L'energia solar com a font d'energia alternativa: tipus i característiques dels sistemes solars
En l'última dècada, l'energia solar com a font d'energia alternativa s'ha utilitzat cada cop més per escalfar i proporcionar aigua calenta als edificis. El motiu principal és el desig de substituir el combustible tradicional per recursos energètics assequibles, respectuosos amb el medi ambient i renovables.
La conversió d'energia solar en energia tèrmica es produeix als sistemes solars: el disseny i el principi de funcionament del mòdul determinen les especificitats de la seva aplicació. En aquest material analitzarem els tipus de col·lectors solars i els principis del seu funcionament, i també parlarem de models populars de mòduls solars.
El contingut de l'article:
La viabilitat d'utilitzar un sistema solar
Un sistema solar és un complex per convertir l'energia de la radiació solar en calor, que posteriorment es transfereix a un intercanviador de calor per escalfar el refrigerant d'un sistema de calefacció o subministrament d'aigua.
L'eficiència d'una instal·lació solar tèrmica depèn de la insolació solar: la quantitat d'energia rebuda durant una hora de llum per 1 metre quadrat de superfície situat en un angle de 90 ° respecte a la direcció dels raigs solars. El valor de mesura de l'indicador és kW*h/m², el valor del paràmetre varia en funció de l'estació.
El nivell mitjà d'insolació solar per a una regió amb un clima continental temperat és de 1000-1200 kWh/m² (per any). La quantitat de sol és el paràmetre determinant per calcular el rendiment d'un sistema solar.
Instal·lar un sistema de calefacció solar és una empresa costosa. Per tal de justificar els costos de capital, és necessari un càlcul precís del sistema i el compliment de la tecnologia d'instal·lació.
Exemple. El valor mitjà de la insolació solar de Tula a mitjans d'estiu és de 4,67 kV/m²*dia, sempre que el panell del sistema s'instal·li a un angle de 50°. La productivitat d'un col·lector solar amb una superfície de 5 metres quadrats es calcula de la següent manera: 4,67*4=18,68 kW d'energia tèrmica per dia. Aquest volum és suficient per escalfar 500 litres d'aigua de 17 °C a 45 °C.
Parlant de la viabilitat d'introduir noves tecnologies, és important tenir en compte les característiques tècniques d'un col·lector solar concret. Alguns comencen a funcionar a 80 W/m² d'energia solar, mentre que altres necessiten 20 W/m².
Fins i tot en un clima del sud, utilitzar un sistema de col·lectors únicament per a la calefacció no tindrà recompensa. Si la instal·lació s'utilitza exclusivament a l'hivern quan hi ha escassetat de sol, el cost de l'equip no es cobrirà fins i tot en 15-20 anys.
Per utilitzar el complex solar de la manera més eficient possible, s'ha d'incloure en el sistema de subministrament d'aigua calenta. Fins i tot a l'hivern, el col·lector solar us permetrà "reduir" les factures d'energia per a la calefacció d'aigua fins a un 40-50%.
A més dels beneficis econòmics, la calefacció solar té avantatges addicionals:
- Respecte al medi ambient. Es redueixen les emissions de diòxid de carboni. Al llarg d'un any, 1 m² de col·lector solar evita que entre 350 i 730 kg de residus entrin a l'atmosfera.
- Estètica. L'espai d'un bany o cuina compacta es pot eliminar de les calderes o guèisers voluminosos.
- Durabilitat. Els fabricants asseguren que si se segueix la tecnologia d'instal·lació, el complex durarà uns 25-30 anys. Moltes empreses ofereixen una garantia de fins a 3 anys.
Arguments en contra de l'ús de l'energia solar: marcada estacionalitat, dependència del clima i alta inversió inicial.
Estructura general i principi de funcionament
Considerem l'opció d'un sistema solar amb un col·lector com a element de treball principal del sistema. L'aspecte de la unitat s'assembla a una caixa metàl·lica, la part frontal de la qual està feta de vidre temperat. Dins de la caixa hi ha un element de treball: una bobina amb un absorbidor.
