Incalzitor solar de apa

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 23 iulie 2020; verificările necesită 14 modificări .

Un încălzitor solar de apă este un tip de colector solar . Proiectat pentru producerea de apă caldă prin absorbția radiației solare, transformarea acesteia în căldură , acumularea și transferul către consumator.

Istorie

Primul încălzitor solar de apă a fost creat în 1767 de botanistul elvețian Horace Benedict de Saussure și, datorită puterii sale, a făcut posibilă gătirea supei .

Tipul modern de încălzitoare de apă a fost creat în 1953 în Israel de inginerul Levi Issar și îmbunătățit de Dr. Zvi Tavor în 1955 , pentru care a primit 3 ani mai târziu un premiu de 1000 de lire israeliene de la prim-ministrul țării, David Ben-Gurion . 1] .

Dispozitiv

Boilerul solar cu colector de vid, cel mai eficient deși și cel mai scump, este format din două elemente principale:

unitate exterioară - colectoare solare în vid;
unitate interioară - rezervor-schimbător de căldură.

Unitatea exterioară este formată din tuburi de vid cu un strat selectiv aplicat la interior în mai multe straturi și un strat reflectorizant. Această acoperire este cea mai importantă în funcționarea colectoarelor solare. Eficacitatea unei acoperiri selective este măsurată prin coeficientul de absorbție (α) al energiei solare, emisivitatea relativă (ε) a radiației termice cu lungime de undă lungă și raportul dintre absorbtivitate și emisivitate (α/ε). Principalele tipuri de acoperiri selective utilizate pentru colectoarele de vid: Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Colectorul solar cu vid asigura colectarea radiatiei solare in orice vreme, slabind dependenta de temperatura exterioara. Coeficientul de absorbție de energie al colectoarelor ajunge la 98%, dar din cauza pierderilor asociate cu reflectarea luminii de către tuburile de sticlă și transmisia lor incompletă a luminii, acesta este mai mic.

Eficiența colectoarelor solare ca primă aproximare poate fi calculată folosind următoarea formulă:

$\eta ={\eta }_{0}-{\frac {k\cdot \Delta T}{E)}$ ,

unde este valoarea calculată a randamentului, este randamentul nominal (optic) al instalației în condiții normale, este un coeficient în funcție de tipul și izolarea termică a colectorului, este diferența de temperatură dintre lichidul de răcire și aerul ambiant (gr. C), E este insolație (W / mp). $\eta$ ${\eta }_{0}$ ${k}_{1}$ $\Delta T$

Datele pentru unele tipuri de colectori sunt prezentate mai jos.

tip de colector	Eficiență evaluată ${\eta }_{0}$	Coeficient ${k}_{1}$
Colector solar plat	72-75	3-5
Colector solar cu vid cu conducte termice	60-65	0,7-1,1
colector solar din plastic	50-60	până la 80

Colectorii solari transformă lumina directă și împrăștiată în căldură. Radiația infraroșie care trece prin nori este, de asemenea, absorbită și transformată în căldură.

Un rezervor de schimbător de căldură este un sistem de transformare, menținere și stocare a căldurii primite din energia solară, precum și din alte surse de energie (de exemplu, un încălzitor tradițional care funcționează cu electricitate, gaz sau motorină ), care asigură sistemul în caz de energie solară insuficientă. Apa încălzită curge de la schimbătorul de căldură al unității interioare către radiatoarele sistemului de încălzire , iar apa din rezervor este folosită pentru alimentarea cu apă caldă .

Un încălzitor pe gaz sau electric nu trebuie amplasat paralel cu încălzitorul solar (în acest caz va încălzi apa rece), ci trebuie instalat în serie după încălzitorul solar. Atunci contribuția sa la încălzire va fi minimă, deoarece va încălzi doar apa deja încălzită de soare.

Tipuri de încălzitoare solare de apă

Încălzitoarele solare de apă pot fi de tip activ sau pasiv. Sistemul activ folosește o pompă electrică pentru a circula fluidul prin colector ; sistemul pasiv nu are pompa si se bazeaza doar pe circulatia naturala. Există probe experimentale în care lichidul de răcire este pompat de o pompă Stirling care primește energie de la soare.

