Güneş ısıtma sistemi. Modern güneş enerjisiyle ısıtma sistemleri Güneş kollektörlerinin performans karşılaştırması

doktor teknik bilimler B.I.Kazandzhan
Moskova Enerji Mühendisliği Enstitüsü
(teknik üniversite), Rusya
Enerji Dergisi, Sayı 12, 2005.

1. Giriş.

İnsanlığı yenilenebilir enerji kaynaklarının büyük ölçekli endüstriyel gelişimine dahil etmeye iten ana nedenler şunlardır:
-iklim değişikliği atmosferdeki CO2 içeriğindeki bir artışın neden olduğu;
- birçoğunun güçlü bağımlılığı Gelişmiş ülkeler, özellikle Avrupa'dakiler, yakıt ithalatından;
- sınırlı rezervler fosil yakıtlar yerde.
Kyoto Protokolü'nün dünyanın gelişmiş ülkelerinin çoğu tarafından yakın zamanda imzalanması, dünyadaki CO2 emisyonlarının azaltılmasına katkıda bulunan teknolojilerin hızlandırılmış gelişimini gündeme getirmiştir. Çevre... Bu teknolojilerin geliştirilmesindeki itici güç, yalnızca iklim değişikliği tehdidinin ve buna bağlı ekonomik kayıpların farkındalığı değil, aynı zamanda sera gazı emisyon kotalarının çok gerçek bir değere sahip bir meta haline gelmesidir. Fosil yakıt tüketimini azaltmanızı ve CO2 emisyonlarını azaltmanızı sağlayan teknolojilerden biri, sıcak su temin sistemleri, ısıtma, iklimlendirme, teknolojik ve diğer ihtiyaçlar için düşük dereceli ısı üretimidir. Güneş enerjisi... Halihazırda, insanlığın tükettiği birincil enerjinin %40'ından fazlası tam olarak bu ihtiyaçları karşılamaktadır ve güneş enerjisi teknolojileri en olgun ve ekonomik olarak yaygın pratik kullanım için kabul edilebilir olan sektördür. Birçok ülke için güneş enerjisiyle ısıtma sistemlerinin kullanımı aynı zamanda ekonominin fosil yakıt ithalatına bağımlılığını azaltmanın bir yoludur. Bu görev, ekonomisi zaten %50 fosil enerji kaynaklarının ithalatına bağımlı olan Avrupa Birliği ülkeleri için özellikle önemlidir ve 2020 yılına kadar bu bağımlılık, bu bölgenin ekonomik bağımsızlığı için bir tehdit olan %70'e yükselebilir.

2. Güneş enerjisiyle ısıtma sistemlerinin kullanım ölçeği

Ölçek hakkında modern kullanımısıtma ihtiyaçları için güneş enerjisi aşağıdaki istatistiklerle kanıtlanmıştır.
Toplam alanı Güneş panelleri 2004 yılı sonu itibariyle AB ülkelerinde kurulan 13.960.000 m2'ye, dünyada ise 150.000.000 m2'yi aşmıştır. Avrupa'da güneş kollektörleri alanındaki yıllık artış ortalama %12 olup, bazı ülkelerde %20-30 ve üzeri seviyelerine ulaşmaktadır. Kıbrıs, evlerin %90'ının güneş enerjisi tesisatı ile donatıldığı (bin kişi başına 615,7 m2 güneş kollektörü olduğu) bin kişi başına düşen toplayıcı sayısı bakımından dünya lideridir ve onu İsrail, Yunanistan ve Avusturya izlemektedir. Avrupa'da kurulu kollektörler alanında mutlak lider Almanya - %47, ardından Yunanistan - %14, Avusturya - %12, İspanya - %6, İtalya - %4, Fransa - %3. Avrupa ülkeleri güneş enerjisi sistemleri için yeni teknolojilerin geliştirilmesinde tartışmasız liderler, ancak yeni güneş enerjisi kurulumlarını devreye alma konusunda Çin'in çok gerisindeler. 2004 yılı sonunda dünyada devreye alınan güneş kolektörü sayısındaki artışa ilişkin istatistiksel veriler şu dağılımı vermektedir: Çin - %78, Avrupa - %9, Türkiye ve İsrail - %8, diğer ülkeler - %5.
İle akran değerlendirmesi ESTIF (European Federation of Solar Thermal Plants Industry) Güneş kollektörlerinin tek başına AB'de ısıtma sistemlerinde kullanılmasına yönelik teknik ve ekonomik potansiyel, yılda 680.000 GWh'den fazla termal enerji üretebilen 1,4 milyar m2'den fazladır. Yakın gelecek planları, 2010 yılına kadar bu bölgede 100.000.000 m2 kollektör kurulmasını öngörmektedir.

3. Güneş kollektörü - güneş enerjisiyle ısıtma sisteminin önemli bir unsuru

Güneş kollektörü, herhangi bir sistemin ana bileşenidir. Güneş Sistemiısı kaynağı. İçinde güneş enerjisinin ısıya dönüştürülmesi gerçekleşir. Tüm güneş enerjisi ısıtma sisteminin verimliliği ve ekonomik göstergeleri, teknik mükemmelliğine ve maliyetine bağlıdır.
Isıtma sistemlerinde kullanılan başlıca iki tip güneş kollektörü vardır: düz ve vakum.

Düz bir güneş kollektörü bir gövde, şeffaf bir mahfaza, bir soğurucu ve ısı yalıtımından oluşur (Şekil 1).

