En la última década, la energía solar, como fuente de energía alternativa, se ha utilizado cada vez más para calentar y suministrar agua caliente a los edificios. La razón principal es el deseo de reemplazar los combustibles tradicionales con recursos de energía renovables, ecológicos y asequibles.
La conversión de la energía solar en calor se produce en los sistemas solares: el diseño y el principio de funcionamiento del módulo determinan las características específicas de su uso.
En este material, consideramos los tipos de colectores solares y los principios de su funcionamiento, así como describimos los modelos populares de módulos solares.
La viabilidad de utilizar sistemas solares.
Heliosystem es un complejo para convertir la energía de radiación solar en calor, que posteriormente se transfiere a un intercambiador de calor para calentar el medio de calentamiento del sistema de calefacción o suministro de agua.
La eficiencia de una instalación solar térmica depende de la insolación solar: la cantidad de energía suministrada por día a 1 metro cuadrado en un ángulo de 90 ° con respecto a la dirección de los rayos solares. El valor de medición del indicador es kWh / m2, el valor del parámetro varía según la temporada.
El nivel promedio de insolación solar para la región de clima continental templado es de 1000-1200 kWh / m2 (por año). La cantidad de sol es el parámetro determinante para calcular el rendimiento del sistema solar.
El uso de una fuente de energía alternativa le permite calentar la casa, obtener agua caliente sin el consumo de energía tradicional, exclusivamente a través de la radiación solar.
La instalación del sistema de calefacción solar es un evento costoso. Para que los gastos de capital se justifiquen, es necesario un cálculo preciso del sistema y el cumplimiento de la tecnología de instalación.
Un ejemplo El valor promedio de la insolación solar para Tula a mediados del verano es de 4, 67 kV / m2 * día, siempre que el panel del sistema esté instalado en un ángulo de 50 °. El rendimiento del colector solar con un área de 5 metros cuadrados se calcula de la siguiente manera: 4.67 * 4 = 18.68 kW de energía térmica por día. Este volumen es suficiente para calentar 500 litros de agua desde una temperatura de 17 ° C a 45 ° C.
Como lo demuestra la práctica, cuando se usa energía solar, los propietarios de la casa de campo en el período de verano pueden cambiar por completo de la calefacción eléctrica o de agua a gas al método solar
Hablando sobre la viabilidad de introducir nuevas tecnologías, es importante tener en cuenta las características técnicas de un colector solar en particular. Algunos comienzan a trabajar con 80 W / m2 de energía solar, mientras que otros son suficientes: 20 W / m2.
Incluso en el clima del sur, el uso de un sistema colector exclusivamente para calefacción no da resultado. Si la instalación se utilizará exclusivamente en invierno con una escasez de sol, el costo del equipo no se cubrirá durante 15-20 años.
Para utilizar el complejo solar de la manera más eficiente posible, debe incluirse en el sistema de suministro de agua caliente. Incluso en invierno, el detector solar le permitirá "reducir" las facturas de energía para calentar el agua hasta en un 40-50%.
Según los expertos, en el uso diario el sistema solar se amortiza en aproximadamente 5 años. Con el crecimiento de los precios de la electricidad y el gas, se reducirá el período de recuperación del complejo.
Además de los beneficios económicos, el "calentamiento solar" tiene ventajas adicionales:
- Amabilidad ambiental. Reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Durante el año, 1 sq. M de colector solar evita la liberación a la atmósfera de 350-730 kg de minería.
- Estética. El espacio de un baño o cocina compacta puede eliminar las calderas voluminosas o los calentadores de agua a gas.
- Durabilidad Los fabricantes aseguran que, sujeto a la tecnología de instalación, el complejo durará entre 25 y 30 años. Muchas empresas ofrecen una garantía de hasta 3 años.
Argumentos en contra del uso de la energía solar: estacionalidad pronunciada, dependencia del clima y alta inversión inicial.
Dispositivo general y principio de funcionamiento.
Considere la opción de un sistema solar con un colector como el principal elemento de trabajo del sistema. La apariencia de la unidad se asemeja a una caja de metal, cuya parte frontal está hecha de vidrio templado. Dentro de la caja se coloca el cuerpo de trabajo - bobina con absorbedor.
