Solenergi som alternativ energikälla: typer och egenskaper hos solenergisystem

Under det senaste decenniet har solenergi som alternativ energikälla använts allt oftare för uppvärmning och varmvattenförsörjning av byggnader. Huvudorsaken är strävan att ersätta traditionella bränslen med tillgängliga, miljövänliga och förnybara energiresurser.

Omvandlingen av solenergi till värmeenergi sker i solvärmesystem – modulens konstruktion och funktionsprincip avgör dess användningsområde. I denna artikel går vi igenom olika typer av solfångare och deras funktionsprinciper samt presenterar populära modeller av solmoduler.

Lämpligheten av solvärmesystem

Solvärmesystem – ett system för att omvandla solens strålningsenergi till värme, som sedan överförs till en värmeväxlare för uppvärmning av värmebäraren i värme- eller vattenförsörjningssystemet.

Effektiviteten hos en soltermisk anläggning beror på solinstrålningen – mängden energi som under en solig dag når 1 kvm yta placerad i 90° vinkel mot solstrålarnas riktning. Mätenheten är kWh/kvm, och parameterns värde varierar med årstiden.

Genomsnittlig solinstrålning för en region med tempererat kontinentalt klimat är 1000–1200 kWh/kvm (per år). Solmängden är en avgörande parameter för beräkning av solvärmesystemets prestanda.

Användning av en alternativ energikälla gör det möjligt att värma huset och få varmvatten utan traditionella energikostnader – enbart genom solstrålning.

Installation av ett solvärmesystem är en dyrbar åtgärd. För att investeringen ska löna sig krävs en exakt beräkning av systemet och att installationstekniken följs.

Exempel. Genomsnittligt solinstrålningsvärde för Tula i mitten av sommaren – 4,67 kW/kvm·dag med panelen installerad i 50° vinkel. Prestandan för en solfångare med en yta på 5 kvm beräknas så här: 4,67*4=18,68 kW värmeenergi per dag. Denna mängd räcker för att värma 500 liter vatten från 17 °C till 45 °C.

Erfarenheten visar att ägare av ett hus under sommaren helt kan övergå från el- eller gasbaserad vattenuppvärmning till solvärme.

När man talar om lämpligheten av nya tekniker är det viktigt att ta hänsyn till de tekniska detaljerna för en specifik solfångare. Vissa börjar fungera vid 80 W/kvm solenergi, medan andra klarar sig med 20 W/kvm.

Även i ett sydligt klimat lönar det sig inte att använda en solfångare enbart för uppvärmning. Om installationen endast används på vintern med brist på sol, kommer utrustningens kostnad inte att täckas på 15-20 år.

För att använda solsystemet så effektivt som möjligt bör det integreras i varmvattensystemet. Även på vintern kan solfångaren minska energiräkningarna för vattenuppvärmning med upp till 40-50%.

Enligt experter lönar sig ett solvärmesystem i hushållsbruk på ungefär 5 år. Med stigande el- och gaspriser minskas återbetalningstiden.

Förutom den ekonomiska fördelen har 'solvärme' ytterligare fördelar:

1. Miljövänlig. Koldioxidutsläppen minskas. Per år förhindrar 1 kvm solfångare att 350-730 kg avgaser släpps ut i atmosfären.
2. Estetisk. Utrymmet i ett kompakt badrum eller kök kan befrias från klumpiga varmvattenberedare eller gasvattenvärmare.
3. Hållbarhet. Tillverkarna försäkrar att om installationstekniken följs kan systemet hålla i cirka 25-30 år. Många företag ger upp till 3 års garanti.

Argument mot användning av solenergi: tydlig säsongsvariation, väderberoende och höga initiala investeringar.

Allmän uppbyggnad och funktionsprincip

Låt oss titta på ett solvärmealternativ med solfångaren som systemets huvudsakliga arbetsenhet. Enheten ser ut som en metallåda med framsida av härdat glas. Inuti lådan finns arbetsenheten – en serpentin med absorbator.

