Solárne vykurovanie doma pomocou kolektorov: princíp činnosti a cena

Obsah článku

• Hlavné komponenty vykurovacieho systému
• Odrody a rozdiely zberateľov
• Problémy so solárnou energiou
• Integrácia do vykurovacieho systému
• Postup výpočtu a inštalácie energie
• Potrebujem tepelné čerpadlo
• Náklady na solárny systém

Je realistické vybaviť váš dom slnečnou tepelnou energiou? Dnes budeme diskutovať o možnosti využitia solárnych systémov ako hlavného zdroja vykurovania, zvážime otázku ekonomického opodstatnenia a účinnosti solárnych kolektorov.

Hlavné komponenty vykurovacieho systému

Slnečné kolektory slúžia ako zdroj vykurovania slnečnej sústavy, ktorého účelom je najúčinnejší prenos energie z infračerveného spektra slnečného žiarenia do chladiva. Tepelný rozsah slnečného svetla je 40–45% z celkového toku žiarenia, v konkrétnych číslach je to 200–500 W / m² v závislosti od zemepisnej šírky, ročného času a dňa.

Na výstavbu najjednoduchšieho solárneho systému v zásade postačujú iba kolektory. Prostredníctvom týchto kanálov môže cirkulovať obyčajná voda, ktorá sa používa pre potreby domácnosti a na vykurovanie bytov. Tento prístup však nie je dostatočne efektívny z mnohých dôvodov, z ktorých prvým je nedostatok doplnení energetických strát na celý deň. Preto jedným z najdôležitejších prvkov solárneho vykurovacieho systému je tepelný akumulátor – zásobník s vodou.

Systém vykurovania domu so solárnymi kolektormi: 1 – prívod studenej vody; 2 – výmenník tepla; 3 – akumulátor tepla; 4 – snímač teploty; 5 – okruh chladiacej kvapaliny; 6 – čerpacia stanica; 7 – ovládač; 8 – expanzná nádrž; 9 – horúca voda; 10 – trojcestný ventil; 11 – solárny kolektor

Technické obmedzenie solárneho kolektora je tiež určitým obmedzením. Jeho kanály majú pomerne malú prietokovú plochu, čo spôsobuje riziko upchatia mechanickými nečistotami. Je tiež vysoká pravdepodobnosť zamrznutia chladiacej kvapaliny v noci, zatiaľ čo horná hranica rozsahu prevádzkovej teploty je 200 – 300 ° С. Kolektory sú určené na rýchlu nepretržitú cirkuláciu chladiva, ktoré prichádza pri nízkej teplote, rýchlo sa zahrieva slnečným žiarením a rovnako rýchlo odovzdáva teplo do batérie.

Vákuové solárne kolektory tvaru U

Z týchto dôvodov je obvyklé používať propylénglykol so sadou špeciálnych prísad na priame zahrievanie v tepelných rúrkach. Tretím povinným prvkom vykurovacieho solárneho systému je teda špeciálne chladivo a výmenný okruh, ktorý je často štrukturálne zahrnutý v tepelnom akumulátore, alebo môže byť súčasťou samotného kolektora..

Odrody a rozdiely zberateľov

Hlavný rozdiel medzi plochými a vákuovými kolektormi spočíva v účelnosti ich použitia v rôznych klimatických zónach bez toho, aby dochádzalo k technickým podrobnostiam zariadenia. Ploché kolektory sa najlepšie používajú v južných zemepisných šírkach s prevládajúcimi teplotami nad nulou, vákuové bližšie k severným.

Konštrukcia plochého solárneho kolektora: 1 – výstup chladiva; 2 – rám kolektora; 3 – štruktúrované sklo odolné voči krupobitiu; 4 – absorbér; 5 – medené rúrky; 6 – tepelná izolácia; 7 – prívod chladiacej kvapaliny

Realizovateľnosť použitia určitých typov solárnych kolektorov je spôsobená množstvom funkcií:

• neschopnosť vákuových kolektorov samočistiť sneh;
• vysoké tepelné straty plochých solárnych kolektorov, ktoré rastú s teplotným rozdielom;
• nízky odpor plochých kolektorov proti zaťaženiu vetrom;
• vysoké náklady projektu na vákuové solárne kolektory;
• nízkoteplotný rozsah efektívne využitie plochých kolektorov.

