Sončna energija kot alternativni vir energije: vrste in značilnosti heliosistemov
V zadnjem desetletju se sončna energija kot alternativni vir energije vse pogosteje uporablja za ogrevanje in oskrbo zgradb s toplo vodo. Glavni razlog je želja po zamenjavi tradicionalnih goriv z dostopnimi, okolju prijaznimi in obnovljivimi energetskimi viri.
Pretvorba sončne energije v toplotno poteka v heliosistemih – konstrukcija in princip delovanja modula določata specifiko njegove uporabe. V tem gradivu si bomo ogledali vrste sončnih kolektorjev in principe njihovega delovanja ter predstavili priljubljene modele sončnih modulov.
Vsebina članka:
Smotrnost uporabe heliosistema
Sončni sistem – sklop za pretvarjanje sončne sevalne energije v toplotno, ki se nato prenaša v toplotni izmenjevalnik za ogrevanje toplotnega nosilca ogrevalnega sistema ali sistema za oskrbo z vodo.
Učinkovitost sončne toplotne naprave je odvisna od sončnega obsevanja – količine energije, ki prispe v enem sončnem dnevu na 1 m² površine, postavljene pod kotom 90° glede na smer sončnih žarkov. Merilna vrednost kazalnika je kWh/m², vrednost parametra se spreminja glede na letni čas.
Povprečna raven sončnega obsevanja za območje zmerno celinskega podnebja je 1000–1200 kWh/m² (na leto). Količina sonca je odločilen parameter za izračun zmogljivosti sončnega sistema.

Montaža sistema sončnega ogrevanja je drag ukrep. Da bi se kapitalski izdatki povrnili, sta potrebna natančen izračun sistema in upoštevanje tehnologije namestitve.
Primer. Povprečna vrednost sončnega obsevanja za Tulo sredi poletja je 4,67 kW/m²*dan ob predpostavki, da je plošča sistema nameščena pod kotom 50°. Učinkovitost sončnega kolektorja s površino 5 m² se izračuna na naslednji način: 4,67*4=18,68 kW toplotne energije na dan. Ta količina zadošča za segrevanje 500 l vode s temperature 17 °C na 45 °C.

Ko govorimo o smiselnosti uvedbe novih tehnologij, je pomembno upoštevati tehnične značilnosti določenega sončnega kolektorja. Nekateri začnejo delovati pri 80 W/m² sončne energije, drugim pa zadostuje 20 W/m².
Tudi v južnem podnebju se uporaba kolektorskega sistema izključno za ogrevanje ne bo povrnila. Če bo naprava uporabljena izključno pozimi ob pomanjkanju sonca, se stroški opreme ne bodo pokrili niti v 15–20 letih.
Da bi sončni kompleks uporabljali čim bolj učinkovito, ga je treba vključiti v sistem za oskrbo s toplo vodo. Tudi pozimi bo sončni kolektor omogočil »znižanje« računov za energente za ogrevanje vode do 40–50 %.

Poleg ekonomske koristi ima »sončno ogrevanje« dodatne prednosti:
- Okolju prijazno. Zmanjšuje se izpust ogljikovega dioksida. Na leto 1 m² sončnega kolektorja prepreči vstop 350–730 kg izpustov v ozračje.
- Estetika. Prostor kompaktne kopalnice ali kuhinje je mogoče osvoboditi velikih bojlerjev ali plinskih grelnikov.
- Vzdržljivost. Proizvajalci zagotavljajo, da bo ob upoštevanju tehnologije namestitve kompleks zdržal približno 25–30 let. Številna podjetja nudijo garancijo do 3 let.
Argumenti proti uporabi sončne energije: izrazita sezonskost, odvisnost od vremena in visoke začetne investicije.
Splošna zgradba in princip delovanja
Oglejmo si različico sončnega sistema s kolektorjem kot glavnim delovnim elementom sistema. Zunanji videz naprave spominja na kovinsko škatlo, katere sprednja stran je izdelana iz kaljenega stekla. V notranjosti škatle je nameščen delovni organ – spiralna cev z absorberjem.
Toplotno absorbcijski blok zagotavlja segrevanje toplotnega nosilca – krožeča tekočina prenaša ustvarjeno toploto v vodovodni krog.