La unidad de absorción de calor proporciona calor al refrigerante; el fluido en circulación transfiere el calor generado al circuito de suministro de agua.
Los nodos principales del sistema solar: 1 - campo colector, 2 - ventilación de aire, 3 - estación de distribución, 4 - tanque de alivio de sobrepresión, 5 - controlador, 6 - tanque del calentador de agua, 7.8 - PETN e intercambiador de calor, 9 - válvula de termo-mezcla, 10 - consumo de agua caliente, 11 - captación de agua fría, 12 - drenaje, T1 / T2 - sensores de temperatura
El colector solar necesariamente trabaja en tándem con un tanque acumulador. Dado que el refrigerante se calienta a una temperatura de 90-130 ° C, no se puede alimentar directamente a los grifos de agua caliente ni a los radiadores de calefacción. El refrigerante entra en el intercambiador de calor de la caldera. El tanque de almacenamiento a menudo se complementa con un calentador eléctrico.
Esquema de trabajo:
- El sol calienta la superficie del colector.
- La radiación de calor se transmite al elemento absorbente (absorbente), que contiene el fluido de trabajo.
- El refrigerante que circula a través de los tubos de la bobina se calienta.
- El equipo de bombeo, una unidad de control y monitoreo, aseguran que el refrigerante se descargue a través de una tubería a la bobina del tanque de almacenamiento.
- El calor se transfiere al agua de la caldera.
- El refrigerante enfriado fluye nuevamente hacia el colector y el ciclo se repite.
El agua calentada del calentador de agua se suministra al circuito de calefacción o a los puntos de entrada de agua.
En la disposición del sistema de calefacción o del suministro de agua caliente durante todo el año, el sistema se completa con una fuente de calefacción adicional (caldera, elemento de calefacción eléctrica). Este es un requisito previo para mantener la temperatura establecida.
Variedades de colectores solares.
Independientemente del destino, el sistema solar se completa con un colector solar tubular plano o esférico. Cada una de las opciones tiene una serie de características distintivas en términos de características técnicas y eficiencia operativa.
Vacío - para climas fríos y templados.
Estructuralmente, el colector solar de vacío se asemeja a un termo; los tubos estrechos con portador de calor se colocan en matraces de mayor diámetro. Se forma una capa de vacío entre los recipientes, que es responsable del aislamiento térmico (la preservación del calor es de hasta el 95%). La forma tubular es óptima para mantener el vacío y "ocupar" los rayos del sol.
Los elementos básicos de una instalación solar térmica tubular: bastidor de soporte, carcasa del intercambiador de calor, tubos de vidrio al vacío, tratados con un revestimiento altamente selectivo para la "absorción" intensiva de energía solar
El tubo interno (térmico) se llena con una solución salina de bajo punto de ebullición (24-25 ° C). Cuando se calienta, el líquido se evapora: la evaporación sube por el matraz y calienta el refrigerante que circula en el cuerpo del distribuidor.
En el proceso de condensación, las gotas de agua fluyen hacia la punta del tubo y el proceso se repite.
Debido a la presencia de una capa de vacío, el líquido dentro del matraz de calor puede hervir y evaporarse a una temperatura exterior mínima (hasta -35 ° C).
Las características de los módulos solares dependen de los siguientes criterios:
- diseño de tubo - pluma, coaxial;
- Dispositivo del canal de calor - “Tubería de calor”, circulación de flujo directo.
Una bombilla de plumas es un tubo de vidrio en el que se incluyen un absorbedor de placas y un canal de calor. La capa de vacío pasa a través de toda la longitud del canal de calor.
Un tubo coaxial es un matraz doble con un "inserto" de vacío entre las paredes de dos tanques. La transferencia de calor se produce desde el interior del tubo. La punta de la tubería de calor está equipada con un indicador de vacío.
La eficiencia de los tubos de plumas (1) es mayor en comparación con los modelos coaxiales (2). Sin embargo, el primero es más caro y más difícil de instalar. Además, en caso de avería, la botella completa debe cambiarse por completo.
El canal "Heat pipe" es la variante más común de transferencia de calor en los colectores solares.
