Solenergi som alternativ energikilde: typer og egenskaber ved solenergianlæg

I det seneste årti er solenergi som alternativ energikilde blevet brugt stadig oftere til opvarmning og forsyning af bygninger med varmt vand. Den primære årsag er ønsket om at erstatte traditionelt brændsel med tilgængelige, miljøvenlige og vedvarende energikilder.

Omformningen af solenergi til varme sker i solvarmesystemer – modulens konstruktion og funktionsprincip bestemmer dens anvendelse. I denne artikel ser vi på de forskellige typer solfangere og deres funktionsprincipper, samt beskriver populære modeller af solmoduler.

Hensigtsmæssigheden af at anvende et solvarmesystem

Solsystem – et anlæg til omdannelse af solstrålingsenergi til varme, som derefter overføres til en varmeveksler til opvarmning af varmebæreren i varme- eller vandforsyningssystemet.

Effektiviteten af en solvarmeanlæg afhænger af solindstrålingen – den mængde energi, der i løbet af en dagtime modtages på 1 m² af en overflade, der er placeret i en vinkel på 90° i forhold til solstrålernes retning. Måleenheden for indikatoren er kWh/m², og parameterens værdi varierer afhængigt af årstiden.

Det gennemsnitlige niveau af solindstråling for et område med tempereret fastlandsklima er 1000-1200 kWh/m² (pr. år). Solindstrålingen er den afgørende parameter for beregning af et solenergianlægs ydeevne.

Brug af en alternativ energikilde gør det muligt at opvarme huset og få varmt vand uden traditionelle energiomkostninger – udelukkende via solstråling.

Installation af et solvarmesystem er en dyr affære. For at kapitalomkostningerne betaler sig, kræves en præcis beregning af systemet og overholdelse af installationsteknologien.

Eksempel. Den gennemsnitlige solindstråling for Tula midt på sommeren er 4,67 kW/kvm*dag, forudsat at panelet er installeret i en vinkel på 50°. Ydelsen for en solfanger med et areal på 5 kvm beregnes som følger: 4,67*4=18,68 kW varmeenergi per dag. Denne mængde er nok til at opvarme 500 liter vand fra 17 °C til 45 °C.

Som praksis viser, kan ejere af et sommerhus i sommerperioden helt skifte fra elektrisk eller gasopvarmning af vand til solmetoden, når de bruger en solfangerinstallation.

Når man taler om hensigtsmæssigheden af at indføre nye teknologier, er det vigtigt at tage hensyn til de tekniske specifikationer for den pågældende solfanger. Nogle begynder at arbejde ved 80 W/kvm solenergi, mens andre har brug for 20 W/kvm.

Selv i et sydligt klima vil anvendelse af et kollektorsystem udelukkende til opvarmning ikke betale sig. Hvis installationen kun bruges om vinteren med solmangel, vil udgiften til udstyret ikke blive dækket selv efter 15-20 år.

For at udnytte solfangeranlægget mest effektivt, skal det indgå i varmtvandssystemet. Selv om vinteren vil solfangeren kunne reducere regningerne for energikilder til vandopvarmning med op til 40-50%.

Ifølge eksperter betaler et solvarmeanlæg sig tilbage på cirka 5 år ved almindelig husholdningsbrug. Ved stigende el- og gaspriser vil tilbagebetalingstiden blive kortere.

Ud over den økonomiske fordel har 'solopvarmning' yderligere fordele:

1. Miljøvenlighed. CO2-udslippet reduceres. På et år forhindrer 1 kvm solfanger 350-730 kg emission i atmosfæren.
2. Æstetik. Pladsen i et kompakt badeværelse eller køkken kan befri for klodsede varmtvandsbeholdere eller gasvandvarmere.
3. Holdbarhed. Producenterne forsikrer, at anlægget med korrekt installationsteknik vil holde i omkring 25-30 år. Mange virksomheder giver op til 3 års garanti.

Argumenter mod brug af solenergi: udtalt sæsonafhængighed, afhængighed af vejret og høje initialinvesteringer.

Generel opbygning og funktionsprincip

Lad os se på en variant af solsystemet med en kollektor som systemets primære arbejdselement. Aggregatet ligner en metalboks, hvis forside er lavet af hærdet glas. Inde i boksen er arbejdselementet placeret – en spiral med en absorber.