Värmeabsorberande blocket värmer upp värmebäraren – cirkulerande vätska, överför den genererade värmen till vattenförsörjningskretsen.

Huvudkomponenter i solvärmesystemet: 1 – kollektorfält, 2 – luftavluftare, 3 – distributionsstation, 4 – expansionskärl, 5 – regulator, 6 – varmvattenberedare, 7,8 – värmeelement och värmeväxlare, 9 – termostatblandningsventil, 10 – varmvattenflöde, 11 – kallvattenintag, 12 – avtappning, T1/T2 – temperatursensorer

Solkollektorn arbetar alltid tillsammans med en ackumulatortank. Eftersom värmebäraren värms upp till 90-130°C kan den inte matas direkt till varmvattenkranar eller värmeradiatorer. Värmebäraren går till beredarens värmeväxlare. Ackumulatortanken kompletteras ofta med en elektrisk värmare.

Arbetsschema:

1. Solen värmer ytan på kollektorn.
2. Värmestrålning överförs till absorberingselementet (absorbatorn) som innehåller arbetsvätskan.
3. Värmebäraren som cirkulerar i slingans rör värms upp.
4. Pump, styrenhet och kontrollenhet leder värmebäraren via rörledningen till ackumulatortankens slinga.
5. Värme överförs till vattnet i beredaren.
6. Den avkylda värmebäraren återgår till kollektorn och cykeln upprepas.

Det uppvärmda vattnet från varmvattenberedaren leds till värmekretsen eller till tappställen.

Vid installation av värmesystem eller åretrunt-varmvattenförsörjning kompletteras systemet med en källa för extra uppvärmning (panna, elektriskt värmeelement). Detta är en nödvändig förutsättning för att hålla önskad temperatur.

Solpaneler i privata bostäder används oftast som reservkraftkälla:

Typer av solfångare

Oavsett syfte är en solvärmeanläggning utrustad med en plan eller sfärisk tubformad solfångare. Varje alternativ har ett antal utmärkande egenskaper när det gäller tekniska specifikationer och driftseffektivitet.

Vakuumsolfångare – för kallt och tempererat klimat

Konstruktionsmässigt liknar en vakuumsolfångare en termos – smala rör med värmebärare är placerade i kolvar med större diameter. Mellan kärlen bildas ett vakuumskikt som ansvarar för isoleringen (värmebevarande upp till 95%). Rörformen är mest optimal för att hålla vakuum och ”ockupera” solstrålarna.

Grundläggande komponenter i en tubformad solvärmeanläggning: stödram, värmeväxlarkropp, vakuumglasrör behandlade med en högeffektiv selektiv beläggning för intensiv ”absorption” av solenergi

Det inre (termiska) röret är fyllt med en saltlösning med låg kokpunkt (24–25 °C). Vid uppvärmning förångas vätskan – ångorna stiger upp i kolven och värmer upp värmebäraren som cirkulerar i solfångarens hus.

Under kondensering rinner vattendropparna ner i rörets spets och processen upprepas.

Tack vare vakuumskiktet kan vätskan inuti den termiska kolven koka och förångas även vid minusgrader utomhus (ner till -35 °C).

Solcellernas egenskaper beror på följande kriterier:

• rörkonstruktion – fjäder- eller koaxialrör;
• värme kanalens konstruktion – ”Heat pipe”, direktflödescirkulation.

Fjäderkolv – ett glasrör som innehåller en plattabsorber och en värmekanal. Vakuumskiktet löper genom hela värmekanalens längd.

Koaxialrör – en dubbel kolv med ett vakuum ”inlägg” mellan väggarna på två behållare. Värmeöverföring sker från rörets inre yta. Änden på värmröret är utrustad med en vakuumindikator.

Effektiviteten hos fjäderrör (1) är högre jämfört med koaxialmodeller (2). Men de förra är dyrare och svårare att installera. Dessutom, vid haveri måste fjäderkolven bytas ut helt.

”Heat pipe”-kanalen är det vanligaste sättet att överföra värme i solfångare.

Mekanismen bygger på att en lättförångande vätska placeras i hermetiskt tillslutna metallrör.

