Solenergi som en alternativ energikilde: typer og træk ved solsystemer

I det sidste årti er solenergi som en alternativ energikilde i stigende grad blevet brugt til at opvarme og levere varmt vand til bygninger. Hovedårsagen er ønsket om at erstatte traditionelt brændstof med overkommelige, miljøvenlige og vedvarende energiressourcer.

Omdannelsen af ​​solenergi til termisk energi sker i solcellesystemer - modulets design og funktionsprincip bestemmer detaljerne i dets anvendelse. I dette materiale vil vi se på typerne af solfangere og principperne for deres drift og også tale om populære modeller af solcellemoduler.

Muligheden for at bruge et solsystem

Et solcelleanlæg er et kompleks til omdannelse af solstrålingsenergi til varme, som efterfølgende overføres til en varmeveksler for at opvarme kølevæsken i et varme- eller vandforsyningssystem.

Effektiviteten af ​​en solvarmeinstallation afhænger af solindstråling - mængden af ​​energi modtaget i løbet af en dagslystime pr. 1 kvadratmeter overflade placeret i en vinkel på 90° i forhold til retningen af ​​solens stråler. Indikatorens måleværdi er kW*h/kvm, værdien af ​​parameteren varierer afhængigt af sæsonen.

Det gennemsnitlige niveau af solindstråling for en region med et tempereret kontinentalt klima er 1000-1200 kWh/m² (pr. år). Mængden af ​​sol er den afgørende parameter for beregning af et solsystems ydeevne.

Brugen af ​​en alternativ energikilde giver dig mulighed for at opvarme et hus og få varmt vand uden traditionelle energiomkostninger - udelukkende gennem solstråling

Installation af et solvarmeanlæg er en dyr opgave. For at kapitalomkostninger skal retfærdiggøres, er en nøjagtig beregning af systemet og overholdelse af installationsteknologi nødvendig.

Eksempel. Gennemsnitsværdien af ​​solbestråling for Tula midt på sommeren er 4,67 kV/m²*dag, forudsat at systempanelet er installeret i en vinkel på 50°. Produktiviteten af ​​en solfanger med et areal på 5 kvm beregnes som følger: 4,67*4=18,68 kW varmeenergi pr. dag. Denne mængde er nok til at opvarme 500 liter vand fra 17 °C til 45 °C.

Som praksis viser, når man bruger et solenergianlæg, kan sommerhusejere om sommeren helt skifte fra el- eller gasvandopvarmning til solvarmemetoden

Når vi taler om gennemførligheden af ​​at introducere nye teknologier, er det vigtigt at tage højde for de tekniske egenskaber ved en bestemt solfanger. Nogle begynder at arbejde ved 80 W/kvm solenergi, mens andre har brug for 20 W/kvm.

Selv i et sydligt klima vil det ikke betale sig at bruge et solfangersystem udelukkende til opvarmning. Hvis installationen udelukkende bruges om vinteren, når der er mangel på sol, vil udgifterne til udstyret ikke blive dækket selv om 15-20 år.

For at udnytte solcelleanlægget så effektivt som muligt, skal det indgå i varmtvandsforsyningssystemet. Selv om vinteren vil solfangeren give dig mulighed for at "skære" energiregningen til vandopvarmning med op til 40-50%.

Ifølge eksperter betaler et solsystem sig selv tilbage til husholdningsbrug på cirka 5 år. Med stigende priser på el og gas vil tilbagebetalingstiden for komplekset blive reduceret

Ud over økonomiske fordele har solvarme yderligere fordele:

1. Miljøvenlighed. Udledningen af ​​kuldioxid reduceres. I løbet af et år forhindrer 1 kvm solfanger 350-730 kg affald i at komme ud i atmosfæren.
2. Æstetik. Pladsen i et kompakt bad eller køkken kan elimineres fra omfangsrige kedler eller gejsere.
3. Holdbarhed. Producenter forsikrer, at hvis installationsteknologien følges, vil komplekset vare omkring 25-30 år. Mange virksomheder giver en garanti på op til 3 år.

Argumenter mod at bruge solenergi: udtalt sæsonbestemthed, afhængighed af vejret og høj startinvestering.