La unitat d'absorció de calor proporciona l'escalfament del líquid refrigerant circulant, transfereix la calor generada al circuit de subministrament d'aigua.
El col·lector solar necessàriament treballa conjuntament amb el dipòsit d'emmagatzematge. Com que el refrigerant s'escalfa a una temperatura de 90-130 °C, no es pot subministrar directament a les aixetes d'aigua calenta ni als radiadors de calefacció. El refrigerant entra a l'intercanviador de calor de la caldera. El dipòsit d'emmagatzematge sovint es complementa amb un escalfador elèctric.
Esquema de treball:
- El sol escalfa la superfície col·leccionista.
- La radiació tèrmica es transfereix a l'element absorbent (absorbidor), que conté el fluid de treball.
- El refrigerant que circula pels tubs de la bobina s'escalfa.
- L'equip de bombeig, una unitat de control i vigilància garanteix l'eliminació del refrigerant a través d'una canonada fins a la bobina del dipòsit d'emmagatzematge.
- La calor es transfereix a l'aigua de la caldera.
- El refrigerant refredat torna al col·lector i el cicle es repeteix.
L'aigua calenta de l'escalfador d'aigua es subministra al circuit de calefacció o als punts de presa d'aigua.
Els panells solars a les cases particulars s'utilitzen amb més freqüència com a font de reserva d'electricitat:
Tipus de col·lectors solars
Independentment de la finalitat, el sistema solar està equipat amb un col·lector solar tubular pla o esfèric. Cada opció té una sèrie de característiques distintives pel que fa a característiques tècniques i eficiència operativa.
Buit: per a climes freds i temperats
Estructuralment, un col·lector solar al buit s'assembla a un termo: els tubs estrets amb refrigerant es col·loquen en matrassos de més diàmetre. Entre els recipients es forma una capa de buit, responsable de l'aïllament tèrmic (la retenció de calor és de fins a un 95%). La forma tubular és la més òptima per mantenir el buit i "ocupar" els raigs solars.
El tub interior (calor) s'omple amb una solució salina amb un punt d'ebullició baix (24-25 ° C). Quan s'escalfa, el líquid s'evapora: el vapor puja a la part superior del matràs i escalfa el refrigerant que circula pel cos del col·lector.
Durant el procés de condensació, gotes d'aigua flueixen a la punta del tub i el procés es repeteix.
Gràcies a la presència d'una capa de buit, el líquid dins del matràs tèrmic és capaç de bullir i evaporar-se a temperatures de carrer sota zero (fins a -35 ° C).
Les característiques dels mòduls solars depenen dels criteris següents:
- disseny del tub: ploma, coaxial;
- dispositiu de canal tèrmic - "Tuba de calor", circulació de flux directe.
Matràs de plomes - un tub de vidre que conté un absorbidor de plaques i un canal de calor. La capa de buit travessa tota la longitud del canal tèrmic.
Tub coaxial – un matràs doble amb un “insert” de buit entre les parets de dos dipòsits. La transferència de calor es produeix des de la superfície interior del tub. La punta del termotub està equipada amb un indicador de buit.
El canal "Heat pipe" és l'opció més comuna per a la transferència de calor als col·lectors solars.
El mecanisme d'acció es basa en col·locar un líquid que s'evapora fàcilment en tubs metàl·lics segellats.
Canal de flux directe – a través del matràs de vidre passen tubs metàl·lics paral·lels connectats en un arc en forma de U
El refrigerant que flueix pel canal s'escalfa i es subministra al cos del col·lector.
Els tubs coaxials i de plomes es poden combinar amb canals de calor de diferents maneres.
Opció 1. Un matràs coaxial amb "tuba de calor" és la solució més popular. Al col·lector, es produeix una transferència de calor repetida des de les parets del tub de vidre al matràs interior i després al refrigerant. El grau d'eficiència òptica arriba al 65%.
Opció 2. Un matràs coaxial amb circulació directa es coneix com a col·lector en forma d'U. Gràcies al disseny, es redueix la pèrdua de calor: l'energia tèrmica de l'alumini es transfereix a tubs amb refrigerant circulant.
