Ogrzewanie słoneczne prywatnego domu: opcje i schematy budowy

Wykorzystanie “zielonej” energii, dostarczanej przez siły natury, pozwala znacząco obniżyć wydatki na media. Na przykład, instalując ogrzewanie solarne w domu jednorodzinnym, będą Państwo zasilać praktycznie darmowym czynnikiem grzewczym niskotemperaturowe grzejniki i systemy ogrzewania podłogowego. Przyznajcie Państwo, to już oszczędność.

Wszystkiego o “zielonych technologiach” dowiedzą się Państwo z naszego artykułu. Z naszą pomocą z łatwością poznają Państwo różne rodzaje kolektorów słonecznych, sposoby ich montażu i specyfikę użytkowania. Z pewnością zainteresują Państwa jeden z popularnych wariantów, intensywnie wykorzystywanych na świecie, ale jeszcze mało rozpowszechnionych w naszym kraju.

W przedstawionym Państwu przeglądzie omówiono cechy konstrukcyjne systemów, szczegółowo opisano schematy podłączenia. Podano przykład obliczeń słonecznego obiegu grzewczego, aby ocenić realia jego budowy. Aby pomóc samodzielnym majsterkowiczom, dołączono galerie zdjęć i filmy.

“Zielone” technologie pozyskiwania ciepła

Średnio 1 m² powierzchni ziemi otrzymuje 161 W energii słonecznej na godzinę. Oczywiście na równiku wskaźnik ten będzie wielokrotnie wyższy niż w regionach polarnych. Ponadto gęstość promieniowania słonecznego zależy od pory roku.

W obwodzie moskiewskim intensywność promieniowania słonecznego w grudniu-styczniu różni się od maja-lipca ponad pięciokrotnie. Jednak nowoczesne systemy są tak wydajne, że są w stanie pracować praktycznie wszędzie na Ziemi.

Nowoczesne systemy słoneczne są w stanie efektywnie pracować w pochmurną i zimną pogodę do -30°C

Zadanie wykorzystania energii promieniowania słonecznego z maksymalną wydajnością rozwiązuje się na dwa sposoby: bezpośrednie ogrzewanie w kolektorach cieplnych oraz słoneczne ogniwa fotowoltaiczne. Ogniwa słoneczne najpierw przekształcają energię promieni słonecznych w energię elektryczną, a następnie przekazują ją przez specjalny system odbiorcom, na przykład do kotła elektrycznego.

Kolektory cieplne, nagrzewając się pod wpływem promieni słonecznych, podgrzewają czynnik grzewczy systemów ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.

Kolektory słoneczne występują w kilku rodzajach, w tym w systemach otwartych i zamkniętych, konstrukcjach płaskich i sferycznych, półsferycznych kolektorach koncentratorach oraz wielu innych wariantach. Energia cieplna uzyskana z kolektorów słonecznych jest wykorzystywana do podgrzewania ciepłej wody lub nośnika ciepła w systemie grzewczym.

Przemysł produkuje szeroką gamę układów kolektorowych do włączania w niezależną sieć grzewczą. Jednak najprostszy wariant do domku letniskowego można łatwo wykonać samodzielnie:

Pomimo wyraźnego postępu w opracowywaniu rozwiązań do zbierania, magazynowania i wykorzystywania energii słonecznej, istnieją zarówno zalety, jak i wady.

Efektywne wykorzystanie energii słonecznej

Najbardziej oczywistą zaletą wykorzystania energii słonecznej jest jej powszechna dostępność. W rzeczywistości nawet w najbardziej pochmurną i zachmurzoną pogodę energia słoneczna może być zbierana i wykorzystywana.

Drugą zaletą – są zerowe emisje. W zasadzie jest to najbardziej ekologiczny i naturalny rodzaj energii. Panele słoneczne i kolektory nie wytwarzają hałasu. W większości przypadków montuje się je na dachach budynków, nie zajmując użytecznej powierzchni działki podmiejskiej.

Efektywność ogrzewania słonecznego w naszych szerokościach geograficznych jest dość niska, co tłumaczy się niewystarczającą liczbą słonecznych dni do regularnej pracy systemu (+)

Wady związane z wykorzystaniem energii słonecznej polegają na niestabilności oświetlenia. W ciemnych porach dnia nie ma co zbierać, sytuację pogarsza fakt, że szczyt sezonu grzewczego przypada na najkrótsze dni w roku. Należy dbać o czystość optyczną paneli, niewielkie zabrudzenie znacznie obniża sprawność.

