Solarni sustavi grijanja. Smjernice za proračun i projektiranje solarnih sustava grijanja

Čemu služe toplinski solarni kolektori? Gdje se mogu koristiti - područja primjene, mogućnosti primjene, prednosti i mane kolektora, tehnički podaci, učinkovitost. Je li to moguće učiniti sami i koliko je to opravdano? Sheme primjene i izgledi.

Svrha

Sakupljač i solarna baterija dva različita uređaja. Baterija koristi pretvorbu sunčeve energije u električnu energiju koja se pohranjuje u baterije i koristi za kućne potrebe. Solarni kolektori, poput toplinske pumpe, dizajnirani su za prikupljanje i akumulaciju ekološki prihvatljive energije Sunca, čija se pretvorba koristi za zagrijavanje vode ili grijanje. Solarne termoelektrane, koje pretvaraju toplinu u električnu energiju, postale su široko korištene u industrijskim razmjerima.

Uređaj

Kolektori se sastoje od tri glavna dijela:

ploče;
prednja kamera;
spremnik.

Paneli su predstavljeni u obliku cjevastog radijatora smještenog u kutiju s vanjskom stijenkom od stakla. Moraju se postaviti na bilo koje dobro osvijetljeno mjesto. Tekućina ulazi u panelni radijator, koji se zatim zagrijava i pomiče u prednju komoru, gdje se hladna voda zamjenjuje toplom vodom, što stvara stalni dinamički tlak u sustavu. U ovom slučaju hladna tekućina ulazi u radijator, a vruća tekućina ulazi u spremnik.

Standardne ploče lako se prilagođavaju svim uvjetima. Pomoću posebnih montažnih profila mogu se postavljati paralelno jedan uz drugog u nizu u neograničenom broju. Rupe se izbuše u aluminijskim montažnim profilima i pričvrste za panele s donje strane vijcima ili zakovicama. Nakon završetka rada solarnih apsorberskih panela zajedno s montažni profili predstavljaju jednu krutu strukturu.

Sustav solarno grijanje dijeli se u dvije skupine: sa zrakom i s tekućim rashladnim sredstvom. Kolektori hvataju i apsorbiraju zračenje, te ga pretvaraju u Termalna energija, prenose se na spremnik, iz kojeg se toplina distribuira po prostoriji. Svaki od sustava može se nadopuniti pomoćnom opremom ( cirkulacijska pumpa, senzori tlaka, sigurnosni ventili).

Princip rada

U danju toplinsko zračenje prenosi se na rashladnu tekućinu (vodu ili antifriz) koja cirkulira kroz kolektor. Zagrijana rashladna tekućina prenosi energiju u spremnik bojlera, koji se nalazi iznad njega i skuplja vodu za opskrbu toplom vodom. U jednostavnoj verziji voda prirodno cirkulira zbog razlike u gustoći između vruće i hladna voda u krugu, a kako bi se osiguralo da cirkulacija ne prestane, koristi se posebna pumpa. Cirkulacijska pumpa dizajnirana je za aktivno pumpanje tekućine kroz strukturu.

U složenijoj verziji, kolektor je uključen u zasebni krug napunjen vodom ili antifrizom. Crpka im pomaže da počnu cirkulirati, prenoseći pohranjenu solarnu energiju u toplinski izolirani spremnik, koji omogućuje pohranjivanje i vraćanje topline kada je to potrebno. Ako nema dovoljno energije, električni ili plinski grijač, automatski se uključuje i održava potrebnu temperaturu.

Vrste

Oni koji žele imati solarni sustav grijanja u svom domu moraju se najprije odlučiti za najprikladniju vrstu kolektora.

Kolektor ravnog tipa

Predstavljen u obliku kutije prekrivene kaljenim staklom s posebnim slojem koji apsorbira sunčevu toplinu. Ovaj sloj je povezan s cijevima kroz koje cirkulira rashladna tekućina. Što više energije prima, veća mu je učinkovitost. Smanjenje gubitaka topline u samom panelu i osiguranje najveće apsorpcije topline na pločama apsorbera omogućuje maksimalno prikupljanje energije. U nedostatku stagnacije, ravni kolektori mogu zagrijati vodu do 200 °C. Namijenjeni su za zagrijavanje vode u bazenima, kućanskim potrebama i grijanju kuće.

Razdjelnik vakuumskog tipa

Sastoji se od staklenih baterija (niz šupljih cijevi). Vanjska baterija ima prozirnu površinu, a unutarnja je prekrivena posebnim slojem koji zadržava zračenje. Vakuumski sloj između unutarnje i vanjske baterije pomaže uštedjeti oko 90% apsorbirane energije. Vodiči topline su posebne cijevi. Kada se ploča zagrije, tekućina koja se nalazi na dnu baterije pretvara se u paru, koja se diže i predaje toplinu kolektoru. Ovaj tip sustava ima veću učinkovitost u usporedbi s ravnim kolektorima, jer se može koristiti kada niske temperature i u uvjetima slabog osvjetljenja. Vakuumska solarna baterija omogućuje zagrijavanje temperature rashladne tekućine na 300 °C, koristeći višeslojni stakleni premaz i stvarajući vakuum u kolektorima.

