Ogrzewanie słoneczne prywatnego domu: opcje i schematy projektowe

Wykorzystanie „zielonej” energii dostarczanej przez naturalne elementy może znacznie obniżyć koszty mediów.Na przykład, organizując ogrzewanie domu prywatnego za pomocą energii słonecznej, zaopatrujesz niskotemperaturowe grzejniki i systemy ogrzewania podłogowego w praktycznie darmowy płyn chłodzący. Zgadzam się, to już oszczędność pieniędzy.

Wszystkiego o „zielonych technologiach” dowiesz się z proponowanego przez nas artykułu. Z naszą pomocą łatwo zrozumiecie Państwo rodzaje instalacji fotowoltaicznych, sposoby ich budowy oraz specyfikę działania. Prawdopodobnie zainteresuje Cię jedna z popularnych opcji, które aktywnie działają na świecie, ale nie cieszą się tu jeszcze dużym zainteresowaniem.

W przedstawionym przeglądzie przeanalizowano cechy konstrukcyjne systemów i szczegółowo opisano schematy połączeń. Podano przykład obliczenia słonecznego obwodu grzewczego, aby ocenić realia jego budowy. Aby pomóc niezależnym rzemieślnikom, uwzględniono kolekcje zdjęć i filmy.

„Zielone” technologie ciepłownicze

Średnio 1 m² Powierzchnia Ziemi otrzymuje 161 watów energii słonecznej na godzinę. Oczywiście na równiku liczba ta będzie wielokrotnie wyższa niż w Arktyce. Ponadto gęstość promieniowania słonecznego zależy od pory roku.

W regionie moskiewskim intensywność promieniowania słonecznego w okresie grudzień-styczeń różni się od maja-lipca ponad pięciokrotnie. Nowoczesne systemy są jednak na tyle wydajne, że mogą pracować niemal w każdym miejscu na Ziemi.

Nowoczesne systemy fotowoltaiczne mogą skutecznie działać przy pochmurnej i zimnej pogodzie do -30°C

Zadanie użytkowania energia promieniowania słonecznego przy maksymalnej wydajności rozwiązuje się na dwa sposoby: bezpośrednie ogrzewanie w kolektorach termicznych i bateriach fotowoltaicznych. Panele słoneczne najpierw przekształcają energię promieni słonecznych w energię elektryczną, a następnie przesyłają ją poprzez specjalny system do odbiorców, na przykład bojlera elektrycznego.

Kolektory termiczne po podgrzaniu promieniami słonecznymi podgrzewają płyn chłodzący w systemach grzewczych i ciepłej wody.

Kolektory termiczne występują w kilku typach, obejmujących systemy otwarte i zamknięte, konstrukcje płaskie i kuliste, kolektory z półkulistym koncentratorem i wiele innych opcji. Energia cieplna uzyskana z kolektorów słonecznych wykorzystywana jest do podgrzewania ciepłej wody użytkowej lub płynu grzewczego.

Przemysł produkuje szeroką gamę systemów kolektorów do włączenia w niezależną sieć ciepłowniczą. Jednak najprostszą opcję letniej rezydencji można łatwo zrobić własnymi rękami:

Chociaż nastąpił wyraźny postęp w opracowywaniu rozwiązań w zakresie pozyskiwania, magazynowania i wykorzystania energii słonecznej, istnieją zalety i wady.

Efektywne wykorzystanie energii słonecznej

Najbardziej oczywistą zaletą wykorzystania energii słonecznej jest jej powszechna dostępność. Tak naprawdę nawet przy najbardziej ponurej i pochmurnej pogodzie można gromadzić i wykorzystywać energię słoneczną.

Drugą zaletą jest zerowa emisja. W rzeczywistości jest to najbardziej przyjazna dla środowiska i naturalna forma energii. Panele słoneczne a kolektory nie wytwarzają hałasu. W większości przypadków instaluje się je na dachach budynków, nie zajmując powierzchni użytkowej obszaru podmiejskiego.

