Solární energie jako alternativní zdroj energie: typy a vlastnosti solárních systémů
V posledním desetiletí se solární energie jako alternativní zdroj energie stále více využívá pro vytápění a zásobování budov teplou vodou. Hlavním důvodem je touha nahradit tradiční palivo cenově dostupnými, ekologickými a obnovitelnými zdroji energie.
V solárních systémech dochází k přeměně sluneční energie na tepelnou energii – konstrukce a princip činnosti modulu určuje specifika jeho aplikace. V tomto materiálu se podíváme na typy solárních kolektorů a principy jejich fungování a také na oblíbené modely solárních modulů.
Obsah článku:
Možnost využití solárního systému
Solární systém je komplex pro přeměnu energie slunečního záření na teplo, které je následně převedeno do výměníku tepla k ohřevu chladiva systému vytápění nebo zásobování vodou.
Účinnost solární tepelné instalace závisí na slunečním oslunění - množství energie přijaté během jedné denní světelné hodiny na 1 metr čtvereční plochy umístěné pod úhlem 90° vzhledem ke směru slunečních paprsků. Naměřená hodnota indikátoru je kW*h/m2, hodnota parametru se mění v závislosti na ročním období.
Průměrná úroveň slunečního záření pro region s mírným kontinentálním klimatem je 1000-1200 kWh/m2 (za rok). Množství slunce je určujícím parametrem pro výpočet výkonu solárního systému.
Instalace solárního systému je nákladná záležitost. Aby byly kapitálové náklady oprávněné, je nutný přesný výpočet systému a dodržování instalační technologie.
Příklad. Průměrná hodnota slunečního záření pro Tulu v polovině léta je 4,67 kV/m2*den za předpokladu, že je systémový panel instalován pod úhlem 50°. Výkon solárního kolektoru o ploše 5 m2 se vypočítá následovně: 4,67*4=18,68 kW tepelné energie za den. Tento objem vystačí na ohřátí 500 litrů vody ze 17 °C na 45 °C.
Když už mluvíme o proveditelnosti zavádění nových technologií, je důležité vzít v úvahu technické vlastnosti konkrétního solárního kolektoru. Některé začínají pracovat s 80 W/m2 solární energie, zatímco jiné potřebují 20 W/m2.
Ani v jižním klimatu se nevyplatí používat kolektorový systém pouze pro vytápění. Pokud je instalace používána výhradně v zimě, kdy je nedostatek slunce, pak náklady na zařízení nebudou pokryty ani za 15-20 let.
Pro co nejefektivnější využití solárního komplexu je nutné jej zařadit do systému zásobování teplou vodou. I v zimním období vám solární kolektor umožní „snížit“ účty za energii na ohřev vody až o 40-50 %.
Kromě ekonomických výhod má solární ohřev další výhody:
- Šetrnost k životnímu prostředí. Emise oxidu uhličitého jsou sníženy. 1 m2 solárního kolektoru během roku zabrání 350-730 kg odpadu dostat se do atmosféry.
- Estetika. Prostor kompaktní vany nebo kuchyně lze eliminovat objemnými kotli nebo gejzíry.
- Trvanlivost. Výrobci ubezpečují, že při dodržení instalační technologie bude komplex trvat asi 25-30 let. Mnoho společností poskytuje záruku až 3 roky.
Argumenty proti využívání solární energie: výrazná sezónnost, závislost na počasí a vysoká počáteční investice.
Obecná struktura a princip činnosti
Uvažujme variantu solárního systému s kolektorem jako hlavním pracovním prvkem systému. Vzhled jednotky připomíná kovovou krabici, jejíž přední strana je vyrobena z tvrzeného skla. Uvnitř krabice je pracovní prvek - cívka s absorbérem.
Jednotka pohlcující teplo zajišťuje ohřev chladicí kapaliny - cirkulující kapaliny, předává vytvořené teplo do okruhu přívodu vody.