Toplinska pumpa

Solarni toplinski sustavi najučinkovitije rade s uređajem kao što je dizalica topline. Dizajniran za prikupljanje energije iz okoliša, bez obzira na vremenski uvjeti i može se postaviti unutar kuće. Izvor energije ovdje može biti voda, zrak ili tlo. Dizalica topline može raditi samo pomoću solarnih kolektora ako ima dovoljno sunčeve energije. Kod kombiniranog sustava dizalice topline i solarnih kolektora nije bitan tip kolektora, već najviše prikladna opcija bit će solarna vakuumska baterija.

Što je bolje

Solarni sustav grijanja može se postaviti na bilo koju vrstu krova. Pločasti kolektori smatraju se izdržljivijim i pouzdanijim, za razliku od vakuumskih kolektora, čiji je dizajn krhkiji. Međutim, ako je ravni kolektor oštećen, morat će se zamijeniti cijeli apsorpcijski sustav, dok se kod vakuumskog kolektora mora zamijeniti samo oštećena baterija.

Učinkovitost vakuumskog razdjelnika mnogo je veća nego kod ravnog razdjelnika. Mogu se koristiti u zimsko vrijeme i proizvode više snage po oblačnom vremenu. Dizalica topline postala je prilično raširena, unatoč visokoj cijeni. Brzina proizvodnje energije vakuumskih kolektora ovisi o veličini cijevi. Normalno, dimenzije cijevi trebaju biti promjera 58 mm s duljinom od 1,2-2,1 metara. Prilično je teško sami instalirati kolektor. Međutim, posjedovanje određenog znanja, kao i praćenje detaljne upute instalacija i odabir lokacije sustava navedenog pri kupnji opreme značajno će pojednostaviti zadatak i pomoći u donošenju solarnog grijanja u kuću.

Solarni toplinski sustavi

4.1. Klasifikacija i glavni elementi solarnih sustava

Solarni sustavi grijanja su sustavi koji koriste sunčevo zračenje kao izvor toplinske energije. Njihovo karakteristična razlika iz drugih sustava grijanje na niskoj temperaturi je korištenje posebnog elementa - solarnog prijemnika, namijenjenog hvatanju sunčevog zračenja i pretvaranju u toplinsku energiju.

Prema načinu iskorištavanja sunčevog zračenja solarni niskotemperaturni sustavi grijanja dijele se na pasivne i aktivne.

Pasivni solarni sustavi grijanja su oni kod kojih sama zgrada ili njezina pojedinačna kućišta (zgrada-kolektor, zidni kolektor, krovni kolektor itd.) služe kao element koji prima sunčevo zračenje i pretvara ga u toplinu (Sl. 4.1.1). )).

Riža. 4.1.1 Pasivni niskotemperaturni solarni sustav grijanja „zidni kolektor”: 1 – sunčeve zrake; 2 – prozirni zaslon; 3 – zračna zaklopka; 4 – grijani zrak; 5 – ohlađeni zrak iz prostorije; 6 – vlastito dugovalno toplinsko zračenje zidne mase; 7 – crna površina zida za primanje zraka; 8 – rolete.

Aktivni su solarni niskotemperaturni sustavi grijanja u kojima je solarni prijamnik samostalan zasebni uređaj koji nije vezan za zgradu. Aktivni solarni sustavi mogu se dalje podijeliti na:

prema namjeni (topla voda, grijanje, kombinirani sustavi za potrebe opskrbe toplinom i hlađenjem);

prema vrsti korištenog rashladnog sredstva (tekućina - voda, antifriz i zrak);

po trajanju rada (cjelogodišnje, sezonski);

o tehničkom rješenju strujnih krugova (jednokružni, dvokružni, višekružni).

Zrak je široko korištena rashladna tekućina koja se ne smrzava u cijelom rasponu radnih parametara. Kada se koristi kao rashladno sredstvo, moguće je kombinirati sustave grijanja sa sustavom ventilacije. Međutim, zrak je rashladno sredstvo niske topline, što dovodi do povećanja potrošnje metala za ugradnju sustava grijanje zraka u usporedbi s vodnim sustavima.

Voda je toplinski intenzivno i široko dostupno rashladno sredstvo. Međutim, pri temperaturama nižim od 0°C potrebno je dodati tekućine protiv smrzavanja. Osim toga, mora se uzeti u obzir da voda zasićena kisikom uzrokuje koroziju cjevovoda i opreme. No potrošnja metala u solarnim vodnim sustavima znatno je manja, što uvelike pridonosi njihovoj široj upotrebi.

Sezonski solarni sustavi za opskrbu toplom vodom obično su jednokružni i rade u ljetnim i prijelaznim mjesecima, u razdobljima s pozitivnim vanjskim temperaturama. Mogu imati dodatni izvor topline ili bez njega, ovisno o namjeni servisiranog objekta i uvjetima rada.

Solarni sustavi za grijanje zgrada obično su dvokružni ili najčešće višekružni, a za različite krugove mogu se koristiti različite rashladne tekućine (na primjer, u solarnom krugu - vodene otopine tekućine koje se ne smrzavaju, u međukrugovima - voda, a u krugu potrošača - zrak).

