Solarno ogrevanje zasebne hiše: možnosti in sheme naprave

Uporaba “zelene” energije, ki jo dobavljajo naravne sile, omogoča bistveno zmanjšanje komunalnih stroškov. Če na primer v zasebni hiši namestite sončno ogrevanje, boste s praktično brezplačnim toplotnim medijem napajali nizkotemperaturne radiatorje in sisteme talnega ogrevanja. Priznajte, to je že prihranek.

Vse o “zelenih tehnologijah” boste izvedeli iz našega članka. Z našo pomočjo boste zlahka razumeli različne vrste sončnih naprav, načine njihove namestitve in posebnosti uporabe. Zagotovo vas bo pritegnila ena izmed priljubljenih možnosti, ki se intenzivno uporabljajo po svetu, a pri nas še niso tako iskane.

V pregledu, ki vam ga predstavljamo, so razčlenjene konstrukcijske značilnosti sistemov, podrobno so opisane sheme priključitve. Naveden je primer izračuna sončnega ogrevalnega kroga za oceno izvedljivosti njegove gradnje. V pomoč samostojnim mojstrom so priloženi izbori fotografij in videoposnetki.

“Zelene” tehnologije pridobivanja toplote

V povprečju 1 m² zemeljske površine prejme 161 W sončne energije na uro. Seveda bo na ekvatorju ta vrednost večkrat višja kot na Arktiki. Poleg tega je gostota sončnega sevanja odvisna od letnega časa.

V Moskovski regiji se intenzivnost sončnega sevanja decembra–januarja razlikuje od maja–julija za več kot petkrat. Vendar pa so sodobni sistemi tako učinkoviti, da lahko delujejo skoraj povsod na Zemlji.

Sodobni heliosistemi so sposobni učinkovito delovati v oblačnem in hladnem vremenu do -30°C.

Naloga uporabe energije sončnega sevanja z maksimalnim izkoristkom se rešuje na dva načina: neposredno ogrevanje v toplotnih kolektorjih in sončne fotovoltaične baterije. Sončne baterije najprej pretvorijo energijo sončnih žarkov v elektriko, nato pa jo preko posebnega sistema posredujejo porabnikom, na primer električnemu kotlu.

Toplotni kolektorji se segrevajo pod vplivom sončnih žarkov in segrevajo nosilec toplote sistemov ogrevanja in tople sanitarne vode.

Toplotni kolektorji so na voljo v več vrstah, vključno z odprtimi in zaprtimi sistemi, ravnimi in sferičnimi konstrukcijami, polsferičnimi kolektorji-koncentratorji in številnimi drugimi možnostmi. Toplotna energija, pridobljena s sončnih kolektorjev, se uporablja za ogrevanje tople vode ali toplotnega nosilca ogrevalnega sistema.

Industrija v širokem asortimanu proizvaja kolektorske sisteme za vključitev v neodvisno ogrevalno omrežje. Vendar pa je najpreprostejšo različico za počitniško hišo mogoče izdelati sami:

Kljub očitnemu napredku pri razvoju rešitev za zbiranje, shranjevanje in uporabo sončne energije obstajajo prednosti in pomanjkljivosti.

Učinkovita raba sončne energije

Najočitnejša prednost uporabe sončne energije je njena splošna dostopnost. Pravzaprav je tudi v najbolj oblačnem vremenu sončno energijo mogoče zbrati in uporabiti.

Druga prednost so ničelne emisije. V bistvu gre za najbolj okolju prijazen in naraven vir energije. Sončne celice in kolektorji ne proizvajajo hrupa. V večini primerov so nameščeni na strehah stavb, ne da bi zasedli uporabno površino podeželskega zemljišča.

Učinkovitost sončnega ogrevanja v naših zemljepisnih širinah je precej nizka, kar je posledica nezadostnega števila sončnih dni za redno delovanje sistema (+)

Pomanjkljivosti, povezane z uporabo sončne energije, so v nestalnosti osvetlitve. V temnem delu dneva ni ničesar za zbiranje, stanje pa poslabšuje dejstvo, da vrh ogrevalne sezone sovpada z najkrajšimi svetlimi dnevi v letu. Treba je skrbeti za optično čistost panelov, saj že manjša onesnaženost močno zmanjša izkoristek.

Poleg tega ni mogoče trditi, da je obratovanje sistema na sončno energijo popolnoma brezplačno; obstajajo stalni stroški za amortizacijo opreme, delovanje obtočne črpalke in krmilne elektronike.