Sončni kolektor mora delovati v tandemu z akumulacijskim zalogovnikom. Ker se toplotni nosilec segreje na temperaturo 90–130 °C, ga ni mogoče dovajati neposredno v pipe za toplo vodo ali grelna telesa. Toplotni nosilec vstopi v toplotni izmenjevalnik bojlerja. Akumulacijski zalogovnik je pogosto opremljen z električnim grelnikom.
Shema delovanja:
- Sonce segreva površino kolektorja.
- Toplotno sevanje se prenaša na absorpcijski element (absorber), v katerem je delovna tekočina.
- Toplotni nosilec, ki kroži po ceveh spirale, se segreva.
- Črpalna oprema, krmilna in nadzorna enota zagotavljajo odvod toplotnega nosilca po cevovodu do spirale akumulacijskega zalogovnika.
- Prenos toplote na vodo v bojlerju se izvaja.
- Ohlajeni toplotni nosilec se vrne v kolektor in cikel se ponovi.
Segreta voda iz grelnika vode se dovaja v ogrevalni krog ali do vodovodnih točk.

Sončne celice pri urejanju zasebnih hiš najpogosteje uporabljajo kot rezervni vir električne energije:
Vrste sončnih kolektorjev
Ne glede na namen je heliosistem opremljen z ravnim ali sferičnim cevastim sončnim kolektorjem. Vsaka različica ima vrsto značilnih lastnosti glede tehničnih specifikacij in učinkovitosti delovanja.
Vakuumski – za hladno in zmerno podnebje
Konstrukcijsko vakuumski sončni kolektor spominja na termos – ozke cevi s toplotnim medijem so nameščene v bučkah večjega premera. Med posodama nastane vakuumska plast, ki skrbi za toplotno izolacijo (ohranjanje toplote – do 95%). Cevasta oblika je najbolj optimalna za ohranjanje vakuuma in »zajem« sončnih žarkov.

Notranja (toplotna) cev je napolnjena s slano raztopino z nizkim vreliščem (24-25 °C). Pri segrevanju tekočina izhlapeva – hlapi se dvigajo po bučki navzgor in segrevajo toplotni medij, ki kroži v ohišju kolektorja.
Med kondenzacijo kapljice vode odtekajo v konico cevke in postopek se ponovi.
Zaradi vakuumske plasti lahko tekočina v toplotni bučki zavre in izhlapi pri negativni zunanji temperaturi (do -35 °C).
Značilnosti sončnih modulov so odvisne od naslednjih meril:
- konstrukcija cevi – peresna, koaksialna;
- naprava toplotnega kanala – »Heat pipe«, pretočna cirkulacija.
Peresna bučka – steklena cev, v kateri sta zaprta ploščasti absorber in toplotni kanal. Vakuumska plast poteka skozi celotno dolžino toplotnega kanala.
Koaksialna cev – dvojna bučka z vakuumskim »vložkom« med stenama dveh rezervoarjev. Prenos toplote poteka z notranje površine cevke. Konica termocevke je opremljena z indikatorjem vakuuma.

Kanal »Heat pipe« – najpogostejša različica prenosa toplote v sončnih kolektorjih.
Mehanizem delovanja temelji na namestitvi lahko izparevajoče tekočine v hermetičnih kovinskih cevkah.

Pretočni kanal – skozi stekleno bučko potekajo vzporedne, v U-obliko povezane kovinske cevke.
Toplotni nosilec, ki teče skozi kanal, se segreva in dovaja do ohišja kolektorja.

Koaksialne in peresne cevke se lahko na različne načine kombinirajo s toplotnimi kanali.
Različica 1. Koaksialna bučka s »Heat pipe« – najbolj priljubljena rešitev. V kolektorju poteka večkratni prenos toplote s sten steklene cevke na notranjo bučko, nato pa na toplotni nosilec. Stopnja optičnega izkoristka dosega 65%.

Različica 2. Koaksialna bučka s pretočno cirkulacijo je znana kot U-oblikovani kolektor. Zahvaljujoč konstrukciji se zmanjšajo toplotne izgube – toplotna energija iz aluminija se prenaša na cevke s cirkulirajočim toplotnim nosilcem.
Poleg visokega izkoristka (do 75%) ima model pomanjkljivosti:
- zahtevnost montaže – bučke so eno celoto z dvocevnim ohišjem kolektorja (mainfold) in se nameščajo v celoti;
- zamenjava posameznih cevk je izključena.
Poleg tega je U-oblikovani agregat zahteven glede toplotnega nosilca in dražji od modelov »Heat pipe«.

