Solenergi som alternativ energikälla: typer och egenskaper hos solsystem

Under det senaste decenniet har solenergi som alternativ energikälla använts alltmer för att värma upp och förse byggnader med varmvatten. Den främsta anledningen är önskan att ersätta traditionellt bränsle med prisvärda, miljövänliga och förnybara energiresurser.

Omvandlingen av solenergi till termisk energi sker i solsystem - modulens design och funktionsprincip bestämmer detaljerna för dess tillämpning. I det här materialet kommer vi att titta på typerna av solfångare och principerna för deras funktion, och även prata om populära modeller av solmoduler.

Möjligheten att använda ett solsystem

Ett solsystem är ett komplex för att omvandla solstrålningsenergi till värme, som sedan överförs till en värmeväxlare för att värma kylvätskan i ett värme- eller vattenförsörjningssystem.

Effektiviteten hos en solvärmeinstallation beror på solinstrålning - mängden energi som tas emot under en dagsljustimme per 1 kvadratmeter yta placerad i en vinkel på 90° i förhållande till solens strålars riktning. Mätvärdet på indikatorn är kW*h/kvm, parameterns värde varierar beroende på säsong.

Den genomsnittliga nivån av solinstrålning för en region med ett tempererat kontinentalt klimat är 1000-1200 kWh/kvm (per år). Mängden sol är den avgörande parametern för att beräkna ett solsystems prestanda.

Användningen av en alternativ energikälla gör att du kan värma ett hus och få varmvatten utan traditionella energikostnader - enbart genom solstrålning

Att installera ett solvärmesystem är ett dyrt uppdrag. För att kapitalkostnader ska vara motiverade krävs en noggrann beräkning av systemet och överensstämmelse med installationsteknik.

Exempel. Medelvärdet för solinstrålning för Tula i mitten av sommaren är 4,67 kV/kvm*dag, förutsatt att systempanelen är installerad i en vinkel på 50°. Produktiviteten för en solfångare med en yta på 5 kvm beräknas enligt följande: 4,67*4=18,68 kW värmeenergi per dag. Denna volym räcker för att värma 500 liter vatten från 17 °C till 45 °C.

Som praxis visar, när man använder ett solkraftverk, kan stugägare på sommaren helt byta från el- eller gasuppvärmning av vatten till solmetoden

På tal om genomförbarheten av att introducera ny teknik är det viktigt att ta hänsyn till de tekniska egenskaperna hos en viss solfångare. Vissa börjar arbeta med 80 W/kvm solenergi medan andra behöver 20 W/kvm.

Även i ett sydligt klimat kommer det inte att löna sig att använda ett kollektorsystem enbart för uppvärmning. Om installationen uteslutande används på vintern när det är brist på sol, kommer kostnaden för utrustningen inte att täckas ens om 15-20 år.

För att använda solenergikomplexet så effektivt som möjligt måste det ingå i varmvattenförsörjningssystemet. Även på vintern låter solfångaren dig "sänka" energiräkningen för vattenuppvärmning med upp till 40-50%.

Enligt experter, för hushållsbruk betalar ett solsystem sig själv på cirka 5 år. Med stigande priser på el och gas kommer återbetalningstiden för komplexet att minska

Förutom ekonomiska fördelar har solvärme ytterligare fördelar:

1. Miljövänlighet. Koldioxidutsläppen minskar. Under loppet av ett år hindrar 1 kvm solfångare 350-730 kg avfall från att komma ut i atmosfären.
2. Estetik. Utrymmet i ett kompakt bad eller kök kan elimineras från skrymmande pannor eller gejsrar.
3. Varaktighet. Tillverkare försäkrar att om installationstekniken följs kommer komplexet att hålla i cirka 25-30 år. Många företag ger en garanti på upp till 3 år.

Argument mot att använda solenergi: uttalad säsongsvariation, väderberoende och hög initial investering.

Allmän struktur och funktionsprincip

Låt oss överväga alternativet för ett solsystem med en samlare som det huvudsakliga arbetselementet i systemet. Utseendet på enheten liknar en metalllåda, vars framsida är gjord av härdat glas. Inuti lådan finns ett arbetselement - en spole med en absorbator.