İNCİR. 1 Tipik düz plaka güneş kollektör tasarımı

Gövde ana destekleyici yapıdır.Şeffaf mahfaza güneş ışınımının kollektöre girmesine izin verir, emiciyi darbelerden korur dış ortam ile ısı kayıplarını azaltır ve ön taraf kolektör. Soğurucu, güneş ışınımını emer ve ısı alma yüzeyine bağlı borular aracılığıyla ısıyı soğutucuya aktarır. Isı yalıtımı kollektörün arka ve yan yüzeylerinden ısı kayıplarını azaltır.
Soğurucunun ısı alıcı yüzeyi, güneş spektrumunun görünür ve yakın kızılötesi bölgelerinde yüksek absorpsiyon katsayısına ve kollektörün çalışma sıcaklıklarına karşılık gelen spektral bölgede düşük emisyona sahip seçici bir kaplamaya sahiptir. En iyi modern kollektörler %94-95 aralığında bir absorpsiyon katsayısına, %3-8'lik bir emisyona ve ısıtma sistemleri için tipik olan çalışma sıcaklıkları aralığındaki verim %50'yi aşar Modern kollektörlerde seçici olmayan siyah absorber kaplama yüksek radyasyon kayıpları nedeniyle nadiren kullanılır ... Şekil 2, modern düz plaka toplayıcıların örneklerini göstermektedir.

Vakum kollektörlerinde (Şekil 3), emicinin her bir elemanı, içinde havanın konveksiyon ve ısı iletiminden kaynaklanan ısı kayıplarının neredeyse tamamen bastırıldığı bir vakumun oluşturulduğu ayrı bir cam tüpe yerleştirilir. Soğurucu yüzeyindeki seçici kaplama, radyasyon kayıplarını en aza indirir. Sonuç olarak, bir vakumlu kollektörün verimliliği, düz bir kollektörünkinden önemli ölçüde daha yüksektir ve maliyeti de önemli ölçüde daha yüksektir.

a B

Şekil 2 Düz güneş kollektörleri

a) Wagner firması, b) Feron firması

a B

Şekil 3 Wissman'dan vakum manifoldu
a) Genel form, B) bağlantı şeması

3. Güneş enerjisi besleme sistemlerinin termal diyagramları

Dünya pratiğinde en yaygın olanı küçük güneş ısıtma sistemleridir. Kural olarak, bu tür sistemler, toplam 2-8m2 alana sahip güneş kollektörlerini, bir depolama tankını, kapasitesini içerir. kullanılan kollektörlerin alanına göre belirlenen, sirkülasyon pompası veya pompalar (termik devrenin tipine bağlı olarak) ve diğerleri yardımcı ekipman... Küçük sistemlerde, soğutucunun kollektör ile depolama tankı arasındaki sirkülasyonu, doğal konveksiyon (termosifon prensibi) nedeniyle pompa olmadan gerçekleştirilebilir. Bu durumda, depolama tankı kollektörün üzerine yerleştirilmelidir. Bu tür kurulumların en basit türü, kollektörün üst ucunda bulunan bir depolama tankı ile birleştirilmiş bir kollektördür (Şekil 4). Bu tip sistemler genellikle küçük, tek aileli kulübe tipi evlerde sıcak su temini için kullanılır.

Şekil 4 Termosifon güneş enerjisi ısıtma sistemi.

İncirde. 5 aktif bir sistem örneğini gösterir daha büyük boy Akümülatör tankının kollektörlerin altına yerleştirildiği ve soğutucunun sirkülasyonu bir pompa kullanılarak gerçekleştirilir. Bu tür sistemler ihtiyaçlar ve sıcak su temini ve ısıtma için kullanılır. Kural olarak, ısıtma yükünün bir kısmının karşılanmasına katılan aktif sistemlerde, elektrik veya gaz kullanılarak bir yedek ısı kaynağı sağlanır. .

Şekil 5 termal devre aktif güneş enerjisi sıcak su temini ve ısıtma sistemi

Güneş ısısı kaynağı kullanma pratiğinde nispeten yeni bir olgu sıcak su temini ve ısıtma ihtiyaçlarını karşılayabilen büyük sistemlerdir. apartman binaları veya tüm yerleşim alanları. Bu sistemler ya günlük ya da mevsimlik ısı depolama kullanır.
Günlük birikim, sistemi birkaç gün, mevsimsel - birkaç ay boyunca birikmiş ısıyı kullanarak çalıştırma olasılığını varsayar.
Mevsimsel ısı birikimi için, yaz aylarında kollektörlerden alınan tüm fazla ısının boşaltıldığı, suyla dolu büyük yeraltı rezervuarları kullanılır. Mevsimsel birikim için başka bir seçenek, içinden dolaştığı borulu kuyular yardımıyla toprak ısıtmasıdır. sıcak su koleksiyonerlerden geliyor.

Tablo 1, tek ailelik bir ev için küçük bir güneş enerjisi sistemine kıyasla günlük ve mevsimlik ısı depolamalı büyük güneş enerjisi sistemlerinin ana parametrelerini göstermektedir.

