Solární ohřívač vody

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 23. července 2020; kontroly vyžadují 14 úprav .

Solární ohřívač vody  je druh solárního kolektoru . Určeno pro výrobu teplé vody absorpcí slunečního záření, jeho přeměnou na teplo , akumulací a předáním spotřebiteli.

Historie

První solární ohřívač vody vytvořil v roce 1767 švýcarský botanik Horace Benedict de Saussure a díky svému výkonu umožňoval vařit polévku .

Moderní typ ohřívačů vody byl vytvořen v roce 1953 v Izraeli inženýrem Levim Issarem a zdokonalen Dr. Zvi Tavorem v roce 1955 , za což o 3 roky později obdržel cenu 1000 izraelských lir od tamního premiéra Davida Ben-Guriona [ 1] .

Zařízení

Solární ohřívač vody s vakuovým kolektorem, nejúčinnější, i když také nejdražší, se skládá ze dvou hlavních prvků:

Venkovní jednotka se skládá z vakuových trubic se selektivním nátěrem naneseným na vnitřní straně v několika vrstvách a reflexní vrstvou. Tento nátěr je při provozu solárních kolektorů nejdůležitější. Účinnost selektivního povlaku se měří koeficientem absorpce (α) sluneční energie, relativní emisivitou (ε) dlouhovlnného tepelného záření a poměrem absorpce k emisivitě (α/ε). Hlavní typy selektivních povlaků používaných pro vakuové rozdělovače: Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Solární vakuový kolektor zajišťuje sběr slunečního záření za každého počasí a zeslabuje závislost na venkovní teplotě. Koeficient absorpce energie kolektorů dosahuje 98 %, ale vlivem ztrát spojených s odrazem světla skleněnými trubicemi a jejich neúplnou propustností světla je nižší.

Účinnost solárních kolektorů jako první aproximaci lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

,

kde  je vypočtená hodnota účinnosti,  je jmenovitá (optická) účinnost instalace za normálních podmínek,  je koeficient závislý na typu a tepelné izolaci kolektoru,  je teplotní rozdíl mezi chladicí kapalinou a okolním vzduchem (gr. C), E je sluneční záření (W / m2).

Údaje pro některé typy kolektorů jsou uvedeny níže.

typ kolektoru Jmenovitá účinnost Součinitel
Plochý solární kolektor 72-75 3-5
Vakuový solární kolektor s tepelnými trubicemi 60-65 0,7-1,1
plastový solární kolektor 50-60 až 80

Solární kolektory přeměňují přímé a rozptýlené sluneční světlo na teplo. Infračervené záření , které prochází mraky , je také absorbováno a přeměněno na teplo.

Nádrž tepelného výměníku je systém pro přeměnu, udržování a akumulaci tepla získaného ze sluneční energie, ale i z jiných zdrojů energie (například tradiční ohřívač na elektřinu, plyn nebo naftu ), který zajišťuje systém pro případ nedostatečná sluneční energie. Ohřátá voda proudí z výměníku vnitřní jednotky do radiátorů topného systému a voda ze zásobníku je využívána pro zásobování teplou vodou .

Plynový nebo elektrický ohřívač by neměl být umístěn paralelně se solárním ohřívačem (v tomto případě bude ohřívat studenou vodu), ale musí být instalován v sérii za solárním ohřívačem. Potom bude jeho příspěvek k ohřevu minimální, protože ohřeje pouze vodu již ohřátou sluncem.

Typy solárních ohřívačů vody

Solární ohřívače vody mohou být aktivní nebo pasivní. Aktivní systém používá elektrické čerpadlo k cirkulaci kapaliny přes rozdělovač ; pasivní systém nemá čerpadlo a spoléhá se pouze na přirozenou cirkulaci. Existují experimentální vzorky, kde je chladicí kapalina čerpána stirlingovým čerpadlem , které přijímá energii ze slunce.