Juntament amb l'alta eficiència (fins al 75%), el model té desavantatges:
- complexitat de la instal·lació: els matrassos són integrals amb el cos del col·lector de dues canonades (mainfold) i estan instal·lats completament;
- s'exclou la substitució de tubs individuals.
A més, la unitat en forma d'U exigeix refrigerant i és més cara que els models "Heatpipe".
Opció 3. Tub de plomes amb el principi de funcionament "Heat pipe". Característiques distintives del col·leccionista:
- altes característiques òptiques - eficiència d'un 77%;
- l'absorbidor pla transfereix directament l'energia tèrmica al tub de refrigerant;
- a causa de l'ús d'una capa de vidre, es redueix la reflexió de la radiació solar;
És possible substituir un element danyat sense drenar el refrigerant del sistema solar.
Opció 4. Una bombeta de ploma de flux directe és l'eina més eficaç per utilitzar l'energia solar com a font d'energia alternativa per escalfar aigua o escalfar una llar. El col·lector d'alt rendiment funciona amb una eficiència del 80%. El desavantatge del sistema és la dificultat de reparació.
Independentment del disseny, els col·lectors tubulars tenen els següents avantatges:
- rendiment a baixes temperatures;
- baixes pèrdues de calor;
- durada de l'operació durant el dia;
- la capacitat d'escalfar el refrigerant a altes temperatures;
- vent baix;
- facilitat d'instal·lació.
El principal desavantatge dels models de buit és la incapacitat d'auto-netejar-se de la coberta de neu. La capa de buit no permet que la calor passi, de manera que la capa de neu no es fon i bloqueja l'accés del sol al camp col·lector. Desavantatges addicionals: preu elevat i necessitat de mantenir un angle de treball d'inclinació dels matràs d'almenys 20°.
Els dispositius solars col·lectors que escalfen el refrigerant d'aire es poden utilitzar en la preparació d'aigua calenta si estan equipats amb un dipòsit d'emmagatzematge:
Llegeix més sobre el principi de funcionament d'un col·lector solar al buit amb tubs Més lluny.
Vodyanoy: la millor opció per a latituds meridionals
Un col·lector solar pla (de panell) és una placa rectangular d'alumini coberta a la part superior amb una tapa de plàstic o vidre. Dins de la caixa hi ha un camp d'absorció, una bobina metàl·lica i una capa d'aïllament tèrmic. La zona del col·lector s'omple amb una canonada de flux per on es mou el refrigerant.
L'absorció de calor del recobriment absorbent altament selectiu arriba al 90%. Es col·loca una canonada metàl·lica que flueix entre l'"absorbidor" i l'aïllament tèrmic. S'utilitzen dos esquemes de col·locació de tubs: "arpa" i "meandre".
El procés de muntatge de col·lectors solars que escalfen el líquid refrigerant inclou una sèrie de passos tradicionals:
Si el circuit de calefacció es complementa amb una línia que subministra aigua sanitària al subministrament d'aigua calenta, té sentit connectar un acumulador de calor al col·lector solar. L'opció més senzilla seria un dipòsit d'un recipient adequat amb aïllament tèrmic que pugui mantenir la temperatura de l'aigua escalfada. Cal instal·lar-lo al pas superior:
Un col·lector tubular amb un refrigerant líquid actua com un efecte "hivernacle": els raigs del sol penetren a través del vidre i escalfen la canonada. Gràcies a l'estanquitat i a l'aïllament tèrmic, la calor es reté a l'interior del panell.
La força del mòdul solar està determinada en gran mesura pel material de la coberta protectora:
- vidre normal – el recobriment més barat i fràgil;
- vidre colat - alt grau de dispersió de la llum i augment de la força;
- vidre antireflectant – caracteritzat per la màxima capacitat d’absorció (95%) per la presència d’una capa que elimina la reflexió dels raigs solars;
- vidre autonetejador (polar). amb diòxid de titani: els contaminants orgànics es cremen al sol i els residus restants són arrossegats per la pluja.
El vidre de policarbonat és el més resistent als impactes. El material s'instal·la en models cars.