Efektywność ogrzewania energią słoneczną na naszych szerokościach geograficznych jest dość niska, co tłumaczy się niewystarczającą liczbą dni słonecznych do normalnej pracy systemu (+)

Wadami związanymi z wykorzystaniem energii słonecznej jest zmienność oświetlenia. W nocy nie ma co zbierać, sytuację pogarsza fakt, że szczyt sezonu grzewczego przypada na najkrótszą porę dnia w roku. Konieczne jest monitorowanie czystości optycznej paneli, niewielkie zabrudzenia znacznie zmniejszają wydajność.

Ponadto nie można powiedzieć, że eksploatacja instalacji fotowoltaicznej jest całkowicie bezpłatna, istnieją stałe koszty amortyzacji sprzętu, eksploatacji pompy obiegowej i elektroniki sterującej.

Istotną wadą ogrzewania opartego na wykorzystaniu kolektorów słonecznych jest brak możliwości akumulacji energii cieplnej. W obwodzie uwzględnione jest tylko naczynie wyrównawcze (+).

Otwarte kolektory słoneczne

Otwarty kolektor słoneczny to układ niezabezpieczonych przed wpływami zewnętrznymi rur, przez które przepływa czynnik chłodzący nagrzany bezpośrednio przez słońce.

Jako chłodziwa stosuje się wodę, gaz, powietrze i płyn niezamarzający. Rury są albo przymocowane do panelu nośnego w formie cewki, albo połączone w równoległych rzędach z rurą wylotową.

Otwarte kolektory słoneczne nie są w stanie poradzić sobie z ogrzewaniem prywatnego domu. Z powodu braku izolacji płyn chłodzący szybko się ochładza. Wykorzystuje się je latem głównie do podgrzewania wody w prysznicach lub basenach.

Otwarte kolektory zwykle nie mają izolacji. Konstrukcja jest bardzo prosta, dlatego ma niski koszt i często jest wykonywana niezależnie.

Ze względu na brak izolacji praktycznie nie magazynują energii otrzymanej ze słońca i charakteryzują się niską wydajnością. Stosowane są głównie latem do podgrzewania wody w basenach lub letnich prysznicach.

Instalowany w regionach nasłonecznionych i ciepłych, z niewielkimi różnicami temperatury otaczającego powietrza i podgrzewanej wody. Dobrze sprawdzają się tylko przy słonecznej, bezwietrznej pogodzie.

Najprostszy kolektor słoneczny z radiatorem wykonanym z cewki rur polimerowych zapewni dopływ podgrzanej wody do daczy do nawadniania i potrzeb domowych

Odmiany kolektorów rurowych

Rurowe kolektory słoneczne składają się z pojedynczych rur, przez które przepływa woda, gaz lub para. Jest to jeden z typów otwartych układów słonecznych. Jednak płyn chłodzący jest już znacznie lepiej chroniony przed negatywnością zewnętrzną. Zwłaszcza w instalacjach próżniowych, zaprojektowanych na zasadzie termosów.

Każda rura jest podłączona do systemu osobno, równolegle do siebie. Jeśli jedna rurka ulegnie uszkodzeniu, łatwo ją wymienić na nową. Całą konstrukcję można zamontować bezpośrednio na dachu budynku, co znacznie ułatwia montaż.

Kolektor rurowy ma budowę modułową. Głównym elementem jest rura próżniowa, liczba lamp waha się od 18 do 30, co pozwala dokładnie dobrać moc układu

Istotną zaletą rurowych kolektorów słonecznych jest cylindryczny kształt głównych elementów, dzięki czemu promieniowanie słoneczne jest wychwytywane przez cały dzień bez konieczności stosowania kosztownych systemów śledzenia ruchu oprawy.

Specjalna wielowarstwowa powłoka tworzy rodzaj pułapki optycznej na światło słoneczne. Schemat częściowo przedstawia zewnętrzną ściankę kolby próżniowej odbijającą promienie na ścianki kolby wewnętrznej (+)

Ze względu na konstrukcję rur rozróżnia się kolektory słoneczne piórowe i współosiowe.