Različica 3. Peresna cevka z načelom delovanja »Heat pipe«. Posebnosti kolektorja:
- visoke optične lastnosti – izkoristek okoli 77%;
- ploščati absorber neposredno prenaša toplotno energijo na cevko s toplotnim nosilcem;
- zaradi uporabe ene plasti stekla je zmanjšan odboj sončnega sevanja;
Možna je zamenjava poškodovanega elementa brez izpusta toplotnega nosilca iz sončnega sistema.
Različica 4. Peresna bučka pretočnega delovanja – najučinkovitejše orodje za uporabo sončne energije kot alternativnega vira energije za segrevanje vode ali ogrevanje stanovanj. Visoko zmogljiv kolektor deluje z izkoristkom 80%. Pomanjkljivost sistema – težavnost popravila.

Ne glede na izvedbo so cevnim kolektorjem lastne naslednje prednosti:
- delovanje pri nizkih temperaturah;
- nizke toplotne izgube;
- trajanje delovanja čez dan;
- sposobnost segrevanja toplotnega nosilca do visokih temperatur;
- majhna vetrovnost;
- enostavnost namestitve.
Glavna pomanjkljivost vakuumskih modelov je nezmožnost samočiščenja snežne odeje. Vakuumska plast ne prepušča toplote navzven, zato se snežna plast ne tali in onemogoča dostop sonca do kolektorskega polja. Dodatne slabosti: visoka cena in potreba po upoštevanju delovnega kota nagiba cevi najmanj 20°.
Kolektorske sončne naprave, ki segrevajo zračni toplotni nosilec, se lahko uporabljajo za pripravo tople vode, če so opremljene z akumulacijskim rezervoarjem:
Podrobneje o načelu delovanja vakuumskega sončnega kolektorja s cevmi preberite naprej.
Vodni – optimalna izbira za južne zemljepisne širine
Ploski (panelni) heliokolektor – pravokotna aluminijasta plošča, zaprta od zgoraj s plastičnim ali steklenim pokrovom. V notranjosti ohišja se nahaja absorpcijsko polje, kovinski serpentinski cevovod in plast toplotne izolacije. Površina kolektorja je zapolnjena s pretočnim cevovodom, po katerem se giblje toplotni nosilec.

Toplotna absorpcija visokoselektivnega absorpcijskega premaza dosega 90 %. Pretočni kovinski cevovod je nameščen med »absorberjem« in toplotno izolacijo. Uporabljata se dve shemi polaganja cevi: »harfa« in »meander«.
Postopek montaže sončnih kolektorjev, ki segrevajo tekoči nosilec toplote, vključuje vrsto tradicionalnih korakov:
Če bo ogrevalni krog dopolnjen z linijo, ki dovaja sanitarno vodo v sistem tople sanitarne vode, je smiselno na sončni kolektor priključiti hranilnik toplote. Najpreprostejša možnost je rezervoar ustrezne prostornine s toplotno izolacijo, ki lahko vzdržuje temperaturo ogrevane vode. Namestiti ga je treba na estakado:
Cevni kolektor s tekočim toplotnim medijem deluje kot učinek tople grede – sončni žarki prodirajo skozi steklo in segrevajo cevovod. Zaradi tesnosti in toplotne izolacije se toplota zadržuje v panelu.
Trdnost sončnega modula je v veliki meri odvisna od materiala zaščitnega pokrova:
- navadno steklo – najcenejši in najbolj krhek pokrov;
- kaljeno steklo – visoka stopnja sipanja svetlobe in povečana trdnost;
- antirefleksno steklo – odlikuje ga največja absorpcijska sposobnost (95%) zaradi prisotnosti plasti, ki odpravlja odboj sončnih žarkov;
- samočistilno (polarno) steklo s titanovim dioksidom – organske onesnaževalce sonce sežge, preostanke umazanije pa spere dež.
Najbolj odporno na udarce je polikarbonatno steklo. Material se vgrajuje v drage modele.

