Solarno grijanje privatne kuće: mogućnosti i sheme uređaja

Korištenje “zelene” energije koju pružaju prirodne sile omogućuje znatno smanjenje komunalnih troškova. Na primjer, ako uredite sunčano grijanje privatne kuće, osigurat ćete gotovo besplatni nositelj topline za niskotemperaturne radijatore i sustave podnog grijanja. Složit ćete se, to je već ušteda.

Sve o “zelenim tehnologijama” saznat ćete iz članka koji vam nudimo. Uz našu pomoć lako ćete se snaći u vrstama solarnih instalacija, načinima njihove ugradnje i specifičnostima rada. Zasigurno će vas zainteresirati jedna od popularnih opcija koje se intenzivno koriste u svijetu, ali kod nas još nisu previše tražene.

U pregledu koji vam predstavljamo analizirane su konstrukcijske značajke sustava, detaljno su opisane sheme spajanja. Naveden je primjer proračuna solarnog kruga grijanja za procjenu realnosti njegove izgradnje. Kao pomoć samostalnim majstorima priloženi su odabiri fotografija i videozapisi.

“Zelene” tehnologije dobivanja topline

U prosjeku 1 m² površine tla prima 161 W sunčeve energije na sat. Naravno, na ekvatoru taj će pokazatelj biti mnogo puta veći nego u polarnim krajevima. Osim toga, gustina sunčeva zračenja ovisi o godišnjem dobu.

U Moskovskoj oblasti intenzitet sunčeva zračenja u prosincu-siječnju razlikuje se od svibnja-srpnja više od pet puta. Međutim, suvremeni sustavi su toliko učinkoviti da mogu raditi praktički svugdje na Zemlji.

Suvremeni heliosustavi mogu učinkovito raditi po oblačnom i hladnom vremenu do -30 °C

Zadatak korištenja energije sunčeva zračenja s maksimalnim KPD-om rješava se na dva načina: izravno zagrijavanje u toplinskim kolektorima i sunčane fotovoltačne ploče. Sunčane ploče najprije pretvaraju energiju sunčevih zraka u električnu energiju, zatim je prenose putem posebnog sustava potrošačima, na primjer električnom kotlu.

Toplinski kolektori, zagrijavajući se pod djelovanjem sunčevih zraka, zagrijavaju toplinski nosač sustava grijanja i opskrbe toplom vodom.

Toplinski kolektori dolaze u nekoliko vrsta, uključujući otvorene i zatvorene sustave, ravne i sferne konstrukcije, polusferne kolektore koncentratore i mnoge druge varijante. Toplinska energija dobivena iz solarnih kolektora koristi se za zagrijavanje tople vode ili toplinskog nosača sustava grijanja.

Industrija u širokom asortimanu proizvodi kolektorske sustave za uključivanje u neovisnu mrežu grijanja. Međutim, najjednostavniju varijantu za vikendicu nije teško napraviti vlastitim rukama:

Unatoč očiglednom napretku u razvoju rješenja za prikupljanje, akumuliranje i korištenje sunčeve energije, postoje prednosti i nedostaci.

Učinkovito korištenje sunčeve energije

Najočitija prednost korištenja sunčeve energije je njezina opća dostupnost. Zapravo, čak i po najoblačnijem vremenu, sunčeva energija može se prikupiti i iskoristiti.

Druga prednost – nulte emisije. U biti, to je najekološkiji i najprirodniji oblik energije. Solarni paneli i kolektori ne proizvode buku. U većini slučajeva postavljaju se na krovove zgrada, ne zauzimajući korisnu površinu zemljišta.

Učinkovitost solarnog grijanja na našim geografskim širinama prilično je niska, što se objašnjava nedostatnim brojem sunčanih dana za redoviti rad sustava (+)

Nedostaci povezani s korištenjem sunčeve energije očituju se u nestalnosti osvijetljenosti. Noću se nema što skupljati, a situacija se pogoršava činjenicom da vrhunac sezone grijanja pada na najkraće svjetlosne dane u godini. Potrebno je paziti na optičku čistoću panela; čak i manja onečišćenja naglo smanjuju učinkovitost.

Osim toga, ne može se reći da je rad sustava na sunčevu energiju potpuno besplatan; postoje stalni troškovi za amortizaciju opreme, rad cirkulacijske pumpe i upravljačke elektronike.