Solární kolektor nutně pracuje v tandemu s akumulační nádrží. Vzhledem k tomu, že chladicí kapalina je ohřívána na teplotu 90-130°C, nelze ji přivádět přímo do vodovodních kohoutků nebo radiátorů topení. Chladivo vstupuje do výměníku tepla kotle. Zásobník je často doplněn elektrickým ohřívačem.
Schéma práce:
- Slunce ohřívá povrch kolektor.
- Tepelné záření se přenáší na absorbující prvek (absorbér), který obsahuje pracovní tekutinu.
- Chladivo cirkulující trubkami spirály se zahřívá.
- Čerpací zařízení, řídicí a monitorovací jednotka zajišťuje odvod chladiva potrubím do hadu akumulační nádrže.
- Teplo je předáváno vodě v kotli.
- Ochlazená chladicí kapalina proudí zpět do kolektoru a cyklus se opakuje.
Ohřátá voda z ohřívače vody je přiváděna do topného okruhu nebo do odběrných míst vody.
Solární panely v soukromých domech se nejčastěji používají jako záložní zdroj elektřiny:
Typy solárních kolektorů
Bez ohledu na účel je solární systém vybaven plochým nebo kulovým trubicovým solárním kolektorem. Každá možnost má řadu charakteristických rysů z hlediska technických vlastností a provozní účinnosti.
Vakuum – pro chladné a mírné klima
Konstrukčně vakuový solární kolektor připomíná termosku - úzké trubičky s chladivem jsou umístěny v baňkách o větším průměru. Mezi nádobami se vytváří vakuová vrstva, která je zodpovědná za tepelnou izolaci (zadržování tepla je až 95 %). Trubkový tvar je nejoptimálnější pro udržení vakua a „obsazení“ slunečních paprsků.
Vnitřní (tepelná) trubice je naplněna solným roztokem s nízkým bodem varu (24-25 °C). Při zahřívání se kapalina odpařuje - pára stoupá k horní části baňky a ohřívá chladicí kapalinu cirkulující v tělese kolektoru.
Během procesu kondenzace stékají kapky vody do špičky trubice a proces se opakuje.
Díky přítomnosti vakuové vrstvy je kapalina uvnitř termoláhve schopna vařit a odpařovat se při teplotách na ulici pod nulou (až do -35 ° C).
Vlastnosti solárních modulů závisí na následujících kritériích:
- provedení trubek – péřové, koaxiální;
- zařízení s tepelným kanálem – "Tepelná trubka", cirkulace s přímým prouděním.
Péřová baňka - skleněná trubice obsahující deskový absorbér a tepelný kanál. Vakuová vrstva prochází po celé délce tepelného kanálu.
Koaxiální trubice – dvojitá baňka s vakuovou „vložkou“ mezi stěny dvou nádrží. K přenosu tepla dochází z vnitřního povrchu trubky. Špička termotrubice je vybavena indikátorem vakua.
Kanál „Heat Pipe“ je nejběžnější možností přenosu tepla u solárních kolektorů.
Mechanismus účinku je založen na umístění snadno se odpařující kapaliny do uzavřených kovových trubek.
Přímý průtokový kanál – skleněnou baňkou procházejí paralelní kovové trubky spojené do oblouku ve tvaru U
Chladivo protékající kanálem je ohříváno a přiváděno do tělesa kolektoru.
Koaxiální a pérové trubky lze různě kombinovat s tepelnými kanály.
Možnost 1. Nejoblíbenějším řešením je koaxiální baňka s „Heat pipe“. V kolektoru dochází k opakovanému přenosu tepla ze stěn skleněné trubice do vnitřní baňky a poté do chladicí kapaliny. Míra optické účinnosti dosahuje 65 %.
Možnost 2. Koaxiální baňka s přímou cirkulací je známá jako rozdělovač ve tvaru U. Díky konstrukci jsou sníženy tepelné ztráty - tepelná energie z hliníku se přenáší do trubek s cirkulujícím chladivem.
