Päikeseenergia kütmine eramajale: võimalused ja skeemid

Loodusjõudude pakutava “rohelise” energia kasutamine võimaldab oluliselt vähendada kommunaalkulusid. Näiteks eramule päikesekütte paigaldades varustate madalatemperatuurilisi radiaatoreid ja põrandaküttesüsteeme praktiliselt tasuta soojuskandjaga. Olge nõus, see on juba kokkuhoid.

Kõike “rohelistest tehnoloogiatest” saate teada meie pakutavast artiklist. Meie abiga saate hõlpsasti selgeks päikeseseadmete liigid, nende paigaldusviisid ja töö eripära. Kindlasti tunnete huvi ühe populaarse variandi vastu, mis töötab intensiivselt maailmas, kuid pole meil veel eriti nõutud.

Teie tähelepanule esitatud ülevaates on analüüsitud süsteemide ehituslikke iseärasusi, üksikasjalikult on kirjeldatud ühendusskeeme. On esitatud päikeseküttekontuuri arvutamise näide, et hinnata selle rajamise reaalsust. Isetegijatele abiks on lisatud fotovalikud ja video.

“Rohelised” soojuse saamise tehnoloogiad

Keskmiselt saab 1 m² maapinda tunnis 161 W päikeseenergiat. Loomulikult on see näitaja ekvaatoril mitu korda kõrgem kui Arktikas. Lisaks sõltub päikesekiirguse tihedus aastaajast.

Moskva oblastis erineb päikesekiirguse intensiivsus detsembris-jaanuaris maist-juulist enam kui viis korda. Kaasaegsed süsteemid on aga nii tõhusad, et suudavad töötada peaaegu kõikjal maailmas.

Kaasaegsed päikesesüsteemid suudavad tõhusalt töötada pilvise ja külma ilmaga kuni –30 °C.

Maksimaalse efektiivsusega päikesekiirguse energia kasutamise ülesannet lahendatakse kahel viisil: otsene kuumutamine soojuskollektorites ja päikesefotoelektrilised paneelid. Päikesepaneelid muundavad kõigepealt päikesekiirte energia elektriks, seejärel edastavad selle spetsiaalse süsteemi kaudu tarbijatele, näiteks elektriboilerile.

Soojuskollektorid, soojenedes päikesekiirte toimel, soojendavad kütte- ja soojaveevarustussüsteemide soojuskandjat.

Soojuskollektorid on mitut tüüpi, sealhulgas avatud ja suletud süsteemid, lamedad ja sfäärilised konstruktsioonid, poolsfäärilised kollektorid-kontsentraatorid ja paljud muud variandid. Päikesekollektoritest saadud soojusenergiat kasutatakse kuuma vee või küttesüsteemi soojuskandja soojendamiseks.

Tööstus toodab laias valikus kollektorsüsteeme, et need oleksid kaasatud sõltumatusse küttevõrku. Lihtsaima variandi suvila jaoks on aga lihtne ise teha:

Vaatamata selgele edusammule päikeseenergia kogumise, akumuleerimise ja kasutamise lahenduste väljatöötamisel, on olemas nii eelised kui ka puudused.

Päikeseenergia efektiivne kasutamine

Päikeseenergia kasutamise kõige ilmsem pluss on selle üldine kättesaadavus. Tegelikult saab isegi kõige pimedama ja pilvisema ilmaga päikeseenergiat koguda ja kasutada.

Teine pluss – on nullheitmed. Sisuliselt on see kõige keskkonnasõbralikum ja looduslikum energiavorm. Päikesepatareid ja kollektorid ei tekita müra. Enamasti paigaldatakse need hoonete katustele, ilma et nad võtaksid ära kasulikku pinda maakrundist.

Päikesekütte efektiivsus on meie laiuskraadidel üsna madal, mida selgitab ebapiisav päikesepaisteliste päevade arv süsteemi regulaarseks tööks (+)

Päikeseenergia kasutamisega seotud puudused seisnevad valgustuse ebaühtluses. Pimedal ajal pole midagi koguda, olukorda raskendab asjaolu, et küttehooaja tipp langeb aasta lühimatele päevadele. On vaja jälgida paneelide optilist puhtust, vähene saastumine vähendab järsult kasutegurit.

Lisaks ei saa öelda, et päikeseenergiasüsteemi kasutamine oleks täiesti tasuta, eksisteerivad pidevad kulud seadmete amortisatsioonile, tsirkulatsioonipumba ja juhtelektroonika tööle.