Značajan nedostatak grijanja koje se temelji na korištenju solarnih kolektora jest nemogućnost pohrane toplinske energije. U shemu je uključen samo ekspanzijski spremnik (+)

Otvoreni solarni kolektori

Otvoreni solarni kolektor predstavlja sustav cijevi koji nije zaštićen od vanjskih utjecaja, a kroz koje cirkulira toplinski medij koji se zagrijava izravno suncem.

Kao toplinski medij koristi se voda, plin, zrak, antifriz. Cijevi se ili učvršćuju na nosećoj ploči u obliku spirale, ili se spajaju u paralelne redove na izlazni priključak.

Solarni kolektori otvorenog tipa nisu u stanju nositi se s grijanjem privatne kuće. Zbog nedostatka izolacije toplinski medij brzo se hladi. Koriste se ljeti uglavnom za zagrijavanje vode u tuševima ili bazenima

Otvoreni kolektori obično nemaju nikakvu izolaciju. Konstrukcija je vrlo jednostavna, stoga ima nisku cijenu i često se izrađuje samostalno.

Zbog nedostatka izolacije gotovo ne očuvaju energiju primljenu od sunca, odlikuju se niskom učinkovitošću. Koriste se uglavnom ljeti za zagrijavanje vode u bazenima ili ljetnim tuševima.

Ugrađuju se u sunčanim i toplim regijama, uz male razlike u temperaturi okolnog zraka i zagrijavane vode. Dobro rade samo po sunčanom i bezvjetrenom vremenu.

Najjednostavniji solarni kolektor s toplinskim prijemnikom izrađenim od svitka polimernih cijevi osigurat će opskrbu zagrijanom vodom na vikendici za zalijevanje i kućne potrebe

Cijevne vrste kolektora

Cjevasti solarni kolektori sastavljeni su od pojedinačnih cijevi kroz koje cirkulira voda, plin ili para. To je jedna od vrsta otvorenih solarnih sustava. Međutim, tekućina za prijenos topline puno je bolje zaštićena od vanjskih negativnih utjecaja. Osobito u vakuumskim jedinicama koje su konstruirane na principu termosice.

Svaka se cijev povezuje s sustavom pojedinačno, paralelno jedna s drugima. Ako jedna cijev otkaže, lako ju je zamijeniti novom. Cijela se konstrukcija može sastaviti izravno na krovu zgrade, što uvelike olakšava montažu.

Cjevasti kolektor ima modularnu strukturu. Osnovni element je vakuumska cijev, a broj cijevi varira od 18 do 30, što omogućuje precizan odabir snage sustava.

Velika prednost cjevastih solarnih kolektora leži u cilindričnom obliku osnovnih elemenata, zahvaljujući kojima se sunčevo zračenje hvata tijekom cijelog svjetlosnog dana bez upotrebe skupih sustava za praćenje kretanja sunca.

Posebni višeslojni premaz stvara neku vrstu optičke zamke za sunčeve zrake. Na shemi je djelomično prikazana vanjska stijenka vakuumske cijevi koja reflektira zrake na stijenke unutarnje cijevi (+).

Prema konstrukciji cijevi razlikuju se perasti i koaksijalni solarni kolektori.

Koaksijalna cijev predstavlja Dewarovu posudu ili svima poznatu termos bocu. Izrađena je od dvije tikvice između kojih je isisan zrak. Na unutarnju površinu unutarnje tikvice nanesen je visokoselektivni premaz koji učinkovito apsorbira sunčevu energiju.

Kod cilindričnog oblika cijevi sunčevi zraci uvijek padaju okomito na površinu.

Toplinska energija s unutarnjeg selektivnog sloja prenosi se na toplinsku cijev ili na unutarnji izmjenjivač topline od aluminijskih ploča. U ovoj fazi dolazi do neželjenih gubitaka topline.

Perasta cijev predstavlja stakleni cilindar s umetnutim perastim apsorberom.

Sustav je dobio ime po perastom apsorberu koji čvrsto obuhvaća toplinski kanal od toplinski vodljivog metala.

Radi dobre toplinske izolacije iz cijevi je isisan zrak. Prijenos topline s apsorbera događa se bez gubitaka, stoga je učinkovitost perastih cijevi veća.

Prema načinu prijenosa topline postoje dva sustava: izravni protok i s termo cijevi (heat pipe). Termo cijev je zatvorena posuda s lako isparavajućom tekućinom.

Budući da lako isparljiva tekućina prirodno otječe na dno toplinske cijevi, minimalni kut nagiba iznosi 20° C

Unutar toplinske cijevi nalazi se lako isparljiva tekućina koja prima toplinu od unutarnje stijenke cijevi ili pernatog apsorbera. Pod utjecajem temperature tekućina ključa i u obliku pare diže se prema gore. Nakon što je toplina predana toplinskom nosaču grijanja ili tople vode, para se kondenzira u tekućinu i otječe prema dolje.