Pasivní systémy

Pasivní (termosifonové) systémy pohybují hotovou vodou nebo chladicí kapalinou systémem v důsledku přirozené gravitace, ke které dochází při rozdílu v hustotě zahřáté a ochlazené chladicí kapaliny. Pasivní systémy s konvekcí jsou levnější než aktivní systémy, ale také méně účinné kvůli pomalé cirkulaci v systému. Systémy tepelných trubic jsou dražší než konvekční systémy, ale mají nižší provozní náklady. Systémy tepelných trubic navíc umožňují čerpání tepla směrem dolů, tedy proti silám konvekce. Charakteristiky jsou velmi závislé na konkrétním typu potrubí.

Aktivní systémy

Aktivní systémy používají elektrická čerpadla , ventily a ovladače k ​​cirkulaci chladicí kapaliny přes potrubí. Jsou obvykle dražší než pasivní systémy, ale také účinnější.

Aktivní systémy s otevřenou smyčkou

Aktivní systémy s otevřenou smyčkou používají čerpadla k cirkulaci vody přes potrubí . Aktivní systémy s otevřenou smyčkou jsou oblíbené v oblastech s kladnými teplotami nebo sezónním používáním. Může být provozován při teplotách vzduchu až -20 °C nebo -25 °C.

Aktivní systémy s uzavřenou smyčkou

V těchto systémech je chladicí kapalinou kolektoru obvykle nemrznoucí směs voda-glykol . Výměníky tepla předávají teplo z primárního chladiva vodě uložené v nádržích (akumulátorech tepla). Systémy s uzavřeným okruhem jsou oblíbené v oblastech vystavených dlouhodobým mrazu, protože mají dobrou ochranu proti mrazu. Vzhledem k vysokým teplotám při stagnaci chladicí kapaliny v období maximální expozice nejsou všechny nemrznoucí směsi vhodné pro použití v solárních systémech.

S panelovým rozdělovačem

Největší oblibu si pro svou spolehlivost a odolnost získaly solární ploché kolektory. V oblastech bohatých na slunce ( Turecko , jižní oblasti Číny , Saúdská Arábie atd.) se v takových kolektorech používá jako absorbér hliníková nebo ocelová deska. Hodnoty účinnosti kolektorů s takovou konstrukcí jsou nízké, což je kompenzováno vysokými (nadměrnými) hodnotami slunečního povrchového ozáření v těchto oblastech. V konstrukci moderních plochých solárních kolektorů je použito antireflexní sklo se sníženým obsahem železa, selektivní měděný povlak absorbéru a zvýšená tloušťka tepelné izolace (minimálně 50 mm).

Pro hodnoty slunečního záření (oslunění) i v jižních oblastech Ruska jsou vyžadovány kolektory s měděnou deskou se speciálním vysoce účinným selektivním povlakem. Díky vysoké tepelné vodivosti mědi je přenos tepla energie do chladiva a celková účinnost plochého měděného solárního kolektoru mnohem vyšší.

S vakuovým rozdělovačem

Díky použití tepelných trubic v konstrukci vakuových kolektorů je dosaženo větší účinnosti při provozu při nízkých teplotách a nízkém osvětlení. Použití přídavného tepelného okruhu zároveň vede k nevyhnutelným ztrátám spojeným s přenosem tepla mezi médii, proto je účinnost vakuových kolektorů při teplotách nad +15 stupňů prakticky stejná a někdy dokonce nižší. plochých kolektorů. Dvoutrubkové provedení vakuového solárního kolektoru tuto nevýhodu postrádá. Díky vysoce kvalitním vícevrstvým vysoce selektivním povlakům a evakuaci je moderní solární kolektor schopen zachytit sluneční energii ve velmi širokém spektru záření (mnohem širším než viditelné spektrum).