Rura współosiowa to naczynie Diaur lub znany termos. Wykonane z dwóch kolb, pomiędzy którymi usuwane jest powietrze. Na wewnętrzną powierzchnię żarówki wewnętrznej nałożono wysoce selektywną powłokę, skutecznie pochłaniającą energię słoneczną.

W przypadku cylindrycznej rurki promienie słoneczne padają zawsze prostopadle do powierzchni

Energia cieplna z wewnętrznej warstwy selektywnej przekazywana jest do rurki cieplnej lub wewnętrznego wymiennika ciepła wykonanego z płyt aluminiowych. Na tym etapie następuje niepożądana utrata ciepła.

Rurka z piór to szklany cylinder z umieszczonym w środku pochłaniaczem piór.

System wziął swoją nazwę od absorbera z pierza, który szczelnie owija się wokół kanału termicznego wykonanego z metalu przewodzącego ciepło.

Aby zapewnić dobrą izolację termiczną, z rury usunięto powietrze. Przekazywanie ciepła z absorbera odbywa się bez strat, dzięki czemu wydajność rur piórowych jest wyższa.

Zgodnie z metodą wymiany ciepła istnieją dwa systemy: z przepływem bezpośrednim i rurką cieplną. Rurka termiczna to szczelny pojemnik z łatwo odparowującą cieczą.

Ponieważ łatwo parująca ciecz naturalnie spływa na dno rury grzewczej, minimalny kąt nachylenia wynosi 20° C

Wewnątrz rurki grzewczej znajduje się łatwo odparowująca ciecz, która odbiera ciepło z wewnętrznej ścianki kolby lub z absorbera piórkowego. Pod wpływem temperatury ciecz wrze i unosi się w postaci pary. Po przekazaniu ciepła do chłodziwa grzewczego lub gorącej wody, para skrapla się w ciecz i spływa.

Często stosuje się wodę jako łatwo parującą ciecz pod niskim ciśnieniem. System jednoprzejściowy wykorzystuje rurkę w kształcie litery U, przez którą krąży woda lub płyn grzewczy.

Jedna połowa rurki w kształcie litery U jest przeznaczona do zimnego płynu chłodzącego, druga usuwa nagrzaną. Po podgrzaniu płyn chłodzący rozszerza się i dostaje się do zbiornika, zapewniając naturalną cyrkulację. Podobnie jak w przypadku systemów rurek grzewczych, minimalny kąt nachylenia musi wynosić co najmniej 20⁰.

W przypadku podłączenia bezpośredniego ciśnienie w układzie nie może być wysokie, ponieważ wewnątrz kolby panuje próżnia techniczna

Systemy z przepływem bezpośrednim są bardziej wydajne, ponieważ natychmiast podgrzewają płyn chłodzący. Jeśli planuje się użytkowanie systemów kolektorów słonecznych przez cały rok, wówczas pompuje się do nich specjalny środek przeciw zamarzaniu.

Zastosowanie rurowych kolektorów słonecznych ma szereg zalet i wad. Konstrukcja rurowego kolektora słonecznego składa się z identycznych elementów, które są stosunkowo łatwe w wymianie.

Zalety:

• niskie straty ciepła;
• zdolność do pracy w temperaturach do -30⁰С;
• wydajna wydajność w ciągu dnia;
• dobra wydajność na obszarach o klimacie umiarkowanym i zimnym;
• niski nawiew, uzasadniony zdolnością systemów rurowych do przepuszczania przez siebie mas powietrza;
• możliwość produkcji chłodziwa o wysokiej temperaturze.

Strukturalnie struktura rurowa ma ograniczoną powierzchnię otworu.

Ma następujące wady:

• nie jest zdolny do samooczyszczania się ze śniegu, lodu, mrozu;
• wysoka cena.

Pomimo początkowego wysokiego kosztu, kolektory rurowe zwracają się szybciej. Mają długą żywotność.