Generel struktur og funktionsprincip

Lad os overveje muligheden for et solsystem med en solfanger som det vigtigste arbejdselement i systemet. Enhedens udseende ligner en metalkasse, hvis forside er lavet af hærdet glas. Inde i kassen er der et arbejdselement - en spole med en absorber.

Den varmeabsorberende enhed sørger for opvarmning af kølevæsken - cirkulerende væske, overfører den genererede varme til vandforsyningskredsløbet.

Solsystemets hovedkomponenter: 1 – solfangerfelt, 2 – udluftning, 3 – distributionsstation, 4 – overtryksbeholder, 5 – controller, 6 – vandvarmertank, 7,8 – varmelegeme og varmeveksler, 9 – termisk blandeventil, 10 – varmtvandsflow, 11 – koldtvandsindtag, 12 – afløb, T1/T2 – temperaturfølere

Solfangeren arbejder nødvendigvis sammen med lagertanken. Da kølevæsken opvarmes til en temperatur på 90-130°C, kan den ikke tilføres direkte til varmtvandshaner eller varmeradiatorer. Kølevæsken kommer ind i kedlens varmeveksler. Lagertanken er ofte suppleret med en elvarmer.

Arbejdsplan:

1. Solen opvarmer overfladen samler.
2. Termisk stråling overføres til det absorberende element (absorberen), som indeholder arbejdsvæsken.
3. Kølevæsken, der cirkulerer gennem spolerørene, opvarmes.
4. Pumpeudstyr, en kontrol- og overvågningsenhed sikrer fjernelse af kølevæske gennem en rørledning til lagertankens spole.
5. Varmen overføres til vandet i kedlen.
6. Den afkølede kølevæske strømmer tilbage i opsamleren, og cyklussen gentages.

Opvarmet vand fra vandvarmeren tilføres varmekredsen eller til vandindtagspunkter.

Ved installation af et varmesystem eller året rundt varmtvandsforsyning er systemet udstyret med en kilde til yderligere opvarmning (kedel, el-varmeelement). Dette er en nødvendig betingelse for at opretholde den indstillede temperatur

Solpaneler i private hjem bruges oftest som backup kilde til elektricitet:

Typer af solfangere

Uanset formålet er solcelleanlægget udstyret med en flad eller sfærisk rørformet solfanger. Hver mulighed har en række karakteristiske træk med hensyn til tekniske egenskaber og driftseffektivitet.

Vakuum – til kolde og tempererede klimaer

Strukturelt ligner en vakuumsolfanger en termokande - smalle rør med kølemiddel placeres i kolber med større diameter. Der dannes et vakuumlag mellem karrene, som er ansvarlig for termisk isolering (varmetilbageholdelse er op til 95%). Rørformen er mest optimal til at opretholde vakuum og "optage" solens stråler.

Grundelementer i en rørformet solvarmeinstallation: støtteramme, varmevekslerhus, vakuumglasrør behandlet med en meget selektiv belægning til intensiv "absorption" af solenergi

Det indre (varme) rør er fyldt med en saltvandsopløsning med lavt kogepunkt (24-25 ° C). Ved opvarmning fordamper væsken - dampen stiger til toppen af ​​kolben og opvarmer kølevæsken, der cirkulerer i opsamlerlegemet.

Under kondensationsprocessen strømmer vanddråber ind i spidsen af ​​røret, og processen gentages.

Takket være tilstedeværelsen af ​​et vakuumlag er væsken inde i termokolben i stand til at koge og fordampe ved gadetemperaturer under nul (ned til -35 ° C).

Karakteristika for solcellemoduler afhænger af følgende kriterier:

• rørdesign – fjer, koaksial;
• termisk kanal enhed – "varmerør", direkte flow cirkulation.

Fjerkolbe - et glasrør indeholdende en pladeabsorber og en varmekanal. Vakuumlaget passerer gennem hele længden af ​​den termiske kanal.

Koaksialt rør – en dobbelt kolbe med en vakuum "indsats" mellem væggene i to tanke. Varmeoverførsel sker fra den indre overflade af røret. Spidsen af ​​termorøret er udstyret med en vakuumindikator.

Effektiviteten af ​​fjerrør (1) er højere sammenlignet med koaksiale modeller (2). Førstnævnte er dog dyrere og sværere at installere. I tilfælde af nedbrud skal fjerkolben desuden udskiftes helt

"Heat pipe"-kanalen er den mest almindelige mulighed for varmeoverførsel i solfangere.

