Sončna energija kot alternativni vir energije: vrste in značilnosti solarnih sistemov
V zadnjem desetletju se sončna energija kot alternativni vir energije vse bolj uporablja za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo v stavbah. Glavni razlog je želja po zamenjavi tradicionalnih goriv s cenovno dostopnimi, okolju prijaznimi in obnovljivimi viri energije.
Pretvorba sončne energije v toplotno energijo se pojavi v solarnih sistemih - zasnova in princip delovanja modula določata posebnosti njegove uporabe. V tem gradivu bomo preučili vrste sončnih kolektorjev in načela njihovega delovanja ter govorili o priljubljenih modelih sončnih modulov.
Vsebina članka:
Izvedljivost uporabe solarnega sistema
Solarni sistem je kompleks za pretvorbo energije sončnega sevanja v toploto, ki se nato prenese v toplotni izmenjevalnik za ogrevanje hladilne tekočine ogrevalnega ali vodovodnega sistema.
Učinkovitost sončne toplotne naprave je odvisna od sončne insolacije - količine energije, ki jo prejme v eni uri dnevne svetlobe na 1 kvadratni meter površine, ki se nahaja pod kotom 90° glede na smer sončnih žarkov. Merilna vrednost indikatorja je kW*h/m2, vrednost parametra se spreminja glede na sezono.
Povprečna stopnja sončne insolacije za regijo z zmerno celinskim podnebjem je 1000-1200 kWh/m2 (na leto). Količina sonca je odločilni parameter za izračun zmogljivosti sončnega sistema.
Vgradnja solarnega ogrevalnega sistema je drag podvig. Da bi bili kapitalski stroški upravičeni, sta potrebna natančen izračun sistema in skladnost s tehnologijo namestitve.
Primer. Povprečna vrednost sončne insolacije za Tulo sredi poletja je 4,67 kV/m²*dan, če je sistemska plošča nameščena pod kotom 50°. Produktivnost sončnega kolektorja s površino 5 m² izračunamo na naslednji način: 4,67*4=18,68 kW toplotne energije na dan. Ta prostornina zadošča za segrevanje 500 litrov vode s 17 °C na 45 °C.
Ko govorimo o izvedljivosti uvajanja novih tehnologij, je pomembno upoštevati tehnične značilnosti posameznega sončnega kolektorja. Nekateri začnejo delovati pri 80 W/m2 sončne energije, drugi pa potrebujejo 20 W/m2.
Tudi v južnem podnebju se uporaba kolektorskega sistema zgolj za ogrevanje ne bo izplačala. Če se naprava uporablja izključno pozimi, ko primanjkuje sonca, potem stroški opreme ne bodo pokriti niti v 15-20 letih.
Da bi solarni kompleks uporabljali čim bolj učinkovito, ga je treba vključiti v sistem oskrbe s toplo vodo. Tudi pozimi vam bo sončni kolektor omogočil, da boste račune za energijo za ogrevanje vode “zrezali” do 40-50 %.
Poleg ekonomskih koristi ima solarno ogrevanje še dodatne prednosti:
- Prijaznost do okolja. Emisije ogljikovega dioksida so zmanjšane. V enem letu 1 kvadratni meter sončnega kolektorja prepreči v ozračje 350-730 kg odpadkov.
- Estetika. Prostor kompaktne kopalnice ali kuhinje je mogoče odstraniti iz zajetnih kotlov ali gejzirjev.
- Vzdržljivost. Proizvajalci zagotavljajo, da bo ob upoštevanju tehnologije namestitve kompleks trajal približno 25-30 let. Mnoga podjetja zagotavljajo garancijo do 3 leta.
Argumenti proti izrabi sončne energije: izrazita sezonskost, odvisnost od vremena in visoka začetna naložba.
Splošna struktura in princip delovanja
Razmislimo o možnosti solarnega sistema s kolektorjem kot glavnim delovnim elementom sistema. Videz enote spominja na kovinsko škatlo, katere sprednja stran je izdelana iz kaljenega stekla. V notranjosti škatle je delovni element - tuljava z absorberjem.
Enota za absorpcijo toplote zagotavlja ogrevanje hladilne tekočine - krožeče tekočine, prenese proizvedeno toploto v krogotok za oskrbo z vodo.