Varmeabsorberingsblokken opvarmer varmebæreren – den cirkulerende væske, og overfører den genererede varme til vandforsyningskredsløbet.

Solvarmesystemets hovedkomponenter: 1 – kollektorfelt, 2 – luftudlader, 3 – fordelingsstation, 4 – overtryksbeholder, 5 – regulator, 6 – vandvarmerbeholder, 7,8 – el-patron og varmeveksler, 9 – termostatisk blandingsventil, 10 – varmtvandsforbrug, 11 – koldtvandstilførsel, 12 – afløb, T1/T2 – temperaturfølere

Solvarmekollektoren arbejder altid i tandem med en akkumuleringstank. Da varmebæreren opvarmes til 90-130°C, må den ikke føres direkte til varmtvandshaner eller radiatorer. Varmebæreren ledes til varmeveksleren i vandvarmeren. Akkumuleringstanken er ofte suppleret med en elektrisk varmelegeme.

Funktionsskema:

1. Solen opvarmer overfladen af kollektoren.
2. Varmestrålingen overføres til det absorberende element (absorbatoren), som indeholder arbejdsvæsken.
3. Varmebæreren, der cirkulerer i spiralrørene, opvarmes.
4. Pumpeudstyr, styring og kontrolenhed sørger for at føre varmebæreren gennem rørledningen til spiralen i akkumuleringstanken.
5. Varme overføres til vandet i vandvarmeren.
6. Den afkølede varmebærer vender tilbage til kollektoren, og cyklussen gentages.

Det opvarmede vand fra vandvarmeren føres til varmekredsen eller til vandudtag.

Ved installation af et varmesystem eller året rundt varmtvandsforsyning, udstyres systemet med en ekstra varmekilde (kedel, elektrisk varmelegeme). Dette er en nødvendig betingelse for at opretholde den indstillede temperatur.

Solpaneler bruges oftest som reserveelektricitetskilde ved indretning af private huse:

Typer af solfangere

Uanset formålet er solvarmesystemet udstyret med en flad eller sfærisk rørformet solfanger. Hver variant har en række karakteristiske træk med hensyn til tekniske specifikationer og driftseffektivitet.

Vakuum – til koldt og tempereret klima

Konstruktionsmæssigt minder en vakuumsolfanger om en termokande – små rør med varmebærer er placeret i kolber med større diameter. Mellem beholderne dannes et vakuumlag, der sørger for varmeisolering (varmebevarelse op til 95%). Rørformen er mest optimal til at opretholde vakuum og 'indfange' solstråler.

Grundlæggende elementer i et rørformet solvarmeanlæg: bæreramme, varmevekslerhus, vakuumglasrør behandlet med en højselektiv belægning til intensiv 'absorption' af solenergi.

Det indre (termiske) rør er fyldt med en saltopløsning med lavt kogepunkt (24-25 °C). Ved opvarmning fordamper væsken – dampen stiger op i kolben og varmer varmebæreren, der cirkulerer i solfangerhuset.

Under kondensationen løber vanddråber ned i rørspidsen, og processen gentages.

Takket være vakuumlaget kan væsken inde i termokolben koge og fordampe selv ved minusgrader udendørs (ned til -35 °C).

Solfangermodulernes egenskaber afhænger af følgende kriterier:

• rørkonstruktion – fjer (plade), koaksial;
• varmekanalens opbygning – «Heat pipe», gennemstrømningscirkulation.

Pladekolbe – et glasrør, der indeholder en pladeabsorber og en varmekanal. Vakuumlaget løber gennem hele varmekanalens længde.

Koaksialrør – dobbelt kolbe med et vakuum 'indlæg' mellem væggene i to beholdere. Varmeoverførsel sker fra rørets indre overflade. Spidsen af termorøret er udstyret med en vakuumindikator.

Effektiviteten af pladerør (1) er højere sammenlignet med koaksiale modeller (2). Men førstnævnte er dyrere og sværere at installere. Desuden, ved en fejl, skal pladekolben udskiftes helt.