Existuje několik hlavních typů vakuových solárních kolektorů:

Baňka v baňce

U kolektorů prvního typu se nosič tepla zahřívá v kontaktu se selektivním povlakem skleněné baňky. Jako chladicí kapalina může fungovat jak voda, tak nemrznoucí kapalina (nebo její směs s vodou). Takové systémy fungují bez nadměrného tlaku chladicí kapaliny, protože nemohou být účinně vodotěsné. Nejčastěji se jedná o systémy s pasivní cirkulací chladicí kapaliny.

Baňka v baňce s tepelnou trubicí

V kolektorech využívajících baňky druhého typu se používají měděné tepelné trubice. Teplo je přenášeno z absorbéru do trubky pomocí žeber. Tepelná trubice přenáší teplo do kondenzátoru tepelné trubice, který je připojen ke kolektoru, ve kterém cirkuluje chladicí kapalina.

Baňka v baňce s U trubicí

V kolektorech využívajících baňky třetího typu se používají měděné tepelné trubice ve tvaru U. Teplo se z absorbéru přenáší do trubice pomocí hliníkových žeber. Chladicí kapalina proudí přímo tepelnými trubicemi.

Vakuová baňka

Hlavním rozdílem mezi baňkami čtvrtého typu je vakuová tepelná izolace měděné tepelné trubice. Pokud je v baňkách prvního a druhého typu vakuová vrstva umístěna mezi skleněnými stěnami baněk, pak ve vakuových baňkách je absorbér i tepelná trubice pod sníženým tlakem vzduchu. Kromě toho přítomnost pouze jedné vrstvy skla namísto dvou zvyšuje účinnost instalace.

  • Baňka v baňce s tepelnou trubicí.

  • Vakuové sběrací zařízení.

Podle zařízení pro přenos tepla mezi baňkou a chladicí kapalinou se rozlišují následující hlavní typy kolektorů:

  • Dvoutrubkový systém. Chladivo cirkuluje uvnitř baňky. U-trubice.

  • Jednotrubkový systém. Kondenzátor heatpipe je vložen do kolektorové trubky.

  • Dvoutrubkový systém. Kondenzátor tepelné trubice je vložen mezi kolektorové trubice.

Plastové sběrače

Nejjednodušším řešením solárního ohřevu jsou plastové solární kolektory . Vyrobeno z vysokohustotního polyethylenu ( HDPE ) lisováním. Takové kolektory zpravidla nemají dodatečnou tepelnou izolaci a používají se k ohřevu vody v létě. Výkon plastových kolektorů je poměrně silně závislý na rychlosti větru. Nízký hydraulický odpor umožňuje připojit kolektorový okruh tohoto typu přímo k systému cirkulace vody.

Instalace

Solární ohřívače vody jsou instalovány na střeše budov v úhlu k horizontu rovnému zeměpisné šířce oblasti. Úhel sklonu při montáži závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků, ke kterému musí být plocha kolmá. Optimální úhel sklonu v zimě je 60 °, v létě - 30 °. V praxi se doporučuje zvolit 45°. Druhým parametrem je azimut , který se nesmí odchýlit od 0° (směr na jih). To není vždy možné, takže odchylka od jižního směru až 45 ° je přijatelná.

Skupiny topidel jsou navíc instalovány na volných prostranstvích, např. nad parkovišti, ale co nejblíže spotřebiteli (budově).

Vzhledem k tomu, že solární ohřívač nelze vypnout, v období maximálního slunečního záření a nízkého odběru vody v něm může teplota ( stagnační teplota nebo stagnační teplota ) dosáhnout v závislosti na typu až 200 °C (ploché systémy) a 300 °C (vakuové systémy).

Plastové (polymerové) trubky a pozinkované ocelové trubky proto nelze použít jako potrubí pro ohřívače vody . Mělo by být použito měděné nebo nerezové potrubí .

Rovněž je nutné zajistit tepelnou izolaci prvního (horkého) potrubního okruhu ohřívačů vody, aby nedošlo k popálení a požáru, a materiál tepelné izolace a upevňovacích prvků musí vyhovovat stanoveným teplotním podmínkám.