Päikesekollektorite kasutamisel põhineva kütte oluline puudus seisneb võimaluse puudumises soojusenergiat akumuleerida. Skeemi on kaasatud ainult paisupaak (+)

Avatud päikesekollektorid

Avatud päikesekollektor kujutab endast välistegurite eest kaitseta torude süsteemi, milles ringleb otse päikese poolt soojendatav soojuskandja.

Soojuskandjana kasutatakse vett, gaasi, õhku, antifriisi. Torud kas kinnitatakse kandepaneelile spiraalina või ühendatakse paralleelsete ridadena väljalaskeavaga.

Avatud tüüpi päikesekollektorid ei suuda toime tulla eramajade kütmisega. Soojustuse puudumise tõttu jahtub soojuskandja kiiresti. Neid kasutatakse suveajal peamiselt vee soojendamiseks duširuumides või basseinides

Avatud kollektoritel pole tavaliselt mingit soojustust. Konstruktsioon on väga lihtne, seetõttu on hind madal ja seda valmistatakse sageli ise.

Soojustuse puudumise tõttu ei säilita nad praktiliselt päikeselt saadud energiat, neil on madal kasutegur. Neid kasutatakse peamiselt suveperioodil vee soojendamiseks basseinides või suve duššides.

Paigaldatakse päikesepaistelistesse ja soojadesse piirkondadesse, väikeste temperatuurierinevuste korral ümbritseva õhu ja soojendatava vee vahel. Töötavad hästi ainult päikeselise ja tuulevaikse ilmaga.

Kõige lihtsam päikesekollektor soojusvastuvõtjaga, mis on valmistatud polümeertorude rullist, tagab soojendatud vee tarnimise suvilas kastmiseks ja majapidamisvajadusteks

Torukollektorite tüübid

Torukujulised päikesekollektorid kogutakse kokku eraldi torudest, mille kaudu liigub vesi, gaas või aur. See on üks avatud tüüpi päikesesüsteemide sorte. Kuid soojuskandja on juba palju paremini kaitstud väliste negatiivsete mõjude eest. Eriti vaakumseadmetes, mis on ehitatud termose põhimõttel.

Iga toru ühendatakse süsteemi eraldi, üksteisega paralleelselt. Kui üks toru rikki läheb, on seda lihtne uuega asendada. Kogu konstruktsiooni saab kokku panna otse hoone katusel, mis hõlbustab oluliselt paigaldamist.

Torukujulisel kollektoril on modulaarne struktuur. Peamine element on vaakumtoru, torude arv varieerub 18-st 30-ni, mis võimaldab süsteemi võimsust täpselt valida.

Torukujuliste päikesekollektorite oluline eelis seisneb põhielementide silindrilises vormis, tänu millele püütakse päikesekiirgust kogu päevavalguse ajal ilma kallite päikese jälgimissüsteemide kasutamiseta.

Spetsiaalne mitmekihiline kate loob omamoodi optilise lõksu päikesekiirte jaoks. Skeemil on osaliselt näidatud vaakumkolvi välissein, mis peegeldab kiired sisemise kolvi seintele (+)

Torude konstruktsiooni järgi eristatakse sulg- ja koaksiaalseid päikesekollektoreid.

Koaksiaalne toru on Dewari anum ehk kõigile tuntud termos. See on valmistatud kahest kolvist, mille vahel on õhk välja imetud. Sisemise kolvi sisepinnale on kantud kõrge selektiivsusega kate, mis neelab tõhusalt päikeseenergiat.

Silindrilise toru kuju puhul langevad päikesekiired alati pinnaga risti.

Soojusenergia sisemisest selektiivkihist antakse üle soojustorule või alumiiniumplaatidest sisemisele soojusvahetile. Selles etapis toimuvad soovimatud soojuskaod.

Sulgtoru on klaasist silinder, mille sisse on paigaldatud sulgabsorber.

Süsteem sai oma nime sulgabsorberilt, mis katab tihedalt soojusjuhtivast metallist soojuskanali.

Hea soojusisolatsiooni tagamiseks on torust õhk välja imetud. Soojusülekanne absorberilt toimub kadudeta, mistõttu sulgtorude kasutegur on kõrgem.

Soojusülekande viisi järgi on kaks süsteemi: läbivooluga ja soojustoruga (heat pipe). Soojustoru on kinnitihendatud anum, milles on kergesti aurustuv vedelik.

Kuna kergesti aurustuv vedelik voolab loomulikult termotoru põhja, on minimaalne kaldenurk 20° C.