Virkningsmekanismen er baseret på at placere en let fordampende væske i forseglede metalrør.

Populariteten af ​​"Heat pipe" skyldes dets overkommelige omkostninger, lette vedligeholdelse og vedligeholdelse. På grund af kompleksiteten af ​​varmevekslingsprocessen er det maksimale effektivitetsniveau 65 %

Direkte flow kanal – parallelle metalrør forbundet i en U-formet bue passerer gennem glaskolben

Kølevæsken, der strømmer gennem kanalen, opvarmes og tilføres kollektorlegemet.

Vakuum solfanger designmuligheder: 1 – modifikation med et centralt varmerør “Heat pipe”, 2 – solcelleinstallation med direkte kølevæskecirkulation

Koaksial- og fjerrør kan kombineres med varmekanaler på forskellige måder.

Mulighed 1. En koaksial kolbe med "Heat pipe" er den mest populære løsning. I opsamleren sker der gentagen varmeoverførsel fra glasrørets vægge til den indre kolbe og derefter til kølevæsken. Graden af ​​optisk effektivitet når 65%.

Diagram over designet af et koaksialrør "Heat pipe": 1 - glasskal, 2 - selektiv belægning, 3 - metalfinner, 4 - vakuum, 5 - termokolbe med letkogende stof, 6 - indvendigt glasrør

Mulighed 2. En koaksial kolbe med direkte cirkulation er kendt som en U-formet manifold. Takket være designet reduceres varmetabet - termisk energi fra aluminium overføres til rør med cirkulerende kølevæske.

Sammen med høj effektivitet (op til 75%) har modellen ulemper:

• kompleksiteten af ​​installationen - kolberne er integreret med to-rørs manifoldlegemet (hovedfolden) og er installeret fuldstændigt;
• udskiftning af enkeltrør er udelukket.

Derudover er den U-formede enhed krævende for kølevæske og er dyrere end "Heat pipe"-modeller.

Opbygning af en U-formet solfanger: 1 - glas "cylinder", 2 - absorberende belægning, 3 - aluminium "kasse", 4 - kolbe med kølemiddel, 5 - vakuum, 6 - indvendigt glasrør

Mulighed 3. Fjerrør med driftsprincippet "Heat pipe". Karakteristiske træk ved samleren:

• høje optiske egenskaber - effektivitet på omkring 77%;
• den flade absorber overfører direkte varmeenergi til kølevæskerøret;
• på grund af brugen af ​​et lag glas reduceres reflektionen af ​​solstråling;

Det er muligt at udskifte et beskadiget element uden at dræne kølevæsken fra solsystemet.

Mulighed 4. En direkte-flow fjerpære er det mest effektive værktøj til at bruge solenergi som en alternativ energikilde til opvarmning af vand eller opvarmning af et hjem. Den højtydende opsamler arbejder med en effektivitet på 80 %. Ulempen ved systemet er vanskeligheden ved reparation.

Designdiagrammer for fjersolfangere: 1 – solcelleanlæg med en “Heat pipe” kanal, 2 – to-rørs solfangerhus med direkte flow af kølevæske

Uanset designet har rørformede samlere følgende fordele:

• ydeevne ved lave temperaturer;
• lavt varmetab;
• operationens varighed i løbet af dagen;
• evnen til at opvarme kølevæsken til høje temperaturer;
• lav vindstyrke;
• nem installation.

Den største ulempe ved vakuummodeller er manglende evne til selv at rense fra snedække. Vakuumlaget tillader ikke varme at passere ud, så laget af sne smelter ikke og blokerer for solens adgang til solfangerfeltet. Yderligere ulemper: høj pris og behovet for at opretholde en arbejdshældningsvinkel på kolberne på mindst 20°.

Solfangerenheder, der opvarmer luftkølevæsken, kan bruges til fremstilling af varmt vand, hvis de er udstyret med en lagertank:

Læs mere om funktionsprincippet for en vakuumsolfanger med rør Yderligere.

Vodyanoy - den bedste mulighed for sydlige breddegrader

En flad (panel) solfanger er en rektangulær aluminiumsplade dækket på toppen med et plastik- eller glaslåg. Inde i kassen er der et absorptionsfelt, en metalspole og et lag termisk isolering. Samlerområdet er fyldt med en strømningsrørledning, gennem hvilken kølevæsken bevæger sig.