Spolu s vysokou účinností (až 75%) má model nevýhody:
- složitost instalace - baňky jsou integrální s tělesem dvoutrubkového rozdělovače (hlavní díl) a jsou instalovány celé;
- výměna jednotlivých trubek je vyloučena.
Jednotka ve tvaru U je navíc náročná na chladicí kapalinu a je dražší než modely „Heat pipe“.
Možnost 3. Feather pipe s principem funkce „Heat pipe“. Charakteristické rysy sběratele:
- vysoké optické vlastnosti - účinnost cca 77 %;
- plochý absorbér přímo přenáší tepelnou energii do trubky chladicí kapaliny;
- díky použití jedné vrstvy skla se snižuje odraz slunečního záření;
Poškozený prvek je možné vyměnit bez vypuštění chladicí kapaliny ze solárního systému.
Možnost 4. Péřová žárovka s přímým prouděním je nejúčinnějším nástrojem pro využití solární energie jako alternativního zdroje energie pro ohřev vody nebo vytápění domu. Vysoce výkonný kolektor pracuje s účinností 80 %. Nevýhodou systému je obtížnost opravy.
Bez ohledu na konstrukci mají trubkové kolektory následující výhody:
- výkon při nízkých teplotách;
- nízké tepelné ztráty;
- doba provozu během dne;
- schopnost ohřát chladicí kapalinu na vysoké teploty;
- nízký vítr;
- snadnost instalace.
Hlavní nevýhodou vakuových modelů je nemožnost samočištění od sněhové pokrývky. Vakuová vrstva nepropouští teplo, takže vrstva sněhu neroztaje a blokuje přístup slunce do kolektorového pole. Další nevýhody: vysoká cena a nutnost dodržet pracovní úhel sklonu baněk minimálně 20°.
Kolektorová solární zařízení, která ohřívají chladivo vzduchu, lze použít při přípravě teplé vody, pokud jsou vybavena akumulační nádrží:
Přečtěte si více o principu fungování vakuového solárního kolektoru s trubicemi Dále.
Vodyanoy – nejlepší volba pro jižní zeměpisné šířky
Plochý (panelový) solární kolektor je obdélníková hliníková deska pokrytá nahoře plastovým nebo skleněným víkem. Uvnitř boxu je absorpční pole, kovová cívka a vrstva tepelné izolace. Oblast kolektoru je vyplněna průtokovým potrubím, kterým se pohybuje chladicí kapalina.
Absorpce tepla vysoce selektivního savého povlaku dosahuje 90 %. Mezi „absorbér“ a tepelnou izolaci je umístěno proudící kovové potrubí. Používají se dvě schémata kladení trubek: „harfa“ a „meandr“.
Proces montáže solárních kolektorů, které ohřívají chladicí kapalinu, zahrnuje řadu tradičních kroků:
Je-li topný okruh doplněn o vedení přivádějící sanitární vodu do přívodu teplé vody, má smysl připojit k solárnímu kolektoru tepelný akumulátor. Nejjednodušší variantou by byla nádrž vhodné nádoby s tepelnou izolací, která dokáže udržet teplotu ohřívané vody. Musíte jej nainstalovat na nadjezd:
Trubkový kolektor s kapalným chladivem působí jako „skleníkový“ efekt – sluneční paprsky pronikají sklem a ohřívají potrubí. Díky těsnosti a tepelné izolaci je teplo zadržováno uvnitř panelu.
Síla solárního modulu je do značné míry určena materiálem ochranného krytu:
- obyčejné sklo – nejlevnější a nejkřehčí nátěr;
- napjaté sklo – vysoký stupeň rozptylu světla a zvýšená pevnost;
- antireflexní sklo – vyznačuje se maximální absorpční kapacitou (95 %) díky přítomnosti vrstvy, která eliminuje odraz slunečních paprsků;
- samočistící (polární) sklo s oxidem titaničitým – organické nečistoty vyhoří na slunci a zbývající úlomky smyje déšť.
Polykarbonátové sklo je nejvíce odolné proti nárazu. Materiál je instalován v drahých modelech.