Termotoru sees on kergesti aurustuv vedelik, mis võtab soojust vastu kolvi siseseinalt või sulgedest koosnevast absorberist. Temperatuuri mõjul hakkab vedelik keema ja tõuseb auru kujul üles. Pärast soojuse andmist kütte või sooja vee soojuskandjale kondenseerub aur uuesti vedelikuks ja voolab alla.

Kergesti aurustuva vedelikuna kasutatakse sageli madala rõhu all olevat vett. Läbivoolusüsteemis kasutatakse U-kujulist toru, mille kaudu ringleb vesi või küttesüsteemi soojuskandja.

Üks pool U-kujulisest torust on ette nähtud külmale soojuskandjale, teine juhib soojendatud. Kuumutamisel soojuskandja paisub ja siseneb akumulatsioonipaaki, tagades loomuliku tsirkulatsiooni. Nagu termotoruga süsteemide puhul, peab minimaalne kaldenurk olema vähemalt 20°.

Läbivooluühenduse korral ei saa süsteemi rõhk olla kõrge, kuna kolvi sees on tehniline vaakum.

Läbivoolusüsteemid on tõhusamad, kuna soojendavad soojuskandjat kohe. Kui päikesekollektori süsteeme on kavandatud kasutada aastaringselt, pumbatakse neisse spetsiaalsed antifriisid.

Torukujuliste päikesekollektorite kasutamisel on mitmeid eeliseid ja puudusi. Torukujulise päikesekollektori konstruktsioon koosneb ühesugustest elementidest, mida on suhteliselt lihtne vahetada.

Eelised:

• madalad soojuskaod;
• võime töötada temperatuuril kuni -30°C;
• tõhus tootlikkus kogu päevavalguse ajal;
• hea töövõime mõõduka ja külma kliimaga piirkondades;
• madal tuulepüüdmisvõime, mis tuleneb torusüsteemide võimest lasta õhumasse endast läbi;
• võimalus toota kõrge temperatuuriga soojuskandjat.

Konstruktsiooniliselt on torukujulisel konstruktsioonil piiratud apertuurpind.

Sellel on järgmised puudused:

• ei ole võimeline isepuhastuma lumest, jääst, härmatisest;
• kõrge hind.

Vaatamata esialgsele kõrgele hinnale, tasuvad torukujulised kollektorid kiiremini ära. Neil on pikk kasutusiga.

Torukujulised kollektorid kuuluvad avatud tüüpi päikeseseadmete hulka, mistõttu ei sobi need aastaringseks kasutamiseks küttesüsteemides (+)

Lamedad suletud süsteemid

Lame kollektor koosneb alumiiniumkarkassist, spetsiaalsest neelavast kihist – absorberist, läbipaistvast kattest, torustikust ja soojustusest.

Absorberina kasutatakse mustaks värvitud vasklehte, mis oma ideaalse soojusjuhtivuse tõttu sobib hästi päikesesüsteemide loomiseks. Päikeseenergia neeldumisel absorberi poolt kandub saadud päikeseenergia üle soojuskandjale, mis ringleb absorberiga külgnevas torude süsteemis.

Väljastpoolt on suletud paneel kaitstud läbipaistva kattega. See on valmistatud löögikindlast karastatud klaasist, mille läbilaske riba on 0,4–1,8 μm. Selline vahemik katab maksimaalse päikesekiirguse. Löögikindel klaas kaitseb hästi rahe eest. Tagaküljelt on kogu paneel kindlalt isoleeritud.

Lamedad päikesekollektorid paistavad silma maksimaalse jõudluse ja lihtsa konstruktsiooniga. Nende kasutegur on suurendatud tänu absorbeerija kasutamisele. Nad suudavad püüda hajutatud ja otsest päikesekiirgust.

Suletud lamedate paneelide eeliste hulgas on:

• konstruktsiooni lihtsus;
• hea jõudlus sooja kliimaga piirkondades;
• võimalus paigaldada mis tahes nurga all, kui on olemas seadmed kaldenurga muutmiseks;
• võime end lumest ja härmatisest puhastada;
• madal hind;

Lamedad päikesekollektorid on eriti kasulikud, kui nende kasutamine on planeeritud juba projekteerimisfaasis. Kvaliteetsete toodete eluiga on 50 aastat.

Puuduste hulka võib lugeda:

• suured soojuskaod;
• suur kaal;
• suur tuuletundlikkus paneelide paigutamisel horisondi suhtes nurga all;
• jõudluse piirangud temperatuurierinevustel üle 40 °C.

Suletud kollektorite kasutusala on oluliselt laiem kui avatud tüüpi päikeseseadmetel. Suvel suudavad nad täielikult rahuldada vajaduse sooja vee järele. Jahedatel päevadel, mida kommunaalettevõtted ei ole kütteperioodi hulka arvanud, võivad nad töötada gaasi- ja elektrisoojendite asemel.