Kao lako isparljiva tekućina često se koristi voda pod niskim tlakom. U protočnom sustavu koristi se cijev u obliku slova U kroz koju cirkulira voda ili toplinski nosač sustava grijanja.

Jedna polovica cijevi u obliku slova U namijenjena je hladnom toplinskom nosaču, a druga odvodi zagrijani. Zagrijavanjem se toplinski nosač širi i ulazi u spremnik, osiguravajući prirodnu cirkulaciju. Kao i u slučaju sustava s toplinskom cijevi, minimalni kut nagiba mora iznositi najmanje 20⁰.

Kod protočnog priključka tlak u sustavu ne može biti visok jer se unutar cijevi nalazi tehnički vakuum

Protočni sustavi su učinkovitiji jer odmah zagrijavaju toplinski nosač. Ako se sustavi solarnih kolektora planiraju koristiti tijekom cijele godine, u njih se upumpavaju posebni antifrizi.

Primjena cijevnih solarnih kolektora ima niz prednosti i nedostataka. Konstrukcija cijevnog solarnog kolektora sastoji se od istovjetnih elemenata koje je relativno lako zamijeniti.

Prednosti:

• niski toplinski gubici;
• sposobnost rada na temperaturama do -30⁰C;
• učinkovit rad tijekom cijelog sunčanog dana;
• dobra funkcionalnost u područjima s umjerenom i hladnom klimom;
• niska izloženost vjetru, opravdana sposobnošću cijevnih sustava da propuštaju zračne mase kroz sebe;
• mogućnost proizvodnje visoke temperature toplinskog nosača.

Konstrukcijski, cijevna konstrukcija ima ograničenu aperturnu površinu.

Ima sljedeće nedostatke:

• nije sposobna za samočišćenje od snijega, leda, inja;
• visoka cijena.

Unatoč početno visokoj cijeni, cijevni kolektori se brže isplate. Imaju dug vijek trajanja.

Cijevni kolektori pripadaju solarnim postrojenjima otvorenog tipa, stoga nisu prikladni za cjelogodišnju upotrebu u sustavima grijanja (+)

Ravni zatvoreni kolektori

Ravni kolektor sastoji se od aluminijskog okvira, posebnog apsorpcijskog sloja – apsorbera, prozirnog pokrova, cjevovoda i izolacije.

Kao apsorber koristi se pocrnjeli bakreni lim, koji se odlikuje idealnom toplinskom vodljivošću za stvaranje solarnih sustava. Pri apsorpciji sunčeve energije apsorber prenosi primljenu sunčevu energiju na rashladno sredstvo koje cirkulira kroz sustav cijevi uz apsorber.

S vanjske strane zatvorena ploča zaštićena je prozirnim pokrovom. Izrađen je od kaljenog stakla otpornog na udarce, s propusnim pojasom od 0,4-1,8 μm. Na taj raspon otpada maksimum sunčevog zračenja. Kaljeno staklo pruža dobru zaštitu od tuče. Sa stražnje strane cijela ploča pouzdano je izolirana.

Ravni solarni kolektori odlikuju se maksimalnom učinkovitošću i jednostavnom konstrukcijom. Njihov stupanj djelovanja povećan je primjenom apsorbera. Sposobni su uhvatiti difuzno i izravno sunčevo zračenje

U popisu prednosti zatvorenih ravnih panela ubrajaju se:

• jednostavnost konstrukcije;
• dobra učinkovitost u regijama s toplom klimom;
• mogućnost postavljanja pod bilo kojim kutom uz postojanje naprava za promjenu kuta nagiba;
• sposobnost samočišćenja od snijega i inja;
• niska cijena.

Ravni solarni kolektori posebno su isplativi ako se njihova primjena planira već u fazi projektiranja. Vijek trajanja kvalitetnih proizvoda iznosi 50 godina.

Nedostaci uključuju:

• visoki gubici topline;
• velika težina;
• velika vjetrovitost pri postavljanju panela pod kutom prema horizontu;
• ograničenja u učinkovitosti pri temperaturnim razlikama većim od 40 °C.

Područje primjene zatvorenih kolektora znatno je šire nego kod solarnih uređaja otvorenog tipa. Ljeti mogu u potpunosti zadovoljiti potrebu za toplom vodom. U hladnim danima, koje komunalna poduzeća ne uključuju u razdoblje grijanja, mogu poslužiti umjesto plinskih i električnih grijača.