Sisteme pasive

Sistemele pasive (termosifon) mută apa finită sau lichidul de răcire prin sistem datorită gravitației naturale care apare atunci când diferența de densitate a lichidului de răcire încălzit și răcit. Sistemele pasive cu convecție sunt mai puțin costisitoare decât sistemele active, dar și mai puțin eficiente datorită circulației lente în sistem. Sistemele de conducte termice sunt mai scumpe decât sistemele convective, dar au costuri de operare mai mici. În plus, sistemele de conducte de căldură permit pomparea căldurii în jos, adică împotriva forțelor de convecție. Caracteristicile depind foarte mult de tipul specific de țeavă.

Un exemplu de sistem cu circulație pasivă a lichidului de răcire (două circuite).
Sistem fără presiune cu circulație pasivă a lichidului de răcire.
Un exemplu de sistem cu circulație activă a lichidului de răcire (cu un sistem de reîncălzire de la un cazan convențional cu combustibil).

Sisteme active

Sistemele active folosesc pompe electrice , supape și controlere pentru a circula lichidul de răcire prin colector. Sunt de obicei mai scumpe decât sistemele pasive, dar și mai eficiente.

Sisteme active în buclă deschisă

Sistemele active cu buclă deschisă folosesc pompe pentru a circula apa prin colectoare . Sistemele active cu buclă deschisă sunt populare în regiunile cu temperaturi pozitive sau cu utilizare sezonieră. Poate fi operat la temperaturi ale aerului de până la -20 °C sau -25 °C.

Sisteme active în buclă închisă

În aceste sisteme, lichidul de răcire al colectorului este de obicei antigel apă-glicol . Schimbătoarele de căldură transferă căldura de la lichidul de răcire primar în apa stocată în rezervoare (acumulatoare de căldură). Sistemele cu circuit închis sunt populare în zonele supuse temperaturilor de îngheț prelungite, deoarece au o bună protecție împotriva înghețului. Datorită temperaturilor ridicate din timpul stagnării lichidului de răcire în perioadele de expunere maximă, nu toți antigelurile sunt potrivite pentru utilizarea în sistemele solare.

Cu panou colector

Datorită fiabilității și durabilității lor, colectoarele solare plate au câștigat cea mai mare popularitate. În regiunile bogate în soare ( Turcia , regiunile de sud ale Chinei , Arabia Saudită etc.), o placă de aluminiu sau oțel este folosită ca absorbant în astfel de colectoare. Valorile de eficiență ale colectoarelor cu un astfel de design sunt scăzute, ceea ce este compensat de valori mari (excesive) ale iradierii suprafeței solare în aceste regiuni. În proiectarea colectoarelor solare plate moderne, se utilizează sticlă antireflex cu un conținut redus de fier, un strat absorbant selectiv de cupru și o grosime crescută a izolației termice (minim 50 mm).

Pentru valorile iradierii solare (izolația) chiar și în regiunile de sud ale Rusiei, sunt necesari colectoare cu o placă de cupru cu o acoperire selectivă specială foarte eficientă. Datorită conductivității termice ridicate a cuprului, transferul de căldură al energiei către lichidul de răcire și eficiența globală a unui colector solar plat din cupru sunt mult mai mari.

Cu un colector de vid

Datorită utilizării conductelor de căldură în proiectarea colectoarelor de vid, se obține o eficiență mai mare atunci când funcționează la temperaturi scăzute și lumină scăzută. În același timp, utilizarea unui circuit termic suplimentar duce la pierderi inevitabile asociate cu transferul de căldură între medii, prin urmare, la temperaturi de peste +15 grade, eficiența colectoarelor de vid este practic aceeași și uneori chiar mai mică decât aceea. a colectoarelor plate. Designul cu două conducte al colectorului solar în vid este lipsit de acest dezavantaj. Datorită straturilor de înaltă calitate și a evacuării foarte selective, un colector solar modern este capabil să capteze energia solară într-un spectru de radiații foarte larg (mult mai larg decât spectrul vizibil).

Există mai multe tipuri principale de colectoare solare în vid:

1. Un balon într-un balon.
2. Balon într-un balon cu conductă de căldură.
3. Balon în balon cu tub în formă de U.
4. Balon de vid.