Kolektory rurowe są systemami solarnymi typu otwartego i dlatego nie nadają się do całorocznego stosowania w instalacjach grzewczych (+)

Płaskie systemy zamknięte

Kolektor płaski składa się z aluminiowej ramy, specjalnej warstwy chłonnej - absorbera, przezroczystej powłoki, rurociągu i izolacji.

Jako absorber zastosowano poczerniałą blachę miedzianą, która posiada idealną przewodność cieplną do tworzenia systemów fotowoltaicznych.Kiedy energia słoneczna jest absorbowana przez absorber, otrzymana energia słoneczna jest przekazywana do czynnika chłodzącego krążącego przez system rur sąsiadujących z absorberem.

Z zewnątrz zamknięty panel chroniony jest przezroczystą powłoką. Wykonany jest z odpornego na wstrząsy szkła hartowanego z pasmem transmisji 0,4-1,8 mikrona. Zakres ten uwzględnia maksymalne promieniowanie słoneczne. Szkło odporne na wstrząsy zapewnia dobrą ochronę przed gradem. Z tyłu cały panel jest niezawodnie izolowany.

Płaskie kolektory słoneczne charakteryzują się maksymalną wydajnością i prostą konstrukcją. Ich skuteczność zwiększa się dzięki zastosowaniu absorbera. Są w stanie wychwytywać rozproszone i bezpośrednie promieniowanie słoneczne

Lista zalet zamkniętych paneli płaskich obejmuje:

• prostota projektu;
• dobre wyniki w regionach o ciepłym klimacie;
• możliwość montażu pod dowolnym kątem z urządzeniami do zmiany kąta nachylenia;
• zdolność do samooczyszczania się ze śniegu i mrozu;
• niska cena.

Płaskie kolektory słoneczne są szczególnie korzystne, jeśli ich zastosowanie jest zaplanowane już na etapie projektowania. Żywotność produktów wysokiej jakości wynosi 50 lat.

Wady obejmują:

• wysokie straty ciepła;
• duża waga;
• duży wiatr przy ustawieniu paneli pod kątem do poziomu;
• ograniczenia wydajności, gdy zmiany temperatury przekraczają 40°C.

Zakres zastosowania kolektorów zamkniętych jest znacznie szerszy niż systemów fotowoltaicznych typu otwartego. Latem są w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę. W chłodne dni, gdy media nie uwzględniają ich w okresie grzewczym, mogą pracować zamiast grzejników gazowych i elektrycznych.

Dla tych, którzy chcą zrobić kolektor słoneczny Aby zbudować system grzewczy w swojej daczy własnymi rękami, sugerujemy zapoznanie się ze sprawdzonymi w praktyce schematami i instrukcjami montażu krok po kroku.

Porównanie charakterystyk kolektorów słonecznych

Najważniejszym wskaźnikiem kolektora słonecznego jest jego wydajność. Wydajność użyteczna kolektorów słonecznych różnych konstrukcji zależy od różnicy temperatur. Jednocześnie kolektory płaskie są znacznie tańsze od rurowych.

Wartości sprawności zależą od jakości wykonania kolektora słonecznego. Celem wykresu jest pokazanie efektywności wykorzystania różnych systemów w zależności od różnicy temperatur

Wybierając kolektor słoneczny należy zwrócić uwagę na szereg parametrów obrazujących wydajność i moc urządzenia.

Kolektory słoneczne mają kilka ważnych cech:

• współczynnik adsorpcji - pokazuje stosunek energii pochłoniętej do całkowitej;
• współczynnik emisji - pokazuje stosunek energii przesłanej do energii pobranej;
• powierzchnia całkowita i apertura;
• Efektywność

Obszar apertury to obszar roboczy kolektora słonecznego. Kolektor płaski ma maksymalną powierzchnię otworu. Powierzchnia apertury jest równa powierzchni absorbera.

Sposoby podłączenia do systemu grzewczego

Ponieważ urządzenia zasilane energią słoneczną nie są w stanie zapewnić stabilnych, całodobowych dostaw energii, potrzebny jest system odporny na te niedociągnięcia.