1. Güneş kollektörleri.

Güneş kollektörü, güneş radyasyonunun enerjisinin başka bir faydalı enerji biçimine dönüştürüldüğü kurulumun ana unsurudur. Bir sıvıdan diğerine yoğun bir ısı transferinin olduğu ve radyasyonun önemsiz olduğu geleneksel ısı eşanjörlerinden farklı olarak, bir güneş kollektöründe enerji, sıvıya uzak bir kaynaktan aktarılır. radyan enerji... Güneş ışınlarının konsantrasyonu olmadan, gelen radyasyonun akı yoğunluğu en iyi -1100 W/m2'dir ve değişkendir. Dalga boyları 0,3 - 3,0 mikron aralığındadır. Radyasyonu emen çoğu yüzeyin içsel radyasyonunun dalga boylarından önemli ölçüde daha azdır. Bu nedenle, güneş kollektörlerinin incelenmesi, düşük ve değişken enerji akışı yoğunluklarında ve göreceli olarak ısı transferinin benzersiz problemleriyle ilişkilidir. büyük rol radyasyon.

Güneş kollektörleri konsantrasyonlu veya konsantrasyonsuz olarak kullanılabilir Güneş radyasyonu... Düz kollektörlerde güneş ışınımını alan yüzey aynı zamanda ışınımı emen yüzeydir. Odaklayıcı toplayıcılar, genellikle içbükey reflektörler, tüm yüzeylerine gelen radyasyonu daha küçük bir yüzey alanına sahip bir ısı eşanjörüne yoğunlaştırır, böylece enerji akışı yoğunluğunu arttırır.

1.1. Düz güneş kollektörleri. Düz bir güneş kollektörü, güneş radyasyonunun enerjisini kullanarak bir sıvıyı veya gazı ısıtmak için tasarlanmış bir ısı eşanjörüdür.

Yassı kolektörler, soğutucuyu t ≈ 100 o C orta sıcaklıklara ısıtmak için kullanılabilir. Avantajları arasında hem doğrudan hem de saçılan güneş radyasyonu kullanma olasılığı; güneş takibi gerektirmezler ve günlük bakım gerektirmezler. Yapısal olarak, konsantre reflektörler, emici yüzeyler ve izleme mekanizmalarından oluşan bir sistemden daha basittirler. Güneş kollektörlerinin uygulama alanı konut ve ısıtma sistemleridir. endüstriyel binalar, klima sistemleri, sıcak su temini ve ayrıca düşük kaynama noktalı çalışma sıvısına sahip enerji santralleri, genellikle Rankine döngüsüne göre çalışır.

Tipik bir düz güneş kollektörünün ana elemanları (Şekil 1) şunlardır: güneş ışınımını emen ve enerjisini bir soğutucuya (genellikle bir sıvı) aktaran "siyah" bir yüzey; atmosfere konvektif ve radyasyon kayıplarını azaltan, soğurucu yüzeyin üzerinde bulunan güneş radyasyonuna karşı şeffaf kaplamalar; ısıl iletkenlikten kaynaklanan kayıpları azaltmak için kollektörün dönüş ve uç yüzeylerinin ısı yalıtımı.

1. Şematik diyagram düz güneş kollektörü.

a) 1 - şeffaf kaplamalar; 2 - yalıtım; 3 - ısı taşıyıcılı boru; 4 - emici yüzey;

B) 1.güneş ışınımını emen yüzey, 2-soğutucu kanal, 3-cam (??), 4-kutu,

5- ısı yalıtımı.

Şekil 2 Bir levha borulu güneş kollektörü.

1 - üst hidrolik manifold; 2 - alt hidrolik manifold; 3 - birbirinden W mesafesinde bulunan n borular; 4 - tabaka (emici plaka); 5-bağlantı; 6 - boru (ölçeksiz);

7 - yalıtım.

1.2. toplayıcı verimliliği... Bir kollektörün verimi, optik ve termal verimi ile belirlenir. Optik verim ηo, kollektör cam yüzeyine ulaşan güneş ışınımının ne kadarının soğurucu siyah yüzey tarafından soğurulduğunu gösterir ve cam geçirgenlik biriminden farkla ilişkili enerji kayıplarını ve soğurma katsayısının soğurma katsayısını hesaba katar. yüzey. Tek camlı koleksiyoncular için

burada (τα) n, cam geçirgenliğinin τ çarpımı ile emici yüzey radyasyonunun absorpsiyon katsayısı a'dır. normal düşüş Güneş ışınları.

Işınların geliş açısının doğrudan olandan farklı olması durumunda, camdan yansıma ve güneş ışınımını emen bir yüzeyden kaynaklanan kayıplardaki artış dikkate alınarak bir düzeltme faktörü k eklenir. İncirde. Şekil 3, tek ve çift camlı kollektörler için k = f (1 / cos 0 - 1) grafiklerini göstermektedir. Direkt dışındaki ışınların geliş açısı dikkate alınarak optik verim,

Pirinç. 3. Güneş ışığının cam yüzeyden ve siyah emici yüzeyden yansıması için düzeltme faktörü.

Herhangi bir tasarıma sahip bir kollektördeki bu kayıplara ek olarak, ısıl verim tarafından dikkate alınan ve bir süre için kollektörden çıkarılan faydalı ısı miktarının oranına eşit olan çevreye ısı kayıpları Q ter vardır. Aynı zamanda Güneş'ten kendisine sağlanan radyasyon enerjisi miktarına belirli bir süre:

Ω, toplayıcı açıklığının alanıdır; I - güneş radyasyonu akı yoğunluğu.

Kollektörün optik ve termal verimliliği, oran ile ilişkilidir.

Isı kayıpları, toplam kayıp faktörü U ile karakterize edilir.

burada Ta güneş ışınımını emen siyah yüzeyin sıcaklığıdır; T yaklaşık ortam sıcaklığıdır.