Den värmeabsorberande enheten ger uppvärmning av kylvätskan - cirkulerande vätska, överför den genererade värmen till vattenförsörjningskretsen.

Solsystemets huvudkomponenter: 1 – kollektorfält, 2 – luftventil, 3 – distributionsstation, 4 – övertrycksavlastningstank, 5 – styrenhet, 6 – varmvattenberedaretank, 7,8 – värmeelement och värmeväxlare, 9 – termisk blandningsventil, 10 – varmvattenflöde, 11 – kallvatteninlopp, 12 – avlopp, T1/T2 – temperaturgivare

Solfångaren fungerar nödvändigtvis tillsammans med lagringstanken. Eftersom kylvätskan värms upp till en temperatur på 90-130°C kan den inte tillföras direkt till varmvattenkranar eller värmeradiatorer. Kylvätskan kommer in i pannans värmeväxlare. Förrådstanken kompletteras ofta med en elvärmare.

Arbetsschema:

1. Solen värmer ytan samlare.
2. Termisk strålning överförs till det absorberande elementet (absorbatorn), som innehåller arbetsvätskan.
3. Kylvätskan som cirkulerar genom slingrören värms upp.
4. Pumputrustning, en kontroll- och övervakningsenhet säkerställer avlägsnandet av kylvätska genom en rörledning till lagringstankens spole.
5. Värme överförs till vattnet i pannan.
6. Den kylda kylvätskan rinner tillbaka in i uppsamlaren och cykeln upprepas.

Uppvärmt vatten från varmvattenberedaren tillförs värmekretsen eller till vattenintagsställen.

När du installerar ett värmesystem eller året runt varmvattenförsörjning är systemet utrustat med en källa för ytterligare uppvärmning (panna, elvärmeelement). Detta är ett nödvändigt villkor för att upprätthålla den inställda temperaturen

Solpaneler i privata hem används oftast som reservkälla för el:

Typer av solfångare

Oavsett syfte är solsystemet utrustat med en platt eller sfärisk rörformig solfångare. Varje alternativ har ett antal utmärkande egenskaper när det gäller tekniska egenskaper och operativ effektivitet.

Vakuum – för kalla och tempererade klimat

Strukturellt liknar en vakuumsolfångare en termos - smala rör med kylvätska placeras i kolvar med större diameter. Ett vakuumskikt bildas mellan kärlen, vilket är ansvarigt för värmeisolering (värmeretention är upp till 95%). Den rörformade formen är mest optimal för att upprätthålla vakuum och "uppta" solens strålar.

Grundläggande element i en rörformad solvärmeinstallation: stödram, värmeväxlarhus, vakuumglasrör behandlade med en mycket selektiv beläggning för intensiv "absorption" av solenergi

Det inre (värme) röret är fyllt med en saltlösning med låg kokpunkt (24-25 ° C). Vid upphettning avdunstar vätskan - ångan stiger till toppen av kolven och värmer upp kylvätskan som cirkulerar i kollektorkroppen.

Under kondensationsprocessen rinner vattendroppar in i rörets spets och processen upprepas.

Tack vare närvaron av ett vakuumlager kan vätskan inuti termokolven koka och avdunsta vid gatutemperaturer under noll (ned till -35 ° C).

Karakteristiken för solcellsmoduler beror på följande kriterier:

• rördesign – fjäder, koaxial;
• termisk kanalenhet – "Värmeledning", direktflödescirkulation.

Fjäderkolv - ett glasrör som innehåller en plattabsorbator och en värmekanal. Vakuumskiktet passerar genom hela längden av den termiska kanalen.

Koaxialrör – en dubbel kolv med en vakuuminsats mellan väggarna på två tankar. Värmeöverföring sker från rörets inre yta. Spetsen på termotuben är utrustad med en vakuumindikator.

Effektiviteten hos fjäderrör (1) är högre jämfört med koaxialmodeller (2). De förra är dock dyrare och svårare att installera. Dessutom, i händelse av haveri, måste fjäderkolven bytas ut helt

"Heat pipe"-kanalen är det vanligaste alternativet för värmeöverföring i solfångare.