Obratovalno-funkcionalne značilnosti panelnih sončnih naprav:
- v sistemih s prisilno cirkulacijo je predvidena funkcija odmrzovanja, ki omogoča hitro odstranitev snežne odeje na sončnem polju;
- prizmatično steklo lovi širok razpon žarkov pod različnimi koti – v poletnem obdobju izkoristek naprave doseže 78–80%;
- kolektor se ne boji pregrevanja – pri presežku toplotne energije je možno prisilno hlajenje toplotnega medija;
- povečana odpornost na udarce v primerjavi s cevnimi kolektorji;
- možnost montaže pod katerim koli kotom;
- dostopna cenovna politika.
Sistemi niso brez pomanjkljivosti. V obdobju pomanjkanja sončnega sevanja, ko se temperaturna razlika povečuje, izkoristek ploščatega sončnega kolektorja močno pade zaradi nezadostne toplotne izolacije. Zato se panelni modul obnese poleti ali v regijah s toplim podnebjem.
Heliosistemi: značilnosti konstrukcije in uporabe
Raznolikost sončnih sistemov lahko razvrstimo po naslednjih parametrih: metoda uporabe sončnega sevanja, način kroženja toplotnega medija, število krogov in sezonskost obratovanja.
Aktivni in pasivni sistem
V vsakem sončnem sistemu za pretvorbo energije je predviden sončni sprejemnik. Glede na način uporabe pridobljene toplote ločimo dve vrsti sončnih kompleksov: pasivne in aktivne.
Prva različica je sistem sončnega ogrevanja, kjer so toplotno absorbcijski elementi sončnega sevanja konstrukcijski elementi stavbe. Kot sončna sprejemna površina služijo streha, stena-kolektor ali okna.

V evropskih državah se pasivne tehnologije uporabljajo pri gradnji energetsko varčnih stavb. Helioprejemne površine so okrašene kot lažna okna. Za stekleno prevleko je nameščena opečnata počrnjena stena s svetlobnimi odprtinami.
Kot toplotni akumulatorji delujejo elementi objekta – stene in stropi, izolirani s polistirolom od zunaj.
Aktivni sistemi pomenijo uporabo samostojnih naprav, ki niso del objekta.

Termosifonski in cirkulacijski sistemi
Heliotermična oprema z naravnim gibanjem hladilne tekočine po krogu kolektor-akumulator-kolektor se izvaja s konvekcijo – topla tekočina z nizko gostoto se dviga navzgor, ohlajena pa odteka navzdol.
V termosifonskih sistemih je akumulacijski rezervoar nameščen nad kolektorjem, kar zagotavlja samodejno kroženje hladilne tekočine.

Gravitacijski heliosistem ima širok seznam pomanjkljivosti:
- v oblačnih dneh učinkovitost kompleksa pade – za gibanje hladilne tekočine je potrebna velika temperaturna razlika;
- toplotne izgube zaradi počasnega premikanja tekočine;
- tveganje pregrevanja rezervoarja zaradi nenadzorovanosti ogrevalnega procesa;
- nestabilnost delovanja kolektorja;
- težavnost namestitve akumulacijskega rezervoarja – pri montaži na strehi se toplotne izgube povečajo, korozijski procesi se pospešijo, pojavi se tveganje zamrznitve cevnih priključkov.
Prednosti gravitacijskega sistema: preprostost konstrukcije in cenovna dostopnost.
Kapitalski stroški za ureditev obtočnega (prisilnega) heliosistema so precej višji kot pri namestitvi gravitacijskega kompleksa. V krogotok se vgradi črpalka, ki zagotavlja gibanje hladilne tekočine. Delovanje črpalne postaje upravlja krmilnik.