U değeri, hesaplamalar için yeterli bir doğrulukla sabit olarak kabul edilebilir. Bu durumda, termal verim formülünde Q terinin ikamesi aşağıdaki denkleme yol açar:

Kolektörün ısıl verimi, içinden akan soğutucunun ortalama sıcaklığı cinsinden de yazılabilir:

burada T t = (T in + T out) / 2, soğutucunun ortalama sıcaklığıdır; F "genellikle" kollektör verimliliği " olarak adlandırılan ve güneş ışınımını emen bir yüzeyden bir soğutucuya ısı transferinin verimliliğini karakterize eden bir parametredir; kollektörün tasarımına bağlıdır ve neredeyse diğer faktörlerden bağımsızdır; tipik değerleri parametre F" ≈: 0.8- 0.9 - düz hava kollektörleri için; 0.9-0.95 - düz sıvı toplayıcılar için; 0.95-1.0 - vakum toplayıcılar için.

1.3. Vakum toplayıcılar. Daha fazla ısıtma gerektiğinde yüksek sıcaklıklar vakum manifoldları kullanın. Bir vakum toplayıcıda, güneş ışınımını emen siyah bir yüzey içeren hacim, boşaltılmış bir boşlukla ortamdan ayrılır, bu da ısı iletimi ve taşınım nedeniyle çevreye olan ısı kaybını önemli ölçüde azaltabilir. Radyasyon kayıpları, seçici kaplamaların kullanımıyla büyük ölçüde bastırılır. Çünkü tam oran vakum toplayıcıdaki kayıplar küçüktür, içindeki soğutucu düz bir kollektörden daha yüksek sıcaklıklara (120-150 ° C) ısıtılabilir. İncirde. 9.10, vakum toplayıcıların yapıcı uygulamasının örneklerini gösterir.

Pirinç. 4. Vakum toplayıcı çeşitleri.

1 - soğutuculu tüp; 2 - güneş ışınımını emen seçici bir kaplamaya sahip bir plaka; 3 ısı borusu; 4 ısı giderici eleman; 5 cam tüp seçici kaplama ile; b - soğutucuyu beslemek için iç boru; 7 dış cam kap; 8 vakum

Özel bir kulübede veya dairede konfor için ana kriter sıcaklıktır. Soğuk bir evde en şık ortam bile rahat koşullar... Ancak, sadece yazın değil, kışın da odada yaşamak için en uygun sıcaklığın korunması için bir ısıtma sistemi kurmanız gerekecektir.

Bu, günümüzde bir ısı kaynağı olarak bir gaz, dizel veya elektrikli kazan satın alarak kolayca yapılabilir. Ancak sorun şu ki, bu tür ekipmanların yakıtı pahalıdır ve her yerde mevcut değildir. Yerleşmeler... O zaman ne seçilir? En iyi çözüm vardır alternatif kaynaklarısı ve özellikle güneş enerjisiyle ısıtma.

Cihaz ve çalışma prensibi

Böyle bir sistem nedir? Her şeyden önce, iki seçeneğin olduğu söylenmelidir. güneş enerjisiyle ısıtma... Çeşitli kullanımını içerirler yapıcı bir şekilde, ve öğelerin amacına göre:

• Kolektör;
• Fotovoltaik paneli.

Ve eğer birinci tip ekipman sadece iç mekanda bakım amaçlıysa rahat sıcaklık, sonra Solar paneller ev ısıtması için elektrik ve ısı üretmek için kullanılabilir. Çalışma prensipleri, güneş enerjisinin dönüştürülerek çeşitli ihtiyaçlarda kullanılabilecek şekilde pillerde depolanmasına dayanmaktadır.

Videoyu izliyoruz, bu koleksiyoncu hakkında her şey:

Bir kollektör kullanımı, kullanırken sadece özel bir ev için güneş enerjisi ısıtma sistemleri düzenlemenize izin verir. Termal enerji... Böyle bir cihaz çalışır Aşağıdaki şekilde... Güneş ışınları, bir ısı taşıyıcı olan ve boru hattından gelen suyu ısıtır. Aynı sistem sıcak su temini olarak da kullanılabilir. Kompozisyon özel fotoseller içerir.

toplayıcı cihaz

Ancak bunların yanı sıra, eksiksiz güneş enerjisi ısıtma seti şunları içerir:

• Özel tankı;
• Avankamera;
• Tüplerden yapılmış ve ön duvarı camdan yapılmış bir kutu içine alınmış radyatör.

Ev ısıtması için güneş panelleri çatıda yer almaktadır. İçinde ısınan su, sıcak bir soğutucu ile değiştirildiği ön odaya hareket eder. Bu, sistemde sabit dinamik basıncın korunmasını sağlar.

Alternatif kaynaklar kullanan ısıtma türleri

Bir armatürün enerjisini ısıya dönüştürmenin en kolay yolu, evinizi ısıtmak için güneş panelleri kullanmaktır. olarak giderek daha fazla kullanılıyorlar ek kaynaklar enerji. Ancak bu cihazlar nelerdir ve gerçekten etkili midirler?