Kombinirani cjelogodišnji solarni sustavi za opskrbu zgrada toplinom i hladnoćom su višekružni i uključuju dodatni izvor topline u obliku tradicionalnog generatora topline na fosilna goriva ili toplinskog transformatora.

Shematski dijagram solarni sustav grijanja prikazan je na sl. 4.1.2. Uključuje tri kruga cirkulacije:

prvi krug, koji se sastoji od solarnih kolektora 1, cirkulacijske pumpe 8 i tekućeg izmjenjivača topline 3;

drugi krug, koji se sastoji od spremnika za skladištenje 2, cirkulacijske pumpe 8 i izmjenjivača topline 3;

treći krug, koji se sastoji od spremnika za skladištenje 2, cirkulacijske pumpe 8, izmjenjivača topline voda-zrak (grijač) 5.

Riža. 4.1.2. Shema solarnog sustava grijanja: 1 – solarni kolektor; 2 – spremnik za skladištenje; 3 – izmjenjivač topline; 4 – zgrada; 5 – grijač; 6 – rezervni sustav grijanja; 7 – rezervni sustav opskrbe toplom vodom; 8 – cirkulacijska pumpa; 9 – ventilator.

Solarni sustav grijanja radi na sljedeći način. Rashladno sredstvo (antifriz) kruga primanja topline, zagrijavajući se u solarnim kolektorima 1, ulazi u izmjenjivač topline 3, gdje se toplina antifriza prenosi na vodu koja cirkulira u međucijevnom prostoru izmjenjivača topline 3 pod djelovanjem pumpa 8 sekundarnog kruga. Zagrijana voda ulazi u spremnik 2. Iz spremnika voda se uzima pumpom za opskrbu toplom vodom 8, dovodi se, ako je potrebno, na potrebnu temperaturu u pomoćnom spremniku 7 i ulazi u sustav opskrbe toplom vodom zgrade. Spremnik se puni iz dovoda vode.

Za grijanje, voda iz spremnika 2 se dovodi crpkom trećeg kruga 8 do grijača 5, kroz koji zrak prolazi uz pomoć ventilatora 9 i, kada se zagrije, ulazi u zgradu 4. U nedostatku solarne energije zračenja ili nedostatka toplinske energije koju generiraju solarni kolektori, rezervni 6 je uključen.

Izbor i raspored elemenata solarnog sustava grijanja u svakom konkretnom slučaju uvjetovan je klimatskim čimbenicima, namjenom objekta, režimom potrošnje toplinske energije i ekonomskim pokazateljima.

4.2. Koncentrirajući solarni prijemnici

Koncentrirajući solarni prijemnici su sferna ili parabolična zrcala (slika 4.2.1), izrađena od poliranog metala, u čijem je fokusu postavljen element za primanje topline (solarni kotao), kroz koji cirkulira rashladna tekućina. Kao rashladno sredstvo koristi se voda ili tekućine koje se ne smrzavaju. Kada koristite vodu kao rashladno sredstvo noću i tijekom hladnih razdoblja, sustav se mora isprazniti kako bi se spriječilo smrzavanje.

Kako bi se osigurala visoka učinkovitost procesa hvatanja i pretvaranja sunčevog zračenja, koncentrirajući solarni prijemnik mora biti stalno usmjeren striktno prema Suncu. U tu je svrhu solarni prijamnik opremljen sustavom za praćenje koji uključuje senzor smjera prema Suncu, elektroničku jedinicu za pretvorbu signala i elektromotor s mjenjačem za rotaciju strukture solarnog prijamnika u dvije ravnine.

Riža. 4.2.1. Koncentrirajući solarni prijemnici: a – parabolični koncentrator; b – parabolični cilindrični koncentrator; 1 – sunčeve zrake; 2 – element za primanje topline (solarni kolektor); 3 – ogledalo; 4 – pogonski mehanizam sustava za praćenje; 5 – cjevovodi za dovod i odvod rashladne tekućine.

Prednost sustava s koncentrirajućim solarnim prijamnicima je mogućnost stvaranja topline na relativno visokoj temperaturi (do 100°C), pa čak i pare. Nedostaci uključuju visoku cijenu strukture; potreba za stalnim čišćenjem reflektirajućih površina od prašine; rad samo tijekom dnevnog svjetla, a time i potreba za velikim baterijama; veliki troškovi energije za pogon solarnog sustava za praćenje, razmjerni generiranoj energiji. Ovi nedostaci koče široka primjena aktivni niskotemperaturni solarni sustavi grijanja s koncentrirajućim solarnim prijamnicima. U U zadnje vrijeme Za solarne niskotemperaturne sustave grijanja najčešće se koriste plosnati solarni prijemnici.

4.3. Ravni solarni kolektori

Ravni solarni kolektor je uređaj s ravnom konfiguracijom apsorbirajuće ploče i ravnom prozirnom izolacijom za apsorbiranje energije sunčevog zračenja i njezino pretvaranje u toplinu.