Característiques operatives i funcionals de les instal·lacions de panells solars:
- els sistemes de circulació forçada tenen una funció de descongelació que permet desfer-se ràpidament de la coberta de neu a l'heliocamp;
- El vidre prismàtic capta una àmplia gamma de raigs en diferents angles: a l'estiu, l'eficiència de la instal·lació arriba al 78-80%;
- el col·lector no té por del sobreescalfament: si hi ha un excés d'energia tèrmica, és possible un refredament forçat del refrigerant;
- augment de la resistència a l'impacte en comparació amb els homòlegs tubulars;
- Possibilitat d'instal·lació en qualsevol angle;
- política de preus assequibles.
Els sistemes no estan exempts de deficiències. Durant els períodes de deficiència de radiació solar, a mesura que augmenta la diferència de temperatura, l'eficiència d'un col·lector solar de placa plana disminueix significativament a causa d'un aïllament tèrmic insuficient. Per tant, el mòdul del panell es justifica a l'estiu o en regions amb un clima càlid.
Sistemes solars: característiques de disseny i funcionament
La varietat de sistemes solars es pot classificar segons els paràmetres següents: mètode d'ús de la radiació solar, mètode de circulació del refrigerant, nombre de circuits i estacionalitat de funcionament.
Complex actiu i passiu
Qualsevol sistema de conversió d'energia solar té un receptor solar. Segons el mètode d'utilització de la calor rebuda, es distingeixen dos tipus de complexos solars: passius i actius.
El primer tipus és un sistema de calefacció solar, on els elements estructurals de l'edifici actuen com a element d'absorció de calor de la radiació solar. El sostre, la paret col·lectora o les finestres actuen com a superfície receptora solar.
Als països europeus, les tecnologies passives s'utilitzen en la construcció d'edificis eficients energèticament. Les superfícies receptores solars estan decorades com a finestres falses. Darrere de la coberta de vidre hi ha un mur de maó ennegrit amb obertures lleugeres.
Els elements de l'estructura -parets i sostres, aïllats amb poliestirè des de l'exterior- actuen com a acumuladors de calor.
Els sistemes actius impliquen l'ús de dispositius independents no relacionats amb l'estructura.
Sistemes de termosifó i circulació
Els equips solars tèrmics amb moviment natural del refrigerant al llarg del circuit col·lector-acumulador-col·lector es duen a terme a causa de la convecció: el líquid calent amb baixa densitat puja, el líquid refredat baixa.
En els sistemes de termosifó, el dipòsit d'emmagatzematge es troba per sobre del col·lector, assegurant la circulació espontània del refrigerant.
Un sistema solar sense pressió té una àmplia gamma d'inconvenients:
- els dies ennuvolats, el rendiment del complex cau; cal una gran diferència de temperatura perquè el refrigerant es mogui;
- pèrdues de calor a causa del moviment lent del líquid;
- el risc de sobreescalfament del dipòsit a causa de la incontrolabilitat del procés de calefacció;
- inestabilitat del col·lector;
- dificultat per col·locar el dipòsit d'emmagatzematge: quan s'instal·la al sostre, la pèrdua de calor augmenta, els processos de corrosió s'acceleren i hi ha el risc que les canonades es congelin.
Els avantatges del sistema "gravetat": simplicitat de disseny i assequibilitat.
Els costos de capital d'instal·lar un sistema solar de circulació (forçat) són significativament més elevats que la d'instal·lar un complex de flux lliure. Una bomba "talla" el circuit, assegurant el moviment del refrigerant. El funcionament de l'estació de bombeig està controlat per un controlador.
Aquest mètode de circulació s'utilitza en instal·lacions solars tèrmiques de doble circuit durant tot l'any.
Avantatges d'un complex totalment funcional:
- elecció il·limitada de la ubicació del dipòsit d'emmagatzematge;
- rendiment fora de temporada;
- selecció del mode de calefacció òptim;
- seguretat: bloqueig del funcionament en cas de sobreescalfament.
El desavantatge del sistema és la seva dependència de l'electricitat.
Solució tècnica de circuits: circuit simple i doble
En les instal·lacions d'un sol circuit circula el líquid, que posteriorment s'alimenta als punts de captació d'aigua. A l'hivern, cal drenar l'aigua del sistema per evitar la congelació i l'esquerda de les canonades.