Provozní a funkční vlastnosti panelových solárních instalací:
- systémy s nuceným oběhem mají funkci odmrazování, která vám umožní rychle se zbavit sněhové pokrývky na heliofieldu;
- prizmatické sklo zachycuje širokou škálu paprsků pod různými úhly – v létě dosahuje účinnost instalace 78-80 %;
- kolektor se nebojí přehřátí - pokud je přebytek tepelné energie, je možné nucené chlazení chladicí kapaliny;
- zvýšená odolnost proti nárazu ve srovnání s trubkovými protějšky;
- Možnost instalace v libovolném úhlu;
- dostupnou cenovou politiku.
Systémy nejsou bez nedostatků. V období nedostatku slunečního záření, se zvyšujícím se teplotním rozdílem, účinnost plochého solárního kolektoru výrazně klesá v důsledku nedostatečné tepelné izolace. Proto je panelový modul oprávněný v létě nebo v oblastech s teplým klimatem.
Solární systémy: konstrukční a provozní vlastnosti
Rozmanitost solárních systémů lze klasifikovat podle následujících parametrů: způsob využití slunečního záření, způsob cirkulace chladiva, počet okruhů a sezónnost provozu.
Aktivní a pasivní komplex
Každý systém přeměny solární energie má solární přijímač. Na základě způsobu využití přijatého tepla se rozlišují dva typy solárních komplexů: pasivní a aktivní.
Prvním typem je solární systém vytápění, kde konstrukční prvky budovy působí jako tepelně pohlcující prvek slunečního záření. Střecha, kolektorová stěna nebo okna fungují jako plocha přijímající sluneční záření.
V evropských zemích se pasivní technologie používají při výstavbě energeticky efektivních budov. Solární přijímací plochy jsou zdobeny jako falešná okna. Za skleněnou krytinou je černěná cihlová zeď s prosvětlenými otvory.
Prvky konstrukce - stěny a stropy, zvenčí zateplené polystyrenem - fungují jako akumulátory tepla.
Aktivní systémy znamenají použití nezávislých zařízení nesouvisejících s konstrukcí.
Termosifonové a cirkulační systémy
Solární tepelné zařízení s přirozeným pohybem chladiva po okruhu kolektor-akumulátor-kolektor se provádí konvekcí - teplá kapalina s nízkou hustotou stoupá vzhůru, ochlazená kapalina stéká dolů.
U termosifonových systémů je akumulační nádrž umístěna nad kolektorem a zajišťuje samovolnou cirkulaci chladicí kapaliny.
Beztlakový solární systém má celou řadu nevýhod:
- v zatažených dnech výkon komplexu klesá - pro pohyb chladicí kapaliny je zapotřebí velký teplotní rozdíl;
- tepelné ztráty v důsledku pomalého pohybu kapaliny;
- riziko přehřátí nádrže v důsledku nekontrolovatelnosti procesu ohřevu;
- nestabilita kolektoru;
- potíže s umístěním akumulační nádrže - při instalaci na střechu se zvyšují tepelné ztráty, zrychlují se korozní procesy a hrozí zamrznutí potrubí.
Výhody „gravitačního“ systému: jednoduchost designu a cenová dostupnost.
Investiční náklady na instalaci oběhového (nuceného) solárního systému jsou výrazně vyšší než na instalaci komplexu s volným průtokem. Do okruhu se „zařízne“ čerpadlo, které zajišťuje pohyb chladicí kapaliny. Provoz čerpací stanice je řízen regulátorem.
Tento způsob cirkulace se používá v celoročních dvouokruhových solárních tepelných instalacích.
Výhody plně funkčního komplexu:
- neomezený výběr umístění skladovací nádrže;
- výkon mimo sezónu;
- výběr optimálního režimu vytápění;
- bezpečnost – zablokování provozu v případě přehřátí.
Nevýhodou systému je závislost na elektřině.