W centralnej Rosji urządzenia słoneczne nie mogą zagwarantować stabilnego przepływu energii, dlatego są wykorzystywane jako system dodatkowy. Integracja z istniejącym systemem grzewczym i ciepłej wody użytkowej przebiega inaczej w przypadku kolektora słonecznego i baterii słonecznej.

Schemat z kolektorem wody

W zależności od przeznaczenia kolektora ciepła stosuje się różne systemy połączeń. Może być kilka opcji:

1. Letnia opcja zaopatrzenia w ciepłą wodę
2. Zimowa opcja ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę

Opcja letnia jest najprostsza i można ją obejść nawet bez pompa obiegowawykorzystując naturalny obieg wody.

Woda jest podgrzewana w kolektorze słonecznym i na skutek rozszerzalności cieplnej przedostaje się do zasobnika lub kotła. W takim przypadku zachodzi naturalna cyrkulacja: ze zbiornika zamiast ciepłej zasysana jest zimna woda.

Zimą, przy ujemnych temperaturach, bezpośrednie podgrzewanie wody nie jest możliwe. Specjalny środek przeciw zamarzaniu krąży w obiegu zamkniętym, zapewniając transfer ciepła z kolektora do wymiennika ciepła w zbiorniku

Jak każdy system oparty na naturalnym obiegu, nie działa zbyt wydajnie, wymagając przestrzegania niezbędnych spadków. Dodatkowo zbiornik akumulacyjny musi być wyższy od kolektora słonecznego. Aby woda jak najdłużej pozostawała gorąca, zbiornik musi być dokładnie zaizolowany.

Jeśli rzeczywiście zależy nam na jak najefektywniejszej pracy kolektora słonecznego, schemat połączeń będzie bardziej skomplikowany.

Aby kolektor nie zamienił się w nocy w chłodnicę chłodzącą, należy na siłę zatrzymać obieg wody

Przez układ kolektorów słonecznych przepływa niezamarzający płyn chłodzący. Obieg wymuszony zapewnia pompa sterowana sterownikiem.

Sterownik steruje pracą pompy obiegowej na podstawie odczytów z co najmniej dwóch czujników temperatury. Pierwszy czujnik mierzy temperaturę w zasobniku, drugi na rurze doprowadzającej gorący płyn chłodzący kolektora słonecznego.

Gdy tylko temperatura w zbiorniku przekroczy temperaturę płynu chłodzącego, sterownik w kolektorze wyłącza pompę obiegową, zatrzymując obieg płynu chłodzącego w układzie. Z kolei gdy temperatura w zasobniku spadnie poniżej zadanej wartości, załączy się kocioł grzewczy.

Nowym słowem i skuteczną alternatywą dla kolektorów słonecznych z chłodziwem stały się systemy z rury próżniowe, z zasadą działania i budową, z którą proponujemy zapoznać się.

Schemat z baterią słoneczną

Kuszące byłoby zastosowanie podobnego schemat podłączenia baterii słonecznej do sieci elektroenergetycznej, tak jak ma to miejsce w przypadku kolektora słonecznego, akumulującego energię otrzymaną w ciągu dnia. Niestety, w przypadku systemu zasilania prywatnego domu, stworzenie pakietu akumulatorów o wystarczającej pojemności jest bardzo kosztowne. Dlatego schemat połączeń wygląda następująco.

W przypadku spadku mocy prądu elektrycznego z baterii słonecznej, zespół ATS (automatyczne załączenie rezerwy) zapewnia przyłączenie odbiorców do ogólnej sieci energetycznej

Z paneli słonecznych ładunek jest dostarczany do kontrolera ładowania, który spełnia kilka funkcji: zapewnia stałe ładowanie akumulatorów i stabilizuje napięcie. Następnie prąd elektryczny doprowadzany jest do falownika, gdzie prąd stały 12V lub 24V zamieniany jest na jednofazowy prąd przemienny 220V.