Bistvena pomanjkljivost ogrevanja, ki temelji na uporabi sončnih kolektorjev, je pomanjkanje možnosti shranjevanja toplotne energije. V shemo je vključena samo ekspanzijska posoda (+)

Odprti sončni kolektorji

Odprti sončni kolektor predstavlja sistem cevi, ki ni zaščiten pred zunanjimi vplivi, po katerih kroži neposredno s soncem segreta toplotna tekočina.

Kot toplotna tekočina se uporablja voda, plin, zrak, antifriz. Cevi so pritrjene na nosilno ploščo v obliki spirale ali pa so priključene v vzporednih vrstah na izhodni priključek.

Sončni kolektorji odprtega tipa ne morejo obvladovati ogrevanja zasebne hiše. Zaradi pomanjkanja izolacije se toplotna tekočina hitro ohladi. Uporabljajo se poleti predvsem za segrevanje vode v prhah ali bazenih.

Odprti kolektorji običajno nimajo nobene izolacije. Zgradba je zelo preprosta, zato ima nizke stroške in se pogosto izdeluje samostojno.

Zaradi pomanjkanja izolacije skoraj ne ohranjajo energije, pridobljene od sonca, in imajo nizek izkoristek. Uporabljajo se predvsem v poletnem obdobju za segrevanje vode v bazenih ali poletnih prhah.

Nameščajo se v sončnih in toplih regijah, pri majhnih nihanjih temperature okoliškega zraka in segrevane vode. Dobro delujejo le v sončnem in brezvetrnem vremenu.

Najpreprostejši sončni kolektor s toplotnim sprejemnikom, izdelanim iz zvitka polimernih cevi, bo zagotovil dovod segrete vode na vikendu za zalivanje in gospodinjske potrebe.

Cevne izvedbe kolektorjev

Cevni sončni kolektorji so sestavljeni iz posameznih cevi, po katerih kroži voda, plin ali para. To je ena od različic sončnih sistemov odprtega tipa. Vendar je toplotni nosilec že veliko bolje zaščiten pred zunanjimi vplivi. Zlasti v vakuumskih napravah, urejenih po principu termosov.

Vsaka cev se priključi na sistem posebej, vzporedno drug z drugim. Če ena cev odpove, jo je enostavno zamenjati z novo. Celotno konstrukcijo je mogoče sestaviti neposredno na strehi stavbe, kar znatno olajša montažo.

Cevni kolektor ima modularno strukturo. Osnovni element je vakuumska cev, število cevi se giblje od 18 do 30, kar omogoča natančno prilagoditev moči sistema.

Pomembna prednost cevnih sončnih kolektorjev je v valjasti obliki glavnih elementov, zaradi katere se sončno sevanje lovi ves svetlobni dan brez uporabe dragih sistemov za sledenje gibanju sonca.

Posebna večslojna prevleka ustvari nekakšno optično past za sončne žarke. Na shemi je delno prikazana zunanja stena vakuumske bučke, ki odbija žarke na stene notranje bučke (+).

Glede na konstrukcijo cevi ločimo pernate in koaksialne sončne kolektorje.

Koaksialna cev predstavlja Dewarjevo posodo ali vsem znani termos. Izdelani sta iz dveh bučk, med katerima je izčrpan zrak. Na notranjo površino notranje bučke je nanesena visokoselektivna prevleka, ki učinkovito absorbira sončno energijo.

Pri valjasti obliki cevi sončni žarki vedno padajo pravokotno na površino.

Toplotna energija iz notranjega selektivnega sloja se prenaša na toplotno cev ali notranji toplotni izmenjevalnik iz aluminijastih plošč. Na tej stopnji prihaja do neželenih toplotnih izgub.

Pernata cev predstavlja stekleni valj z vstavljenim pernatim absorberjem.

Svoje ime je sistem dobil po pernatem absorberju, ki tesno objema toplotni kanal iz toplotno prevodne kovine.

Za dobro toplotno izolacijo je iz cevi izčrpan zrak. Prenos toplote iz absorberja poteka brez izgub, zato je izkoristek pernatih cevi višji.

Glede na način prenosa toplote obstajata dva sistema: pretočni in s toplotno cevjo (heat pipe). Toplotna cev predstavlja zaprto posodo z lahko izparevajočo tekočino.

Ker lahko izhlapevajoča tekočina naravno odteka na dno toplotne cevi, je najmanjši kot nagiba 20 °C.