Technické řešení obvodů: jedno- a dvouokruhové
V jednookruhových instalacích cirkuluje kapalina, která je následně přiváděna do míst odběru vody. V zimě je nutné vodu ze systému vypustit, aby nedošlo k zamrznutí a prasknutí potrubí.
Vlastnosti jednookruhových solárních termických komplexů:
- doporučuje se „naplnit“ systém vyčištěnou měkkou vodou - usazování solí na stěnách potrubí vede k ucpání kanálů a poruše kolektoru;
- koroze v důsledku přebytku vzduchu ve vodě;
- omezená životnost - do čtyř až pěti let;
- vysoká účinnost v létě.
Ve dvouokruhových solárních komplexech cirkuluje speciální chladicí kapalina (nemrznoucí kapalina s přísadami proti pěnění a korozi), která prostřednictvím výměníku tepla předává teplo vodě.
Nuance provozu dvouokruhového modulu: mírné snížení účinnosti (o 3–5 % méně než u jednookruhového systému), nutnost úplné výměny chladicí kapaliny každých 7 let.
Podmínky pro práci a zvyšování efektivity
Výpočet a montáž solárního systému je lepší svěřit profesionálům. Dodržení instalační techniky zajistí provozuschopnost a dosažení deklarovaného výkonu. Pro zlepšení účinnosti a životnosti je nutné vzít v úvahu některé nuance.
Termostatický ventil. V tradičních topných systémech termostatický prvek zřídka instalován, protože generátor tepla je zodpovědný za regulaci teploty. Při instalaci solárního systému by se však nemělo zapomínat na pojistný ventil.
Optimální umístění ventilu je 60 cm od ohřívače. Když je umístěn blízko, „termostat“ se zahřívá a blokuje přívod teplé vody.
Umístění akumulační nádrže. Vyrovnávací nádrž TUV musí být instalována na přístupném místě. Při umístění v kompaktní místnosti je zvláštní pozornost věnována výšce stropů.
Instalace expanzní nádoba. Prvek kompenzuje tepelnou roztažnost během období stagnace. Instalace nádrže nad čerpací zařízení způsobí přehřátí membrány a její předčasné opotřebení.
Připojení solárního okruhu. Při připojování potrubí se doporučuje uspořádat smyčku. Tepelná smyčka snižuje tepelné ztráty tím, že zabraňuje úniku ohřáté kapaliny.
Zpětný ventil. Zabraňuje „převrácení“ cirkulace chladicí kapaliny. S nedostatkem sluneční aktivity zpětný ventil zabraňuje odvádění tepla nahromaděného během dne.
Oblíbené modely solárních modulů
Solární systémy od tuzemských i zahraničních firem jsou žádané. Výrobky od výrobců získaly dobrou pověst: NPO Mashinostroeniya (Rusko), Gelion (Rusko), Ariston (Itálie), Alten (Ukrajina), Viessman (Německo), Amcor (Izrael) atd.
Sluneční soustava "Falcon". Plochý solární kolektor vybavený vícevrstvým optickým povlakem s magnetronovým naprašováním. Minimální emisní kapacita a vysoká úroveň absorpce poskytují účinnost až 80 %.
Výkonnostní charakteristiky:
- provozní teplota – až -21 °C;
- zpětné tepelné záření – 3-5 %;
- vrchní vrstva – tvrzené sklo (4 mm).
Sběratel SVK-A (Alten). Vakuová solární instalace s absorpční plochou 0,8-2,41 m2 (v závislosti na modelu). Chladicí kapalinou je propylenglykol, tepelná izolace 75mm měděného výměníku tepla minimalizuje tepelné ztráty.
Extra možnosti:
- tělo – eloxovaný hliník;
- průměr výměníku – 38 mm;
- izolace – minerální vlna s antihygroskopickou úpravou;
- povlak – borosilikátové sklo 3,3 mm;
- Účinnost – 98 %.
Vitosol 100-F je plochý solární kolektor pro horizontální nebo vertikální instalaci. Měděný absorbér s trubicovým vinutím ve tvaru harfy a heliotitanovým povlakem. Propustnost světla – 81 %.