Ravni solarni kolektori (Sl. 4.3.1) sastoje se od staklene ili plastične prevlake (jednostruke, dvostruke, trostruke), panela za primanje topline obojenog u crno na strani okrenutoj prema suncu, izolacije na stražnja strana i kućište (metal, plastika, staklo, drvo).

Riža. 4.3.1. Ravni solarni kolektor: 1 – sunčeve zrake; 2 – ostakljenje; 3 – tijelo; 4 – površina za primanje topline; 5 – toplinska izolacija; 6 – brtva; 7 – vlastito dugovalno zračenje ploče koja prima toplinu.

Bilo koja metalna ili plastična ploča s kanalima za rashladnu tekućinu može se koristiti kao ploča za primanje topline. Paneli za primanje topline izrađeni su od aluminija ili čelika od dvije vrste: ploče od cijevi i žigosane ploče (cijev u limu). Plastične ploče, zbog svoje krhkosti i brzog starenja pod utjecajem sunčeve svjetlosti, kao i niske toplinske vodljivosti, nisu naširoko korištene.

Pod utjecajem sunčevog zračenja, ploče koje primaju toplinu zagrijavaju se do temperatura od 70-80 ° C, prelazeći temperaturu okoline, što dovodi do povećanja konvektivnog prijenosa topline ploče u okoliš i vlastito zračenje u nebo. Za postizanje viših temperatura rashladne tekućine, površina ploče prekrivena je spektralno selektivnim slojevima koji aktivno apsorbiraju kratkovalno zračenje Sunca i smanjuju vlastito toplinsko zračenje u dugovalnom dijelu spektra. Takvi dizajni na bazi "crnog nikla", "crnog kroma", bakrenog oksida na aluminiju, bakrenog oksida na bakru i drugi su skupi (njihov trošak često je usporediv s troškom same ploče za primanje topline). Drugi način poboljšanja performansi ravnih pločastih kolektora je stvaranje vakuuma između ploče koja prima toplinu i prozirne izolacije kako bi se smanjio gubitak topline (solarni kolektori četvrte generacije).

Iskustvo rada solarnih instalacija temeljenih na solarnim kolektorima otkrilo je niz značajnih nedostataka takvih sustava. Prije svega ovo visoka cijena kolekcionari. Povećanje učinkovitosti njihovog rada selektivnim premazivanjem, povećanjem prozirnosti ostakljenja, odvodnjavanjem, kao i ugradnjom rashladnog sustava pokazuju se ekonomski neisplativim. Značajan nedostatak je potreba za čestim čišćenjem stakla od prašine, što praktički isključuje korištenje kolektora u industrijskim područjima. Tijekom dugotrajnog rada solarnih kolektora, posebno u zimskim uvjetima, uočava se njihov česti kvar zbog neravnomjernog širenja osvijetljenih i zatamnjenih površina stakla zbog narušavanja cjelovitosti ostakljenja. Također postoji veliki postotak kolektora koji se pokvare tijekom transporta i montaže. Značajan nedostatak operativnih sustava s kolektorima također je neravnomjerno opterećenje tijekom godine i dana. Iskustvo rada kolektora u Europi i europskom dijelu Rusije s visokim udjelom difuznog zračenja (do 50%) pokazalo je nemogućnost stvaranja tijekom cijele godine. autonomni sustav opskrba toplom vodom i grijanje. Svi solarni sustavi sa solarnim kolektorima u srednjim geografskim širinama zahtijevaju ugradnju spremnika velikog volumena i uključivanje u sustav dodatni izvor energije, što umanjuje ekonomski učinak njihove uporabe. U tom smislu, preporučljivo ih je koristiti u područjima s visokim prosječnim intenzitetom sunčevog zračenja (ne manjim od 300 W/m2).

Potencijalne mogućnosti korištenja solarne energije u Ukrajini

Na području Ukrajine, energija sunčevog zračenja za jedan prosječni godišnji dnevni sat iznosi u prosjeku 4 kW ∙ sat po 1 m2 (u ljetnim danima - do 6 - 6,5 kW ∙ sat), tj. oko 1,5 tisuća kW ∙ sat godišnje za svaki četvorni metar. To je otprilike jednako kao iu srednjoj Europi, gdje je korištenje sunčeve energije najšire.

Osim povoljnih klimatskih uvjeta, Ukrajina ima visoko kvalificirano znanstveno osoblje u području korištenja sunčeve energije. Nakon povratka prof. Boyko B.T. iz UNESCO-a, gdje je vodio UNESCO-ov međunarodni program o korištenju sunčeve energije (1973.-1979.), započeo je intenzivne znanstvene i organizacijske aktivnosti na Harkovskom politehničkom institutu (danas Nacionalno tehničko sveučilište). - KhPI) o razvoju novog znanstvenog i obrazovnog smjera znanosti o materijalima za solarnu energiju. Već 1983. godine, u skladu s naredbom Ministarstva visokog obrazovanja SSSR-a br. 885 od 13. srpnja 1983., po prvi put u praksi visokog obrazovanja u SSSR-u, Harkovski politehnički institut započeo je obuku inženjera fizike s profilom iz područja znanosti o materijalima za solarnu energiju u okviru specijalnosti “Fizika metala”. Time su postavljeni temelji za osnivanje 1988. diplomskog odjela “Znanost o fizičkim materijalima za elektroniku i solarnu energiju” (PMEG). Odjel FMEG, u suradnji s Istraživačkim institutom za tehnologiju inženjerstva instrumenata (Kharkov), u okviru ukrajinskog svemirskog programa, sudjelovao je u stvaranju učinkovitih silicijskih solarnih ćelija. 13 - 14% za ukrajinske svemirske letjelice.