Kanalen 'Heat pipe' – den mest almindelige varmeoverførselsmetode i solfangere.

Virkemekanismen er baseret på anbringelse af en letfordampelig væske i hermetisk lukkede metalrør.

Populariteten af 'Heat pipe' skyldes den overkommelige pris, vedligeholdelsesvenlighed og reparationsvenlighed. På grund af kompleksiteten af varmevekslingsprocessen er det maksimale virkningsgradsniveau 65%.

Gennemstrømningskanal – gennem glaskolben løber parallelle, forbundne i en U-formet bue, metalrør

Varmebæreren strømmer gennem kanalen, opvarmes og føres til manifoldens hus.

Konstruktionsvarianter for vakuumsolfanger: 1 – variant med centralt varmerør 'Heat pipe', 2 – solfanger med gennemstrømningscirkulation af varmebærer

Koaksiale og fjederrør kan kombineres forskelligt med varmekanalerne.

Variant 1. Koaksialkolbe med 'Heat pipe' – den mest populære løsning. I solfangeren sker en gentagen varmeoverførsel fra glasrørets vægge til den indre kolbe og derefter til varmebæreren. Den optiske virkningsgrad når op på 65%.

Diagram over koaksialrøret 'Heat pipe': 1 – glasbeklædning, 2 – selektiv belægning, 3 – metalribber, 4 – vakuum, 5 – varmekolbe med letkogende stof, 6 – indre glasrør

Variant 2. Koaksialkolbe med gennemstrømningscirkulation er kendt som U-formet solfanger. Takket være konstruktionen reduceres varmetabet – varmeenergien fra aluminium overføres til rørene med cirkulerende varmebærer.

Udover høj virkningsgrad (op til 75%) har modellen ulemper:

• kompliceret installation – kolberne er en helhed med manifoldens to-rørshus og installeres som en enhed;
• udskiftning af enkelte rør er udelukket.

Desuden er den U-formede enhed krævende over for varmebæreren og dyrere end 'Heat pipe'-modeller.

Konstruktion af U-formet solfanger: 1 – glas 'cylinder', 2 – absorberende belægning, 3 – aluminium 'hylster', 4 – kolbe med varmebærer, 5 – vakuum, 6 – indre glasrør

Variant 3. Fjederrør med 'Heat pipe'-funktion. Karakteristiske træk ved solfangeren:

• høje optiske egenskaber – virkningsgrad omkring 77%;
• flad absorber overfører direkte varmeenergi til røret med varmebærer;
• ved brug af ét lag glas reduceres reflektion af solstråling;

Det er muligt at udskifte et beskadiget element uden at tappe varmebæreren fra solfangersystemet.

Variant 4. Fjederkolbe med gennemstrømningsfunktion – det mest effektive redskab til udnyttelse af solenergi som alternativ energikilde til opvarmning af vand eller boligopvarmning. Den højtydende solfanger arbejder med en virkningsgrad på 80%. Systemets ulempe er vanskelig reparation.

Diagrammer over opbygningen af finnede solfangere: 1 – solfangersystem med 'Heat pipe'-kanal, 2 – to-rørs solfangerkapsel med direkte strømning af varmebærer.

Uanset udførelse har rørsolfangere følgende fordele:

• funktion ved lav temperatur;
• lave varmetab;
• lang driftsvarighed i løbet af døgnet;
• evne til at opvarme varmebæreren til høje temperaturer;
• lav vindmodstand;
• enkel installation.

Den største ulempe ved vakuummodeller er manglende evne til selvrensning af snedække. Vakuumlaget slipper ikke varme ud, så sneen smelter ikke og blokerer solens adgang til solfangerfeltet. Yderligere ulemper: høj pris og krav om at overholde en arbejdsvinkel på mindst 20° for rørene.

Solfangerapparater, der opvarmer luft som varmebærer, kan bruges til produktion af varmt brugsvand, hvis de er udstyret med en lagertank:

Læs mere om princippet for en vakuumsolfanger med rør videre.

Vandbaseret – optimal løsning til sydlige breddegrader

Flad (panel) solfanger – en rektangulær aluminiumsplade, dækket på toppen med et plast- eller glasdæksel. Inde i kassen er der et absorptionsfelt, en metalspiral og et lag termisk isolering. Solfangerområdet er fyldt med en gennemstrømningsrørledning, hvorigennem varmebæreren bevæger sig.