De grundlæggende komponenter i en flad solfanger: hus, absorber, beskyttende belægning, termisk isoleringslag og fastgørelseselementer. Under samlingen anvendes matteret glas med en transmittans i spektralområdet på 0,4-1,8 mikron

Varmeabsorptionen af ​​den meget selektive absorberende belægning når op på 90%. En strømmende metalrørledning er placeret mellem "absorberen" og den termiske isolering. Der anvendes to rørlægningsordninger: "harpe" og "slynge".

Processen med at samle solfangere, der opvarmer kølevæsken, omfatter en række traditionelle trin:

Hvis varmekredsen suppleres med en ledning, der leverer sanitetsvand til varmtvandsforsyningen, giver det mening at tilslutte en varmeakkumulator til solfangeren. Den enkleste mulighed ville være en tank af en passende beholder med termisk isolering, der kan opretholde temperaturen på det opvarmede vand. Du skal installere det på overføringen:

En rørformet opsamler med flydende kølevæske fungerer som en "drivhus"-effekt - solens stråler trænger gennem glasset og opvarmer rørledningen. Takket være tæthed og termisk isolering holdes varmen inde i panelet.

Solcellemodulets styrke bestemmes i høj grad af materialet i beskyttelsesdækslet:

• almindeligt glas – den billigste og mest skrøbelige belægning;
• anstrengt glas – høj grad af lysspredning og øget styrke;
• anti-reflekterende glas - karakteriseret ved maksimal absorptionskapacitet (95%) på grund af tilstedeværelsen af ​​et lag, der eliminerer refleksion af solens stråler;
• selvrensende (polært) glas med titaniumdioxid – organiske forureninger brænder ud i solen, og det resterende affald skylles væk af regn.

Polycarbonatglas er det mest slagfaste. Materialet er installeret i dyre modeller.

Refleksion af sollys og absorptionskapacitet: 1 – antirefleksbelægning, 2 – hærdet slagfast glas. Den optimale tykkelse af den beskyttende ydre skal er 4 mm

Operationelle og funktionelle egenskaber ved panel solcelleanlæg:

• tvungne cirkulationssystemer har en afrimningsfunktion, der giver dig mulighed for hurtigt at slippe af med snedække på heliofeltet;
• prismatisk glas fanger en bred vifte af stråler i forskellige vinkler - om sommeren når installationseffektiviteten 78-80%;
• samleren er ikke bange for overophedning - hvis der er et overskud af termisk energi, er tvungen afkøling af kølevæsken mulig;
• øget slagfasthed sammenlignet med rørformede modstykker;
• Mulighed for installation i enhver vinkel;
• overkommelig prispolitik.

Systemerne er ikke uden mangler. I perioder med mangel på solstråling, når temperaturforskellen øges, falder effektiviteten af ​​en flad-plade solfanger betydeligt på grund af utilstrækkelig varmeisolering. Derfor er panelmodulet berettiget om sommeren eller i regioner med et varmt klima.

Solcelleanlæg: design og driftsfunktioner

De mange forskellige solsystemer kan klassificeres i henhold til følgende parametre: metode til at bruge solstråling, metode til kølevæskecirkulation, antal kredsløb og sæsonbestemt drift.

Aktivt og passivt kompleks

Ethvert solenergikonverteringssystem har en solmodtager. Baseret på metoden til at bruge den modtagne varme skelnes der mellem to typer solkomplekser: passive og aktive.

Den første type er et solvarmeanlæg, hvor bygningens strukturelle elementer fungerer som det varmeabsorberende element for solstråling. Taget, solfangervæggen eller vinduerne fungerer som en solmodtagende overflade.

Skema af et lavtemperatur passivt solsystem med en solfangervæg: 1 - solstråler, 2 - gennemskinnelig skærm, 3 - luftbarriere, 4 - opvarmet luft, 5 - udsugningsluftstrømme, 6 - termisk stråling fra væggen, 7 - varmeabsorberende overflade på solfangervæggen, 8 – dekorative persienner

I europæiske lande bruges passive teknologier til opførelse af energieffektive bygninger. Solcellemodtagende overflader er dekoreret som falske vinduer. Bag glasinddækningen er der en sortmuret mur med lysåbninger.