Od 1994. godine Zavod za FMEG, uz potporu Sveučilišta u Stuttgartu i Europske zajednice, kao i Tehničkog sveučilišta u Zürichu i Švicarskog nacionalnog znanstvenog društva, aktivno sudjeluje u znanstvenim istraživanjima razvoja filmskih fotonaponskih ćelija.

Klasifikacija i glavni elementi solarnih sustava

Solarni sustavi grijanja su sustavi koji koriste sunčevo zračenje kao izvor toplinske energije. Njihova karakteristična razlika od ostalih niskotemperaturnih sustava grijanja je korištenje posebnog elementa - solarnog prijemnika, dizajniranog za hvatanje sunčevog zračenja i pretvaranje u toplinsku energiju.

Prema načinu iskorištavanja sunčevog zračenja solarni niskotemperaturni sustavi grijanja dijele se na pasivne i aktivne.

Pasivni solarni sustavi grijanja su oni kod kojih sama zgrada ili njezini pojedinačni okviri (zgrada-kolektor, zidni kolektor, krovni kolektor itd.) služe kao element koji prima sunčevo zračenje i pretvara ga u toplinu (slika 3.4)) .

Riža. 3.4. Pasivni niskotemperaturni solarni sustav grijanja “zidni kolektor”: 1 – sunčeve zrake; 2 – prozirni zaslon; 3 – zračna zaklopka; 4 – grijani zrak; 5 – ohlađeni zrak iz prostorije; 6 – vlastito dugovalno toplinsko zračenje zidne mase; 7 – crna površina zida za primanje zraka; 8 – rolete.

Aktivni su solarni niskotemperaturni sustavi grijanja u kojima je solarni prijamnik samostalan zasebni uređaj koji nije vezan za zgradu. Aktivni solarni sustavi mogu se dalje podijeliti na:

- prema namjeni (opskrba toplom vodom, sustavi grijanja, kombinirani sustavi za opskrbu toplinom i hlađenjem);

- prema vrsti korištenog rashladnog sredstva (tekućina - voda, antifriz i zrak);

- prema trajanju rada (cjelogodišnji, sezonski);

- prema tehničkom rješenju strujnih krugova (jednokružni, dvokružni, višekružni).

Zrak je široko korištena rashladna tekućina koja se ne smrzava u cijelom rasponu radnih parametara. Kada se koristi kao rashladno sredstvo, moguće je kombinirati sustave grijanja sa sustavom ventilacije. Međutim, zrak je rashladno sredstvo s niskim toplinskim kapacitetom, što dovodi do povećanja potrošnje metala za ugradnju sustava grijanja zraka u usporedbi s vodenim sustavima.

Solarni sustavi za grijanje zgrada obično su dvokružni ili najčešće višekružni, a za različite krugove mogu se koristiti različite rashladne tekućine (npr. u solarnom krugu - vodene otopine tekućina koje se ne smrzavaju, u međukrugovima - voda, a u krugu potrošača - zrak).

Shematski dijagram solarnog sustava grijanja prikazan je na sl. 3.5. Uključuje tri kruga cirkulacije:

- prvi krug, koji se sastoji od solarnih kolektora 1, cirkulacijske pumpe 8 i tekućeg izmjenjivača topline 3;

- drugi krug, koji se sastoji od spremnika za skladištenje 2, cirkulacijske pumpe 8 i izmjenjivača topline 3;

- treći krug, koji se sastoji od spremnika za skladištenje 2, cirkulacijske pumpe 8, izmjenjivača topline voda-zrak (grijač) 5.

Riža. 3.5. Shema solarnog sustava grijanja: 1 – solarni kolektor; 2 – spremnik za skladištenje; 3 – izmjenjivač topline; 4 – zgrada; 5 – grijač; 6 – rezervni sustav grijanja; 7 – rezervni sustav opskrbe toplom vodom; 8 – cirkulacijska pumpa; 9 – ventilator.

Koncentrirajući solarni prijemnici

Koncentrirajući solarni prijemnici su kuglasti odn parabolična zrcala(Sl. 3.6), izrađen od poliranog metala, u čijem je fokusu postavljen element za primanje topline (solarni kotao), kroz koji cirkulira rashladna tekućina. Kao rashladno sredstvo koristi se voda ili tekućine koje se ne smrzavaju. Kada koristite vodu kao rashladno sredstvo noću i tijekom hladnih razdoblja, sustav se mora isprazniti kako bi se spriječilo smrzavanje.