Grundlæggende komponenter i en flad solfanger: hus, absorber, beskyttende belægning, termisk isoleringslag og fastgørelsesdele. Ved samlingen anvendes mat glas med en spektral transmissionsindikator på 0,4-1,8 μm.

Varmabsorptionen af den højselektive absorberende belægning når 90%. Den gennemstrømmende metalrørledning er placeret mellem 'absorberen' og termisk isolering. Der anvendes to rørlægningsskemaer: 'harpe' og 'meander'.

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

Hvis varmekredsen suppleres med en linje, der leverer varmt brugsvand til varmtvandsforsyningen, giver det mening at tilslutte en varmeakkumulator til solfangeren. Den enkleste løsning er en tank med passende kapacitet med varmeisolering, der kan opretholde temperaturen på det opvarmede vand. Den skal installeres på en forhøjning (estakade).

Rørformet kollektor med flydende varmebærer virker som en 'drivhuseffekt' – solstråler trænger gennem glasset og opvarmer røret. Takket være tæthed og varmeisolering holdes varmen inde i panelet.

Styrken af solmodulet bestemmes i høj grad af materialet i beskyttelsesdækslet:

• Almindeligt glas – den billigste og mest skrøbelige belægning;
• Hærdet glas – høj grad af lysspredning og øget styrke;
• Antirefleksglas – udmærker sig ved maksimal absorberingsevne (95%) på grund af et lag, der eliminerer refleksion af solstråler;
• Selvrensende (polært) glas med titandioxid – organiske forureninger brænder væk i solen, og rester af snavs skylles væk af regnen.

Polycarbonatglas tåler stød bedst. Materialet anvendes i dyre modeller.

Refleksion af solstråler og absorberingsevne: 1 – antirefleksbelægning, 2 – hærdet slagfast glas. Optimal tykkelse af den beskyttende ydre skal er 4 mm

Drifts- og funktionsegenskaber for panel solvarmeanlæg:

• i systemer med tvungen cirkulation er der en afrimningsfunktion, der hurtigt fjerner snedække på solfeltet;
• prismatisk glas opfanger en bred vifte af stråler i forskellige vinkler – om sommeren når anlæggets virkningsgrad 78-80%;
• solvarmefangeren er ikke bange for overophedning – ved overskud af termisk energi er tvungen køling af varmebæreren mulig;
• øget slagfasthed sammenlignet med rørformede modstykker;
• mulighed for montering i enhver vinkel;
• tilgængelig prispolitik.

Systemerne har ikke mangler. I perioder med lav solstråling, efterhånden som temperaturforskellen øges, falder virkningsgraden af en flad solfanger markant på grund af utilstrækkelig varmeisolering. Derfor er panelmodulet kun fordelagtigt om sommeren eller i regioner med varmt klima.

Solvarmesystemer: særlige træk ved konstruktion og drift

Mangfoldigheden af solvarmesystemer kan klassificeres efter følgende parametre: metode til brug af solstråling, cirkulationsmåde for varmebærer, antal kredsløb og sæsonbestemt drift.

Aktivt og passivt system

I ethvert solenergikonverteringssystem er der en solmodtager. Ud fra metoden til brug af den opnåede varme skelnes der mellem to typer solkomplekser: passive og aktive.

Den første variant – et solvarmesystem, hvor bygningens konstruktionselementer fungerer som varmeabsorberende elementer for solstråling. Taget, væg-kollektor eller vinduer fungerer som solmodtagerflade.

Diagram af et lavtemperatur passivt solsystem med en væg-kollektor: 1 – solstråler, 2 – halvgennemsigtig skærm, 3 – luftbarriere, 4 – opvarmet luft, 5 – udtjent luftstrøm, 6 – termisk stråling fra væggen, 7 – varmeabsorberende overflade af væg-kollektoren, 8 – dekorative persienner

I europæiske lande anvendes passive teknologier ved opførelse af energieffektive bygninger. Solmodtagende overflader dekoreres som falske vinduer. Bag glasbeklædningen placeres en muret, sortmalet væg med lysåbninger.