Niestety, nasze sieci elektryczne nie nadają się do odbioru energii, mogą działać tylko w jednym kierunku, od źródła do konsumenta. Z tego powodu nie będzie można sprzedać wydobytego prądu, ani przynajmniej sprawić, by licznik kręcił się w przeciwnym kierunku.

Stosowanie paneli słonecznych ma tę zaletę, że dostarczają bardziej wszechstronnego rodzaju energii, ale jednocześnie nie mogą się równać pod względem wydajności z kolektorami słonecznymi. Te ostatnie nie mają jednak możliwości magazynowania energii, w przeciwieństwie do baterii fotowoltaicznych.

Znajdziesz wszystko na temat możliwości organizacji ogrzewania prywatnego domu za pomocą paneli słonecznych. W tym artykule.

Przykład obliczenia wymaganej mocy

Przy obliczaniu wymaganej mocy kolektora słonecznego często błędnie obliczenia opierają się na dopływie energii słonecznej w najzimniejszych miesiącach roku.

Faktem jest, że w pozostałych miesiącach roku cały system będzie się stale przegrzewał. Latem temperatura płynu chłodzącego na wylocie kolektora słonecznego może osiągnąć 200°C przy podgrzewaniu pary lub gazu, 120°C dla środka przeciw zamarzaniu, 150°C dla wody. Jeśli płyn chłodzący się zagotuje, częściowo odparuje. W efekcie konieczna będzie jego wymiana.

Producenci zalecają korzystanie z następujących liczb:

• zapewnienie zaopatrzenia w ciepłą wodę nie więcej niż 70%;
• świadczenie systemu grzewczego nie więcej niż 30%.

Pozostała część wymaganego ciepła musi być wytwarzana przez standardowe urządzenia grzewcze. Niemniej jednak przy takich wskaźnikach średnio rocznie oszczędza się około 40% na ogrzewaniu i zaopatrzeniu w ciepłą wodę.

Moc generowana przez jedną rurę systemu próżniowego zależy od położenia geograficznego. Wskaźnik spadku energii słonecznej na 1 m rocznie² powierzchni Ziemi nazywa się nasłonecznieniem.

Znając długość i średnicę rurki, możesz obliczyć aperturę - efektywną powierzchnię absorpcji. Pozostaje zastosować współczynniki absorpcji i emisji do obliczenia mocy jednej lampy rocznie.

Przykład obliczeń:

Standardowa długość rury wynosi 1800 mm, długość efektywna wynosi 1600 mm. Średnica 58mm. Przysłona to zacieniony obszar utworzony przez tubus. Zatem obszar prostokąta cienia będzie wynosić:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Sprawność rury środkowej wynosi 80%, nasłonecznienie dla Moskwy wynosi około 1170 kWh/m² W roku. Zatem jedna tuba będzie produkować rocznie:

Szer. = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Należy zaznaczyć, że jest to bardzo przybliżony szacunek. Ilość wytworzonej energii zależy od orientacji instalacji, kąta, średniej rocznej temperatury itp.

Ze wszystkimi rodzajami alternatywne źródła energii i sposoby ich wykorzystania znajdziesz w prezentowanym artykule.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Wideo nr 1. Demonstracja działania kolektora słonecznego w okresie zimowym:

Wideo nr 2. Porównanie różnych modeli kolektorów słonecznych:

Przez całe swoje istnienie ludzkość z roku na rok zużywa coraz więcej energii. Próby wykorzystania darmowego promieniowania słonecznego podejmowane są od dawna, jednak dopiero od niedawna możliwe stało się efektywne wykorzystanie słońca w naszych szerokościach geograficznych. Nie ma wątpliwości, że systemy fotowoltaiczne są przyszłością.

Czy chcesz zgłosić ciekawe funkcje w organizacji ogrzewania słonecznego dla wiejskiego domu lub domku? Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Tutaj możesz zadać pytanie, zostawić zdjęcie przedstawiające proces montażu systemu i podzielić się przydatnymi informacjami.