Ponadto nie można stwierdzić, że eksploatacja systemu energii słonecznej jest całkowicie darmowa, istnieją stałe koszty amortyzacji sprzętu, pracy pompy obiegowej i elektroniki sterującej.

Istotną wadą ogrzewania opartego na zastosowaniu kolektorów słonecznych jest brak możliwości magazynowania energii cieplnej. W schemacie uwzględniony jest tylko zbiornik wyrównawczy (+)

Otwarte kolektory słoneczne

Odkryty kolektor słoneczny to niechroniony przed wpływem czynników zewnętrznych system rurek, przez które krąży czynnik grzewczy nagrzewany bezpośrednio przez słońce.

Jako czynnik grzewczy stosuje się wodę, gaz, powietrze, płyn niezamarzający. Rurki są albo mocowane na płycie nośnej w kształcie wężownicy, albo łączone równoległymi rzędami do rury wylotowej.

Kolektory słoneczne otwartego typu nie są w stanie poradzić sobie z ogrzewaniem domu jednorodzinnego. Z powodu braku izolacji czynnik grzewczy szybko się ochładza. Używa się ich latem głównie do podgrzewania wody w prysznicach lub basenach.

Odkryte kolektory zwykle nie mają żadnej izolacji. Konstrukcja jest bardzo prosta, przez co ma niski koszt i często jest wykonywana samodzielnie.

Ze względu na brak izolacji praktycznie nie zachowują energii otrzymanej od słońca, charakteryzują się niską sprawnością. Stosuje się je głównie w okresie letnim do podgrzewania wody w basenach lub letnich prysznicach.

Instaluje się je w słonecznych i ciepłych regionach, przy niewielkich różnicach temperatury otaczającego powietrza i podgrzewanej wody. Działają dobrze tylko przy słonecznej, bezwietrznej pogodzie.

Najprostszy kolektor słoneczny z odbiornikiem ciepła wykonanym z węża rur polimerowych zapewni dostawę podgrzanej wody na działce do podlewania i potrzeb domowych.

Odmiany kolektorów rurowych

Kolektory słoneczne rurowe składają się z pojedynczych rur, przez które przepływa woda, gaz lub para. Jest to jedna z odmian systemów solarnych otwartego typu. Jednak czynnik grzewczy jest już znacznie lepiej chroniony przed zewnętrznymi negatywnymi czynnikami. Szczególnie w instalacjach próżniowych zbudowanych na zasadzie termosów.

Każda rura jest podłączana do systemu oddzielnie, równolegle do siebie. W przypadku awarii jednej rury łatwo można ją wymienić na nową. Cała konstrukcja może być montowana bezpośrednio na dachu budynku, co znacznie ułatwia instalację.

Kolektor rurowy ma strukturę modułową. Głównym elementem jest rura próżniowa, liczba rur waha się od 18 do 30, co pozwala na precyzyjny dobór mocy systemu.

Zaletą rurowych kolektorów słonecznych jest cylindryczny kształt głównych elementów, dzięki którym promieniowanie słoneczne jest wychwytywane przez cały dzień świetlny bez konieczności stosowania kosztownych systemów śledzenia ruchu słońca.

Specjalna wielowarstwowa powłoka tworzy swego rodzaju pułapkę optyczną dla promieni słonecznych. Na schemacie częściowo pokazano zewnętrzną ściankę bańki próżniowej odbijającą promienie na ścianki wewnętrznej bańki (+).

Ze względu na konstrukcję rur rozróżnia się kolektory słoneczne płetwowe i koncentryczne.

Rurka koncentryczna to naczynie Dewara lub znany wszystkim termos. Wykonana jest z dwóch bańek, między którymi wypompowano powietrze. Na wewnętrzną powierzchnię wewnętrznej bańki naniesiono wysokoselektywną powłokę skutecznie pochłaniającą energię słoneczną.

Przy cylindrycznym kształcie rurki promienie słoneczne zawsze padają prostopadle do powierzchni

Energia cieplna z wewnętrznej warstwy selektywnej jest przekazywana do rury cieplnej lub wewnętrznego wymiennika ciepła z aluminiowych płyt. Na tym etapie występują niepożądane straty ciepła.

Rurka płetwowa to szklany cylinder z włożonym do środka płetwowym absorbere.

Nazwa systemu pochodzi od płetwowego absorbera, który szczelnie obejmuje kanał cieplny z metalu przewodzącego ciepło.

Dla dobrej izolacji cieplnej z rurki wypompowano powietrze. Przekazywanie ciepła z absorbera odbywa się bez strat, dlatego sprawność rurek płetwowych jest wyższa.