Populariteten för ”Heat pipe” beror på dess överkomliga pris, enkla underhåll och reparerbarhet. På grund av värmeväxlingsprocessens komplexitet är maximal verkningsgrad 65%.

Direktflödeskanal – genom en glaskolv löper parallella metallrör som är sammanfogade i en U-formad båge.

Värmebäraren värms upp medan den strömmar genom kanalen och leds till kollektorns hölje.

Konstruktionsvarianter för vakuumsolkollektorn: 1 – modifikation med central värmeledare «Heat pipe», 2 – solanläggning med direktflödescirkulation av värmebäraren.

Koaxialrör och fenrör kan kombineras på olika sätt med värmekanalerna.

Alternativ 1. Koaxial glaskolv med «Heat pipe» – den mest populära lösningen. I kollektorn sker en flerstegs värmeöverföring från glasrörets väggar till den inre kolven och därefter till värmebäraren. Den optiska verkningsgraden når 65%.

Schema över koaxialröret «Heat pipe»: 1 – glashölje, 2 – selektiv beläggning, 3 – metallribbor, 4 – vakuum, 5 – värmekolv med lättkokande ämne, 6 – inre glasrör.

Alternativ 2. Koaxial glaskolv med direktflödescirkulation är känd som U-formad kollektor. Tack vare konstruktionen minskas värmeförlusterna – värmeenergin överförs från aluminium till rören med cirkulerande värmebärare.

Förutom hög verkningsgrad (upp till 75%) har modellen nackdelar:

• Komplicerad installation – kolvarna är i ett stycke med kollektorns tvårörshölje (manifold) och installeras som en helhet.
• Byte av enskilda rör är uteslutet.

Dessutom är den U-formade enheten kräsen vad gäller värmebärare och dyrare än «Heat pipe»-modeller.

Konstruktion av U-formad solkollektor: 1 – glascylinder, 2 – absorberande beläggning, 3 – aluminiumhölje, 4 – kolv med värmebärare, 5 – vakuum, 6 – inre glasrör.

Alternativ 3. Fenrör med «Heat pipe»-princip. Kollektorns utmärkande egenskaper:

• Höga optiska prestanda – verkningsgrad omkring 77%;
• Platt absorbator överför direkt värmeenergi till röret med värmebärare;
• Genom användning av ett enda glasskikt minskas reflektionen av solstrålning;

Det är möjligt att byta ut en skadad komponent utan att tappa ur värmebäraren från solsystemet.

Alternativ 4. Fenkolv med direktflöde – det mest effektiva verktyget för att utnyttja solenergi som alternativ energikälla för uppvärmning av vatten eller bostadsuppvärmning. Den högpresterande kollektorn arbetar med en verkningsgrad på 80%. Systemets nackdel är att det är svårt att reparera.

Diagram över konstruktionen av fjädrade solfångare: 1 – solvärmesystem med "Heat pipe"-kanal, 2 – tvårörskropp för solfångare med direktflöde av värmebärare

Oavsett utförande har rörsolfångare följande fördelar:

• funktionsduglighet vid låg temperatur;
• låga värmeförluster;
• lång drifttid under dygnet;
• förmåga att värma värmebärare till höga temperaturer;
• låg vindlast;
• enkel installation.

Den största nackdelen med vakuummodeller är omöjligheten att självrengöra från snötäcke. Vakuumskiktet släpper inte ut värme, så snön smälter inte och blockerar solens tillgång till kollektorfältet. Ytterligare nackdelar: högt pris och behovet av att hålla en arbetsvinkel på minst 20° för rören.

Kollektorns solapparater som värmer luftvärmebärare kan användas för beredning av varmvatten om de är försedda med en ackumulatortank:

Läs mer om arbetsprincipen för vakuumsolfångare med rör här.

Vattensolfångare – optimalt alternativ för sydliga breddgrader

Plan (panel) solfångare – en rektangulär aluminiumplatta täckt med ett plast- eller glaslock. Inuti lådan finns ett absorptionsfält, en metallspiral och ett lager värmeisolering. Kollektorytan är fylld med ett genomströmningsrörsystem genom vilket värmebäraren rör sig.