Konštrukcia vákuového rozdeľovača s nepriamym prenosom tepla: 1 – prívod chladeného nosiča tepla; 2 – výmenník tepla (kolektor); 3 – utesnená zátka; 4 – vákuová trubica; 5 – hliníková platňa (absorbér); 6 – tepelné potrubie; 7 – pracovná tekutina; 8 – výstup vyhrievaného chladiaceho média; 9 – teleso chladiča; 10 – kondenzátor tepelného potrubia; 11 – izolácia

Jeden z najdôležitejších rozdielov spočíva v procese inštalácie. Ploché kolektory vyžadujú dodanie kompletne zmontovanej strechy, zatiaľ čo vákuové kolektory môžu byť namontované na mieste. Ploché kolektory tiež zvyčajne nemajú svoj vlastný akumulátor tepla a výmenný obvod..

Problémy so solárnou energiou

Solárne vykurovacie systémy nie sú bez nedostatkov, z ktorých najdôležitejšou je nestabilita zdroja energie. V noci sa systém nezohrieva a pri dlhodobom oblačnom počasí je očakávanie jasnej oblohy, aby sa zahrial dom, podpriemerné potešenie. Ak je batéria s dostatočne veľkým objemom schopná uchovať požadované množstvo tepla aspoň do rána, potom niekoľko dní autonómnej práce v podmienkach nedostatočného osvetlenia možno očakávať iba pri významnom rozšírení solárnej farmy. To zasa spôsobuje opačný problém: pri dosiahnutí režimu maximálneho výkonu (napríklad za jasného jarného dňa) bude taký slnečný systém vyžadovať intenzívnejšie odvádzanie tepla alebo dočasné odstavenie niekoľkých absorbérov s ich zatienením..

Je dôležité pochopiť, že solárne systémy v realite ruskej klímy nemôžu byť použité ako jediný alebo hlavný zdroj vykurovania. Môžu však výrazne znížiť spotrebu energie počas vykurovacieho obdobia. Hybridné kolektory pracujú obzvlášť efektívne, v ktorých sú ohrievače kombinované s fotobunkami. Ak zakalenie oneskorí väčšinu infračerveného žiarenia, potom strata fotoelektrickej časti spektra nie je tak výrazná.

Ďalšou nevýhodou solárnych kolektorov je potreba nútenej cirkulácie chladiva v systéme kolektor-akumulátor. Niektoré vákuové kolektory sú vybavené nádržou na prirodzenú cirkuláciu a sú umiestnené nad absorbérom. Takéto zariadenia sa zvyčajne používajú v systémoch prívodu teplej vody s prívodom vody pod tlakom zdroja studenej vody. Stále však existujú spôsoby, ako vytvoriť spoločnú prevádzku takýchto solárnych kolektorov s vykurovacím systémom..

Vákuový solárny kolektor s nádržou

Integrácia do vykurovacieho systému

Existujú dva spôsoby, ako kombinovať solárne kolektory s ľubovoľne zložitým systémom na ohrev kvapaliny. Hlavným zdrojom energie môže byť plyn alebo elektrina – nie je výrazný rozdiel.

Prvou možnosťou je zahriať celkovú dennú batériu. Akumulátor komunikuje s kotlom spoločne a postupne, pri nedostatočne vysokej teplote je uvedený do prevádzky a ohrieva kvapalinu. Správne navrhnutý systém tohto druhu môže efektívne fungovať aj bez nútenej cirkulácie..

1 – vykurovací okruh; 2 – vykurovacia kvapalina; 3 – snímač teploty; 4 – čerpacia stanica; 5 – ovládač; 6 – čerpadlo; 7 – expanzná nádrž; 8 – sanitárna voda; 9 – studená voda; 10 – prívod teplej vody; 11 – solárny kolektor; 12 – vykurovací kotol

Druhý typ kombinácie spočíva v použití tepelného akumulátora s dvoma obvodmi. Jedným z nich je teplo odvádzané z kolektora, druhým ohrievaním chladiacej kvapaliny v systéme, voda z batérie slúži ako zdroj dodávky teplej vody. Pretože obvody sú navzájom izolované, je možné vo vykurovacom systéme a v cykle výmeny tepla zo solárneho kolektora použiť viac tekutín absorbujúcich teplo alebo nemrznúcej zmesi. Hlavnou nevýhodou je volatilita systému, pretože v oboch okruhoch je cirkulácia nútená.