Un balon într-un balon

La colectoarele de primul tip, purtătorul de căldură este încălzit în contact cu acoperirea selectivă a becului de sticlă. Atât apa, cât și antigelul (sau amestecul acestuia cu apă) pot acționa ca lichid de răcire. Astfel de sisteme funcționează în absența unei presiuni excesive din partea lichidului de răcire, deoarece nu pot fi impermeabilizate eficient. Cel mai adesea acestea sunt sisteme cu circulație pasivă a lichidului de răcire.

Balon într-un balon cu conductă termică

În colectoarele care utilizează baloane de al doilea tip, se folosesc conducte de căldură din cupru. Căldura este transferată de la absorbant în tub prin intermediul nervurilor. Conducta de căldură transferă căldură la condensatorul conductei de căldură, care este conectat la un colector în care circulă lichidul de răcire.

Balon în balon cu tub în U

În colectoarele care utilizează baloane de al treilea tip, se folosesc conducte de căldură din cupru în formă de U. Căldura este transferată de la absorbant în tub folosind aripioare de aluminiu. Lichidul de răcire curge direct prin conductele de căldură.

Balon de vid

Principala diferență dintre baloanele de al patrulea tip este izolarea termică în vid a conductei de căldură din cupru. Dacă în baloanele de primul și al doilea tip stratul de vid este situat între pereții de sticlă ai baloanelor, atunci în baloanele evacuate atât absorbantul, cât și conducta de căldură sunt la presiune redusă a aerului. În plus, prezența unui singur strat de sticlă în loc de două crește eficiența instalației.

Balon într-un balon cu conductă de căldură.
Dispozitiv colector de vid.

În funcție de dispozitivul de transfer de căldură dintre balon și lichid de răcire, se disting următoarele tipuri principale de colectoare:

Sistem cu două conducte. Lichidul de răcire circulă în interiorul balonului. Tub în U.
Sistem cu o singură conductă. Condensatorul conductei de căldură este introdus în tubul colector.
Sistem cu două conducte. Condensatorul conductei de căldură este introdus între tuburile colectoare.

Colectoare de plastic

Cea mai simplă soluție pentru încălzirea solară sunt colectoarele solare din plastic . Fabricat din polietilenă de înaltă densitate ( HDPE ) prin ștanțare. Astfel de colectoare, de regulă, nu au izolație termică suplimentară și sunt folosite pentru a încălzi apa vara. Performanța colectoarelor din plastic depinde destul de mult de viteza vântului. Rezistența hidraulică scăzută vă permite să conectați circuitul colector de acest tip direct la sistemul de circulație a apei.

Instalare

Încălzitoarele solare de apă sunt instalate pe acoperișul clădirilor la un unghi față de orizont egal cu latitudinea geografică a zonei. Unghiul de înclinare în timpul instalării depinde de unghiul de incidență a razelor solare, față de care suprafața trebuie să fie perpendiculară. Unghiul optim de înclinare iarna este de 60°, vara - 30°. În practică, se recomandă să alegeți 45 °. Al doilea parametru este azimutul , care nu trebuie să se abate de la 0° (direcționare spre sud). Acest lucru nu este întotdeauna posibil, deci o abatere de la direcția sud de până la 45 ° este acceptabilă.

În plus, grupurile de încălzitoare sunt instalate în spații deschise, de exemplu, deasupra parcărilor, dar cât mai aproape de consumator (cladire).

Datorita faptului ca incalzitorul solar nu poate fi oprit, in perioadele de maxima radiatie solara si aport redus de apa, temperatura ( temperatura de stagnare sau temperatura de stagnare) in acesta poate atinge, in functie de tip, 200 °C (sisteme plate) și 300 °C (sisteme de vid).

Prin urmare, țevile din plastic (polimer) și țevile din oțel acoperite cu zinc nu pot fi utilizate ca conducte pentru încălzitoarele de apă . Trebuie utilizate conducte de cupru sau oțel inoxidabil .

De asemenea, este necesar să se asigure izolarea termică a primului circuit de conducte (fierbinte) al încălzitoarelor de apă pentru a preveni arsurile și incendiile, iar materialul izolației termice și elementele de fixare trebuie să respecte condițiile de temperatură specificate.