Tak način kroženja se uporablja v celoletnih dvokrožnih heliotermičnih napravah.
Prednosti polno funkcionalnega kompleksa:
- neomejena izbira lokacije akumulacijskega rezervoarja;
- delovanje izven sezone;
- izbira optimalnega načina ogrevanja;
- varnost – blokada delovanja ob pregrevanju.
Pomanjkljivost sistema – odvisnost od električne energije.
Tehnične rešitve shem: eno- in dvokrožni
V enokrožnih napravah kroži tekočina, ki se nato dovaja do vodnih odjemnih mest. V zimskem obdobju je treba vodo iz sistema izpustiti, da preprečimo zmrzovanje in razpokanje cevi.
Značilnosti enokrožnih heliotermičnih kompleksov:
- Priporočljivo je «polnjenje» sistema s prečiščeno mehko vodo – usedanje soli na stenah cevi vodi do zamašitve kanalov in okvare kolektorja;
- korozija zaradi presežka zraka v vodi;
- omejena življenjska doba – v obsegu štirih do petih let;
- visok izkoristek poleti.
V dvokrožnih heliokompleksih kroži poseben toplotni nosilec (nezamrzujoča tekočina s sredstvi proti penjenju in antikorozijskimi dodatki), ki oddaja toploto vodi skozi toplotni izmenjevalec.

Nianse uporabe dvokrožnega modula: rahlo zmanjšanje izkoristka (za 3–5 % manj kot v enokrožnem sistemu), potreba po popolni zamenjavi toplotnega nosilca vsakih 7 let.
Pogoji za delovanje in povečanje učinkovitosti
Izračun in montažo heliosistema je bolje, da zaupate strokovnjakom. Upoštevanje tehnike namestitve bo zagotovilo delovanje in doseganje navedene zmogljivosti. Za izboljšanje učinkovitosti in življenjske dobe je treba upoštevati nekatere nianse.
Termostatski ventil. V tradicionalnih sistemih za oskrbo s toploto se termostatski element redko namešča, saj za regulacijo temperature skrbi toplotni generator. Vendar pri opremljanju heliosistema ne smete pozabiti na zaščitni ventil.

Optimalna namestitev ventila je 60 cm od grelnika. Ob bližnji namestitvi se «termostat» segreje in blokira dovod tople vode.
Namestitev akumulacijskega rezervoarja. Buferna posoda za toplo vodo (GVS) mora biti nameščena na dostopnem mestu. Pri namestitvi v kompaktnem prostoru je treba posebno pozornost nameniti višini stropov.

Namestitev ekspanzijske posode. Element kompenzira temperaturno raztezanje v obdobju stagnacije. Namestitev posode nad črpalno opremo bo povzročila pregrevanje membrane in njeno prezgodnjo obrabo.

Priključitev heliokroga. Pri priključevanju cevi je priporočljivo organizirati zanko. 'Toplotna zanka' zmanjšuje toplotne izgube, s čimer preprečuje izhod segrete tekočine.

Povratni ventil. Preprečuje 'prevračanje' kroženja nosilca toplote. Ob pomanjkanju sončne aktivnosti povratni ventil ne dopušča razprševanja toplote, nabrane podnevi.
Priljubljeni modeli 'sončnih' modulov
V povpraševanju so heliosistemi domačih in tujih podjetij. Dobro reputacijo so si pridobili izdelki proizvajalcev: NPO Mašinostrojenija (Rusija), Gelion (Rusija), Ariston (Italija), Alten (Ukrajina), Viessmann (Nemčija), Amcor (Izrael) in drugi.
Heliosistem 'Sokol'. Ploski helikolektor, opremljen z večslojno optično prevleko z magnetronskim naprševanjem. Minimalna sposobnost sevanja in visoka stopnja absorpcije zagotavljata izkoristek do 80 %.
Obratovalne značilnosti:
- delovna temperatura – do –21 °C;
- povratno sevanje toplote – 3–5 %;
- zgornja plast – kaljeno steklo (4 mm).
Kolektor SVK-A (Alten). Vakuumska helioinstalacija s površino absorpcije 0,8–2,41 m² (odvisno od modela). Nosilec toplote – propilenglikol, toplotna izolacija bakrenega toplotnega izmenjevalca v 75 mm minimizira toplotne izgube.
Dodatni parametri:
- ohišje – eloksirani aluminij;
- premer toplotnega izmenjevalca – 38 mm;
- izolacija – mineralna volna z antihigroskopično obdelavo;
- prevleka – borosilikatno steklo 3,3 mm;
- izkoristek – 98 %.
Vitosol 100-F – ploski helikolektor za horizontalno ali vertikalno montažo. Bakren absorber s harfastim cevnim spiralnim uparjalnikom in heliotitanovo prevleko. Prepustnost svetlobe – 81 %.