Závěry a užitečné video k tématu
Princip činnosti solárních kolektorů a jejich typy:
Posouzení výkonu plochého kolektoru při teplotách pod nulou:
Technologie instalace panelového solárního kolektoru na příkladu modelu Buderus:
Solární energie je obnovitelný zdroj tepla. Vezmeme-li v úvahu rostoucí ceny tradičních energetických zdrojů, implementace solárních systémů ospravedlňuje kapitálové investice a při dodržení instalačních technik se vyplatí v příštích pěti letech.
Máte-li cenné informace, o které byste se chtěli podělit s návštěvníky našich stránek, zanechte prosím své komentáře v rámečku pod článkem. Tam se můžete ptát na téma článku nebo se podělit o své zkušenosti s používáním solárních kolektorů.
Využít solární energii k osvětlení a vytápění mého domova je můj sen. Ušetřím nějaké peníze a udělám to. Můj přítel si na střechu nainstaloval solární panely. Celý proces rekonstrukce stál 25 000 $. Nyní mají dostatek elektřiny pro svou rodinu a přebytek prodávají státu. Spočítali, že náklady se vrátí za 6 let a pak dostanou příjmy. Slibná investice.
Váš přítel je neupřímný - soukromá osoba nemůže prodávat elektřinu státu. A vybavení nevydrží věčně. Bude nutné jej opravit a opravit.
Musíme počkat dalších 20 let - možná pak bude dostupnější. Ale ne v naší zemi...
Kolem tohoto tématu bude rozbito mnoho dalších kopií. Opakovaně jsem skepticky četl studie ohledně návratnosti takových projektů. Vše zřejmě souvisí s regionálním propojením domu. I při spotřebě elektřiny 1000 kW za měsíc za 3 rubly nějak 25 000 dolarů za 5 let nevyjde).
Ale z hlediska vytápění je to podle mého názoru zajímavé.Jen se nabízí otázka: bude solární kolektor schopen zcela převzít vytápění a ohřev vody ve středních zeměpisných šířkách? Pak se otázka návratnosti stává druhořadou.
Ahoj. Tuto otázku si také aktivně kladu a problém zde není ve středních zeměpisných šířkách, ale v délce denního světla. Baterie a kolektory fungují ze slunečního záření, nikoli ze slunečního tepla. Trvání světelného cyklu v zimě, v noci, v zatažené sezóně (a někdy takové počasí trvá týdny).
Verze výrobců s 10letou dobou návratnosti začíná být pochybná, vezmeme-li v úvahu průměrnou životnost baterie 25 let a dobíjecí baterie 12 let. A stále pravdivější se zdá verze nedávno počítaná s návratností 45 let, která se již nezdá tak vhodná.
Jak vypočítat návratnost pro území Krasnodar? S počtem slunečných dní jsme na tom dobře. Bude obtížné instalovat panely sami?
Dobrý den, Borisi. Na území Krasnodar je alternativní energie poměrně dobře rozvinutá, zejména solární elektrárny připojené k síti (SPP).
Pokud jde o návratnost, je třeba provést určité výpočty. Aby to bylo jasnější, uvedu příklad hotového projektu pro město Soči, solární elektrárny o výkonu 10 kW. Okamžitě bereme v úvahu místní tarif elektřiny 7,9 rublů/kWh.
Náklady na samotnou solární elektrárnu jsou 590 tisíc rublů, plus dřevěné a střešní upevnění, spotřební materiál a instalační práce budou stát 110 tisíc rublů. Celková částka je 700 tisíc rublů.
Přikládám graf celkové roční výroby elektřiny solární elektrárny 10 kW za rok, což je 15900 kWh.Graf průměrných měsíčních úspor ukazuje, že SES může ušetřit částku 125 tisíc rublů. v roce.
Je snadné spočítat, že v Soči taková stanice praskne i za 5 let.
Doporučuji vám svěřit instalaci týmu z organizace specializující se na tepelné instalace, abyste získali oficiální záruku.