Soovijatel valmistada päikesekollektor ise suvila kütteks pakume tutvuda praktikas proovitud skeemide ja samm-sammuliste koostejuhistega.

Päikesekollektorite omaduste võrdlus

Päikesekollektori kõige olulisem näitaja on kasutegur. Erineva konstruktsiooniga päikesekollektorite kasulik jõudlus sõltub temperatuuride erinevusest. Samal ajal on lamedad kollektorid oluliselt odavamad kui torukollektorid.

Kasuteguri väärtused sõltuvad päikesekollektori valmistamise kvaliteedist. Graafiku eesmärk on näidata erinevate süsteemide kasutamise tõhusust sõltuvalt temperatuuride erinevusest.

Päikesekollektori valimisel tuleks tähelepanu pöörata mitmele parameetrile, mis näitavad seadme tõhusust ja võimsust.

Päikesekollektorite jaoks on mitmed olulised omadused:

• adsorptsioonitegur – näitab neeldunud energia ja koguenergia suhet;
• emissioonitegur – näitab ülekantud energia ja neeldunud energia suhet;
• kogu- ja apertuurpind;
• kasutegur.

Apertuurpind on päikesekollektori tööpind. Lamekollektoril on apertuurpind maksimaalne. Apertuurpind on võrdne absorbeerija pindalaga.

Ühendusviisid küttesüsteemiga

Kuna päikeseenergia seadmed ei suuda tagada stabiilset ja ööpäevaringset energiavarustust, on vajalik süsteem, mis on nende puuduste suhtes vastupidav.

Venemaa keskmise vööndi jaoks ei saa päikeseenergia seadmed tagada stabiilset energiavoogu, seetõttu kasutatakse neid lisasüsteemina. Integreerimine olemasolevasse küttesüsteemi ja soojaveevarustusse erineb päikesekollektori ja päikesepatarei puhul.

Skeem veekollektoriga

Sõltuvalt soojuskollektori kasutuseesmärkidest rakendatakse erinevaid ühendussüsteeme. Võimalikke variante on mitu:

1. Suvevariant soojaveevarustuseks
2. Talvevariant kütteks ja soojaveevarustuseks

Suvevariant on kõige lihtsam ja võib hakkama saada isegi ilma tsirkulatsioonipumbata, kasutades vee loomulikku tsirkulatsiooni.

Vesi soojendatakse päikesekollektoris ja paisub soojuspaisumise tõttu akumulatsioonipaaki või boilerisse. Seejuures toimub loomulik tsirkulatsioon: kuuma vee asemele paagist imetakse külm vesi.

Talvel negatiivsete temperatuuride korral ei ole vee otsene soojendamine võimalik. Suletud kontuuris tsirkuleerib spetsiaalne antifriis, tagades soojuse ülekande kollektorist paagis olevale soojusvahetile.

Nagu iga loomulikul tsirkulatsioonil põhinev süsteem, töötab see mitte eriti tõhusalt, nõudes vajalike kallete järgimist. Lisaks peab akumulatsioonipaak olema kõrgemal kui päikesekollektor. Et vesi jääks võimalikult kaua soojaks, tuleb paak hoolikalt soojustada.

Kui Te soovite tõeliselt saavutada päikesekollektori maksimaalselt tõhusat tööd, muutub ühendusskeem keerulisemaks.

Et öösel kollektor ei muutuks jahutusradiaatoriks, tuleb vee tsirkulatsioon sundkorras lõpetada.

Päikesekollektori süsteemis tsirkuleerib mittetarduv soojuskandja. Sundtsirkulatsiooni tagab kontrolleri juhitav pump.

Kontroller juhib tsirkulatsioonipumba tööd, tuginedes vähemalt kahe temperatuurianduri näitudele. Esimene andur mõõdab temperatuuri akumulatsioonipaagis, teine – päikesekollektori kuuma soojuskandja toitetorul.

Kui temperatuur paagis ületab soojuskandja temperatuuri, lülitab kontroller kollektoris tsirkulatsioonipumba välja, peatades soojuskandja tsirkulatsiooni süsteemis. Kui omakorda akumulatsioonipaagi temperatuur langeb alla seatud väärtuse, lülitub sisse küttekatel.

Uueks sõnaks ja tõhusaks alternatiiviks soojuskandjaga päikesekollektoritele on saanud vaakuumtorudega süsteemid, mille tööpõhimõtte ja seadmetega tutvumist pakume.