Verkningsmekanismen bygger på att en lätt avdunstande vätska placeras i förseglade metallrör.

Populariteten för "Heat pipe" beror på dess överkomliga kostnad, enkla underhåll och underhållsbarhet. På grund av värmeväxlingsprocessens komplexitet är den maximala effektivitetsnivån 65 %

Direktflödeskanal – Parallella metallrör anslutna i en U-formad båge passerar genom glaskolven

Kylvätskan som strömmar genom kanalen värms upp och tillförs kollektorkroppen.

Designalternativ för vakuumsolfångare: 1 – modifiering med ett centralt värmerör ”Heat pipe”, 2 – solcellsinstallation med direktflöde kylvätskecirkulation

Koaxial- och fjäderrör kan kombineras med värmekanaler på olika sätt.

Alternativ 1. En koaxialkolv med "Heat pipe" är den mest populära lösningen. I kollektorn sker upprepad värmeöverföring från glasrörets väggar till den inre kolven och sedan till kylvätskan. Graden av optisk effektivitet når 65%.

Diagram över utformningen av ett koaxialrör "Värmerör": 1 - glasskal, 2 - selektiv beläggning, 3 - metallfenor, 4 - vakuum, 5 - termisk kolv med lättkokt ämne, 6 - inre glasrör

Alternativ 2. En koaxial kolv med direkt cirkulation är känd som en U-formad grenrör. Tack vare designen minskar värmeförlusten - termisk energi från aluminium överförs till rör med cirkulerande kylvätska.

Tillsammans med hög effektivitet (upp till 75%) har modellen nackdelar:

• installationens komplexitet - kolvarna är integrerade med tvårörs grenrörskroppen (huvuddelen) och är helt installerade;
• byte av enstaka rör är uteslutet.

Dessutom kräver den U-formade enheten kylvätska och är dyrare än "Heat pipe"-modeller.

Struktur av en U-formad solfångare: 1 – glas “cylinder”, 2 – absorberande beläggning, 3 – aluminium “fodral”, 4 – kolv med kylvätska, 5 – vakuum, 6 – inre glasrör

Alternativ 3. Fjäderrör med funktionsprincipen "Heat pipe". Särskiljande egenskaper hos samlaren:

• höga optiska egenskaper - effektivitet på cirka 77%;
• den platta absorbatorn överför värmeenergi direkt till kylmedelsröret;
• på grund av användningen av ett lager glas reduceras reflektionen av solstrålning;

Det är möjligt att byta ut ett skadat element utan att tömma kylvätskan från solsystemet.

Alternativ 4. En direktflödesfjäderlampa är det mest effektiva verktyget för att använda solenergi som en alternativ energikälla för att värma vatten eller värma upp ett hem. Den högpresterande uppsamlaren arbetar med en verkningsgrad på 80 %. Nackdelen med systemet är svårigheten att reparera.

Designscheman för fjädersolfångare: 1 – solsystem med en ”Heat pipe”-kanal, 2 – tvårörs solfångarhus med direktflöde av kylvätska

Oavsett design har rörformade samlare följande fördelar:

• prestanda vid låga temperaturer;
• låga värmeförluster;
• operationens varaktighet under dagen;
• förmågan att värma kylvätskan till höga temperaturer;
• låg vindstyrka;
• enkel installation.

Den största nackdelen med vakuummodeller är oförmågan att självrengöra från snötäcke. Vakuumlagret tillåter inte värme att passera ut, så snölagret smälter inte och blockerar solens tillgång till kollektorfältet. Ytterligare nackdelar: högt pris och behovet av att upprätthålla en arbetsvinkel på flaskorna på minst 20°.

Solfångare som värmer luftkylvätskan kan användas vid beredning av varmvatten om de är utrustade med en lagringstank:

Läs mer om funktionsprincipen för en vakuumsolfångare med rör Ytterligare.

Vodyanoy – det bästa alternativet för sydliga breddgrader

En platt (panel) solfångare är en rektangulär aluminiumplatta täckt ovanpå med ett plast- eller glaslock. Inuti lådan finns ett absorptionsfält, en metallspole och ett lager av värmeisolering. Kollektorområdet är fyllt med en flödesledning genom vilken kylvätskan rör sig.