Sončni kolektor nujno deluje v tandemu z zalogovnikom. Ker se hladilna tekočina segreje na temperaturo 90-130°C, je ni mogoče neposredno dovajati v pipe za toplo vodo ali grelne radiatorje. Hladilno sredstvo vstopi v toplotni izmenjevalnik kotla. Zalogovnik je pogosto dopolnjen z električnim grelcem.
Shema dela:
- Sonce segreva površino zbiralec.
- Toplotno sevanje se prenaša na absorbcijski element (absorber), ki vsebuje delovno tekočino.
- Hladilno sredstvo, ki kroži skozi tuljave, se segreje.
- Črpalna oprema, krmilna in nadzorna enota zagotavljajo odstranitev hladilne tekočine skozi cevovod do tuljave rezervoarja za shranjevanje.
- Toplota se prenaša na vodo v kotlu.
- Ohlajeno hladilno sredstvo teče nazaj v kolektor in cikel se ponovi.
Ogrevana voda iz grelnika vode se dovaja v ogrevalni krog ali do vodnih točk.
Sončne celice v zasebnih domovih se najpogosteje uporabljajo kot rezervni vir električne energije:
Vrste sončnih kolektorjev
Ne glede na namen je solarni sistem opremljen s ploščatim ali kroglastim cevnim sončnim kolektorjem. Vsaka možnost ima številne značilnosti v smislu tehničnih lastnosti in učinkovitosti delovanja.
Vakuum – za hladno in zmerno podnebje
Strukturno je vakuumski sončni kolektor podoben termosu - ozke cevi s hladilno tekočino so nameščene v bučke večjega premera. Med posodami se ustvari vakuumska plast, ki skrbi za toplotno izolacijo (zadrževanje toplote je do 95%). Cevasta oblika je najbolj optimalna za vzdrževanje vakuuma in "zasedbo" sončnih žarkov.
Notranja (toplotna) cev je napolnjena s fiziološko raztopino z nizkim vreliščem (24-25 ° C). Pri segrevanju tekočina izhlapi - para se dvigne na vrh bučke in segreje hladilno tekočino, ki kroži v telesu zbiralnika.
Med procesom kondenzacije kapljice vode stečejo v konico cevi in postopek se ponovi.
Zahvaljujoč prisotnosti vakuumske plasti lahko tekočina v termo bučki zavre in izhlapi pri ulični temperaturi pod ničlo (do -35 ° C).
Lastnosti solarnih modulov so odvisne od naslednjih kriterijev:
- izvedba cevi - pero, koaksialna;
- naprava za toplotni kanal – "Toplotna cev", kroženje z neposrednim tokom.
Bučka iz perja - steklena cev, ki vsebuje ploščni absorber in toplotni kanal. Vakuumska plast poteka skozi celotno dolžino toplotnega kanala.
Koaksialna cev – dvojna bučka z vakuumskim "vložkom" med stenama dveh rezervoarjev. Prenos toplote poteka z notranje površine cevi. Konica termocevke je opremljena z indikatorjem vakuuma.
Kanal “Heat pipe” je najpogostejša možnost prenosa toplote v sončnih kolektorjih.
Mehanizem delovanja temelji na dajanju tekočine, ki zlahka izhlapi, v zaprte kovinske cevi.
Kanal neposrednega toka – skozi stekleno bučko gredo vzporedne kovinske cevi, povezane v loku v obliki črke U
Hladilno sredstvo, ki teče skozi kanal, se segreva in dovaja v telo kolektorja.
Koaksialne in pernate cevi je mogoče kombinirati s toplotnimi kanali na različne načine.
Možnost 1. Koaksialna bučka s toplotno cevjo je najbolj priljubljena rešitev. V kolektorju se ponavljajoči prenos toplote pojavi od sten steklene cevi do notranje bučke in nato do hladilne tekočine. Stopnja optične učinkovitosti doseže 65%.
Možnost 2. Koaksialna bučka z neposrednim kroženjem je znana kot razdelilnik v obliki črke U. Zahvaljujoč zasnovi se toplotne izgube zmanjšajo - toplotna energija iz aluminija se prenaša na cevi s krožečim hladilnim sredstvom.