Skeem päikesepaneeliga

Oleks ahvatlev rakendada sarnast päikesepatarei ühendusskeemi elektrivõrguga, nagu see on teostatud päikesekollektori puhul, kogudes päeva jooksul saabunud energiat. Kahjuks on eraomandi elektrivarustussüsteemi jaoks piisava mahutavusega akude ploki loomine väga kallis. Seetõttu näeb ühendusskeem välja järgmine.

Kui päikesepatarei elektrivoolu võimsus väheneb, tagab AVR-seade (automaatne varutoite sisselülitus) tarbijate ühendamise üldise elektrivõrguga.

Päikesepaneelidest jõuab laeng laadimiskontrollerisse, mis täidab mitmeid funktsioone: tagab akude pideva laadimise ja stabiliseerib pinge. Seejärel jõuab elektrivool inverterisse, kus toimub 12V või 24V alalisvoolu muundamine 220V vahelduvvooluks.

Kahjuks pole meie elektrivõrgud energia vastuvõtmiseks kohandatud, need saavad töötada ainult ühes suunas – allikast tarbijani. Seetõttu ei saa te toodetud elektrit müüa ega isegi arvestit vastupidises suunas pöörlema panna.

Päikesepatareide kasutamine on kasulik, kuna need pakuvad universaalsemat energialiiki, kuid ei suuda efektiivsuselt võistelda päikesekollektoritega. Viimastel ei ole aga võimet energiat koguda erinevalt päikese fotogalvaanilistest patareidest.

Näide vajaliku võimsuse arvutamisest

Päikesekollektori vajaliku võimsuse arvutamisel tehakse väga sageli ekslikult arvutusi, lähtudes päikeseenergiast aasta kõige külmemates kuudes.

Asi on selles, et ülejäänud kuudel kogu süsteem pidevalt ülekuumeneb. Soojuskandja temperatuur suvel päikesekollektori väljalaskeavas võib ulatuda 200 °C-ni auru või gaasi kuumutamisel, 120 °C-ni antifriisi korral, 150 °C-ni vee korral. Kui soojuskandja keeb, aurustub see osaliselt. Selle tulemusena tuleb see välja vahetada.

Tootmisettevõtted soovitavad lähtuda järgmistest numbritest:

• Kuuma veevarustuse tagamine mitte rohkem kui 70%;
• Küttesüsteemi tagamine mitte rohkem kui 30%.

Ülejäänud vajalik soojus tuleb toota standardsete kütteseadmetega. Selliste näitajate juures säästetakse aastas keskmiselt umbes 40% kütte ja sooja vee pealt.

Ühe vaakumsüsteemi toru toodetud võimsus sõltub geograafilisest asukohast. Aastas 1 m² maapinnale langeva päikeseenergia näitajat nimetatakse insolatsiooniks.

Teades toru pikkust ja läbimõõtu, saab arvutada apertuuri – efektiivse neeldumispinna. Jääb üle rakendada neeldumis- ja emissioonitegurid ühe toru aastase võimsuse arvutamiseks.

Arvutuse näide:

Tavaline toru pikkus on 1800 mm, efektiivne – 1600 mm. Läbimõõt 58 mm. Apertuur – toru poolt tekitatud varjutatud ala. Seega on varju ristküliku pindala:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Keskmise toru kasutegur on 80%, päikese insolatsioon Moskva jaoks on umbes 1170 kWh/m² aastas. Seega toodab üks toru aastas:

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

Tuleb märkida, et see on väga ligikaudne arvutus. Toodetud energia hulk sõltub paigalduse orientatsioonist, nurgast, aasta keskmisest temperatuurist jne.

Kõikide alternatiivsete energiaallikate liikide ja nende kasutamisviisidega saate tutvuda esitatud artiklis.

Järeldused ja kasulik video teemal

Video #1. Päikesekollektori töö demonstreerimine talvisel ajal:

Video #2. Erinevate päikesekollektorite mudelite võrdlus:

Kogu oma eksisteerimise jooksul tarbib inimkond iga aastaga aina rohkem energiat. Katsed kasutada tasuta päikesekiirgust on tehtud juba ammu, kuid alles viimasel ajal on muutunud võimalikuks päikest meie laiuskraadidel tõhusalt kasutada. Kahtlemata kuulub tulevik päikesesüsteemidele.

Kas soovite teada anda huvitavatest iseärasustest maamaja või suvila päikesekütte korraldamisel? Palun kirjutage kommentaarid allpool asuvasse plokki. Siin saab ka küsida küsimusi, jätta foto, mis demonstreerib süsteemi kokkupaneku protsessi, jagada kasulikku teavet.