Ze względu na sposób przekazywania ciepła istnieją dwa systemy: przepływowe i z rurą cieplną (heat pipe). Rura cieplna to szczelna pojemność z łatwo odparowującą cieczą.

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

Wewnątrz rurki cieplnej znajduje się łatwo parująca ciecz, która odbiera ciepło od wewnętrznej ścianki bańki lub od absorberka piórkowego. Pod wpływem temperatury ciecz wrze i w postaci pary unosi się do góry. Po oddaniu ciepła do nośnika ciepła ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej, para skrapla się w ciecz i spływa w dół.

Jako łatwo parująca ciecz często stosuje się wodę pod niskim ciśnieniem. W systemie przepływowym stosuje się rurkę w kształcie litery U, przez którą krąży woda lub nośnik ciepła systemu grzewczego.

Jedna połowa rurki w kształcie litery U przeznaczona jest dla zimnego nośnika ciepła, druga odprowadza nagrzany. Podczas ogrzewania nośnik ciepła rozszerza się i wpływa do zbiornika akumulacyjnego, zapewniając naturalną cyrkulację. Podobnie jak w przypadku systemów z rurką cieplną, minimalny kąt nachylenia powinien wynosić co najmniej 20⁰.

Przy podłączeniu przepływowym ciśnienie w systemie nie może być wysokie, ponieważ wewnątrz bańki panuje próżnia techniczna.

Systemy przepływowe są bardziej efektywne, ponieważ natychmiast podgrzewają nośnik ciepła. Jeśli systemy kolektorów słonecznych mają być używane przez cały rok, wówczas pompowane są do nich specjalne środki przeciw zamarzaniu.

Zastosowanie rurowych kolektorów słonecznych ma wiele zalet i wad. Konstrukcja rurowego kolektora słonecznego składa się z identycznych elementów, które stosunkowo łatwo wymienić.

Zalety:

• niskie straty ciepła;
• zdolność pracy w temperaturze do -30 °C;
• efektywna wydajność przez cały dzień świetlny;
• dobra wydajność w regionach o klimacie umiarkowanym i zimnym;
• niska podatność na wiatr, uzasadniona zdolnością systemów rurowych do przepuszczania przez siebie mas powietrza;
• możliwość uzyskania wysokiej temperatury nośnika ciepła.

Konstrukcyjnie konstrukcja rurowa ma ograniczoną powierzchnię aperturową.

Posiada następujące wady:

• nie jest w stanie samooczyszczać się ze śniegu, lodu, szronu;
• wysoki koszt.

Pomimo początkowo wysokiego kosztu, kolektory rurowe szybciej się zwracają. Mają długi okres eksploatacji.

Kolektory rurowe należą do instalacji heliowych typu otwartego, dlatego nie nadają się do całorocznego użytku w systemach grzewczych (+)

Płaskie układy zamknięte

Płaski kolektor składa się z aluminiowej ramy, specjalnej warstwy pochłaniającej – absorbera, przezroczystej pokrywy, rurociągu i izolacji termicznej.

Jako absorber stosuje się zaczernioną blachę miedzianą, charakteryzującą się idealnym przewodnictwem cieplnym do tworzenia systemów solarnych. Podczas pochłaniania energii słonecznej przez absorber następuje przekazanie uzyskanej energii słonecznej czynnikowi grzewczemu, który krąży w systemie rurek przylegających do absorbera.

Od zewnętrznej strony zamknięty panel jest chroniony przezroczystą powłoką. Jest ona wykonana z odpornego na uderzenia hartowanego szkła o paśmie przepuszczania 0,4-1,8 µm. Na ten zakres przypada maksimum promieniowania słonecznego. Szkło hartowane stanowi dobrą ochronę przed gradem. Od tyłu cały panel jest solidnie izolowany termicznie.

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

Na liście zalet zamkniętych paneli płaskich znajdują się:

• prosta konstrukcja;
• dobra wydajność w regionach o ciepłym klimacie;
• możliwość montażu pod dowolnym kątem przy dostępności urządzeń do zmiany kąta nachylenia;
• zdolność do samooczyszczania się ze śniegu i szronu;
• niska cena.

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

Do wad można zaliczyć:

• wysokie straty ciepła;
• duża waga;
• duża nawiewność przy ustawieniu paneli pod kątem do poziomu;
• ograniczenia wydajności przy różnicach temperatur powyżej 40°C.

Zakres zastosowania zamkniętych kolektorów jest znacznie szerszy niż otwartych instalacji solarnych. Latem są w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę. W chłodne dni, nie wliczane przez dostawców mediów do okresu grzewczego, mogą one działać zamiast gazowych i elektrycznych grzejników.