Videoyu, çeşitlerini ve çalışma özelliklerini izliyoruz:

Evin çatısına kurulan güneş enerjisi sisteminin görevi, mümkün olduğu kadar çok güneş ışınımını emmek ve sonra onu güneş ışığına dönüştürmektir. bir kişi için gerekli enerji. Ancak hem termal hem de elektrik enerjisine dönüştürülebileceği akılda tutulmalıdır. Güneş enerjisi ısıtma sistemleri, ısı ve su ısıtmak için kullanılır. almak için elektrik akımıözel piller kullanın. Gündüz enerji depolarlar ve geceleri serbest bırakırlar. Ancak bugün var kombine sistemler... İçlerinde güneş panelleri aynı anda ısı ve elektrik üretir.

Ev ısıtması için güneş enerjili su ısıtıcılarına gelince, piyasada geniş bir yelpazede sunulmaktadır. Ayrıca, modellerin sahip olabileceği çeşitli amaçlar, tasarım, çalışma prensibi, boyutlar.

Çeşitli seçenekler

Örneğin, göre dış görünüş ve özel bir evin ısıtma sisteminin tasarımı şu şekilde ayrılır:

1. Düz;
2. Borulu vakum.

Amaca göre, aşağıdakiler için kullanıldığı şekilde sınıflandırılırlar:

• Isıtma ve sıcak su temini sistemleri;
• Havuzdaki suyu ısıtmak için.

Çalışma prensibinde farklılıklar vardır. Kolektörler ile güneş enerjisi ile ısıtma mükemmel seçim için kır evleri, çünkü elektrik bağlantısı gerektirmezler. olan modeller zorunlu dolaşım bağlanmak ortak sistemısıtma, içlerinde soğutucunun sirkülasyonu bir pompa kullanılarak gerçekleştirilir.

Videoyu izliyoruz, düz ve borulu toplayıcıları karşılaştırıyoruz:

Tüm kollektörler güneş enerjisiyle ısıtma için uygun değildir kır evi... Bu kritere göre, ayrılırlar:

• mevsimsel;
• Yıl boyunca.

Birincisi banliyö binalarını ısıtmak için, ikincisi özel evlerde kullanılır.

Geleneksel ısıtma sistemleriyle karşılaştırın

Bu ekipmanı gaz veya elektrikle karşılaştırırsak, çok daha fazla avantajı vardır. Her şeyden önce, bu yakıt ekonomisidir. Yaz aylarında, güneş enerjisiyle ısıtma, evde yaşayan insanlara tam olarak sağlayabilir. sıcak su... Sonbahar ve ilkbaharda, birkaç açık gün olduğunda, standart bir kazandaki yükü azaltmak için ekipman kullanılabilir. Kış mevsimine gelince, genellikle bu zamanda kollektörlerin verimi çok düşüktür.

Videoyu izliyoruz, koleksiyonerlerin kışın verimliliği:

Ancak yakıt tasarrufuna ek olarak, çalışan ekipmanların kullanımı Güneş enerjili, gaz ve elektriğe olan bağımlılığı azaltır. Güneş enerjisiyle ısıtma kurmak için izin almanıza gerek yoktur ve temel sıhhi tesisat bilgisine sahip herkes bunu kurabilir.

Videoyu izliyoruz, ekipman seçimi kriterleri:

Başka bir artı, kollektörün uzun hizmet ömrüdür. Ekipmanın garantili hizmet ömrü en az 15 yıldır, bu da bu süre için elektrik faturalarınızın minimum düzeyde olacağı anlamına gelir.

Ancak, herhangi bir cihaz gibi, toplayıcının da bazı dezavantajları vardır:

• Üzerinde güneş enerjili su ısıtıcılarıözel bir ev için fiyat oldukça yüksektir;
• Tek ısı kaynağı olarak kullanılamaması;
• Bir depolama tankının montajı gereklidir.

Bir nüans daha var. Güneş enerjisiyle ısıtma verimliliği bölgeye göre değişir. Güneş aktivitesinin yüksek olduğu güney bölgelerinde, ekipman en yüksek verime sahip olacak. Bu nedenle, bu tür ekipmanı güneyde kullanmak en karlı ve kuzeyde daha az etkili olacaktır.

Güneş kollektörü seçimi ve montajı

Dahil edilen ekipmanın kurulumuna devam etmeden önce ısıtma sistemi olasılıklarını incelemek gerekir. Bir evi ısıtmak için ne kadar ısı gerektiğini bulmak için alanını hesaplamanız gerekir. Güneş kollektörünü kurmak için doğru yeri seçmek önemlidir. Gün boyunca mümkün olduğunca aydınlatılmalıdır. Bu nedenle, ekipman genellikle çatının güney kısmına kurulur.

Verim kurulum işleri uzmanlara emanet etmek daha iyidir, çünkü güneş enerjisiyle ısıtma sisteminin kurulumundaki küçük bir hata bile sistemin verimliliğinde önemli bir düşüşe yol açacaktır. Yalnızca doğru kurulum güneş kollektörü, 25 yıla kadar dayanır ve ilk 3 yılda kendini tamamen amorti eder.

Başlıca koleksiyoncu türleri ve özellikleri

Bina herhangi bir nedenle ekipmanın montajı için uygun değilse, panelleri bitişik binaya yerleştirebilir ve sürücüyü bodrum katına koyabilirsiniz.

Güneş enerjisiyle ısıtmanın faydaları

Bu sistemi seçerken dikkat etmeniz gereken nüanslar yukarıda tartışıldı. Ve her şeyi doğru yaptıysanız, güneş enerjisi sisteminiz size sadece hoş anlar... Avantajları arasında şunlara dikkat edilmelidir:

• Sıcaklığı ayarlama yeteneği ile evin tüm yıl boyunca ısı sağlama yeteneği;
• Merkezi sistemden tam özerklik yardımcı ağlar ve daha düşük finansal maliyetler;
• Güneş enerjisinin çeşitli ihtiyaçlar için kullanımı;
• Uzun operasyonel ömür ekipman ve nadir acil durumlar.