Znotraj toplotne cevi je lahko izhlapevajoča tekočina, ki sprejema toploto iz notranje stene bučke ali iz perjatega absorberja. Pod vplivom temperature tekočina zavre in se v obliki pare dvigne navzgor. Ko je toplota predana ogrevalnemu mediju ali mediju za toplo vodo, para kondenzira v tekočino in odteče navzdol.

Kot lahko izhlapevajoča tekočina se pogosto uporablja voda pri nizkem tlaku. V pretočnem sistemu se uporablja cev v obliki črke U, po kateri kroži voda ali ogrevalni medij.

Ena polovica cevi v obliki črke U je namenjena hladnemu hladilnemu sredstvu, druga pa odvaja segreto. Pri segrevanju se hladilno sredstvo razširi in vstopi v zbiralnik, kar zagotavlja naravno kroženje. Tako kot pri sistemih s toplotno cevjo mora biti najmanjši kot nagiba vsaj 20°.

Pri pretočni povezavi tlak v sistemu ne more biti visok, ker je v bučki tehnični vakuum.

Pretočni sistemi so učinkovitejši, ker takoj segrejejo hladilno sredstvo. Če so sistemi sončnih kolektorjev načrtovani za celoletno uporabo, se vanje črpajo posebni antifrizi.

Uporaba cevnih sončnih kolektorjev ima vrsto prednosti in pomanjkljivosti. Zgradba cevnega sončnega kolektorja je sestavljena iz enakih elementov, ki jih je relativno enostavno zamenjati.

Prednosti:

• nizke toplotne izgube;
• zmožnost delovanja pri temperaturah do -30 °C;
• učinkovito delovanje skozi ves svetlobni dan;
• dobro delovanje na območjih z zmernim in hladnim podnebjem;
• nizka vetrovna obremenitev, utemeljena z zmožnostjo cevnih sistemov, da prepuščajo zračne mase skozi sebe;
• možnost proizvodnje visoke temperature hladilnega sredstva.

Konstrukcijsko ima cevna konstrukcija omejeno aperturno površino.

Ima naslednje pomanjkljivosti:

• ni sposobna samoočiščevanja od snega, ledu, ivja;
• visoka cena.

Kljub prvotno visoki ceni se cevni kolektorji hitreje povrnejo. Imajo dolgo življenjsko dobo.

Cevni kolektorji spadajo med sončne naprave odprtega tipa, zato niso primerni za celoletno uporabo v ogrevalnih sistemih (+)

Ploščati zaprti sistemi

Ravni kolektor je sestavljen iz aluminijastega okvirja, posebnega absorbcijskega sloja – absorberja, prozornega pokrova, cevovoda in izolacije.

Kot absorber se uporablja počrnjen listni baker, ki ima idealno toplotno prevodnost za izdelavo sončnih sistemov. Pri absorpciji sončne energije absorber prenese pridobljeno sončno energijo na toplotni nosilec, ki kroži po sistemu cevi, ki mejijo na absorber.

Z zunanje strani je zaprta plošča zaščitena s prozorno prevleko. Izdelana je iz udarno odpornega kaljenega stekla s prepustnim pasom 0,4–1,8 μm. Na to območje odpade največ sončnega sevanja. Udarno odporno steklo služi kot dobra zaščita pred točo. Na hrbtni strani je celotna plošča zanesljivo toplotno izolirana.

Ravni sončni kolektorji se odlikujejo po maksimalni učinkovitosti in preprosti konstrukciji. Njihov izkoristek je povečan zaradi uporabe absorberja. Sposobni so zajeti razpršeno in neposredno sončno sevanje.

Na seznamu prednosti zaprtih ravnih panelov so:

• preprostost konstrukcije;
• dobra učinkovitost v regijah s toplim podnebjem;
• možnost namestitve pod katerim koli kotom ob prisotnosti pripomočkov za spreminjanje naklona;
• sposobnost samočiščenja snega in ivja;
• nizka cena.

Ravni sončni kolektorji so še posebej ugodni, če je njihova uporaba načrtovana že v fazi načrtovanja. Življenjska doba kakovostnih izdelkov je 50 let.

Med pomanjkljivosti lahko uvrstimo:

• visoke toplotne izgube;
• velika teža;
• visoka vetrovna obremenitev pri postavitvi panelov pod kotom glede na obzorje;
• omejitve učinkovitosti pri temperaturnih razlikah nad 40 °C.