Osobom chcącym wykonać kolektor słoneczny własnoręcznie do celów ogrzewania domku letniskowego proponujemy zapoznanie się ze sprawdzonymi w praktyce schematami i instrukcjami montażu krok po kroku.

Porównanie parametrów kolektorów słonecznych

Najważniejszym wskaźnikiem kolektora słonecznego jest sprawność. Użyteczna wydajność kolektorów słonecznych o różnych konstrukcjach zależy od różnicy temperatur. Przy tym płaskie kolektory są znacznie tańsze od rurowych.

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

Przy wyborze kolektora słonecznego warto zwrócić uwagę na szereg parametrów wskazujących na efektywność i moc urządzenia.

Dla kolektorów słonecznych istnieje kilka ważnych cech:

• współczynnik adsorpcji – pokazuje stosunek pochłoniętej energii do całkowitej;
• współczynnik emisji – pokazuje stosunek energii przekazanej do pochłoniętej;
• powierzchnia całkowita i apertury;
• Sprawność.

Powierzchnia apertury to powierzchnia robocza kolektora słonecznego. W kolektorze płaskim powierzchnia apertury jest maksymalna. Powierzchnia apertury jest równa powierzchni absorbera.

Sposoby podłączenia do systemu grzewczego

Ponieważ urządzenia wykorzystujące energię słoneczną nie są w stanie zapewnić stabilnego i całodobowego zasilania, konieczny jest system odporny na te wady.

Dla środkowej strefy Rosji urządzenia słoneczne nie mogą zagwarantować stabilnego dopływu energii, dlatego są używane jako system dodatkowy. Integracja z istniejącym systemem ogrzewania i ciepłej wody użytkowej różni się dla kolektora słonecznego i panelu fotowoltaicznego.

Schemat z kolektorem wodnym

W zależności od celów użytkowania kolektora cieplnego stosuje się różne systemy podłączenia. Może być kilka wariantów:

1. Wariant letni do ciepłej wody użytkowej
2. Wariant zimowy do ogrzewania i ciepłej wody użytkowej

Wariant letni jest najprostszy i może obejść się nawet bez pompy obiegowej, wykorzystując naturalną cyrkulację wody.

Woda nagrzewa się w kolektorze słonecznym i na skutek rozszerzalności cieplnej trafia do zbiornika akumulacyjnego lub bojlera. Przy tym następuje naturalna cyrkulacja: na miejsce gorącej wody ze zbiornika zasysana jest zimna.

Zimą przy ujemnych temperaturach bezpośrednie podgrzewanie wody nie jest możliwe. W zamkniętym obiegu krąży specjalny płyn niezamarzający, zapewniając przenoszenie ciepła z kolektora do wymiennika ciepła w zbiorniku

Jak każdy system oparty na naturalnej cyrkulacji działa niezbyt efektywnie, wymagając zachowania odpowiednich spadków. Ponadto zbiornik akumulacyjny musi znajdować się wyżej niż kolektor słoneczny. Aby woda pozostawała jak najdłużej gorąca, zbiornik należy starannie zaizolować.

Jeśli chce Pan naprawdę osiągnąć maksymalnie efektywną pracę kolektora słonecznego, schemat podłączenia ulegnie skomplikowaniu.

Aby w nocy kolektor nie zamienił się w chłodnicę, należy wymusić zatrzymanie cyrkulacji wody

W systemie kolektora słonecznego krąży niezamarzający czynnik grzewczy. Wymuszoną cyrkulację zapewnia pompa sterowana przez kontroler.

Kontroler zarządza pracą pompy obiegowej na podstawie odczytów co najmniej dwóch czujników temperatury. Pierwszy czujnik mierzy temperaturę w zbiorniku akumulacyjnym, drugi – na rurze zasilania gorącym czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego.

Gdy tylko temperatura w zbiorniku przekroczy temperaturę czynnika grzewczego, w kolektorze sterownik wyłącza pompę cyrkulacyjną, zatrzymując cyrkulację czynnika grzewczego w systemie. Z kolei gdy temperatura w zbiorniku akumulacyjnym spadnie poniżej zadanej, włącza się kocioł grzewczy.

Nowym słowem i skuteczną alternatywą dla kolektorów słonecznych z czynnikiem grzewczym stały się systemy z rurami próżniowymi, z zasadą działania i budowy których proponujemy się zapoznać.