Prednost sustava s koncentrirajućim solarnim prijamnicima je mogućnost stvaranja topline na relativno visokoj temperaturi (do 100°C), pa čak i pare. Nedostaci uključuju visoku cijenu strukture; potreba za stalnim čišćenjem reflektirajućih površina od prašine; rad samo tijekom dnevnog svjetla, a time i potreba za velikim baterijama; veliki troškovi energije za pogon solarnog sustava za praćenje, razmjerni generiranoj energiji. Ovi nedostaci sprječavaju široku primjenu aktivnih niskotemperaturnih solarnih sustava grijanja s koncentrirajućim solarnim prijemnicima. U novije vrijeme za solarne niskotemperaturne sustave grijanja najčešće se koriste plosnati solarni prijamnici.

Ravni solarni kolektori

Ravni solarni kolektor je uređaj s ravnom konfiguracijom apsorbirajuće ploče i ravnom prozirnom izolacijom za apsorbiranje energije sunčevog zračenja i njezino pretvaranje u toplinu.

Ravni solarni kolektori (slika 3.7) sastoje se od staklenog ili plastičnog poklopca (jednostruki, dvostruki, trostruki), ploče za primanje topline obojene crnom bojom na strani okrenutoj prema suncu, izolacije na stražnjoj strani i kućišta (metalno, plastični, stakleni, drveni).

Riža. 3.6 Koncentrirajući solarni prijemnici: a – parabolični koncentrator; b – parabolični cilindrični koncentrator; 1 – sunčeve zrake; 2 – element za primanje topline (solarni kolektor); 3 – ogledalo; 4 – pogonski mehanizam sustava za praćenje; 5 – cjevovodi za dovod i odvod rashladne tekućine.

Riža. 3.7. Ravni solarni kolektor: 1 – sunčeve zrake; 2 – ostakljenje; 3 – tijelo; 4 – površina za primanje topline; 5 – toplinska izolacija; 6 – brtva; 7 – vlastito dugovalno zračenje ploče koja prima toplinu.

Pod utjecajem sunčevog zračenja, paneli koji primaju toplinu zagrijavaju se do temperatura od 70-80 °C, prelazeći temperaturu okoline, što dovodi do povećanja konvektivnog prijenosa topline panela u okolinu i vlastitog zračenja u nebo. . Za postizanje viših temperatura rashladne tekućine, površina ploče prekrivena je spektralno selektivnim slojevima koji aktivno apsorbiraju kratkovalno zračenje Sunca i smanjuju vlastito toplinsko zračenje u dugovalnom dijelu spektra. Takvi dizajni na bazi "crnog nikla", "crnog kroma", bakrenog oksida na aluminiju, bakrenog oksida na bakru i drugi su skupi (njihov trošak često je usporediv s troškom same ploče za primanje topline). Drugi način poboljšanja performansi ravnih pločastih kolektora je stvaranje vakuuma između ploče koja prima toplinu i prozirne izolacije kako bi se smanjio gubitak topline (solarni kolektori četvrte generacije).

Iskustvo rada solarnih instalacija temeljenih na solarnim kolektorima otkrilo je niz značajnih nedostataka takvih sustava. Prije svega, ovo je visoka cijena kolektora. Povećanje učinkovitosti njihovog rada selektivnim premazivanjem, povećanjem prozirnosti ostakljenja, odvodnjavanjem, kao i ugradnjom rashladnog sustava pokazuju se ekonomski neisplativim. Značajan nedostatak je potreba za čestim čišćenjem stakla od prašine, što praktički isključuje korištenje kolektora u industrijskim područjima. Tijekom dugotrajnog rada solarnih kolektora, posebno u zimski uvjeti, dolazi do njihovog čestog kvara zbog neravnomjernog širenja osvijetljenih i zatamnjenih područja stakla zbog narušavanja cjelovitosti stakla. Također se bilježi veliki postotak kvar kolektora tijekom transporta i ugradnje. Značajan nedostatak operativnih sustava s kolektorima također je neravnomjerno opterećenje tijekom godine i dana. Iskustvo rada kolektora u Europi i europskom dijelu Rusije s visokim udjelom difuznog zračenja (do 50%) pokazalo je nemogućnost stvaranja cjelogodišnjeg autonomnog sustava opskrbe toplom vodom i grijanja. Svi solarni sustavi sa solarnim kolektorima u srednjim geografskim širinama zahtijevaju ugradnju spremnika velikog volumena i uključivanje dodatnog izvora energije u sustav, što smanjuje ekonomski učinak njihove uporabe. U tom smislu, preporučljivo ih je koristiti u područjima s visokim prosječnim intenzitetom sunčevog zračenja (ne manjim od 300 W/m2).

Doktor tehničkih znanosti B.I.Kazanjan
Moskovski energetski institut
(Tehničko sveučilište), Rusija
Magazin Energija, broj 12, 2005.