El mecanismo de acción se basa en la colocación de líquido volátil en tubos metálicos sellados.
La popularidad de "Heat pipe" se debe a su costo asequible, mantenimiento sin pretensiones y capacidad de mantenimiento. Debido a la complejidad del proceso de intercambio de calor, el nivel máximo de eficiencia es del 65%.
Canal en línea : los tubos paralelos de metal se conectan a través de un matraz de vidrio, se conectan en forma de U.
El refrigerante, que fluye a través del canal, se calienta y alimenta al cuerpo del colector.
Diseños de colectores solares de vacío diseños: 1 - modificación con un tubo de calor central "Heat pipe", 2 - sistema solar con circulación de flujo directo del refrigerante
Los tubos coaxiales y de plumas se pueden combinar con los canales de calor de diferentes maneras.
Opción 1. Matraz coaxial con "Heat pipe" - la solución más popular. En el colector, hay una transferencia repetida de calor de las paredes del tubo de vidrio al matraz interior, y luego al refrigerante. El grado de eficiencia óptica alcanza el 65%.
Diagrama del dispositivo Tubo coaxial “tubo de calor”: 1 – carcasa de vidrio, 2 - revestimiento selectivo, 3 - aletas metálicas, 4 - vacío, 5 - matraz térmico con sustancia de ebullición ligera, 6 - tubo de vidrio interno
Opción 2. El matraz coaxial con circulación de flujo directo se conoce como un colector en forma de U. Debido al diseño, las pérdidas de calor se reducen: la energía térmica del aluminio se transfiere a los tubos con un refrigerante en circulación.
Junto con la alta eficiencia (hasta un 75%), el modelo tiene inconvenientes:
- Complejidad de la instalación: los matraces son uno con el cuerpo del colector de dos tuberías (soporte principal) y se instalan completamente;
- Se excluye el reemplazo de un solo tubo.
Además, la unidad en forma de U es exigente para los modelos de “tubo de calor” de refrigerante y más costosos.
El dispositivo del colector solar en forma de U: 1 - "cilindro" absorbente de vidrio, 2 - recubrimiento absorbente, 3 - "cubierta" de aluminio, 4 - bombilla con soporte térmico, 5 - vacío, 6 - tubo interior de vidrio
Opción 3. Fuente de tubo con el principio de acción "Heat pipe". Características distintivas del colector:
- alto rendimiento óptico - eficiencia de alrededor del 77%;
- el absorbente plano transmite directamente la energía térmica al tubo con refrigerante;
- Debido al uso de una sola capa de vidrio, se reduce el reflejo de la radiación solar;
Es posible reemplazar un elemento dañado sin drenar el refrigerante del sistema solar.
Opción 4. El matraz de pluma de flujo directo es la herramienta más eficaz para utilizar la energía solar como fuente alternativa de energía para calentar el agua o calentar una vivienda. El colector de alto rendimiento trabaja con eficiencia - 80%. La falta de un sistema es la dificultad de la reparación.
Diagramas del dispositivo de los colectores solares de pluma: 1 - heliosistema con canal de "tubo de calor", 2 - caja de colector solar de dos tubos con movimiento de flujo directo del portador de calor
Independientemente del rendimiento, los colectores de tubo tienen las siguientes ventajas:
- rendimiento a baja temperatura;
- baja pérdida de calor;
- la duración de la operación durante el día;
- la posibilidad de calentar el refrigerante a altas temperaturas;
- baja resistencia al viento;
- fácil instalación
La principal desventaja de los modelos de vacío es la imposibilidad de autolimpiarse de la cubierta de nieve. La capa de vacío no deja que se caliente, por lo que la capa de nieve no se derrite y bloquea el acceso del sol al campo colector. Desventajas adicionales: precio elevado y la necesidad de respetar el ángulo de trabajo de los matraces al menos 20 °.
Más detalladamente sobre el principio de trabajo de un colector solar de vacío con tubos, lea más.
Agua - la mejor opción para las latitudes del sur.
Colector solar plano (panel) - una placa de aluminio rectangular, cerrada en la parte superior con una tapa de plástico o vidrio. Dentro de la caja hay un campo de absorción, una bobina de metal y una capa de aislamiento térmico. El área del colector se llena con un tubo de flujo a través del cual fluye el refrigerante.