Strukturens elementer - vægge og lofter, isoleret med polystyren udefra - fungerer som varmeakkumulatorer.

Aktive systemer indebærer brug af uafhængige enheder, der ikke er relateret til strukturen.

Denne kategori omfatter de ovennævnte komplekser med rørformede, flade pladesamlere - solvarmeanlæg er normalt placeret på bygningens tag

Termosifon og cirkulationssystemer

Solvarmeudstyr med naturlig bevægelse af kølevæsken langs kollektor-akkumulator-kollektorkredsløbet udføres på grund af konvektion - varm væske med lav densitet stiger opad, afkølet væske strømmer ned.

I termosifonsystemer er lagertanken placeret over solfangeren, hvilket sikrer spontan cirkulation af kølevæsken.

Driftsordningen er typisk for sæsonbestemte systemer med et enkelt kredsløb. Termosifonkomplekset anbefales ikke til brug til samlere med et areal på mere end 12 kvm.

Et ikke-tryk solcelleanlæg har en lang række ulemper:

• på overskyede dage falder kompleksets ydeevne - en stor temperaturforskel er påkrævet for at kølevæsken kan bevæge sig;
• varmetab på grund af væskens langsomme bevægelse;
• risikoen for overophedning af tanken på grund af ukontrollerbarheden af ​​opvarmningsprocessen;
• ustabilitet af samleren;
• vanskeligheder med at placere lagertanken - når den er installeret på taget, øges varmetabet, korrosionsprocesser accelererer, og der er risiko for at rørene fryser.

Fordelene ved "tyngdekraft"-systemet: enkel design og overkommelighed.

Kapitalomkostningerne ved at installere et cirkulations (tvungen) solcelleanlæg er væsentligt højere end ved installation af et fritstrømskompleks. En pumpe "skærer" ind i kredsløbet og sikrer kølevæskens bevægelse. Driften af ​​pumpestationen styres af en controller.

Den ekstra termiske effekt, der genereres i tvungen luftkomplekset, overstiger den strøm, der forbruges af pumpeudstyret. Systemeffektiviteten vil øges med en tredjedel

Denne cirkulationsmetode bruges i solvarmeanlæg med dobbeltkredsløb året rundt.

Fordele ved et fuldt funktionelt kompleks:

• ubegrænset valg af lagertankens placering;
• præstation uden for sæsonen;
• valg af optimal opvarmningstilstand;
• sikkerhed – blokering af drift i tilfælde af overophedning.

Ulempen ved systemet er dets afhængighed af elektricitet.

Teknisk løsning af kredsløb: enkelt- og dobbeltkredsløb

I enkeltkredsinstallationer cirkulerer væske, som efterfølgende tilføres til vandindtagspunkter. Om vinteren skal vandet fra anlægget drænes for at forhindre frysning og revner i rør.

Funktioner af solvarmekomplekser med enkelt kredsløb:

• det anbefales at "fylde" systemet med renset, blødt vand - aflejring af salte på væggene i rørene fører til tilstopning af kanalerne og nedbrydning af opsamleren;
• korrosion på grund af overskydende luft i vand;
• begrænset levetid - inden for fire til fem år;
• høj effektivitet om sommeren.

I solcellekomplekser med dobbeltkredsløb cirkulerer et særligt kølemiddel (ikke-frysende væske med antiskum- og korrosionsadditiver), som overfører varme til vandet gennem en varmeveksler.

Skemaer for design af et enkelt-kredsløb (1) og dobbeltkredsløb (2) solsystem. Den anden mulighed er kendetegnet ved øget pålidelighed, evnen til at arbejde om vinteren og lang levetid (20-50 år)

Nuancerne ved at betjene et dobbeltkredsløbsmodul: et lille fald i effektiviteten (3-5% mindre end i et enkeltkredsløbssystem), behovet for fuldstændig at udskifte kølevæsken hvert 7. år.

Betingelser for arbejde og effektivisering

Det er bedre at overlade beregningen og installationen af ​​et solsystem til fagfolk. Overholdelse af installationsteknikken vil sikre funktionalitet og opnåelse af den deklarerede ydeevne. For at forbedre effektiviteten og levetiden er det nødvendigt at tage højde for nogle nuancer.