1. Uvod.

Glavni razlozi koji su potaknuli čovječanstvo da se uključi u veliki industrijski razvoj obnovljivih izvora energije su:
-klimatske promjene uzrokovane povećanjem sadržaja CO2 u atmosferi;
-snažna ovisnost mnogih razvijenih zemalja, posebno europskih, o uvozu goriva;
-ograničene rezerve organskog goriva na Zemlji.
Nedavno potpisivanje Protokola iz Kyota od strane najrazvijenijih zemalja svijeta stavilo je na dnevni red ubrzani razvoj tehnologija koje pomažu smanjiti emisiju CO2 u okoliš. Poticaj za razvoj ovih tehnologija nije samo svijest o prijetnji klimatskih promjena i povezanih ekonomskih gubitaka, već i činjenica da su kvote emisije stakleničkih plinova postale roba s vrlo stvarnom vrijednošću. Jedna od tehnologija koja može smanjiti potrošnju fosilnih goriva i smanjiti emisiju CO2 je proizvodnja niskokvalitetne topline za sustave opskrbe toplom vodom, grijanje, klimatizaciju, tehnološke i druge potrebe korištenjem sunčeve energije. Trenutno više od 40% primarne energije koju troši čovječanstvo otpada upravo na te potrebe, a upravo su u tom sektoru tehnologije solarne energije najzrelije i ekonomski najprihvatljivije za širok krug ljudi. praktičnu upotrebu. Za mnoge zemlje korištenje solarnih sustava grijanja također je način da se smanji ovisnost gospodarstva o uvezenim fosilnim gorivima. Ova zadaća posebno je aktualna za zemlje Europske unije čije je gospodarstvo već sada 50% ovisno o uvozu fosilnih izvora energije, a do 2020. ta bi ovisnost mogla porasti na 70%, što predstavlja prijetnju gospodarskoj neovisnosti ove regije.

2.Razmjer korištenja solarnih sustava grijanja

O mjerilu moderna uporaba sunčeve energije za potrebe opskrbe toplinom svjedoče sljedeći statistički podaci.
Ukupna površina solarnih kolektora postavljenih u zemljama EU do kraja 2004. godine dosegnula je 13960000 m2, au svijetu je premašila 150000000 m2. Godišnje povećanje površine solarnih kolektora u Europi u prosjeku iznosi 12%, au nekim zemljama doseže razinu od 20-30% ili više. Po broju kolektora na tisuću stanovnika u svijetu prednjači Cipar, gdje je 90% kuća opremljeno solarnim instalacijama (na tisuću stanovnika dolazi 615,7 m2 solarnih kolektora), a slijede Izrael, Grčka i Austrija. Apsolutni lider u području instaliranih kolektora u Europi je Njemačka - 47%, a slijede Grčka - 14%, Austrija - 12%, Španjolska - 6%, Italija - 4%, Francuska - 3%. Europske zemlje su neosporni lideri u razvoju novih tehnologija za solarne sustave grijanja, ali daleko zaostaju za Kinom u količini puštanja u pogon novih solarnih instalacija. Statistički podaci o porastu broja solarnih kolektora puštenih u rad u svijetu prema rezultatima 2004. godine daju sljedeću raspodjelu: Kina - 78%, Europa - 9%, Turska i Izrael - 8%, ostale zemlje - 5%.
Prema stručnoj procjeni ESTIF-a (European Solar Thermal Industry Federation), tehnički i ekonomski potencijal za korištenje solarnih kolektora u sustavima opskrbe toplinom samo u zemljama EU iznosi više od 1,4 milijarde m2 koji mogu proizvesti više od 680.000 GWh toplinske energije. godišnje. Planovi za blisku budućnost uključuju postavljanje 100.000.000 m2 kolektora u ovoj regiji do 2010. godine.

3. Solarni kolektor je ključni element solarnog sustava grijanja

Solarni kolektor je glavna komponenta svakog solarnog sustava grijanja. Ovdje se sunčeva energija pretvara u toplinu. Učinkovitost cjelokupnog solarnog sustava grijanja i njegova ekonomski pokazatelji.
Postoje uglavnom dvije vrste solarnih kolektora koji se koriste u sustavima opskrbe toplinom: ravni i vakuumski.

Ravni solarni kolektor sastoji se od kućišta, prozirne ograde, apsorbera i toplinske izolacije (slika 1).

sl. 1 Tipični dizajn ravnog pločastog solarnog kolektora

Kućište je glavna nosiva konstrukcija, prozirna ograda propušta sunčevo zračenje u kolektor, štiti apsorber od izlaganja vanjsko okruženje i smanjuje toplinski gubici s prednje strane kolektora. Apsorber apsorbira sunčevo zračenje i prenosi toplinu rashladnoj tekućini kroz cijevi spojene na njegovu površinu za primanje topline. Toplinska izolacija smanjuje gubitke topline sa stražnje i bočne površine kolektora.
Površina apsorbera koja prima toplinu ima selektivnu prevlaku koja ima visok koeficijent apsorpcije u vidljivom i bliskom infracrvenom području sunčevog spektra i nisku emisivnost u spektralnom području koje odgovara radnim temperaturama kolektora. Najbolji moderni kolektori imaju koeficijent apsorpcije u rasponu od 94-95%, koeficijent emisije 3-8%, a učinkovitost u rasponu radnih temperatura tipičnih za sustave grijanja prelazi 50%. rijetko se koristi u modernim kolektorima zbog velikih gubitaka zračenjem . Slika 2 prikazuje primjere modernih ravnih kolektora.