Grundkomponenterna i en platt solfångare: hölje, absorbator, skyddande beläggning, värmeisoleringsskikt och fästelement. Under monteringen används frostat glas med en transmittans av spektralområdet 0,4-1,8 mikron

Värmeabsorptionen av den mycket selektiva absorberande beläggningen når 90 %. En flytande metallrörledning placeras mellan "absorbenten" och värmeisoleringen. Två rörläggningsscheman används: "harpa" och "meander".

Processen att montera solfångare som värmer kylvätskan inkluderar ett antal traditionella steg:

Om värmekretsen kompletteras med en ledning som levererar sanitetsvatten till varmvattenförsörjningen, är det vettigt att ansluta en värmeackumulator till solfångaren. Det enklaste alternativet skulle vara en tank av en lämplig behållare med värmeisolering som kan upprätthålla temperaturen på det uppvärmda vattnet. Du måste installera den på överfarten:

En rörformig uppsamlare med flytande kylvätska fungerar som en "växthuseffekt" - solens strålar tränger in genom glaset och värmer upp rörledningen. Tack vare täthet och värmeisolering hålls värmen kvar inuti panelen.

Styrkan hos solcellsmodulen bestäms till stor del av materialet i skyddskåpan:

• vanligt glas – den billigaste och ömtåligaste beläggningen;
• silat glas – hög grad av ljusspridning och ökad styrka;
• antireflexglas – kännetecknas av maximal absorptionskapacitet (95%) på grund av närvaron av ett lager som eliminerar reflektion av solens strålar;
• självrengörande (polärt) glas med titandioxid – organiska föroreningar brinner ut i solen, och resterande skräp sköljs bort av regn.

Polykarbonatglas är det mest slagtåliga. Materialet är installerat i dyra modeller.

Reflektion av solljus och absorptionsförmåga: 1 – antireflexbeläggning, 2 – härdat slagtåligt glas. Den optimala tjockleken på det skyddande yttre skalet är 4 mm

Funktionella och funktionella egenskaper hos panelsolinstallationer:

• forcerade cirkulationssystem har en avfrostningsfunktion som gör att du snabbt kan bli av med snötäcket på heliofältet;
• prismatiskt glas fångar ett brett spektrum av strålar i olika vinklar - på sommaren når installationseffektiviteten 78-80%;
• samlaren är inte rädd för överhettning - om det finns ett överskott av termisk energi är forcerad kylning av kylvätskan möjlig;
• ökad slaghållfasthet jämfört med rörformiga motsvarigheter;
• Möjlighet till installation i alla vinklar;
• överkomlig prispolitik.

Systemen är inte utan brister. Under perioder med brist på solstrålning, när temperaturskillnaden ökar, sjunker effektiviteten hos en platt solfångare avsevärt på grund av otillräcklig värmeisolering. Därför är panelmodulen motiverad på sommaren eller i regioner med ett varmt klimat.

Solsystem: design och funktionsegenskaper

Mångfalden av solsystem kan klassificeras enligt följande parametrar: metod för att använda solstrålning, metod för kylvätskecirkulation, antal kretsar och säsongsvariation.

Aktivt och passivt komplex

Alla system för omvandling av solenergi har en solcellsmottagare. Baserat på metoden för att använda den mottagna värmen särskiljs två typer av solkomplex: passiva och aktiva.

Den första typen är ett solvärmesystem, där byggnadens strukturella delar fungerar som det värmeabsorberande elementet för solstrålningen. Taket, solfångarväggen eller fönstren fungerar som en solmottagande yta.

Schema för ett passivt solsystem med låg temperatur med en kollektorvägg: 1 - solstrålar, 2 - genomskinlig skärm, 3 - luftbarriär, 4 - uppvärmd luft, 5 - frånluftsflöden, 6 - termisk strålning från väggen, 7 - värmeabsorberande yta på kollektorväggen, 8 – dekorativa persienner

I europeiska länder används passiv teknik för att bygga energieffektiva byggnader. Solmottagande ytor är dekorerade som falska fönster. Bakom glasbeklädnaden finns en svärtad tegelvägg med ljusöppningar.