Termostatisk ventil. I traditionelle varmesystemer termostatisk element sjældent installeret, da varmegeneratoren er ansvarlig for at regulere temperaturen. Men når man installerer et solcelleanlæg, bør man ikke glemme sikkerhedsventilen.

Opvarmning af tanken til den maksimalt tilladte temperatur øger solfangerens ydeevne og giver dig mulighed for at bruge solvarme selv i overskyet vejr

Den optimale placering af ventilen er 60 cm fra varmeren. Når den placeres tæt, varmer "termostaten" op og blokerer for tilførslen af ​​varmt vand.

Placering af lagertanken. Varmtvandsbuffertanken skal installeres på et tilgængeligt sted. Ved placering i et kompakt rum lægges der særlig vægt på lofternes højde.

Den mindste ledige plads over tanken er 60 cm. Dette mellemrum er nødvendigt for at servicere batteriet og udskifte magnesiumanoden

Installation ekspansionsbeholder. Elementet kompenserer for termisk udvidelse i perioder med stagnation. Installation af tanken over pumpeudstyret vil forårsage overophedning af membranen og dens for tidlige slid.

Det optimale sted for ekspansionsbeholderen er under pumpegruppen. Temperatureffekten under denne installation reduceres væsentligt, og membranen bevarer sin elasticitet længere.

Tilslutning af solcellekredsløb. Ved tilslutning af rør anbefales det at organisere en løkke. Den termiske sløjfe reducerer varmetabet ved at forhindre frigivelse af opvarmet væske.

En teknisk korrekt mulighed for at implementere en "loop" af et solcellekredsløb. Forsømmelse af dette krav medfører, at temperaturen i lagertanken falder med 1-2°C natten over

Kontraventil. Forhindrer "væltning" af kølevæskecirkulationen. Med mangel på solaktivitet kontraventil forhindrer varmen i løbet af dagen i at forsvinde.

Populære modeller af solcellemoduler

Solcelleanlæg fra indenlandske og udenlandske virksomheder er efterspurgte. Produkter fra producenter har vundet et godt ry: NPO Mashinostroeniya (Rusland), Gelion (Rusland), Ariston (Italien), Alten (Ukraine), Viessman (Tyskland), Amcor (Israel) osv.

Solsystemet "Falcon". Flad solfanger udstyret med en flerlags optisk belægning med magnetronforstøvning. Den minimale emissionskapacitet og høje absorptionsniveau giver en effektivitet på op til 80 %.

Ydelseskarakteristika:

• driftstemperatur – op til -21 °C;
• omvendt varmestråling – 3-5%;
• toplag – hærdet glas (4 mm).

Samler SVK-A (Alten). Vakuum solcelleanlæg med et absorptionsareal på 0,8-2,41 kvm (afhængig af model). Kølevæsken er propylenglycol, den termiske isolering af en 75 mm kobbervarmeveksler minimerer varmetabet.

Ekstra muligheder:

• krop – anodiseret aluminium;
• varmeveksler diameter - 38 mm;
• isolering - mineraluld med anti-hygroskopisk behandling;
• belægning – borosilikatglas 3,3 mm;
• Effektivitet – 98%.

Vitosol 100-F er en flad solfanger til vandret eller lodret installation. Kobberabsorber med harpeformet rørformet spole og helio-titanium belægning. Lystransmission – 81%.

Cirkapriser for solcelleanlæg: flade solfangere – fra 400 USD/kvm, rørformede solfangere – 350 USD/10 vakuumkolber. Komplet sæt cirkulationssystem – fra 2500 USD

Konklusioner og nyttig video om emnet

Driftsprincippet for solfangere og deres typer:

Vurdering af ydeevnen af ​​en fladpladekollektor ved minusgrader:

Installationsteknologi af en panelsolfanger ved hjælp af eksemplet med Buderus-modellen:

Solenergi er en vedvarende varmekilde. Med de stigende priser på traditionelle energiressourcer i betragtning, retfærdiggør implementeringen af ​​solcelleanlæg kapitalinvesteringer og betaler sig i de næste fem år, hvis installationsteknikker følges.

Hvis du har værdifuld information, som du gerne vil dele med besøgende på vores side, bedes du skrive dine kommentarer i feltet under artiklen. Der kan du stille spørgsmål om artiklens emne eller dele din oplevelse med at bruge solfangere.