Zaključki in koristen video na to temo
Načelo delovanja sončnih kolektorjev in njihove vrste:
Ocena delovanja ploščatega kolektorja pri temperaturah pod ničlo:
Tehnologija montaže panelnega sončnega kolektorja na primeru modela Buderus:
Sončna energija je obnovljiv vir pridobivanja toplote. Glede na rast cen tradicionalnih energetskih virov uvedba sončnih sistemov upravičuje kapitalske naložbe in se povrne v naslednjih petih letih ob upoštevanju tehnike montaže.
Če imate dragocene informacije, ki jih želite deliti z obiskovalci našega spletnega mesta, prosimo, pustite svoje komentarje v polju pod člankom. Tam lahko postavite vprašanja o temi članka ali delite svoje izkušnje z uporabo sončnih kolektorjev.

Uporaba sončne energije za osvetlitev in ogrevanje hiše – so moje sanje. Nabral bom denar in to storil. Moj znanec je namestil sončne panele na streho. Celoten proces predelave je stal 25 tisoč dolarjev. Zdaj jim električne energije zadostuje za družino in presežek celo prodajajo državi. Izračunali so, da se bodo stroški povrnili v 6 letih, nato pa bodo ustvarjali dohodek. To je perspektivna naložba.
Vaš znanec se moti – posameznik ne more prodajati električne energije državi. In tudi oprema ni večna. Treba jo bo vzdrževati in popravljati.
Počakati je treba še kakšnih 20 let – morda bo takrat bolj dostopno. Ampak ne v naši državi…
Okrog te teme bo še prelomljenih veliko kopij. Večkrat sem prebral raziskave s skeptičnim odnosom do povračila takšnih projektov. Očitno je vse odvisno od regionalne lege hiše. Tudi pri porabi električne energije 1000 kWh na mesec po 0,03 €, nekako 25.000 dolarjev v 5 letih ne gre skupaj).
Pri ogrevanju pa je po mojem mnenju zanimivo. Samo pojavi se vprašanje, ali lahko sončni kolektor popolnoma prevzame ogrevanje in toplo vodo v srednjih zemljepisnih širinah? Potem postane vprašanje povračila sekundarno.
Pozdravljeni. Tudi sam se aktivno ukvarjam s tem vprašanjem in težava ni v srednjih zemljepisnih širinah, ampak v trajanju dnevne svetlobe. Baterije in kolektorji delujejo na sončno svetlobo, ne na sončno toploto. Trajanje svetlobnega cikla pozimi, nočni čas, oblačna sezona (včasih pa se tako vreme nadaljuje tedne).
Postaja dvomljiva različica proizvajalcev o vračilu v 10 letih, ob upoštevanju povprečne življenjske dobe sončnih panelov 25 let in akumulatorjev 12 let. In vse bolj se zdi resnična nedavno izračunana različica o vračilu v 45 letih, kar se ne zdi več tako smotrno.
Kako naj izračunam vračilo za Krasnodarsko pokrajino? Pri nas je s številom sončnih dni vse v redu. Bo sploh težko sam montirati panele?
Pozdravljeni, Boris. V Krasnodarski pokrajini je alternativna energetika precej dobro razvita, zlasti omrežne sončne elektrarne (SE).
Kar zadeva vračilo, je treba opraviti nekaj izračunov. Da bo bolj jasno, bom navedel primer na že pripravljenem projektu za mesto Soči, SE z močjo 10 kW. Takoj upoštevamo lokalno tarifo za elektriko 0,079 €/kWh.
Cena same SE znaša 5900 €, plus lesene grede in pritrdilni elementi za streho, potrošni material in montažna dela bodo stali 1100 €. Skupaj tako dobimo znesek 7000 €.
Prilagam graf celotne letne proizvodnje električne energije SE 10 kW na leto, ki znaša 15900 kWh. Graf povprečnih mesečnih prihrankov kaže, da SE omogoča prihranek v višini 1250 € na leto.
Ni težko izračunati, da se v Sočiju takšna postaja povrne v 5 letih.
Montažo priporočam, da zaupate ekipi iz organizacije, specializirane za toplotnotehnično montažo, da dobite uradno garancijo.