1 – prívod studenej vody; 2 – snímač teploty; 3 – výmenník tepla solárneho kolektora; 4 – výmenník tepla kotla; 5 – okruh chladiaceho média kolektora; 6 – čerpacia stanica; 7 – ovládač; 8 – expanzná nádrž; 9 – obehové čerpadlo; 10 – výstup horúcej vody; 11 – vykurovací kotol; 12 – solárny kolektor

Postup výpočtu a inštalácie energie

Prechod na slnečnú energiu neakceptuje zhon a povrchný prístup. Závery týkajúce sa vhodnosti inštalácie solárneho systému možno často vyvodiť až po niekoľkých rokoch pozorovania a výpočtov..

Spoliehať sa na slnečné mapy bohužiaľ nedáva zmysel, pretože miestne poveternostné podmienky môžu výrazne skresliť priemer. Preto je potrebné najprv zostaviť správu o intenzite slnečného žiarenia v mieste inštalácie kolektorov. Pyranometre sa používajú na meranie, do 5 000 rubľov si môžete kúpiť rozpočtové zariadenie s dostatočným počtom funkcií.

pyranometr

Merania by sa mali vykonávať v rôznych denných dobách, s frekvenciou približne jedného týždňa počas celého roka. Pri meraní sa musí zohľadniť uhol sklonu a orientácia kolektorov. Výsledné údaje sa nakoniec overia pomocou štatistík hydrometeorologického centra o percentuálnom podiele zakalených dní v roku.

Na zabezpečenie vysokej účinnosti solárnej elektrárne by sa mal brať do úvahy najnegatívnejší scenár, tj najdlhšia perióda s najnižším osvetlením by sa mala brať ako referenčný bod. V ideálnom prípade môžete pomocou meteorologických štatistík za posledných 15–20 rokov povoliť pravdepodobnosť ešte horších poveternostných podmienok. Získané údaje o prichádzajúcej slnečnej energii pomôžu určiť požadovanú celkovú plochu absorpčného poľa a určiť počet kolektorov, ktoré je potrebné zakúpiť..

Ako už bolo spomenuté, kolektory sa veľmi zriedka používajú ako hlavný zdroj vykurovania, zvyčajne zohrávajú pomocnú úlohu. Podiel účasti sa však dá vypočítať ako percentuálny podiel z celkovej energie energetického systému domu alebo jeho tepelných strát. Po prijatí požadovaného počtu kilowattov sa vynásobí optickou účinnosťou absorbérov, pridá sa niekoľko koeficientov – korekcie na orientáciu, sklon, teplotné podmienky, ako aj bezpečnostná rezerva..

Podľa „čistej“ hodnoty vyrobeného výkonu sa vyberie toto:

• požadovaný počet kolektorov určitého modelu a v priemere jeden záložný solárny kolektor na každých 10-15 v prevádzke;
• Potrubný systém s odporom odporúćaným výrobcom a odporom proti vysokým teplotám;
• cirkulačná skupina, uzatváracie ventily, iné pomocné zariadenia;
• objem a umiestnenie skladovacej nádrže. V systémoch s dennou kapacitou uskladnenia alebo odberu tepla nad 20 kW má zmysel stavať izolované betónové nádrže s objemom 15–20 m.³.

Pre vlastnú inštaláciu a údržbu je potrebné navrhnúť systém, prideliť miesto na umiestnenie pomocných zariadení a pripevniť slnečný kolektor na južný (pre severnú pologuľu) strechu so zreteľom na odporúčania dodávateľa zariadenia týkajúce sa zaťaženia vetrom. Nezabudnite, že zakúpením celého radu zariadení od jedného distribútora získate možnosť bezplatne zostaviť, ak sa nejedná o projekt vykurovacieho solárneho systému, potom aspoň zoznam dobre kompatibilných zariadení a komponentov.