Področje uporabe zaprtih kolektorjev je precej širše kot pri sončnih napravah odprtega tipa. Poleti lahko popolnoma zadovoljijo potrebo po topli vodi. V hladnejših dneh, ki jih komunalna podjetja ne vključijo v ogrevalno obdobje, lahko delujejo namesto plinskih in električnih grelnikov.

Tistim, ki želijo izdelati sončni kolektor z lastnimi rokami za ogrevanje počitniške hiše, predlagamo, da se seznanijo s preizkušenimi shemami in navodili za sestavljanje po korakih.

Primerjava značilnosti sončnih kolektorjev

Najpomembnejši kazalnik sončnega kolektorja je izkoristek. Koristna zmogljivost različno konstruiranih sončnih kolektorjev je odvisna od temperaturne razlike. Pri tem so ravni kolektorji bistveno cenejši od cevnih.

Vrednosti izkoristka so odvisne od kakovosti izdelave sončnega kolektorja. Namen grafa je prikazati učinkovitost uporabe različnih sistemov glede na temperaturno razliko.

Pri izbiri sončnega kolektorja je vredno biti pozoren na vrsto parametrov, ki kažejo učinkovitost in moč naprave.

Za sončne kolektorje obstaja nekaj pomembnih značilnosti:

• koeficient absorpcije – prikazuje razmerje med absorbirano energijo in skupno energijo;
• emisijski koeficient – prikazuje razmerje med preneseno in absorbirano energijo;
• skupna in aperturna površina;
• izkoristek.

Aperturna površina je delovna površina sončnega kolektorja. Pri ploščatem kolektorju je aperturna površina največja. Aperturna površina je enaka površini absorberja.

Načini priključitve na ogrevalni sistem

Ker sončne naprave ne morejo zagotoviti stabilne in neprekinjene oskrbe z energijo, je potreben sistem, ki je odporen na te pomanjkljivosti.

Za srednji pas Rusije sončne naprave ne morejo zagotoviti stabilnega dotoka energije, zato se uporabljajo kot dodaten sistem. Vključevanje v obstoječi ogrevalni sistem in sistem za toplo vodo se razlikuje za sončni kolektor in sončno baterijo.

Shema z vodnim kolektorjem

Glede na namen uporabe toplotnega kolektorja se uporabljajo različni sistemi priključitve. Možnih je več variant:

1. Poletna varianta za oskrbo s toplo vodo
2. Zimska varianta za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo

Poletna varianta je najbolj preprosta in lahko deluje tudi brez obtočne črpalke s pomočjo naravne cirkulacije vode.

Voda se segreje v sončnem kolektorju in zaradi toplotnega raztezanja odteče v akumulacijski rezervoar ali bojler. Pri tem poteka naravna cirkulacija: na mesto vroče vode iz rezervoarja se vsrka hladna.

Pozimi pri temperaturah pod ničlo neposredno segrevanje vode ni mogoče. Po zaprtem krogu kroži posebno antifrizno sredstvo, ki zagotavlja prenos toplote od kolektorja do toplotnega izmenjevalnika v rezervoarju.

Kot vsak sistem, ki temelji na naravni cirkulaciji, deluje precej neučinkovito, saj zahteva upoštevanje potrebnih naklonov. Poleg tega mora biti akumulacijski rezervoar višji kot sončni kolektor. Da bi voda ostala čim dlje vroča, je treba rezervoar skrbno izolirati.

Če želite resnično doseči maksimalno učinkovito delovanje sončnega kolektorja, se shema priključitve zaplete.

Da se kolektor ponoči ne spremeni v hladilni radiator, je treba cirkulacijo vode prisilno ustaviti.

Po sistemu sončnega kolektorja kroži nezmrzujoč toplotni nosilec. Prisilno cirkulacijo zagotavlja črpalka pod nadzorom krmilnika.

Krmilnik upravlja delovanje obtočne črpalke na podlagi odčitkov vsaj dveh temperaturnih senzorjev. Prvi senzor meri temperaturo v akumulacijskem rezervoarju, drugi – na dovodni cevi vročega toplotnega nosilca sončnega kolektorja.

Ko temperatura v rezervoarju preseže temperaturo ogrevalnega medija, krmilnik v kolektorju izklopi obtočno črpalko in tako prekine kroženje ogrevalnega medija po sistemu. Ko se temperatura v akumulacijskem rezervoarju zniža pod nastavljeno vrednost, vklopi ogrevalni kotel.

Novost in učinkovita alternativa sončnim kolektorjem z ogrevalnim medijem so sistemi z vakuumskimi cevmi, katerih načelo delovanja in zgradbo vam predlagamo, da si ogledate.