Los componentes básicos de un heliocollector plano son: el cuerpo, el absorbente, el revestimiento protector, la capa de aislamiento térmico y los sujetadores. Al ensamblar, se utiliza un vidrio esmerilado con un ancho de banda espectral de 0.4-1.8 micrones
La absorción de calor del recubrimiento absorbente altamente selectivo alcanza el 90%. La tubería de metal que fluye se encuentra entre el "absorbente" y el aislamiento térmico. Se utilizan dos patrones de tendido de tuberías: "arpa" y "meandro".
Un colector tubular con un líquido refrigerante actúa como un efecto de "invernadero": los rayos del sol penetran a través del vidrio y calientan la tubería. Debido a la estanqueidad y al aislamiento térmico, el calor se retiene dentro del panel.
La resistencia del módulo solar está determinada en gran medida por el material de la cubierta protectora:
- vidrio ordinario - el revestimiento más barato y más frágil;
- vidrio templado : un alto grado de dispersión de la luz y mayor resistencia;
- vidrio antirreflejo : tiene una capacidad de absorción máxima (95%) debido a la presencia de una capa que elimina el reflejo de los rayos solares;
- Vidrio autolimpiable (polar) con dióxido de titanio: la contaminación orgánica se quema al sol y la lluvia arrastra los residuos de la basura.
El impacto más duradero sopla el vidrio de policarbonato. El material se instala en modelos caros.
Reflejo de la luz solar y absorción: 1 - revestimiento antirreflectante, 2 - vidrio templado resistente a los impactos. Espesor óptimo de la carcasa exterior protectora - 4 mm.
Características operativas y funcionales de los sistemas de paneles solares:
- en los sistemas de circulación forzada, se proporciona una función de descongelación, que le permite deshacerse rápidamente de la cubierta de nieve en la Heliópolis;
- El vidrio prismático captura una amplia gama de rayos en diferentes ángulos: en verano, la eficiencia de la instalación alcanza el 78-80%;
- el colector no teme sobrecalentarse: con un exceso de energía térmica, es posible un enfriamiento forzado del refrigerante;
- mayor resistencia al impacto en comparación con sus contrapartes tubulares;
- posibilidad de montaje en cualquier ángulo;
- política de precios asequibles.
Los sistemas no están exentos de fallas. En el período de deficiencia de la radiación solar, a medida que aumenta la diferencia de temperatura, la eficiencia de un colector solar plano disminuye significativamente debido a un aislamiento insuficiente. Por lo tanto, el módulo del panel se justifica en el verano o en regiones con climas cálidos.
Heliosistemas: características de diseño y operación.
La variedad de sistemas solares se puede clasificar de acuerdo con dichos parámetros: el método de utilización de la radiación solar, el método de circulación del refrigerante, el número de circuitos y la estacionalidad de la operación.
Complejo activo y pasivo.
En cualquier sistema de conversión de energía solar se proporciona un receptor solar. Según el método de uso del calor obtenido, hay dos tipos de heliocomplejos: pasivo y activo.
El primer tipo es el sistema de calefacción solar, donde los elementos estructurales del edificio actúan como un elemento de absorción de calor de la radiación solar. El techo, el colector de pared o las ventanas actúan como una superficie de recepción solar.
El esquema del sistema solar pasivo de baja temperatura con un colector de pared: 1 - los rayos del sol, 2 - una pantalla translúcida, 3 - una barrera de aire, 4 - aire caliente, 5 - flujos de aire gastado, 6 - radiación de calor de la pared, 7 - superficie de absorción de calor del colector de pared, 8 - persianas decorativas
En los países europeos, las tecnologías pasivas se utilizan en la construcción de edificios energéticamente eficientes. Las superficies receptoras solares están decoradas con ventanas falsas. Detrás del revestimiento de vidrio hay una pared de ladrillo ennegrecida con aberturas.
Como los acumuladores de calor son los elementos de la estructura - paredes y pisos, aislados con poliestireno desde el exterior.