Grundläggande komponenter i en plan solfångare: hölje, absorbator, skyddande täckning, lager av värmeisolering och fästelement. Vid montering används matt glas med en transmission på 0,4-1,8 mikrometer i det spektrala området.

Värmeabsorptionen hos den högselektiva absorberande beläggningen når 90%. Det genomströmmande metallröret är placerat mellan "absorbatorn" och värmeisoleringen. Två rörläggningsscheman används: "harpa" och "meander".

Processen för montering av solfångare som värmer flytande värmebärare omfattar en rad traditionella steg:

Om värmekretsen kompletteras med en ledning som levererar sanitetsvatten till varmvattensystemet, är det vettigt att ansluta en värmeackumulator till solfångaren. Det enklaste alternativet är en tank med lämplig kapacitet och värmeisolering som kan hålla temperaturen på det uppvärmda vattnet. Den ska installeras på en plattform:

Rörformad kollektor med flytande värmebärare fungerar som en 'växthuseffekt' – solstrålar tränger genom glaset och värmer upp rörledningen. Tack vare täthet och värmeisolering hålls värmen kvar inuti panelen.

Solpanelens styrka bestäms till stor del av materialet i skyddslocket:

• vanligt glas – det billigaste och mest spröda täckmaterialet;
• härdat glas – hög grad av ljusspridning och ökad hållfasthet;
• antireflexglas – utmärks av maximal absorberingsförmåga (95%) tack vare ett skikt som eliminerar reflektion av solstrålar;
• självrengörande (polärt) glas med titandioxid – organiska föroreningar bränns bort av solen och rester av smuts sköljs bort av regnet.

Mest stöttåligt är polykarbonatglas. Materialet används i dyra modeller.

Reflektion av solstrålar och absorberingsförmåga: 1 – antireflexbeläggning, 2 – härdat slagfast glas. Optimal tjocklek för yttre skyddshölje är 4 mm

Funktionella och operativa egenskaper hos panelbaserade solvärmeanläggningar:

• i system med tvångscirkulation finns en avfrostningsfunktion som snabbt kan ta bort snötäcke på solfältet;
• prismatiskt glas fångar ett brett spektrum av strålar från olika vinklar – under sommaren når anläggningens verkningsgrad 78-80%;
• kollektorn är inte rädd för överhettning – vid överskott av termisk energi kan värmebäraren tvångskylas;
• förhöjd slagfasthet jämfört med rörformade motsvarigheter;
• möjlighet att monteras i valfri vinkel;
• överkomlig prispolicy.

Systemen har inte bara fördelar. Vid brist på solstrålning, när temperaturskillnaden ökar, sjunker verkningsgraden för en platt solfångare betydligt på grund av otillräcklig värmeisolering. Därför är panelmodulen lönsam på sommaren eller i regioner med varmt klimat.

Solvärmesystem: konstruktions- och driftsegenskaper

Mångfalden av solsystem kan klassificeras efter parametrar som: metod för användning av solstrålning, cirkulationssätt för värmebäraren, antal kretsar och säsongsanvändning.

Aktivt och passivt system

I varje solenergisystem finns en solfångare. Baserat på hur den erhållna värmen används skiljer man på två typer av solsystem: passiva och aktiva.

Den första varianten är ett solvärmesystem där byggnadens konstruktionselement fungerar som värmeabsorberande delar för solstrålningen. Som solfångande yta fungerar taket, en kollektorvägg eller fönster.

Schema för lågtempererat passivt solvärmesystem med kollektorvägg: 1 – solens strålar, 2 – halvtransparent skärm, 3 – luftbarriär, 4 – uppvärmd luft, 5 – frånluftsflöden, 6 – värmestrålning från väggen, 7 – värmeabsorberande yta på kollektorväggen, 8 – dekorativa persienner

I europeiska länder används passiva tekniker vid byggande av energisnåla hus. Solfångarytor dekoreras som falska fönster. Bakom glasbeläggning placeras en svartmålad tegelvägg med ljusöppningar.