Vyrobené skříně rozdělovače jsou označeny přesnou teplotou stagnace pro danou modelovou řadu.

Životnost kolektorů je minimálně 15 let.

Existují pokusy instalovat kolektory na stěny domů téměř ve svislé poloze. V tomto případě, zejména ve vysokých zeměpisných šířkách, je účinnost kolektoru vyšší v zimních měsících a nižší v letních měsících. Ve prospěch takové instalace existuje ještě jeden argument: kolektor je pohodlnější na údržbu, méně se na něj práší, je snadnější jej umýt a je menší riziko poškození krupobitím. Navíc je takový kolektor umístěn poměrně nízko vzhledem k nádrži s ohřívanou vodou, rychlost konvekce se výrazně zvyšuje a není potřeba aktivní systém. Instalace kolektoru na stěnu snižuje tepelné ztráty domu (bytu), čímž se snižuje potřeba energie na vytápění.

Aplikace

Solární ohřívače vody se používají pro domácí a komerční zásobování teplou vodou, průmyslové zásobování teplem, ohřev vody v bazénech atd.

Největší počet výrobních procesů využívajících teplou a horkou vodu (30-90 °C) probíhá v potravinářském a textilním průmyslu, které tak mají nejvyšší potenciál pro využití slunečních kolektorů.

Ekologie

Provoz domácího solárního ohřívače vody snižuje emise CO 2 úměrně k množství ušetřeného paliva. Navíc se v tomto případě snižuje skleníkový efekt emisí oxidu uhličitého.

Distribuce

Světovým lídrem ve výrobě a aplikaci je Čína . V roce 2007 používalo v Číně solární ohřívače vody asi 40 milionů rodin s celkovým počtem 150 milionů lidí. Do roku 2009 se celková plocha instalovaných solárních ohřívačů vody rozrostla na 140 milionů m². To stačí k zásobování teplou vodou přibližně 60 milionů domácností [2] . Do roku 2020 bude v Číně vybaveno solárními ohřívači vody 300 milionů m² prostor .

V roce 2010 vyrábělo v Číně solární ohřívače vody asi 2 800 společností, z nichž 1 200 společností vyrábělo komponenty. Celkový čínský trh solárních ohřívačů vody v roce 2010 činil 73,5 miliardy juanů (přibližně 11,5 miliardy dolarů). Největšími čínskými výrobci jsou Sunrain Group, Linuo Group, Himin Solar a Sangle Solar. Roční tržby každé z velkých čtyř společností přesahují 2 miliardy jüanů (přibližně 313 milionů $) [3] .

Ohřívače vody jsou velmi široce používány také v Izraeli , kde je tímto zařízením vybaveno přibližně 85 % bytů. . Důvodem je zákon přijatý v roce 1976 a povinnost vybudovat bydlení s vestavěnými solárními ohřívači vody. Výjimkou je výškové budovy (více než 9 pater), kde plocha střechy nepostačuje pro umístění solárních kolektorů dostačujících pro všechny spotřebitele budovy. Takto rozšířené používání solárních ohřívačů vody ušetří asi 8 % veškeré elektřiny vyrobené v zemi.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ http://my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm  (downlink) Poděkování od Ben-Guriona (hebrejsky)
  2. ↑ Eric Martinot, Aktualizace zásad obnovitelné energie Junfeng pro Čínu z 21. července 2010 . Získáno 22. července 2010. Archivováno z originálu 13. února 2015.
  3. ↑ Bärbel Epp Solar Thermal Competition se zahřívá v Číně 10. září 2012 . Datum přístupu: 13. září 2012. Archivováno z originálu 17. prosince 2013.

Literatura

  • M. Zgut. Pasti na slunce // Věda a život, nakladatelství Pravda. 1988 č. 6, s. 87-88
  • GV Kazakov Principy zlepšování solární architektury. Sladký, 1990