Tüketicileri özel bir evi ısıtmak için bir güneş enerjisi sistemi satın almaktan alıkoyan tek şey, çalışmalarının ikamet ettikleri coğrafyaya bağımlılığıdır. Bölgenizde açık günler nadir ise, ekipmanın verimliliği minimum olacaktır.

Güneş ısıtma sistemleri

4.1. Güneş sistemlerinin sınıflandırılması ve temel elemanları

Solar ısıtma sistemleri, termal enerji kaynağı olarak güneş radyasyonu kullanan sistemlerdir. Diğer düşük sıcaklıklı ısıtma sistemlerinden karakteristik farkı, güneş radyasyonunu yakalamak ve onu termal enerjiye dönüştürmek için tasarlanmış bir güneş alıcısı olan özel bir elemanın kullanılmasıdır.

Güneş radyasyonu kullanma yöntemine göre, güneş enerjisi düşük sıcaklıklı ısıtma sistemleri pasif ve aktif olarak ayrılır.

Pasif sistemler, binanın kendisinin veya münferit mahfazalarının (kolektör binası, kollektör duvarı, kollektör çatısı vb.) güneş ışınımını alan ve ısıya dönüştüren bir eleman olarak hizmet ettiği güneş enerjisi ısıtma sistemleridir. )).

Pirinç. 4.1.1 Pasif düşük sıcaklıklı güneş enerjisi ısıtma sistemi “duvar toplayıcı”: 1 - Güneş ışınları; 2 - ışın geçirgen ekran; 3 - hava damperi; 4 - ısıtılmış hava; 5 - odadan soğutulmuş hava; 6 - duvar dizisinin kendi uzun dalga termal radyasyonu; 7 - siyah ışını algılayan duvar yüzeyi; 8 - panjur.

Düşük sıcaklıklı güneş enerjisi ısıtma sistemleri, güneş kollektörünün bina ile ilgili olmayan bağımsız, ayrı bir cihaz olduğu aktif sistemler olarak adlandırılır. Aktif güneş sistemleri alt bölümlere ayrılabilir:

amaca göre (sıcak su tedarik sistemleri, ısıtma sistemleri, ısıtma ve soğuk tedarik amaçlı kombine sistemler);

kullanılan soğutucu tipine göre (sıvı - su, antifriz ve hava);

çalışma süresine göre (yıl boyu, mevsimlik);

şemaların teknik çözümüne göre (tek, iki, çok devreli).

Hava, tüm çalışma parametreleri aralığında yaygın olarak kullanılan, donmayan bir soğutma sıvısıdır. Isı taşıyıcı olarak kullanıldığında, ısıtma sistemlerini bir havalandırma sistemi ile birleştirmek mümkündür. Bununla birlikte, hava, su sistemlerine kıyasla hava ısıtma sistemlerinin cihazı için metal tüketiminde bir artışa yol açan düşük ısılı bir ısı taşıyıcıdır.

Su, ısıyı tutan ve yaygın olarak bulunan bir ısı taşıyıcıdır. Ancak 0°C'nin altındaki sıcaklıklarda, üzerine donma önleyici sıvılar eklemek gerekir. Ek olarak, oksijenle doymuş suyun boru hatlarında ve aparatlarda korozyona neden olduğu unutulmamalıdır. Ancak su güneş sistemlerinde metal tüketimi çok daha düşüktür, bu da daha geniş uygulamalarına büyük ölçüde katkıda bulunur.

Mevsimlik güneş enerjili sıcak su sistemleri genellikle tek devrelidir ve yaz ve geçiş aylarında, dış sıcaklığın pozitif olduğu dönemlerde çalışır. Hizmet verilen tesisin amacına ve çalışma koşullarına bağlı olarak, ek bir ısı kaynağına sahip olabilirler veya onsuz yapabilirler.

Binalar için güneş enerjisiyle ısıtma sistemleri genellikle çift devreli veya çoğu zaman çok devrelidir ve farklı devreler için farklı soğutucular kullanılabilir (örneğin, bir güneş devresinde - sulu çözeltiler donmayan sıvılar, ara devrelerde - su ve tüketici devresinde - hava).

Binaların ısı ve soğuk tedariki için yıl boyunca birleşik güneş enerjisi sistemleri çok devrelidir ve geleneksel fosil yakıtlı ısı üreteci veya ısı transformatörü şeklinde ek bir ısı kaynağı içerir.

Güneş enerjisiyle ısı besleme sisteminin şematik bir diyagramı Şekil 4.1.2'de gösterilmektedir. Üç sirkülasyon devresi içerir:

güneş kollektörleri 1, bir sirkülasyon pompası 8 ve bir sıvı ısı eşanjöründen 3 oluşan birinci devre;

bir depolama tankı 2, bir sirkülasyon pompası 8 ve bir ısı eşanjöründen 3 oluşan bir ikinci devre;

bir depolama tankı 2, bir sirkülasyon pompası 8, bir su-hava ısı eşanjörü (hava ısıtıcısı) 5'ten oluşan üçüncü devre.