Som värmeackumulatorer fungerar byggnadens element – väggar och bjälklag, isolerade med polystyren från utsidan.

Aktiva system innebär användning av fristående enheter som inte tillhör byggnaden.

Till denna kategori hör de ovan nämnda systemen med rörformade, platta kollektorer – solvärmeinstallationer placeras som regel på byggnadens tak.

Termsifonsystem och cirkulationssystem

Solvärmeutrustning med naturlig cirkulation av värmebärare i kretsen kollektor-ackumulator-kollektor sker genom konvektion – varm vätska med låg densitet stiger upp, kyld vätska rinner ner.

I termosifonsystem placeras ackumulatortanken ovanför kollektorn, vilket möjliggör spontan cirkulation av värmebäraren.

Arbetsprincipen är typisk för enkelkretssäsongsbetonade system. Termosifonsystemet rekommenderas inte för kollektorer med yta större än 12 m².

Ett trycklöst solvärmesystem har en lång lista av nackdelar:

• i molniga dagar sjunker systemets prestanda – för cirkulation av värmebäraren krävs en stor temperaturskillnad;
• värmeförluster på grund av långsam vätskerörelse;
• risk för överhettning av tanken på grund av okontrollerbar uppvärmningsprocess;
• instabilitet i kollektorns funktion;
• svårighet att placera ackumulatortanken – vid montering på taket ökar värmeförlusterna, korrosionsprocesser påskyndas, och risk för frysning av röranslutningar uppstår.

Fördelar med det 'gravitationsbaserade' systemet: enkel konstruktion och pristillgänglighet.

Kapitalkostnaderna för installation av ett cirkulationssystem (tvingat) solvärmesystem är betydligt högre än för ett trycklöst system. En pump kopplas in i kretsen som säkerställer värmebärarens rörelse. Pumpstationens drift styrs av en regulator.

Den extra termiska effekt som produceras i det tvingade systemet överstiger den effekt som pumputrustningen förbrukar. Systemets effektivitet ökar med en tredjedel.

Denna cirkulationsmetod används i åretrunt tvåkrets solvärmeinstallationer.

Fördelar med ett fullfunktionssystem:

• obegränsat val av placering för ackumulatortanken;
• funktionsduglighet utanför säsong;
• val av optimalt uppvärmningsläge;
• säkerhet – blockering av funktion vid överhettning.

Nackdelen med systemet är beroendet av elektricitet.

Tekniska lösningar för system: en- och tvåkrets

I enkelkretsanläggningar cirkulerar en vätska som sedan leds till vattenuttagspunkterna. På vintern måste vattnet i systemet tömmas för att förhindra frysning och sprickbildning i rören.

Egenskaper hos enkelkrets solvärmesystem:

• rekommenderas att systemet fylls med renat, mjukt vatten – saltavlagringar på rörväggarna leder till igensättning av kanaler och kollektorn skadas;
• korrosion på grund av överskott av luft i vattnet;
• begränsad livslängd – mellan fyra och fem år;
• hög verkningsgrad på sommaren.

I tvåkrets solsystem cirkulerar en speciell värmevätska (en frostskyddsvätska med skumdämpande och korrosionsskyddande tillsatser), som avger värme till vattnet via en värmeväxlare.

Scheman över konstruktion av enkelkrets (1) och tvåkrets (2) solsystem. Det andra alternativet kännetecknas av högre tillförlitlighet, möjlighet att fungera på vintern och lång livslängd (20–50 år).

Driftnyanser för tvåkretsmodulen: en liten minskning av verkningsgraden (3–5 % lägre än i en enkelkretssystem), behov av fullständig byte av värmevätska vart 7:e år.

Förutsättningar för drift och effektivitetshöjning

Beräkning och montering av solsystemet bör överlåtas till proffs. Att följa installationstekniken garanterar driftsäkerhet och att den utlovade prestandan uppnås. För att förbättra effektiviteten och livslängden måste vissa nyanser beaktas.