Poleg visoke učinkovitosti (do 75%) ima model slabosti:
- kompleksnost namestitve - bučke so del dvocevnega razdelilnega telesa (mainold) in so nameščene v celoti;
- zamenjava posameznih cevi je izključena.
Poleg tega je enota v obliki črke U zahtevna za hladilno tekočino in je dražja od modelov s toplotno cevjo.
Možnost 3. Feather pipe s principom delovanja “Heat pipe”. Posebnosti zbiralnika:
- visoke optične lastnosti - učinkovitost približno 77%;
- ploščati absorber neposredno prenaša toplotno energijo na cev hladilne tekočine;
- zaradi uporabe ene plasti stekla se zmanjša odboj sončnega sevanja;
Možna je zamenjava poškodovanega elementa brez izpusta hladilne tekočine iz solarnega sistema.
Možnost 4. Direktna peresna žarnica je najučinkovitejše orodje za uporabo sončne energije kot alternativnega vira energije za ogrevanje vode ali ogrevanje doma. Visokozmogljiv kolektor deluje z 80-odstotnim izkoristkom. Pomanjkljivost sistema je težava pri popravilu.
Ne glede na izvedbo imajo cevni kolektorji naslednje prednosti:
- zmogljivost pri nizkih temperaturah;
- nizke toplotne izgube;
- trajanje delovanja čez dan;
- sposobnost segrevanja hladilne tekočine na visoke temperature;
- nizka vetrnost;
- enostavnost namestitve.
Glavna pomanjkljivost vakuumskih modelov je nezmožnost samočiščenja pred snežno odejo. Vakuumska plast ne prepušča toplote, zato se plast snega ne topi in blokira dostop sonca do kolektorskega polja. Dodatne pomanjkljivosti: visoka cena in potreba po vzdrževanju delovnega kota naklona bučk najmanj 20 °.
Kolektorske solarne naprave, ki segrevajo hladilno tekočino zraka, se lahko uporabljajo za pripravo tople vode, če so opremljene z zalogovnikom:
Preberite več o principu delovanja vakuumskega sončnega kolektorja s cevmi Nadalje.
Vodyanoy – najboljša možnost za južne zemljepisne širine
Ploščati (panelni) sončni kolektor je pravokotna aluminijasta plošča, ki je na vrhu prekrita s plastičnim ali steklenim pokrovom. V notranjosti škatle je absorpcijsko polje, kovinska tuljava in plast toplotne izolacije. Območje zbiralnika je napolnjeno s pretočnim cevovodom, skozi katerega se premika hladilna tekočina.
Absorpcija toplote visoko selektivnega vpojnega premaza doseže 90 %. Med "absorber" in toplotno izolacijo je nameščen tekoči kovinski cevovod. Uporabljata se dve shemi polaganja cevi: "harfa" in "meander".
Postopek sestavljanja sončnih kolektorjev, ki segrevajo hladilno tekočino, vključuje več tradicionalnih korakov:
Če je ogrevalni krog dopolnjen z napeljavo sanitarne vode do tople vode, je smiselno na sončni kolektor priključiti hranilnik toplote. Najenostavnejša možnost bi bil rezervoar ustrezne posode s toplotno izolacijo, ki lahko vzdržuje temperaturo ogrevane vode. Na nadvoz ga morate namestiti:
Cevni kolektor s tekočim hladilnim sredstvom deluje kot učinek tople grede - sončni žarki prodrejo skozi steklo in segrejejo cevovod. Zahvaljujoč tesnosti in toplotni izolaciji se toplota zadržuje znotraj plošče.
Trdnost solarnega modula je v veliki meri odvisna od materiala zaščitnega pokrova:
- navadno steklo – najcenejši in najbolj krhek premaz;
- napeto steklo – visoka stopnja disperzije svetlobe in povečana trdnost;
- antirefleksno steklo – odlikuje ga največja absorpcijska sposobnost (95 %) zaradi prisotnosti sloja, ki preprečuje odboj sončnih žarkov;
- samočistilno (polarno) steklo s titanovim dioksidom – organski onesnaževalci izgorevajo na soncu, preostale ostanke pa spere dež.
Polikarbonatno steklo je najbolj odporno na udarce. Material je nameščen v dragih modelih.