Los sistemas activos implican el uso de dispositivos independientes que no están relacionados con la estructura.
Los complejos mencionados anteriormente con colectores tubulares y planos se incluyen en esta categoría: las instalaciones de energía solar térmica, por lo general, están ubicadas en el techo de un edificio.
Sistemas de termosifón y circulación.
Los equipos solares térmicos con movimiento de refrigerante natural a lo largo del circuito colector-batería-colector se llevan a cabo por convección: un líquido caliente con una baja densidad aumenta, un líquido enfriado fluye hacia abajo.
En los sistemas de termosifón, el tanque de almacenamiento se coloca sobre el colector, lo que proporciona una circulación espontánea del refrigerante.
El esquema de trabajo es propio de los sistemas estacionales de un solo circuito. El complejo de termosifón no se recomienda para coleccionistas con un área de más de 12 metros cuadrados.
El heliosistema de flujo libre tiene una amplia gama de desventajas:
- En días nublados, la capacidad del complejo disminuye: se requiere una gran diferencia de temperatura para mover el refrigerante;
- Pérdida de calor debido al lento movimiento del fluido;
- riesgo de sobrecalentamiento del tanque debido a la descontrol del proceso de calentamiento;
- inestabilidad del reservorio;
- La complejidad de la colocación del tanque de la batería: cuando se monta en el techo aumenta la pérdida de calor, acelera los procesos corrosivos, existe el riesgo de congelar las tuberías.
Ventajas del sistema "gravitacional": simplicidad de diseño y asequibilidad.
Los gastos de capital para la disposición de heliosistemas circulantes (forzados) son significativamente más altos que la instalación de un complejo de flujo libre. La bomba “corta” el contorno que proporciona el movimiento del refrigerante. El funcionamiento de la estación de bombeo es controlado por el controlador.
La potencia térmica adicional generada en el complejo forzado excede la potencia consumida por el equipo de bombeo. La eficiencia del sistema aumentará en un tercio.
Este método de circulación está involucrado en instalaciones solares de bypass durante todo el año.
Ventajas de un complejo totalmente funcional:
- elección ilimitada de la ubicación del tanque de acumulación;
- rendimiento fuera de temporada;
- selección del modo de calentamiento óptimo;
- Seguridad - Bloqueo de trabajo en caso de sobrecalentamiento.
La desventaja del sistema es su dependencia de la electricidad.
Esquemas de soluciones técnicas: de circuito simple y doble.
En las instalaciones de un solo circuito, el líquido circula, que se suministra posteriormente a los puntos de entrada de agua. En invierno, el agua del sistema se debe drenar para evitar la congelación y el agrietamiento de las tuberías.
Características de los complejos termosolares de circuito único:
- se recomienda "rellenar" el sistema con agua purificada no rígida: la sedimentación de las sales en las paredes de la tubería conduce a la obstrucción de los canales y la ruptura del colector;
- corrosión por exceso de aire en el agua;
- vida útil limitada - dentro de cuatro a cinco años;
- Alta eficiencia en el verano.
Un refrigerante especial (líquido no congelante con aditivos antiespumantes y anticorrosión) circula en heliocomplejos de doble circuito, emitiendo calor al agua a través de un intercambiador de calor.
Esquemas de los heliosistemas de un solo circuito (1) y dos (2) circuitos del dispositivo. La segunda opción se caracteriza por una mayor confiabilidad, la capacidad de trabajar en invierno y la duración de la operación (20-50 años)
Los matices de operación del módulo de circuito doble: una ligera disminución en la eficiencia (en un 3-5% menos que en un sistema de circuito único), la necesidad de reemplazar completamente el refrigerante cada 7 años.
Condiciones de trabajo y eficiencia.
El cálculo e instalación de sistemas solares debe confiarse a profesionales. El cumplimiento de la técnica de instalación garantizará el rendimiento y obtendrá el rendimiento declarado. Para mejorar la eficiencia y el período de servicio, es necesario tener en cuenta algunos matices.
Válvula termostática. En los sistemas de calefacción tradicionales, el elemento termostático rara vez se instala, ya que el generador de calor es responsable de ajustar la temperatura. Sin embargo, al organizar un sistema solar, no debe olvidarse una válvula protectora.