U vakuumskim kolektorima (slika 3) svaki apsorberski element smješten je u posebnu staklenu cijev, unutar koje se stvara vakuum, zbog čega su gubici topline zbog konvekcije i toplinske vodljivosti zraka gotovo potpuno potisnuti. Selektivni premaz na površini apsorbera omogućuje smanjenje gubitaka zračenja. Kao rezultat toga, učinkovitost vakuumskog kolektora je znatno veća od one ravnog kolektora, ali je njegova cijena mnogo veća.

A b

Slika 2 Ravni solarni kolektori

a) tvrtka Wagner, b) tvrtka Feron

A b

Slika 3 Wissmanov vakuumski razvodnik
A) opći oblik, b) dijagram ožičenja

3. Toplinske sheme solarnih sustava grijanja

U svjetskoj praksi najrasprostranjeniji su mali solarni sustavi grijanja. U pravilu, takvi sustavi uključuju solarne kolektore ukupne površine 2-8 m2, spremnik baterije, što je određeno područjem korištenih kolektora, cirkulacijskom crpkom ili crpkama (ovisno o vrsti toplinskog kruga) i dr. pomoćna oprema. U malim sustavima, cirkulacija rashladne tekućine između kolektora i spremnika može se provesti bez pumpe, zbog prirodne konvekcije (termosifonski princip). U tom slučaju spremnik treba biti smješten iznad kolektora. Najjednostavniji tip takvih instalacija je kolektor uparen s spremnikom akumulatora koji se nalazi na gornjem kraju kolektora (slika 4). Sustavi ove vrste obično se koriste za opskrbu toplom vodom u malim obiteljskim kućama tipa vikendice.

Slika 4 Termosifonski solarni sustav grijanja.

Na sl. Slika 5 prikazuje primjer aktivnog sustava veća veličina, u kojem se spremnik baterije nalazi ispod kolektora, a rashladna tekućina cirkulira pomoću pumpe. Takvi se sustavi koriste i za opskrbu toplom vodom i za grijanje. U pravilu se u aktivnim sustavima koji pokrivaju dio toplinskog opterećenja osigurava rezervni izvor topline na električnu energiju ili plin. .

Slika 5 Toplinski dijagram aktivni solarni sustav tople vode i grijanja

Relativno nova pojava u praksi korištenja solarnog grijanja su veliki sustavi sposobni zadovoljiti potrebe za opskrbom toplom vodom i grijanjem stambenih zgrada ili cijelih stambenih područja. Takvi sustavi koriste dnevno ili sezonsko skladištenje topline.
Dnevna akumulacija pretpostavlja sposobnost upravljanja sustavom korištenjem akumulirane topline nekoliko dana, sezonski - nekoliko mjeseci.
Za sezonsku akumulaciju topline koriste se veliki podzemni rezervoari ispunjeni vodom u koje se ispušta sav višak topline primljen iz kolektora tijekom ljeta. Druga mogućnost sezonske akumulacije je zagrijavanje tla pomoću bunara s cijevima kroz koje kruži Vruća voda, dolazi od kolekcionara.

Tablica 1 prikazuje glavne parametre velikih solarnih sustava s dnevnim i sezonskim skladištenjem topline u usporedbi s malim solarnim sustavom za obiteljsku kuću.

Vrsta sustava
Površina kolektora po osobi m2/osobi
Volumen akumulatora topline, l/m2kol
Udio opterećenja opskrbe toplom vodom pokriven solarnom energijom %
Udio ukupnog opterećenja pokrivenog solarnom energijom
Trošak topline dobivene iz solarne energije za njemačke uvjete Euro/kWh

Korištenje “zelene” energije koju dobivaju prirodni elementi može značajno smanjiti troškove komunalnih usluga. Na primjer, aranžiranjem solarno grijanje privatnoj kući, opskrbit ćete niskotemperaturne radijatore i sustave podnog grijanja praktički besplatnim rashladnim sredstvom. Slažem se, ovo već štedi novac.

Sve o "zelenim tehnologijama" naučit ćete iz našeg predloženog članka. Uz našu pomoć lako ćete razumjeti vrste solarnih instalacija, načine njihove izgradnje i specifičnosti rada. Vjerojatno će vas zanimati jedna od popularnih opcija koje aktivno rade u svijetu, ali kod nas još nisu u velikoj potražnji.

U pregledu predstavljenom vašoj pozornosti, analizirali smo značajke dizajna sustava, dijagrami povezivanja su detaljno opisani. Daje se primjer izračuna kruga solarnog grijanja kako bi se procijenila stvarnost njegove konstrukcije. Pomoći samostalni obrtnici U prilogu su odabiri fotografija i videa.

U prosjeku 1 m 2 zemljine površine prima 161 W sunčeve energije na sat. Naravno, na ekvatoru će ta brojka biti mnogo puta veća nego na Arktiku. Osim toga, gustoća sunčevog zračenja ovisi o godišnjem dobu.

U moskovskoj regiji intenzitet sunčevog zračenja u prosincu-siječnju razlikuje se od svibnja-srpnja više od pet puta. Međutim moderni sustavi toliko učinkoviti da mogu djelovati gotovo bilo gdje na zemlji.