Termostatventil. I traditionella värmesystem installeras sällan en termostatisk element eftersom värmegeneratorn ansvarar för temperaturregleringen. Men vid installation av solsystem får man inte glömma skyddsventilen.

Uppvärmning av tanken till maximal tillåten temperatur ökar kollektorns prestanda och gör det möjligt att använda solvärme även vid molnigt väder

Optimal placering av ventilen är 60 cm från värmaren. Vid nära placering värms termostaten upp och blockerar varmvattentillförseln.

Placering av ackumulatortank. Buffertanken för varmvatten bör installeras på en tillgänglig plats. Vid placering i ett kompakt utrymme ägnas särskild uppmärksamhet åt takhöjden.

Minsta lediga utrymme ovanför tanken – 60 cm. Detta mellanrum behövs för service av ackumulatortanken och byte av magnesiumanoden.

Installation av expansionskärl. Komponenten kompenserar för temperaturutvidgning under stagnationsperioder. Om tanken installeras ovanför pumpanläggningen orsakar det överhettning av membranet och dess förtida slitage.

Optimal plats för expansionskärlet är under pumpgruppen. Temperaturpåverkan minskar avsevärt vid sådan montering, och membranet behåller sin elasticitet längre.

Anslutning av solfångarkretsen. Vid röranslutning rekommenderas att skapa en slinga. 'Termoslingan' minskar värmeförluster genom att förhindra att den uppvärmda vätskan lämnar systemet.

Tekniskt korrekt utförande av 'slingan' i solfångarkretsen. Om kravet försummas blir temperaturen i ackumulatortanken 1-2°C lägre över natten.

Backventil. Förhindrar att värmebärarens cirkulation vänder riktning. Vid brist på solaktivitet tillåter backventilen inte att värmen som samlats under dagen förloras.

Populära modeller av solmoduler

Solfångarsystem från inhemska och utländska företag efterfrågas. Produkter från tillverkare som NPO Masjinostrojenija (Ryssland), Gelion (Ryssland), Ariston (Italien), Alten (Ukraina), Viessman (Tyskland), Amcor (Israel) med flera har vunnit ett gott rykte.

Solfångarsystem 'Sokol'. Platt solfångare utrustad med flerskiktad optisk beläggning med magnetronsputtering. Minimal emissionsförmåga och hög absorptionsgrad ger en verkningsgrad på upp till 80%.

Driftsegenskaper:

• arbetstemperatur – ner till -21 °C;
• återstrålning av värme – 3-5%;
• övre lagret – härdat glas (4 mm).

Kollektor SVK-A (Alten). Vakuumsolfångare med absorptionsarea 0,8-2,41 kvm (beroende på modell). Värmebärare – propylenglykol, värmeisolering av kopparvärmeväxlaren på 75 mm minimerar värmeförluster.

Ytterligare parametrar:

• hölje – anodiserad aluminium;
• värmeväxlarens diameter – 38 mm;
• isolering – mineralull med anti-hygroskopisk behandling;
• beläggning – borsilikatglas 3,3 mm;
• Verkningsgrad – 98%.

Vitosol 100-F – platt solfångare för horisontell eller vertikal montering. Kopparabsorbator med harpliknande rörspiral och soltitanbeläggning. Ljusgenomsläpp – 81%.

Ungefärlig prisnivå för solfångarsystem: platta solfångare – från 400 USD/kvm, rörformade solfångare – 350 USD/10 vakuumrör. Komplett cirkulationssystem – från 2500 USD.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Funktionsprincip för solfångare och deras typer:

Utvärdering av plattfångarens funktion vid minusgrader:

Monteringsteknik för panelsolefångare med exemplet Buderus-modell:

Solenergi är en förnybar värmekälla. Med tanke på prisökningar på traditionella energiresurser motiverar införandet av solsystem kapitalinvesteringar och betalar sig inom de närmaste fem åren om monteringstekniken följs.

Om du har värdefull information som du vill dela med besökare på vår webbplats, lämna dina kommentarer i blocket under artikeln. Där kan du också ställa frågor om ämnet eller dela erfarenheter av att använda solfångare.