Calentar el tanque a la temperatura máxima permitida mejora el rendimiento del colector y le permite utilizar calor solar incluso en tiempo nublado.
La colocación óptima de la válvula es de 60 cm del calentador. Muy cerca, el "termostato" se calienta y bloquea el suministro de agua caliente.
Colocación del depósito de la batería. La capacidad de almacenamiento intermedio del ACS debe instalarse en un lugar accesible. Cuando se coloca en una habitación compacta, se presta especial atención a la altura del techo.
El espacio libre mínimo sobre el tanque es de 60 cm. Esta separación es necesaria para mantener la batería y reemplazar el ánodo de magnesio.
Instalación del tanque de expansión. El elemento compensa la expansión térmica en el período de estancamiento. La instalación de un tanque sobre el equipo de bombeo causará el sobrecalentamiento de la membrana y su desgaste prematuro.
El lugar óptimo para el tanque de expansión es bajo el grupo de bombeo. El efecto de la temperatura de esta instalación se reduce significativamente y la membrana conserva su elasticidad por más tiempo.
Conexión del circuito solar. Al conectar tuberías se recomienda disponer un bucle. El "circuito térmico" reduce la pérdida de calor y evita la salida del fluido calentado.
Técnicamente correcta implementación del "loop" heliocontour. Si se descuida la demanda, la temperatura del tanque de almacenamiento disminuirá entre 1 y 2 ° C por noche.
Válvula de retención Advierte la "inclinación" de la circulación del refrigerante. Debido a la falta de actividad solar, la válvula de retención no disipa el calor acumulado durante el día.
Modelos populares de módulos "solares".
La demanda son los heliosistemas de empresas nacionales y extranjeras. Los productos de los siguientes fabricantes han ganado una buena reputación: NPO Mashinostroeniya (Rusia), Gelion (Rusia), Ariston (Italia), Alten (Ucrania), Viessman (Alemania), Amcor (Israel), etc.
Sistema solar "Falcon". Colector solar plano equipado con un recubrimiento óptico multicapa con pulverización magnetrón. La capacidad de radiación mínima y el alto nivel de absorción aseguran una eficiencia de hasta el 80%.
Características de rendimiento:
- Temperatura de trabajo - hasta -21 ° C;
- radiación de calor inversa - 3-5%;
- La capa superior es de vidrio templado (4 mm).
Coleccionista SVK-A (Alten). Planta solar de vacío con un área de absorción de 0, 8-2, 41 metros cuadrados (según modelo). Portador térmico: propilenglicol, aislamiento térmico de 75 mm de cobre intercambiador de calor que minimiza las pérdidas de calor.
Parámetros adicionales:
- cuerpo - aluminio anodizado;
- diámetro del intercambiador de calor - 38 mm;
- aislamiento - lana mineral con tratamiento anti-higroscópico;
- revestimiento - vidrio borosilicato 3, 3 mm;
- Eficiencia - 98%.
Vitosol 100-F - heliocollector plano de instalación horizontal o vertical. Absorbedor de cobre con serpentín tubular en forma de arpa y revestimiento de helio-titanio. Transmisión de luz - 81%.
El orden aproximado de los precios de los sistemas solares: colectores solares planos - de 400 cu / m, colectores solares tubulares - 350 cu / 10 matraces de vacío. Un conjunto completo del sistema de circulación - desde 2500 USD
Conclusiones y video útil sobre el tema.
El principio de funcionamiento de los colectores solares y sus tipos:
Evaluación del rendimiento del colector plano a menos temperatura:
Tecnología de montaje de un colector solar de panel en el ejemplo de un modelo de Buderus:
La energía solar es una fuente de calor renovable. Teniendo en cuenta el aumento de los precios de los recursos energéticos tradicionales, la introducción de los sistemas solares justifica las inversiones de capital y se amortiza en los próximos cinco años si se observa la tecnología de instalación.
Si tiene información valiosa que desea compartir con los visitantes de nuestro sitio, deje sus comentarios en el cuadro debajo del artículo. También puede hacer preguntas sobre el tema del artículo o compartir la experiencia del uso de colectores solares.