Onima koji žele izraditi solarni kolektor vlastitim rukama za uređenje grijanja na vikendici preporučujemo upoznavanje s provjerenim shemama i uputama korak po korak.

Usporedba karakteristika solarnih kolektora

Najvažniji pokazatelj solarnog kolektora je učinkovitost. Korisna produktivnost različitih konstrukcija solarnih kolektora ovisi o temperaturnoj razlici. Pritom su ravni kolektori znatno jeftiniji od cijevnih.

Vrijednosti učinkovitosti ovise o kvaliteti izrade solarnog kolektora. Svrha grafikona je prikazati učinkovitost primjene različitih sustava ovisno o temperaturnoj razlici.

Pri odabiru solarnog kolektora valja obratiti pozornost na niz parametara koji pokazuju učinkovitost i snagu uređaja.

Za solarne kolektore postoji nekoliko važnih karakteristika:

• koeficijent apsorpcije – pokazuje omjer apsorbirane energije prema ukupnoj;
• koeficijent emisije – pokazuje omjer predane energije prema apsorbiranoj;
• ukupna i aperturna površina;
• Učinkovitost.

Aperturna površina je radna površina solarnog kolektora. Kod ravnog kolektora aperturna površina je maksimalna. Aperturna površina jednaka je površini apsorbera.

Načini spajanja na sustav grijanja

Budući da uređaji na solarnu energiju ne mogu osigurati stabilnu i neprekidnu opskrbu energijom, potreban je sustav otporan na te nedostatke.

Za srednji pojas Rusije solarni uređaji ne mogu jamčiti stabilan dotok energije, stoga se koriste kao dodatni sustav. Integracija u postojeći sustav grijanja i opskrbe toplom vodom razlikuje se za solarni kolektor i solarnu ploču.

Shema s vodenim kolektorom

Ovisno o namjeni toplinskog kolektora primjenjuju se različiti sustavi povezivanja. Može postojati nekoliko mogućnosti:

1. Ljetna varijanta za opskrbu toplom vodom
2. Zimska varijanta za grijanje i opskrbu toplom vodom

Ljetna varijanta je najjednostavnija i može funkcionirati čak i bez cirkulacijske pumpe, koristeći prirodnu cirkulaciju vode.

Voda se zagrijava u solarnom kolektoru i zbog toplinskog širenja ulazi u akumulacijski spremnik ili bojler. Pritom se događa prirodna cirkulacija: na mjesto vruće vode iz spremnika usisava se hladna.

Zimi pri negativnim temperaturama izravno zagrijavanje vode nije moguće. Zatvorenim krugom cirkulira posebna antifriz tekućina, osiguravajući prijenos topline od kolektora do izmjenjivača topline u spremniku.

Kao i svaki sustav temeljen na prirodnoj cirkulaciji, radi prilično neučinkovito, zahtijevajući poštivanje potrebnih nagiba. Osim toga, akumulacijski spremnik mora biti viši od solarnog kolektora. Kako bi voda ostala što duže vruća, spremnik je potrebno temeljito izolirati.

Ako Vi želite doista postići maksimalno učinkovit rad solarnog kolektora, shema povezivanja postat će složenija.

Da se noću kolektor ne bi pretvorio u radijator hlađenja, potrebno je prisilno prekinuti cirkulaciju vode.

Kroz sustav solarnog kolektora cirkulira tekućina koja se ne smrzava. Prisilnu cirkulaciju osigurava pumpa pod upravljanjem kontrolera.

Kontroler upravlja radom cirkulacijske pumpe na temelju očitanja najmanje dva temperaturna senzora. Prvi senzor mjeri temperaturu u akumulacijskom spremniku, drugi – na cijevi dovoda toplog toplinskog medija solarnog kolektora.

Čim temperatura u spremniku premaši temperaturu toplinskog nosača, kontroler u kolektoru isključuje cirkulacijsku pumpu, prekidajući cirkulaciju toplinskog nosača kroz sustav. S druge strane, kada temperatura u akumulacijskom spremniku padne ispod zadane vrijednosti, uključuje se kotao za grijanje.

Novost i učinkovita alternativa solarnim kolektorima s toplinskim nosačem postali su sustavi s vakuumskim cijevima, čiji princip rada i konstrukciju predlažemo da upoznate.