Delovne in funkcionalne značilnosti panelnih solarnih naprav:
- sistemi s prisilnim kroženjem imajo funkcijo odmrzovanja, ki vam omogoča, da se hitro znebite snežne odeje na heliopolju;
- prizmatično steklo zajema široko paleto žarkov pod različnimi koti - poleti učinkovitost vgradnje doseže 78-80%;
- kolektor se ne boji pregrevanja - če pride do presežka toplotne energije, je možno prisilno hlajenje hladilne tekočine;
- povečana odpornost na udarce v primerjavi s cevnimi kolegi;
- Možnost namestitve pod katerim koli kotom;
- dostopna cenovna politika.
Sistemi niso brez pomanjkljivosti. V obdobjih pomanjkanja sončnega obsevanja, ko se temperaturna razlika poveča, se izkoristek ravnega SSE močno zmanjša zaradi nezadostne toplotne izolacije. Zato je panelni modul upravičen poleti ali v regijah s toplim podnebjem.
Solarni sistemi: značilnosti zasnove in delovanja
Različne solarne sisteme lahko razvrstimo glede na naslednje parametre: način izkoriščanja sončnega sevanja, način kroženja hladilne tekočine, število krogov in sezonskost delovanja.
Aktivni in pasivni kompleks
Vsak sistem za pretvorbo sončne energije ima sončni sprejemnik. Glede na način izrabe prejete toplote ločimo dve vrsti solarnih kompleksov: pasivne in aktivne.
Prvi tip je solarni ogrevalni sistem, kjer konstrukcijski elementi zgradbe delujejo kot toplotno absorbcijski element sončnega sevanja. Streha, kolektorska stena ali okna delujejo kot sončna sprejemna površina.
V evropskih državah se pri gradnji energijsko varčnih stavb uporabljajo pasivne tehnologije. Solarne sprejemne površine so okrašene kot lažna okna. Za steklenim pokrovom je počrnjena opečna stena s svetlimi odprtinami.
Elementi konstrukcije - stene in stropi, izolirani s polistirenom od zunaj - delujejo kot hranilniki toplote.
Aktivni sistemi pomenijo uporabo neodvisnih naprav, ki niso povezane s strukturo.
Termosifonski in obtočni sistemi
Sončna toplotna oprema z naravnim gibanjem hladilne tekočine vzdolž tokokroga kolektor-akumulator-zbiralnik se izvaja zaradi konvekcije - topla tekočina z nizko gostoto se dvigne navzgor, ohlajena tekočina teče navzdol.
V termosifonskih sistemih je hranilnik nameščen nad kolektorjem, kar zagotavlja spontano kroženje hladilne tekočine.
Breztlačni solarni sistem ima številne pomanjkljivosti:
- v oblačnih dneh se zmogljivost kompleksa zmanjša - za premikanje hladilne tekočine je potrebna velika temperaturna razlika;
- toplotne izgube zaradi počasnega gibanja tekočine;
- nevarnost pregrevanja rezervoarja zaradi neobvladljivosti procesa ogrevanja;
- nestabilnost zbiralnika;
- težave pri postavitvi hranilnika - pri namestitvi na streho se povečajo toplotne izgube, pospešijo se korozijski procesi in obstaja nevarnost zmrzovanja cevi.
Prednosti "gravitacijskega" sistema: enostavnost zasnove in cenovna dostopnost.
Stroški vgradnje obtočnega (prisilnega) solarnega sistema so bistveno višji od vgradnje prostotočnega kompleksa. Črpalka se "vreže" v tokokrog, kar zagotavlja gibanje hladilne tekočine. Delovanje črpališča je krmiljeno s krmilnikom.
Ta metoda kroženja se uporablja v celoletnih dvokrožnih solarnih toplotnih napravah.
Prednosti popolnoma funkcionalnega kompleksa:
- neomejena izbira lokacije zalogovnika;
- nastop izven sezone;
- izbira optimalnega načina ogrevanja;
- varnost – blokada delovanja v primeru pregretja.
Slabost sistema je njegova odvisnost od električne energije.
Tehnična rešitev tokokrogov: eno- in dvokrožni
V enokrožnih instalacijah kroži tekočina, ki se nato dovaja v točke za dovod vode. Pozimi je treba vodo iz sistema izčrpati, da preprečimo zmrzovanje in pokanje cevi.