Elementen i strukturen - väggar och tak, isolerade med polystyren från utsidan - fungerar som värmeackumulatorer.

Aktiva system innebär användning av oberoende enheter som inte är relaterade till strukturen.

Denna kategori inkluderar de ovan nämnda komplexen med rörformiga, platt-plåtkollektorer - solvärmeinstallationer är vanligtvis placerade på byggnadens tak

Termosifon och cirkulationssystem

Solvärmeutrustning med naturlig rörelse av kylvätskan längs kollektor-ackumulator-kollektorkretsen utförs på grund av konvektion - varm vätska med låg densitet stiger uppåt, kyld vätska strömmar ner.

I termosifonsystem är lagringstanken placerad ovanför kollektorn, vilket säkerställer spontan cirkulation av kylvätskan.

Driftschemat är typiskt för enkrets säsongssystem. Termosifonkomplexet rekommenderas inte för användning för samlare med en yta på mer än 12 kvm.

Ett solsystem utan tryck har ett brett utbud av nackdelar:

• på molniga dagar sjunker komplexets prestanda - en stor temperaturskillnad krävs för att kylvätskan ska röra sig;
• värmeförluster på grund av vätskans långsamma rörelse;
• risken för överhettning av tanken på grund av okontrollerbarhet av uppvärmningsprocessen;
• instabilitet hos samlaren;
• svårighet att placera lagringstanken - när den installeras på taket ökar värmeförlusten, korrosionsprocesser accelererar och det finns risk för att rören fryser.

Fördelarna med "gravity"-systemet: enkel design och prisvärdhet.

Kapitalkostnaderna för att installera ett cirkulerande (tvingat) solsystem är betydligt högre än att installera ett fritt flödeskomplex. En pump "skär" in i kretsen, vilket säkerställer kylvätskans rörelse. Driften av pumpstationen styrs av en styrenhet.

Den extra värmeeffekten som genereras i tvångsluftkomplexet överstiger den effekt som förbrukas av pumputrustningen. Systemeffektiviteten kommer att öka med en tredjedel

Denna cirkulationsmetod används i solvärmeinstallationer med dubbla kretsar året runt.

Fördelar med ett fullt fungerande komplex:

• obegränsat val av plats för lagringstanken;
• prestanda under lågsäsong;
• val av optimalt uppvärmningsläge;
• säkerhet – blockering av drift vid överhettning.

Nackdelen med systemet är dess beroende av el.

Teknisk lösning av kretsar: enkel- och dubbelkrets

I enkelkretsinstallationer cirkulerar vätska, som därefter tillförs vattenintagspunkter. Vintertid måste vattnet från systemet dräneras för att förhindra frysning och sprickbildning i rören.

Funktioner hos enkrets solvärmekomplex:

• det rekommenderas att "fylla" systemet med renat, mjukt vatten - avsättningen av salter på väggarna i rören leder till igensättning av kanalerna och nedbrytning av uppsamlaren;
• korrosion på grund av överskott av luft i vatten;
• begränsad livslängd - inom fyra till fem år;
• hög effektivitet på sommaren.

I solkomplex med dubbla kretsar cirkulerar ett speciellt kylmedel (icke-frysande vätska med skumdämpande och korrosionsskyddande tillsatser), som överför värme till vattnet genom en värmeväxlare.

Schema för utformningen av ett enkelkrets (1) och dubbelkrets (2) solsystem. Det andra alternativet kännetecknas av ökad tillförlitlighet, förmågan att arbeta på vintern och lång livslängd (20-50 år)

Nyanserna för att driva en dubbelkretsmodul: en liten minskning av effektiviteten (3-5% mindre än i ett enkelkretssystem), behovet av att helt byta ut kylvätskan vart sjunde år.

Förutsättningar för arbete och effektivisering

Det är bättre att anförtro beräkningen och installationen av ett solsystem till proffs. Överensstämmelse med installationstekniken säkerställer driftbarhet och uppnående av den deklarerade prestandan. För att förbättra effektiviteten och livslängden är det nödvändigt att ta hänsyn till några nyanser.