Shema sa solarnom baterijom

Bilo bi primamljivo primijeniti sličnu shemu spajanja solarne ploče na električnu mrežu, kao što je to ostvareno u slučaju solarnog kolektora, akumulirajući energiju primljenu tijekom dana. Nažalost, za sustav napajanja električnom energijom privatne kuće izrada bloka baterija dovoljnog kapaciteta vrlo je skupa. Stoga shema spajanja izgleda na sljedeći način.

Pri smanjenju snage električne struje sa solarne ploče, AVR jedinica (automatsko uključivanje rezerve) osigurava priključenje potrošača na zajedničku električnu mrežu.

Sa solarnih ploča napon dolazi do regulatora punjenja koji obavlja nekoliko funkcija: osigurava stalno dopunjavanje baterija i stabilizira napon. Zatim električna struja dolazi do pretvarača, gdje se istosmjerni napon od 12V ili 24V pretvara u izmjenični jednofazni napon od 220V.

Nažalost, naše električne mreže nisu prilagođene za primanje energije, mogu raditi samo u jednom smjeru od izvora do potrošača. Iz tog razloga nećete moći prodavati proizvedenu električnu energiju ili čak natjerati brojilo da se vrti u suprotnom smjeru.

Korištenje solarnih ploča je povoljno jer pružaju univerzalniji oblik energije, ali se ne mogu mjeriti po učinkovitosti sa solarnim kolektorima. Međutim, potonji nemaju mogućnost akumuliranja energije za razliku od solarnih fotonaponskih ploča.

Primjer proračuna potrebne snage

Pri izračunu potrebne snage sunčanog kolektora vrlo često se pogrešno provode proračuni polazeći od dolazne sunčeve energije u najhladnijim mjesecima godine.

Stvar je u tome da će se u ostalim mjesecima godine cijeli sustav stalno pregrijavati. Temperatura toplinskog medija ljeti na izlazu iz sunčanog kolektora može doseći 200°C pri zagrijavanju pare ili plina, 120°C antifriza, 150°C vode. Ako toplinski medij proključa, djelomično će ispariti. Zbog toga će ga trebati zamijeniti.

Proizvođačke tvrtke preporučuju polaziti od sljedećih brojki:

• osiguranje opskrbe toplom vodom ne više od 70%;
• osiguranje sustava grijanja ne više od 30%.

Preostalu potrebnu toplinu mora proizvoditi standardna oprema za grijanje. Ipak, s takvim pokazateljima godišnje se u prosjeku uštedi oko 40% na grijanju i opskrbi toplom vodom.

Snaga koju proizvodi jedna cijev vakuumskog sustava ovisi o zemljopisnom položaju. Pokazatelj sunčeve energije koja godišnje padne na 1 m² tla naziva se insolacija.

Poznavajući duljinu i promjer cijevi, može se izračunati apertura – efektivna površina apsorpcije. Preostaje primijeniti koeficijente apsorpcije i emisije za izračun snage jedne cijevi godišnje.

Primjer proračuna:

Standardna duljina cijevi iznosi 1800 mm, efektivna – 1600 mm. Promjer 58 mm. Apertura – zasjenjeno područje koje stvara cijev. Dakle, površina pravokutnika sjene iznosit će:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Učinkovitost prosječne cijevi iznosi 80%, sunčeva insolacija za Moskvu iznosi oko 1170 kWh/m² godišnje. Dakle, jedna cijev će proizvesti godišnje:

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

Potrebno je napomenuti da je ovo vrlo približan proračun. Količina proizvedene energije ovisi o orijentaciji instalacije, kutu, prosječnoj godišnjoj temperaturi itd.

Sa svim vrstama alternativnih izvora energije i načinima njihove upotrebe možete se upoznati u predstavljenom članku.

Zaključci i koristan video na temu

Video #1. Demonstracija rada sunčanog kolektora zimi:

Video #2. Usporedba različitih modela sunčanih kolektora:

Tijekom cijelog svog postojanja čovječanstvo svake godine troši sve više energije. Pokušaji korištenja besplatnog sunčevog zračenja poduzimali su se odavno, ali tek u posljednje vrijeme postalo je moguće učinkovito koristiti sunce u našim geografskim širinama. Nesumnjivo je da je budućnost u heliosustavima.

Želite li izvijestiti o zanimljivim značajkama organizacije sunčanog grijanja seoske kuće ili vikendice? Pišite, molimo, komentare u bloku koji se nalazi ispod. Ovdje također možete postaviti pitanje, ostaviti fotografiju s demonstracijom procesa sastavljanja sustava, podijeliti korisne informacije.