Pirinç. 4.1.2. Güneş enerjisi besleme sisteminin şematik diyagramı: 1 - güneş kollektörü; 2 - depolama tankı; 3 - ısı eşanjörü; 4 - bina; 5 - hava ısıtıcısı; 6 - ısıtma sistemi için yedekleme; 7 - sıcak su temin sisteminin iki katı; 8 - sirkülasyon pompası; 9 - hayran.

Güneş enerjisi ısıtma sistemi aşağıdaki gibi çalışır. Güneş kollektörlerinde 1 ısıtılan ısı alıcı devrenin ısı taşıyıcısı (antifriz), ısı eşanjörüne 3 girer, burada antifriz ısısı, ısı eşanjörünün 3 halka şeklindeki boşluğunda dolaşan suya aktarılır. ikincil devrenin pompasının 8 hareketi. Isınan su, depolama tankına 2 girer. Depolama tankından su, sıcak su besleme pompası 8 tarafından alınır, gerekirse yedekte 7 gerekli sıcaklığa getirilir ve bina sıcak su tedarik sistemine girer. Depolama tankının makyajı su besleme sisteminden gerçekleştirilir.

Isıtma için, depolama tankından 2 gelen su, üçüncü devrenin 8 pompası tarafından, fan 9 yardımıyla havanın geçtiği ve ısıtıldığında binaya 4 girdiği ısıtıcıya 5 verilir. güneş radyasyonu veya güneş kollektörleri tarafından üretilen ısı enerjisi eksikliği, yedek devreye alınır 6.

Her bir özel durumda güneş enerjisi tedarik sisteminin elemanlarının seçimi ve düzenlenmesi, iklim faktörleri, nesnenin amacı, ısı tüketimi modu ve ekonomik göstergeler tarafından belirlenir.

4.2. Konsantre güneş kollektörleri

Konsantre güneş kollektörleri, cilalı metalden yapılmış küresel veya parabolik aynalardır (Şekil 4.2.1), odağına bir ısı alıcı elemanın (güneş enerjisi kazanı) yerleştirildiği ve içinden soğutma sıvısının dolaştığı. Isı taşıyıcı olarak su veya donmayan sıvılar kullanılır. Geceleri ve soğuk bir dönemde ısı taşıyıcı olarak su kullanıldığında, donmasını önlemek için sistem boşaltılmalıdır.

Güneş radyasyonunu yakalama ve dönüştürme işleminin yüksek verimliliğini sağlamak için, konsantre güneş alıcısı sürekli olarak Güneş'e doğrultulmalıdır. Bu amaçla güneş alıcısı, güneş yön sensörü, elektronik sinyal dönüştürme ünitesi, güneş alıcı yapısını iki düzlemde döndürmek için dişli kutulu bir elektrik motoru içeren bir izleme sistemi ile donatılmıştır.

Pirinç. 4.2.1. Konsantre güneş kollektörleri: a - parabolik yoğunlaştırıcı; b - parabolik-silindirik yoğunlaştırıcı; 1 - güneş ışınları; 2 - ısı emici eleman (güneş kollektörü); 3 - ayna; 4 - izleme sisteminin tahrik mekanizması; 5 - soğutucuyu besleyen ve çıkaran boru hatları.

Konsantre güneş kollektörlü sistemlerin avantajı, nispeten yüksek sıcaklıkta (100 ° C'ye kadar) ısı ve hatta buhar üretme yeteneğidir. Dezavantajlar, yapının yüksek maliyetini içerir; yansıtıcı yüzeylerin tozdan sürekli temizlenmesi ihtiyacı; sadece gündüz saatlerinde çalışır ve bu nedenle büyük pillere ihtiyaç duyar; üretilen enerji ile orantılı olarak güneş takip sisteminin tahriki için büyük enerji tüketimi. Bu dezavantajlar, yoğunlaştırılmış güneş kollektörleri ile aktif düşük sıcaklıklı güneş enerjisi ısıtma sistemlerinin yaygın kullanımını kısıtlamaktadır. Son zamanlarda, düz güneş kollektörleri en çok güneş enerjisi düşük sıcaklıklı ısıtma sistemleri için kullanılmaktadır.

4.3. Düz güneş kollektörleri

Düz bir güneş kollektörü, güneş enerjisini emmek ve onu termal enerjiye dönüştürmek için bir emici düz panel ve düz şeffaf yalıtıma sahip bir cihazdır.

Düz güneş kollektörleri (Şekil 4.3.1), cam veya plastik kapak (tekli, ikili, üçlü), güneşe bakan tarafı siyaha boyanmış ısı emici panel, arkası yalıtım ve gövdeden (metal, plastik) oluşur. , cam, ahşap).

Pirinç. 4.3.1. Düz güneş kollektörü: 1 - güneş ışınları; 2 - cam; 3 - durum; 4 - ısı emici yüzey; 5 - ısı yalıtımı; 6 - dolgu macunu; 7 - ısı alan plakanın içsel uzun dalga radyasyonu.