Potrebujem tepelné čerpadlo

Jednou z hlavných nevýhod solárnych vykurovacích systémov sú vysoké náklady. Zatiaľ čo technológia výroby plochých kolektorov je dobre zvládnutá, vákuové absorbéry zostávajú drahé a za určitých poveternostných podmienok bude možné úspešne prevádzkovať iba tieto. Existuje však aj iná alternatíva – kolektory vzduchu.

Vzduchový solárny kolektor

Vďaka jednoduchšiemu zariadeniu sú ich náklady nižšie a navyše existuje možnosť autonómnej prevádzky. Účinnosť vzduchových kolektorov sa zvyšuje inštaláciou dúchadlového ventilátora poháňaného integrovaným solárnym panelom. V dôsledku zrýchleného, ​​ale proporcionálneho zahrievania chladenia kanálov sú straty spätného tepla cez kolektor minimalizované. Obmedzenie výkonu sa dá dosiahnuť reguláciou rýchlosti ventilátora alebo jednoduchým zablokovaním prietoku – vzduchové kolektory sa neboja tepelného šoku, navyše je ľahké nastaviť prirodzenú recirkuláciu.

Nedostatok vzduchových systémov pri malom stupni zahrievania chladiacej zmesi. Tepelná kapacita vzduchu je menšia a absorbér je takmer vždy zahrievaný bez zaostrenia. Aby bolo možné integrovať sa do vykurovacieho systému (čo je najčastejšie potrebné z dôvodu nemožnosti umiestnenia vetracieho potrubia do vykurovanej miestnosti), je skutočne potrebné tepelné čerpadlo alebo split systém..

Tepelné čerpadlá so zdrojom vzduchu však možno použiť aj na zvýšenie účinnosti klimatizácie. S nimi môže byť rýchlosť cirkulácie zvýšená na hodnoty, ktoré nie sú prijateľné vo ventilačných systémoch pre domácnosť, čo dáva 2-3-násobné zvýšenie výkonu v dôsledku vysokého teplotného rozdielu. V noci bude mať kolektor tiež nízku rýchlosť výroby v rozsahu prevádzkových teplôt.

Vzduch použitý ako nosič tepla môže byť odvlhčený alebo nahradený oxidom uhličitým alebo iným plynom zadržiavajúcim teplo. Nemá zmysel používať tepelné čerpadlá s vodným primárnym okruhom: sú pôvodne navrhnuté tak, aby pracovali s vysokým teplotným rozdielom, a preto zvýšenie výkonu nie je dostatočné na to, aby zdôvodnilo náklady na inštaláciu..

Náklady na solárny systém

Potešenie z používania čistej energie je vysoké, aspoň dnes. Aby sme boli spravodliví, existuje niekoľko pozitívnych správ: za posledných päť rokov sa náklady na výrobu plochých kolektorov znížili o 2-2,5 krát, to isté sa dá čoskoro očakávať od zariadení s vákuovými absorbérmi.

Náklady na ploché a vákuové kolektory sú určené objemom výroby – hodnotou slnečného žiarenia v ideálnych svetelných podmienkach, tj špecifickou energiou. V priemere za 1 kW plochých solárnych kolektorov budete musieť zaplatiť približne 350 – 500 USD a za úplnú inštaláciu s externou batériou – približne 800 – 1 000 $. Náklady na vákuové solárne kolektory kolíšu vo vyššom rozsahu – od 600 do 1 000 – 1 200 – 1 200 USD za komplex, v závislosti od kvality výkonu, materiálu rúr, izolácie výmenníka tepla a ďalších funkcií..

V prípade kapacitných kolektorov je norma merania v litroch vody ohriatej na najvyššiu možnú teplotu. Množstvo vyrobenej elektriny môžete vypočítať buď z celkovej plochy absorbéra alebo vyjadrením špecifického tepla vody. V závislosti od zložitosti systému sa cena veľmi líši, cena jedného z príkladov zo segmentu stredného trhu dosahuje 1 500 dolárov za 300 litrov (pre 4 až 5 obyvateľov) s teplotným rozdielom približne 50 ° C, čo zodpovedá 2,5 kW špecifického výkonu..