Característiques dels complexos solars tèrmics d'un sol circuit:
- es recomana "omplir" el sistema amb aigua purificada i suau: la deposició de sals a les parets de les canonades provoca l'obstrucció dels canals i l'avaria del col·lector;
- corrosió a causa de l'excés d'aire a l'aigua;
- vida útil limitada: entre quatre i cinc anys;
- alta eficiència a l'estiu.
En els complexos solars de doble circuit, circula un refrigerant especial (líquid no congelant amb additius antiescuma i anticorrosió), que transfereix calor a l'aigua a través d'un intercanviador de calor.
Els matisos del funcionament d'un mòdul de doble circuit: una lleugera disminució de l'eficiència (3-5% menys que en un sistema d'un sol circuit), la necessitat de substituir completament el refrigerant cada 7 anys.
Condicions de treball i millora de l'eficiència
És millor confiar el càlcul i la instal·lació d'un sistema solar a professionals. El compliment de la tècnica d'instal·lació garantirà l'operativitat i l'assoliment del rendiment declarat. Per millorar l'eficiència i la vida útil, cal tenir en compte alguns matisos.
Vàlvula termostàtica. En sistemes de calefacció tradicionals element termostàtic poques vegades instal·lat, ja que el generador de calor s'encarrega de regular la temperatura. Tanmateix, en instal·lar un sistema solar, no s'ha d'oblidar de la vàlvula de seguretat.
La col·locació òptima de la vàlvula és a 60 cm de l'escalfador. Quan es col·loca a prop, el "termòstat" s'escalfa i bloqueja el subministrament d'aigua calenta.
Col·locació del dipòsit d'emmagatzematge. El dipòsit d'amortiment d'ACS s'ha d'instal·lar en un lloc accessible. Quan es col·loca en una habitació compacta, es presta especial atenció a l'alçada dels sostres.
Instal·lació tanc d'expansió. L'element compensa l'expansió tèrmica durant els períodes d'estancament. La instal·lació del dipòsit per sobre de l'equip de bombeig provocarà un sobreescalfament de la membrana i el seu desgast prematur.
Connexió del circuit solar. En connectar canonades, es recomana organitzar un bucle. El bucle tèrmic redueix la pèrdua de calor evitant l'alliberament de líquid escalfat.
Vàlvula de retenció. Evita el "bolco" de la circulació del refrigerant. Amb manca d'activitat solar vàlvula de retenció evita que la calor acumulada durant el dia es dissipi.
Models populars de mòduls solars
Es demanen sistemes solars d'empreses nacionals i estrangeres. Els productes dels fabricants han guanyat una bona reputació: NPO Mashinostroeniya (Rússia), Gelion (Rússia), Ariston (Itàlia), Alten (Ucraïna), Viessman (Alemanya), Amcor (Israel), etc.
Sistema solar "Falcon". Col·lector solar pla equipat amb un recobriment òptic multicapa amb polverització de magnetró. La capacitat d'emissió mínima i l'alt nivell d'absorció proporcionen una eficiència de fins al 80%.
Característiques de rendiment:
- temperatura de funcionament - fins a -21 ° C;
- radiació de calor inversa - 3-5%;
- capa superior: vidre temperat (4 mm).
Col·leccionista SVK-A (Alten). Instal·lació solar al buit amb una àrea d'absorció de 0,8-2,41 m² (segons model). El refrigerant és propilenglicol, l'aïllament tèrmic d'un intercanviador de calor de coure de 75 mm minimitza la pèrdua de calor.
Opcions addicionals:
- cos - alumini anoditzat;
- diàmetre de l'intercanviador de calor - 38 mm;
- aïllament: llana mineral amb tractament antihigroscòpic;
- recobriment - vidre de borosilicat 3,3 mm;
- Eficiència - 98%.
Vitosol 100-F és un col·lector solar pla per a instal·lació horitzontal o vertical. Absorbidor de coure amb bobina tubular en forma d'arpa i recobriment d'heliotitani. Transmissió de llum - 81%.