Som varmeakkumulatorer fungerer bygningselementer – vægge og etagedæk, isoleret med polystyren udefra.

Aktive systemer indebærer brug af uafhængige enheder, der ikke er en del af bygningen.

I denne kategori indgår de tidligere nævnte komplekser med rørformede, flade kollektorer – solvarmeinstallationer placeres normalt på bygningens tag.

Termosifon- og cirkulationssystemer

Solvarmeudstyr med naturlig bevægelse af varmebæreren i kredsløbet kollektor-akkumulator-kollektor sker ved konvektion – varm væske med lav densitet stiger op, afkølet væske løber ned.

I termosifonsystemer anbringes akkumuleringstanken over kollektoren, hvilket sikrer spontan cirkulation af varmebæreren.

Arbejdsdiagrammet er karakteristisk for enkeltkreds sæsonsystemer. Termosifonkomplekset anbefales ikke til kollektorer med et areal større end 12 m².

Trykløst solsystem har en lang række ulemper:

• på overskyede dage falder kompleksets ydeevne – der kræves en stor temperaturforskel for bevægelse af varmebæreren;
• varmetab på grund af langsom væskebevægelse;
• risiko for overophedning af tanken på grund af ukontrollerbar opvarmningsproces;
• ustabil drift af kollektoren;
• vanskelighed ved placering af akkumuleringstanken – ved montering på taget øges varmetab, korrosionsprocesser accelereres, der opstår risiko for frysning af rørforbindelser.

Fordele ved 'tyngdekraftsystemet': enkel konstruktion og prisoverkommelighed.

Kapitalomkostningerne ved etablering af et cirkulations- (tvungen) solsystem er betydeligt højere end installation af et trykløst kompleks. I kredsløbet indsættes en pumpe, der sikrer bevægelse af varmebæreren. Pumpestationens drift styres af en controller.

Den ekstra termiske effekt, der produceres i det tvungne kompleks, overstiger den effekt, der forbruges af pumpeudstyret. Systemets effektivitet stiger med en tredjedel.

Denne cirkulationsmetode anvendes i året rundt to-kreds solvarmeinstallationer.

Fordele ved fuldfunktionskomplekset:

• ubegrænset valg af placering af akkumuleringstanken;
• funktionsevne uden for sæsonen;
• valg af optimal varmetilstand;
• sikkerhed – spærring af drift ved overophedning.

Systemets ulempe – afhængighed af elektricitet.

Teknisk løsning af diagrammer: enkelt- og tokredsløb

I enkeltkredsinstallationer cirkulerer en væske, som efterfølgende leveres til vandudtagspunkter. Om vinteren skal vandet tømmes fra systemet for at forhindre frysning og revnedannelse i rørene.

Funktioner ved enkeltkreds solvarmesystemer:

• anbefalet 'fyldning' af systemet med renset blødt vand – aflejring af salte på rørvæggene fører til tilstopning af kanaler og beskadigelse af solfangeren;
• korrosion på grund af overskud af luft i vandet;
• begrænset levetid – inden for fire til fem år;
• høj virkningsgrad om sommeren.

I tokreds solsystemer cirkulerer en speciel varmebærer (en frostvæske med skumdæmpende og korrosionsbeskyttende tilsætningsstoffer), som afgiver varme til vandet via en varmeveksler.

Diagrammer over opbygning af enkeltkreds (1) og tokreds (2) solsystem. Den anden variant udmærker sig ved højere pålidelighed, mulighed for drift om vinteren og lang levetid (20-50 år).

Nuancer ved drift af tokredsmodulet: en mindre reduktion i virkningsgrad (3-5 % mindre end i enkeltkredssystemet), behov for fuldstændig udskiftning af varmebæreren hvert 7. år.

Betingelser for drift og forbedring af effektiviteten

Beregning og installation af solsystemet bør overlades til fagfolk. Overholdelse af installationsteknikken sikrer funktionalitet og opnåelse af den angivne ydeevne. For at forbedre effektiviteten og levetiden skal nogle nuancer tages i betragtning.