Značilnosti solarnih termalnih kompleksov z enim krogom:
- priporočljivo je, da sistem "napolnite" s prečiščeno, mehko vodo - odlaganje soli na stenah cevi vodi do zamašitve kanalov in okvare zbiralnika;
- korozija zaradi presežka zraka v vodi;
- omejena življenjska doba - v štirih do petih letih;
- visoka učinkovitost poleti.
V dvokrožnih solarnih kompleksih kroži posebna hladilna tekočina (nezmrzovalna tekočina z dodatki proti penjenju in koroziji), ki skozi toplotni izmenjevalnik prenaša toploto v vodo.
Nianse delovanja dvokrožnega modula: rahlo zmanjšanje učinkovitosti (3-5% manj kot v enokrožnem sistemu), potreba po popolni zamenjavi hladilne tekočine vsakih 7 let.
Pogoji za delo in izboljšanje učinkovitosti
Bolje je, da izračun in namestitev solarnega sistema zaupate strokovnjakom. Skladnost s tehniko namestitve bo zagotovila delovanje in doseganje deklarirane zmogljivosti. Za izboljšanje učinkovitosti in življenjske dobe je treba upoštevati nekatere nianse.
Termostatski ventil. V tradicionalnih sistemih ogrevanja termostatski element redko nameščen, saj je generator toplote odgovoren za uravnavanje temperature. Pri vgradnji solarnega sistema pa ne smemo pozabiti na varnostni ventil.
Optimalna postavitev ventila je 60 cm od grelnika. Ko je blizu, se "termostat" segreje in blokira dovod tople vode.
Namestitev zalogovnika. Vmesni hranilnik sanitarne vode mora biti nameščen na dostopnem mestu. Pri postavitvi v kompaktno sobo je posebna pozornost namenjena višini stropov.
Namestitev ekspanzijski rezervoar. Element kompenzira toplotno raztezanje v obdobjih stagnacije. Namestitev rezervoarja nad črpalno opremo bo povzročila pregrevanje membrane in njeno prezgodnjo obrabo.
Priključek solarnega kroga. Pri povezovanju cevi je priporočljivo organizirati zanko. Termična zanka zmanjša izgubo toplote s preprečevanjem izpusta segrete tekočine.
Kontrolni ventil. Preprečuje "prevrnitev" kroženja hladilne tekočine. S pomanjkanjem sončne aktivnosti povratni ventil preprečuje, da bi se čez dan akumulirana toplota razpršila.
Priljubljeni modeli solarnih modulov
Povpraševanje je po solarnih sistemih domačih in tujih podjetij. Izdelki proizvajalcev so pridobili dober ugled: NPO Mashinostroeniya (Rusija), Gelion (Rusija), Ariston (Italija), Alten (Ukrajina), Viessman (Nemčija), Amcor (Izrael) itd.
Sončni sistem "Falcon". Ploščati sončni kolektor opremljen z večslojno optično prevleko z magnetronskim naprševanjem. Minimalna emisijska zmogljivost in visoka stopnja absorpcije zagotavljata učinkovitost do 80 %.
Značilnosti delovanja:
- delovna temperatura – do -21 °C;
- obratno toplotno sevanje – 3-5%;
- zgornji sloj – kaljeno steklo (4 mm).
Zbiralnik SVK-A (Alten). Vakuumska solarna instalacija z absorpcijsko površino 0,8-2,41 m2 (odvisno od modela). Hladilno sredstvo je propilen glikol, toplotna izolacija 75 mm bakrenega toplotnega izmenjevalnika zmanjša toplotne izgube.
Dodatne možnosti:
- telo - eloksiran aluminij;
- premer toplotnega izmenjevalnika - 38 mm;
- izolacija – mineralna volna z antihigroskopsko obdelavo;
- prevleka – borosilikatno steklo 3,3 mm;
- Učinkovitost – 98%.
Vitosol 100-F je ploščati sončni kolektor za vodoravno ali navpično postavitev. Bakreni absorber s cevasto tuljavo v obliki harfe in helio-titanovo prevleko. Prepustnost svetlobe - 81%.