Soğutucu kanalları olan herhangi bir metal veya plastik levha, ısı emici panel olarak kullanılabilir. Isı emici paneller iki tip alüminyum veya çelikten yapılır: sac boru ve damgalı paneller (levha içinde boru). Plastik paneller, kırılganlıkları ve güneş ışığının etkisi altında hızlı yaşlanmalarının yanı sıra düşük ısı iletkenliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Güneş ışınımının etkisi altında, ısıya duyarlı paneller ortam sıcaklığından daha yüksek olan 70-80 °C sıcaklıklara ısıtılır, bu da panelin çevreye olan taşınımla ısı transferinde ve kendi radyasyonunda artışa neden olur. gökyüzüne. Soğutma sıvısının daha yüksek sıcaklıklarını elde etmek için, plakanın yüzeyi, güneşten gelen kısa dalga boylu radyasyonu aktif olarak emen ve spektrumun uzun dalga boylu kısmında kendi termal radyasyonunu azaltan spektral olarak seçici katmanlarla kaplanır. "Siyah nikel", "siyah krom", alüminyum üzerinde bakır oksit, bakır üzerinde bakır oksit ve diğerlerine dayanan bu tür tasarımlar pahalıdır (maliyetleri genellikle ısı emici panelin maliyetiyle orantılıdır). Düz plakalı kollektörlerin performansını artırmanın bir başka yolu da ısı kaybını azaltmak için ısı emici panel ile şeffaf yalıtım arasında bir vakum oluşturmaktır (dördüncü nesil güneş kollektörleri).

Güneş kollektörlerine dayalı güneş enerjisi tesisatlarını çalıştırma deneyimi, bu tür sistemlerin bir takım önemli dezavantajlarını ortaya çıkarmıştır. Her şeyden önce, bu koleksiyoncuların yüksek maliyetidir. Seçici kaplamalar nedeniyle çalışmalarının verimliliğinin arttırılması, camın şeffaflığının arttırılması, tahliye ve ayrıca soğutma sisteminin düzenlenmesi ekonomik olarak kârsızdır. Önemli bir dezavantaj, camların tozdan sık sık temizlenmesi ihtiyacıdır, bu da kollektörün endüstriyel alanlarda kullanımını pratik olarak dışlar. Güneş kollektörlerinin uzun süreli çalışması sırasında, özellikle kış koşullarında, camın bütünlüğünün ihlali nedeniyle aydınlatılan ve kararan cam alanlarının düzensiz genişlemesi nedeniyle sık sık arızalanmaları gözlemlenir. Ayrıca nakliye ve kurulum sırasında yüksek oranda kollektör arızası vardır. Kollektörlü sistemlerin önemli bir dezavantajı, yıl ve gün boyunca yükün eşitsizliğidir. Avrupa'da ve Rusya'nın Avrupa kısmında yüksek oranda yayılan radyasyonla (% 50'ye kadar) işletme kollektörlerinin deneyimi, yıl boyunca özerk bir sıcak su temini ve ısıtma sistemi oluşturmanın imkansızlığını göstermiştir. Orta enlemlerde güneş kollektörlü tüm güneş enerjisi sistemleri, büyük hacimli depolama tanklarının cihazını ve sisteme ek bir enerji kaynağının dahil edilmesini gerektirir, bu da kullanımlarının ekonomik etkisini azaltır. Bu bağlamda, ortalama güneş radyasyonu yoğunluğunun yüksek olduğu (300 W / m2'den az olmayan) alanlarda kullanılması en çok tavsiye edilir.

Ukrayna'da güneş enerjisini kullanmak için potansiyel fırsatlar

Ukrayna topraklarında, yıllık ortalama bir gün ışığı saati için güneş radyasyonu enerjisi, 1 m2 başına ortalama 4 kW ∙ saattir. yaz günleri- 6 - 6,5 kWh'ye kadar), yani her biri için yılda yaklaşık 1,5 bin kWh metrekare... Bu, güneş enerjisi kullanımının en yaygın olduğu Orta Avrupa'dakiyle hemen hemen aynıdır.

Uygun iklim koşullarına ek olarak, Ukrayna güneş enerjisi kullanımı alanında yüksek nitelikli bilimsel personele sahiptir. Döndükten sonra Prof. Boyko B.T. UNESCO'nun güneş enerjisi kullanımına ilişkin uluslararası programına (1973-1979) başkanlık ettiği UNESCO'dan, Kharkiv Politeknik Enstitüsü'nde (şimdi Ulusal Teknik Üniversitesi) yoğun bilimsel ve organizasyonel faaliyetlere başladı. - KhPI) güneş enerjisi için malzeme biliminin yeni bir bilimsel ve eğitimsel yönünün geliştirilmesine ilişkin. Zaten 1983 yılında, SSCB Yüksek Öğretim Bakanlığı'nın 07/13/83 tarih ve N 885 sayılı kararına göre, Kharkov Politeknik Enstitüsü'nde, SSCB yüksek okulunun uygulamasında ilk kez, fizikçilerin eğitimi Güneş enerjisi için malzeme bilimi alanında profilleme ile “Metallerin Fiziği” uzmanlığı çerçevesinde başlamıştır. Bu, 1988 yılında "Elektronik ve güneş enerjisi için fiziksel malzeme bilimi" (FMEG) mezun bölümünün oluşturulmasının temellerini attı. FMEG Bölümü, Enstrüman Mühendisliği Teknolojisi Bilimsel Araştırma Enstitüsü (Kharkov) ile işbirliği içinde uzay programı Ukrayna, verimlilikle silikon güneş pillerinin oluşturulmasında yer aldı. on üç - Ukrayna uzay aracı için %14.

1994 yılından bu yana, FMEG Bölümü, Stuttgart Üniversitesi ve Avrupa Topluluğu'nun yanı sıra Zürih Teknoloji Üniversitesi ve İsviçre Ulusal Bilim Topluluğu'nun desteğiyle, PVC filmlerinin geliştirilmesi üzerine bilimsel araştırmalara aktif olarak katılmaktadır.