Shema s sončno baterijo

Zanimivo bi bilo uporabiti podobno shemo priključitve sončne plošče na električno omrežje, kot je to izvedeno pri sončnem kolektorju, s shranjevanjem energije, prejete čez dan. Žal pa je za sistem oskrbe z elektriko v zasebni hiši izdelava sklopa baterij zadostne zmogljivosti zelo draga. Zato je shema priključitve videti tako.

Ko se moč električnega toka iz sončne plošče zmanjša, enota AVR (samodejni vklop rezerve) zagotovi priključitev porabnikov na skupno električno omrežje.

S sončnih plošč polnjenje prihaja na krmilnik polnjenja, ki opravlja več funkcij: zagotavlja stalno dopolnjevanje baterij in stabilizira napetost. Nato električni tok pride do inverterja, kjer se enosmerni tok 12 V ali 24 V pretvori v izmenični enofazni tok 220 V.

Žal naša električna omrežja niso prilagojena za sprejemanje energije, delujejo lahko le v eni smeri – od vira do porabnika. Zaradi tega ne boste mogli prodajati pridobljene električne energije ali vsaj povzročiti, da bi števec tekel v nasprotno smer.

Uporaba sončnih plošč je ugodna, ker zagotavljajo bolj univerzalno obliko energije, vendar se po učinkovitosti ne morejo primerjati s sončnimi kolektorji. Slednji pa nimajo možnosti shranjevanja energije, za razliko od sončnih fotovoltaičnih plošč.

Primer izračuna potrebne moči

Pri izračunu potrebne moči sončnega kolektorja se zelo pogosto napačno izračunava na podlagi dohodne sončne energije v najhladnejših mesecih leta.

Težava je v tem, da se bo v preostalih mesecih leta celoten sistem nenehno pregrel. Temperatura toplotnega nosilca poleti na izhodu iz sončnega kolektorja lahko doseže 200 °C pri segrevanju pare ali plina, 120 °C pri antifrizu, 150 °C pri vodi. Če toplotni nosilec zavre, bo delno izhlapel. Posledično ga bo treba zamenjati.

Proizvajalci priporočajo, da izhajate iz naslednjih številk:

• oskrba s toplo vodo ne več kot 70 %;
• oskrba ogrevalnega sistema ne več kot 30 %.

Preostalo potrebno toploto mora proizvajati standardna ogrevalna oprema. Kljub temu pri takšnih kazalnikih letno prihranimo v povprečju približno 40 % pri ogrevanju in oskrbi s toplo vodo.

Moč, ki jo proizvede ena cev vakuumskega sistema, je odvisna od geografske lege. Kazalnik sončne energije, ki pade na 1 m² zemlje na leto, se imenuje insolacija.

Če poznate dolžino in premer cevi, lahko izračunate aperturo – efektivno površino absorpcije. Ostane le, da uporabite koeficiente absorpcije in emisije za izračun moči ene cevi na leto.

Primer izračuna:

Standardna dolžina cevi je 1800 mm, efektivna – 1600 mm. Premer 58 mm. Apertura – osenčeno območje, ki ga ustvari cev. Tako bo površina pravokotnika sence znašala:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Izkoristek povprečne cevi je 80 %, sončna insolacija za Moskvo znaša približno 1170 kWh/m² na leto. Tako bo ena cev proizvedla na leto:

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

Treba je opozoriti, da je to zelo približen izračun. Količina proizvedene energije je odvisna od orientacije naprave, kota, povprečne letne temperature itd.

Z vsemi vrstami alternativnih virov energije in načini njihove uporabe se lahko seznanite v predstavljenem članku.

Zaključki in koristen video na to temo

Video #1. Prikaz delovanja sončnega kolektorja v zimskem času:

Video #2. Primerjava različnih modelov sončnih kolektorjev:

Skozi celotni obstoj človeštva vsako leto porabi vedno več energije. Poskusi uporabe brezplačnega sončnega sevanja so bili narejeni že zdavnaj, a šele v zadnjem času je postalo mogoče učinkovito uporabljati sonce v naših zemljepisnih širinah. Nedvomno je prihodnost v helio-sistemih.

Želite poročati o zanimivih posebnostih pri organizaciji sončnega ogrevanja podeželske hiše ali vikenda? Prosim, napišite komentarje v spodnjem bloku. Tukaj lahko postavite vprašanje, pustite fotografijo s prikazom postopka montaže sistema, delite koristne informacije.