Schemat z baterią słoneczną

Kuszące byłoby zastosowanie podobnego schematu podłączenia panelu słonecznego do sieci elektrycznej, jak to zrealizowano w przypadku kolektora słonecznego, gromadząc energię otrzymaną w ciągu dnia. Niestety, dla systemu zasilania elektrycznego domu jednorodzinnego stworzenie bloku akumulatorów o wystarczającej pojemności jest bardzo drogie. Dlatego schemat podłączenia wygląda następująco.

Przy spadku mocy prądu elektrycznego z panelu słonecznego, blok AWR (automatyczne włączenie rezerwy) zapewnia podłączenie odbiorców do ogólnej sieci elektrycznej.

Z paneli słonecznych ładunek trafia do kontrolera ładowania, który pełni kilka funkcji: zapewnia stałe doładowanie akumulatorów i stabilizuje napięcie. Następnie prąd elektryczny trafia do inwertera, gdzie następuje przetwarzanie prądu stałego 12V lub 24V na prąd przemienny jednofazowy 220V.

Niestety, nasze sieci elektryczne nie są przystosowane do odbioru energii, mogą pracować tylko w jednym kierunku od źródła do odbiorcy. Z tego powodu nie będzie Pan/Pani mógł/mogła sprzedawać wyprodukowanej energii elektrycznej ani sprawić, aby licznik kręcił się w przeciwną stronę.

Korzystanie z paneli słonecznych jest korzystne, ponieważ dostarczają one bardziej uniwersalny rodzaj energii, ale nie mogą się równać pod względem efektywności z kolektorami słonecznymi. Jednak te ostatnie nie posiadają możliwości magazynowania energii, w przeciwieństwie do słonecznych baterii fotowoltaicznych.

Przykład obliczenia wymaganej mocy

Przy obliczaniu wymaganej mocy kolektora słonecznego bardzo często popełnia się błąd, wykonując obliczenia na podstawie docierającej energii słonecznej w najzimniejszych miesiącach roku.

Rzecz w tym, że w pozostałych miesiącach roku cały system będzie się stale przegrzewał. Temperatura czynnika grzewczego latem na wyjściu z kolektora słonecznego może osiągać 200°C przy podgrzewaniu pary lub gazu, 120°C płynu niezamarzającego, 150°C wody. Jeśli czynnik grzewczy zagotuje się, częściowo odparuje. W rezultacie trzeba go będzie wymienić.

Producenci zalecają opierać się na następujących wartościach:

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

Pozostałe niezbędne ciepło powinno być wytwarzane przez standardowe urządzenia grzewcze. Niemniej jednak przy takich wskaźnikach rocznie oszczędza się średnio około 40% na ogrzewaniu i ciepłej wodzie użytkowej.

Moc wytwarzana przez jedną rurę systemu próżniowego zależy od położenia geograficznego. Wskaźnik energii słonecznej padającej rocznie na 1 m² ziemi nazywa się insolacją.

Znając długość i średnicę rury, można obliczyć aperturę – efektywną powierzchnię pochłaniania. Pozostaje zastosować współczynniki absorpcji i emisji, aby obliczyć moc jednej rury w ciągu roku.

Przykład obliczeń:

Standardowa długość rury wynosi 1800 mm, efektywna – 1600 mm. Średnica 58 mm. Apertura – zacieniony obszar tworzony przez rurę. Zatem powierzchnia prostokąta cienia wyniesie:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

Sprawność średniej rury wynosi 80%, insolacja słoneczna dla Moskwy wynosi około 1170 kWh/m² rocznie. Zatem jedna rura wytworzy w ciągu roku:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86kWh

Należy zauważyć, że jest to bardzo przybliżone obliczenie. Ilość wytwarzanej energii zależy od orientacji instalacji, kąta nachylenia, średniej rocznej temperatury itp.

Ze wszystkimi rodzajami alternatywnych źródeł energii i sposobami ich wykorzystania można zapoznać się w przedstawionym artykule.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

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

Wideo #2. Porównanie różnych modeli kolektorów słonecznych:

Przez cały okres swojego istnienia ludzkość z każdym rokiem zużywa coraz więcej energii. Próby wykorzystania darmowego promieniowania słonecznego podejmowano już dawno, ale dopiero w ostatnim czasie stało się możliwe efektywne wykorzystanie słońca w naszych szerokościach geograficznych. Niewątpliwie przyszłość należy do systemów solarnych.

Czy chciałby Pan / chciałaby Pani podzielić się interesującymi spostrzeżeniami na temat organizacji solarnego ogrzewania domu wiejskiego lub działki? Prosimy o pozostawienie komentarza w bloku poniżej. Tutaj można również zadać pytanie, dodać zdjęcie prezentujące proces montażu systemu, podzielić się użytecznymi informacjami.