Carcasele colectoarelor fabricate sunt marcate cu temperatura exactă de stagnare pentru o anumită gamă de modele.

Durata de viață a colectoarelor este de cel puțin 15 ani.

Există încercări de a instala colectori pe pereții caselor, aproape în poziție verticală. În acest caz, mai ales la latitudini mari, eficiența colectorului este mai mare în lunile de iarnă și mai scăzută în lunile de vară. Există un alt argument în favoarea unei astfel de instalații: colectorul este mai convenabil de întreținut, adună mai puțin praf, este mai ușor de spălat și există mai puțin risc de deteriorare de la grindină. În plus, un astfel de colector este situat destul de jos în raport cu rezervorul cu apă încălzită, viteza de convecție crește semnificativ și nu este nevoie de un sistem activ. Instalarea colectorului pe perete reduce pierderile de căldură ale casei (apartamentului), ceea ce reduce necesarul de energie pentru încălzire.

Aplicație

Încălzitoarele solare de apă sunt utilizate pentru alimentarea cu apă caldă menajeră și comercială, furnizarea de căldură industrială, încălzirea apei piscinei etc.

Cel mai mare număr de procese de producție care utilizează apă caldă și caldă (30-90 °C) au loc în industria alimentară și textilă, care au astfel cel mai mare potențial de utilizare a colectoarelor solare.

Ecologie

Funcționarea unui încălzitor solar de apă menajer reduce emisiile de CO 2 proporțional cu cantitatea de combustibil economisită. În plus, în acest caz, efectul de seră al emisiilor de dioxid de carbon este redus.

Distribuție

Liderul mondial în producție și aplicare este China . În 2007, aproximativ 40 de milioane de familii cu un total de 150 de milioane de oameni au folosit încălzitoare solare de apă în China. Până în 2009, suprafața totală a încălzitoarelor solare de apă instalate a crescut la 140 milioane m². Acest lucru este suficient pentru a furniza apă caldă la aproximativ 60 de milioane de gospodării [2] . Până în 2020, 300 de milioane de m² de spații din China vor fi echipate cu încălzitoare solare de apă.

În 2010, aproximativ 2.800 de companii au produs încălzitoare solare de apă în China, dintre care 1.200 de companii au produs componente. Piața totală a încălzitoarelor solare de apă din China a fost de 73,5 miliarde de yuani (aproximativ 11,5 miliarde de dolari) în 2010. Cei mai mari producători chinezi sunt Sunrain Group, Linuo Group, Himin Solar și Sangle Solar. Vânzările anuale ale fiecăreia dintre cele patru companii mari depășesc 2 miliarde de yuani (aproximativ 313 milioane USD) [3] .

Încălzitoarele de apă sunt de asemenea utilizate pe scară largă în Israel , unde aproximativ 85% din apartamente sunt echipate cu acest echipament. . Acest lucru se datorează unei legi adoptate în 1976 si obligand sa construim locuinte cu incalzitoare solare incorporate. Excepția este clădiri înalte (mai mult de 9 etaje), unde suprafața acoperișului este insuficientă pentru a găzdui colectoare solare suficiente pentru toți consumatorii clădirii. O astfel de utilizare pe scară largă a încălzitoarelor solare de apă economisește aproximativ 8% din toată energia electrică produsă în țară.

Vezi și

Note

↑ http://my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm (downlink) Scrisoare de mulțumire de la Ben-Gurion (ebraică)
↑ Eric Martinot, Junfeng Renewable Energy Policy Update for China 21 iulie 2010 . Consultat la 22 iulie 2010. Arhivat din original la 13 februarie 2015. (nedefinit)
↑ Bärbel Epp Solar Thermal Competition se încălzește în China, 10 septembrie 2012 . Data accesului: 13 septembrie 2012. Arhivat din original la 17 decembrie 2013. (nedefinit)

Literatură

M. Zgut. Capcane pentru soare // Știință și viață, editura Pravda. 1988 nr. 6, p. 87-88
GV Kazakov Principii de îmbunătățire a arhitecturii solare. Dulce, 1990