Termostatisk ventil. I traditionelle varmeforsyningssystemer installeres termostatisk element sjældent, da temperaturreguleringen varetages af varmegeneratoren. Men ved indretning af solsystemet må man ikke glemme sikkerhedsventilen.

Opvarmning af tanken til maksimal tilladt temperatur øger solfangerens ydeevne og gør det muligt at udnytte solvarme selv i overskyet vejr

Optimal placering af ventilen – 60 cm fra varmelegemet. Ved tæt placering opvarmes 'termostaten' og blokerer tilførslen af varmt vand.

Placering af akkumulatortank. Bufferbeholderen til brugsvand skal installeres et tilgængeligt sted. Ved placering i et kompakt rum lægges der særlig vægt på loftshøjden.

Minimum ledig plads over tanken – 60 cm. Denne afstand er nødvendig for vedligeholdelse af akkumulatoren og udskiftning af magnesiumanoden.

Montering af ekspansionsbeholder. Elementet kompenserer for temperaturudvidelse under stagnation. Montering af beholderen over pumpeudstyret vil forårsage overophedning af membranen og dens for tidlige slid.

Det optimale sted for ekspansionsbeholderen er under pumpegruppen. Temperaturpåvirkningen ved en sådan montering reduceres betydeligt, og membranen bevarer sin elasticitet længere.

Tilslutning af solkredsen. Ved tilslutning af rør anbefales det at lave en sløjfe. 'Termosløjfen' reducerer varmetab ved at forhindre den opvarmede væske i at slippe ud.

Teknisk korrekt implementering af solkredsens 'sløjfe'. Forsømmelse af kravet fører til et temperaturfald i akkumulatortanken på 1-2 °C om natten.

Kontraventil. Forhindrer 'væltning' af varmebærerens cirkulation. Ved mangel på solaktivitet forhindrer kontraventilen spredning af den varme, der er akkumuleret i løbet af dagen.

Populære modeller af 'sol'-moduler

Efterspørgslen er efter solsystemer fra indenlandske og udenlandske virksomheder. Produkter fra følgende producenter har opnået et godt ry: NPO Mashinostroyeniya (Rusland), Gelion (Rusland), Ariston (Italien), Alten (Ukraine), Viessman (Tyskland), Amcor (Israel) m.fl.

Solsystem 'Sokol'. Flad solfanger udstyret med flerlags optisk belægning med magnetronsputtering. Minimal strålingsevne og høj absorption sikrer en virkningsgrad på op til 80%.

Driftsegenskaber:

• driftstemperatur – ned til -21 °C;
• tilbagestråling af varme – 3-5%;
• øverste lag – hærdet glas (4 mm).

Kollektoren SVK-A (Alten). Vakuum solfanger med et absorptionsareal på 0,8-2,41 m² (afhængig af model). Varmebærer – propylenglycol, varmeisolering af kobber varmeveksleren på 75 mm minimerer varmetab.

Yderligere parametre:

• kabinet – anodiseret aluminium;
• diameter på varmeveksler – 38 mm;
• isolering – mineraluld med anti-hygroskopisk behandling;
• belægning – borsilicatglas 3,3 mm;
• Virkningsgrad – 98%.

Vitosol 100-F – flad solfanger til vandret eller lodret montage. Kobberabsorber med harpeformet rørspiral og heliotitanbelægning. Lysgennemtrængning – 81%.

Estimerede prisklasser for solsystemer: flade solfangere – fra 400 enheder/m², rørformede solfangere – 350 enheder/10 vakuumkolber. Fuld cirkulationssystem – fra 2500 enheder.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Solvarmefangers funktionsprincip og deres typer:

Vurdering af fladfangers funktion ved minusgrader:

Monteringsteknologi for panelsolfanger på eksempel med Buderus-model:

Solenergi er en vedvarende kilde til varme. I lyset af stigende priser på traditionelle energikilder er implementeringen af solvarmesystemer en berettiget kapitalinvestering, der betaler sig inden for de næste fem år, hvis installationen udføres korrekt.

Hvis du har værdifulde oplysninger, du ønsker at dele med besøgende på vores hjemmeside, bedes du efterlade dine kommentarer i boksen under artiklen. Der kan du også stille spørgsmål om emnet eller dele dine erfaringer med brug af solvarmefangere.