Zaključki in uporaben video na to temo
Načelo delovanja sončnih kolektorjev in njihove vrste:
Ocena delovanja ploščatega kolektorja pri temperaturah pod ničlo:
Tehnologija vgradnje panelnega sončnega kolektorja na primeru modela Buderus:
Sončna energija je obnovljiv vir toplote. Ob upoštevanju naraščajočih cen tradicionalnih energentov uvedba solarnih sistemov upravičuje investicijo in se ob upoštevanju tehnike vgradnje povrne v naslednjih petih letih.
Če imate dragocene informacije, ki bi jih radi delili z obiskovalci našega spletnega mesta, pustite svoje komentarje v polju pod člankom. Tam lahko postavite vprašanja o temi članka ali delite svoje izkušnje z uporabo sončnih kolektorjev.
Moje sanje so uporaba sončne energije za osvetljevanje in ogrevanje mojega doma. Prihranil bom nekaj denarja in naredil to. Moj prijatelj je na svojo streho namestil sončne celice. Celoten proces prenove je stal 25.000 dolarjev. Zdaj imajo dovolj elektrike za svojo družino, višek pa prodajo državi. Računali so, da se bodo stroški povrnili v 6 letih, nato pa bodo dobili prihodke. Obetavna naložba.
Tvoj prijatelj je neiskren - zasebnik ne more prodajati elektrike državi. In oprema ne traja večno. Treba ga bo servisirati in popraviti.
Počakati moramo še 20 let - morda bo takrat bolj dostopen. Ampak ne pri nas...
Okoli te teme se bo razbilo še veliko kopij. Večkrat sem bral študije s skepso glede vračilnosti takih projektov. Očitno je vse odvisno od regionalne povezanosti hiše. Tudi pri porabi električne energije 1000 kW na mesec pri 3 rubljih nekako 25k dolarjev v 5 letih ne gre).
Toda glede ogrevanja je po mojem mnenju zanimivo.Postavlja se le vprašanje, ali bo sončni kolektor lahko popolnoma prevzel ogrevanje in toplo vodo v srednjih zemljepisnih širinah? Potem postane vprašanje povračila drugotnega pomena.
Zdravo. To vprašanje si tudi sam aktivno zastavljam in problem tukaj ni v srednjih zemljepisnih širinah, ampak v dolžini dnevne svetlobe. Baterije in kolektorji delujejo od sončne svetlobe, ne od sončne toplote. Trajanje svetlobnega cikla pozimi, nočni čas, oblačna sezona (in včasih takšno vreme traja več tednov).
Proizvajalčeva različica 10-letne vračilne dobe postaja vprašljiva, če upoštevamo povprečno življenjsko dobo baterije 25 let in polnilne baterije 12 let. In vse bolj se zdi resnična različica, ki je bila nedavno izračunana o 45-letni vračilu, ki se ne zdi več tako primerna.
Kako izračunati povračilo za Krasnodarsko ozemlje? S številom sončnih dni smo v redu. Ali bo težko sami namestiti plošče?
Pozdravljeni, Boris. Na Krasnodarskem ozemlju je alternativna energija precej dobro razvita, zlasti sončne elektrarne, povezane z omrežjem (SPP).
Kar zadeva povračilo, je treba narediti nekaj izračunov. Da bo bolj jasno, bom dal primer končanega projekta za mesto Soči, sončno elektrarno z zmogljivostjo 10 kW. Takoj upoštevamo lokalno tarifo za električno energijo 7,9 rubljev/kWh.
Stroški same sončne elektrarne znašajo 590 tisoč rubljev, plus les in strešne pritrditve, potrošni material in inštalacijska dela bodo stali 110 tisoč rubljev. Skupni znesek je 700 tisoč rubljev.
Prilagam graf skupne letne proizvodnje električne energije 10 kW sončne elektrarne na leto, ki znaša 15900 kWh.Graf povprečnih mesečnih prihrankov kaže, da lahko SES prihrani znesek 125 tisoč rubljev. v letu.
Preprosto je izračunati, da se bo v Sočiju takšna postaja pokvarila v 5 letih.
Svetujem vam, da montažo zaupate ekipi organizacije, specializirane za toplotne instalacije, da prejmete uradno garancijo.