. W nocy kolektor będzie miał również niską wydajność w zakresie temperatur roboczych.
Powietrze używane jako nośnik ciepła można osuszyć lub zastąpić dwutlenkiem węgla lub innym gazem bardziej zatrzymującym ciepło. Jednak nie ma sensu stosowanie pomp ciepła z pierwotnym obiegiem wody: są one pierwotnie zaprojektowane do pracy z dużą różnicą temperatur, dlatego wzrost mocy nie jest wystarczający, aby uzasadnić koszt instalacji.
Koszt systemu ogrzewania słonecznego
Przyjemność korzystania z czystej energii ma, przynajmniej na dziś, wysoką cenę. Trzeba przyznać, że są pozytywne wiadomości: w ciągu ostatnich pięciu lat koszt produkcji kolektorów płaskich spadł 2-2,5 razy, tego samego można się wkrótce spodziewać po urządzeniach z absorberami próżniowymi.
Koszt kolektorów płaskich i próżniowych determinowany jest wielkością produkcji – wartością promieniowania słonecznego w idealnych warunkach oświetleniowych, czyli mocą właściwą. Średnio za 1 kW płaskich kolektorów słonecznych trzeba będzie zapłacić około 350-500 USD, a za kompletną instalację z baterią zewnętrzną – około 800-1000 USD. Koszt próżniowych kolektorów słonecznych waha się w wyższym zakresie – od 600 do 1000-1200 USD za kompleks, w zależności od jakości wykonania, materiału rury, izolacji wymiennika ciepła i innych cech.
W przypadku kolektorów pojemnościowych standard pomiaru dotyczy litrów wody podgrzanej do najwyższej możliwej temperatury. Ilość wytworzonej energii elektrycznej można obliczyć albo na podstawie całkowitej powierzchni absorbera, albo wyrażając ją za pomocą właściwej pojemności cieplnej wody. W zależności od złożoności systemu koszt jest bardzo zróżnicowany, cena jednego egzemplarza ze średniego segmentu rynku sięga 1500 USD za 300 litrów (dla 4-5 mieszkańców) przy różnicy temperatur około 50 ° C, co odpowiada 2,5 kW mocy właściwej.
Bądź pierwszy, który skomentuje ten wpis