Conclusions i vídeo útil sobre el tema
El principi de funcionament dels col·lectors solars i els seus tipus:
Avaluació del rendiment d'un col·lector de placa plana a temperatures sota zero:
Tecnologia d'instal·lació d'un panell col·lector solar utilitzant l'exemple del model Buderus:
L'energia solar és una font renovable de calor. Tenint en compte l'augment dels preus dels recursos energètics tradicionals, la implantació de sistemes solars justifica les inversions de capital i rendibil en els propers cinc anys si es segueixen les tècniques d'instal·lació.
Si teniu informació valuosa que voleu compartir amb els visitants del nostre lloc, deixeu els vostres comentaris al quadre de sota de l'article. Allà podeu fer preguntes sobre el tema de l'article o compartir la vostra experiència d'ús de col·lectors solars.
Utilitzar l'energia solar per il·luminar i escalfar la meva llar és el meu somni. Estalviaré una mica de diners i ho faré. Un amic meu va instal·lar panells solars al seu sostre. Tot el procés de reforma va costar 25.000 dòlars. Ara tenen prou electricitat per a la seva família i venen l'excés a l'Estat. Van calcular que els costos es recuperarien en 6 anys i després cobrarien ingressos. Inversió prometedora.
El teu amic és fals: una persona privada no pot vendre electricitat a l'estat. I l'equip no dura per sempre. Haurà de ser reparat i reparat.
Hem d'esperar 20 anys més, potser llavors serà més accessible. Però no al nostre país...
Es trencaran moltes més còpies al voltant d'aquest tema. He llegit repetidament estudis amb escepticisme sobre la recuperació d'aquests projectes. Pel que sembla, tot es redueix a la connexió regional de la casa. Fins i tot amb un consum d'electricitat de 1.000 kW al mes a 3 rubles, d'alguna manera 25.000 dòlars en 5 anys no funcionen).
Però pel que fa a la calefacció, al meu entendre és interessant.La pregunta només sorgeix: el col·lector solar podrà assumir completament la calefacció i l'aigua calenta a les latituds mitjanes? Aleshores, la qüestió de la recuperació esdevé secundària.
Hola. També em faig aquesta pregunta activament, i el problema aquí no es troba a les latituds mitjanes, sinó a la durada de les hores de llum. Les bateries i els col·lectors funcionen amb la llum solar, no amb la calor del sol. Durada del cicle de llum a l'hivern, a la nit, a l'estació ennuvolada (i de vegades aquest temps dura setmanes).
La versió dels fabricants d'un període d'amortització de 10 anys s'està tornant dubtosa, tenint en compte la durada mitjana de la bateria de 25 anys i les bateries recarregables de 12 anys. I la versió calculada recentment sobre una recuperació de 45 anys, que ja no sembla tan adequada, sembla cada cop més certa.
Com calcular la devolució de la regió de Krasnodar? Estem bé amb el nombre de dies assolellats. Serà difícil instal·lar els panells tu mateix?
Hola, Boris. Al territori de Krasnodar, l'energia alternativa està força ben desenvolupada, especialment les centrals solars connectades a la xarxa (SPP).
Pel que fa a la recuperació, cal fer alguns càlculs. Per aclarir-ho, posaré un exemple de projecte acabat per a la ciutat de Sotxi, una central solar amb una potència de 10 kW. Tenim en compte immediatament la tarifa elèctrica local de 7,9 rubles/kWh.
El cost de la planta d'energia solar en si és de 590 mil rubles, a més de les fixacions de fusta i sostres, consumibles i treballs d'instal·lació costaran 110 mil rubles. La quantitat total és de 700 mil rubles.
Adjunto un gràfic de la generació elèctrica total anual d'una central solar de 10 kW a l'any, que és de 15900 kWh.El gràfic d'estalvi mitjà mensual mostra que SES pot estalviar una quantitat de 125 mil rubles. a l'any.
És fàcil calcular que a Sotxi una estació d'aquest tipus es trencarà en 5 anys.
Us aconsello que confieu la instal·lació a un equip d'una organització especialitzada en instal·lació tèrmica per tal de rebre una garantia oficial.