Termostatventil. I traditionella värmesystem termostatiskt element sällan installerad, eftersom värmegeneratorn är ansvarig för att reglera temperaturen. Men när man installerar ett solsystem bör man inte glömma säkerhetsventilen.

Uppvärmning av tanken till högsta tillåtna temperatur ökar kollektorns prestanda och gör att du kan använda solvärme även i molnigt väder

Den optimala placeringen av ventilen är 60 cm från värmaren. När den placeras nära värms "termostaten" upp och blockerar tillförseln av varmvatten.

Placering av lagringstanken. VV-bufferttanken måste installeras på en tillgänglig plats. När den placeras i ett kompakt rum ägnas särskild uppmärksamhet åt höjden på taken.

Det minsta fria utrymmet ovanför tanken är 60 cm. Detta mellanrum är nödvändigt för service av batteriet och byte av magnesiumanod

Installation expansionskärl. Elementet kompenserar för termisk expansion under perioder av stagnation. Installation av tanken ovanför pumputrustningen kommer att orsaka överhettning av membranet och dess för tidigt slitage.

Den optimala platsen för expansionstanken är under pumpgruppen. Temperatureffekten under denna installation reduceras avsevärt, och membranet behåller sin elasticitet längre.

Anslutning av solkrets. Vid anslutning av rör rekommenderas det att organisera en slinga. Den termiska slingan minskar värmeförlusten genom att förhindra utsläpp av uppvärmd vätska.

Ett tekniskt korrekt alternativ för att implementera en "loop" av en solkrets. Att försumma detta krav gör att temperaturen i lagringstanken sjunker med 1-2°C över natten

Backventil. Förhindrar att kylvätskecirkulationen "väter". Med brist på solaktivitet backventil förhindrar att värmen som samlats under dagen försvinner.

Populära modeller av solcellsmoduler

Solsystem från inhemska och utländska företag är efterfrågade. Produkter från tillverkare har vunnit ett gott rykte: NPO Mashinostroeniya (Ryssland), Gelion (Ryssland), Ariston (Italien), Alten (Ukraina), Viessman (Tyskland), Amcor (Israel), etc.

Solsystemet "Falcon". Platt solfångare utrustad med en flerskikts optisk beläggning med magnetronförstoftning. Minsta utsläppskapacitet och höga absorptionsnivå ger en verkningsgrad på upp till 80 %.

Prestandaegenskaper:

• driftstemperatur – upp till -21 °C;
• omvänd värmestrålning – 3-5%;
• toppskikt – härdat glas (4 mm).

Samlare SVK-A (Alten). Vakuum solcellsinstallation med en absorptionsarea på 0,8-2,41 kvm (beroende på modell). Kylvätskan är propylenglykol, värmeisoleringen av en 75 mm kopparvärmeväxlare minimerar värmeförlusten.

Extra alternativ:

• kropp – anodiserad aluminium;
• värmeväxlarens diameter - 38 mm;
• isolering – mineralull med antihygroskopisk behandling;
• beläggning – borosilikatglas 3,3 mm;
• Effektivitet – 98%.

Vitosol 100-F är en platt solfångare för horisontell eller vertikal installation. Kopparabsorbent med harpformad rörformad spole och helio-titanbeläggning. Ljusgenomsläpplighet – 81%.

Ungefärliga priser för solfångare: platta solfångare – från 400 USD/kvm, tubformade solfångare – 350 USD/10 vakuumkolvar. Komplett uppsättning cirkulationssystem – från 2500 USD

Slutsatser och användbar video om ämnet

Funktionsprincipen för solfångare och deras typer:

Bedöma prestandan hos en plattkollektor vid temperaturer under noll:

Installationsteknik för en panelsolfångare med exemplet på Buderus-modellen:

Solenergi är en förnybar värmekälla. Med hänsyn till de stigande priserna på traditionella energiresurser, motiverar implementeringen av solsystem kapitalinvesteringar och lönar sig under de kommande fem åren om installationstekniker följs.

Om du har värdefull information som du vill dela med besökare på vår webbplats, vänligen lämna dina kommentarer i rutan under artikeln. Där kan du ställa frågor om ämnet för artikeln eller dela din erfarenhet av att använda solfångare.