Solárne vykurovanie rodinného domu: možnosti a schémy usporiadania

Používanie “zelenej” energie dodávanej prírodnými živlami umožňuje výrazne znížiť náklady na bývanie. Napríklad zriadením solárneho vykurovania rodinného domu budete zásobovať prakticky bezplatným teplonosným médiom nízkoteplotné radiátory a systémy podlahového vykurovania. Súhlasíte, to už je úspora.

Všetko o “zelených technológiách” sa dozviete z nášho článku. S našou pomocou sa ľahko zorientujete v druhoch solárnych zariadení, spôsoboch ich vybudovania a špecifikách prevádzky. Určite vás zaujme jeden z populárnych variantov, ktoré sa vo svete intenzívne využívajú, no u nás zatiaľ nie sú príliš žiadané.

V predloženom prehľade sú rozobraté konštrukčné vlastnosti systémov, podrobne sú popísané schémy zapojenia. Je uvedený príklad výpočtu solárneho vykurovacieho okruhu na posúdenie reálií jeho vybudovania. Ako pomoc pre svojpomocných majstrov sú priložené fotogalérie a videá.

“Zelené” technológie získavania tepla

V priemere 1 m² zemského povrchu prijme 161 W slnečnej energie za hodinu. Samozrejme, na rovníku je tento ukazovateľ mnohonásobne vyšší ako v Zapolární. Navyše hustota slnečného žiarenia závisí od ročného obdobia.

V Moskovskej oblasti sa intenzita slnečného žiarenia v decembri – januári líši od mája – júla viac ako päťnásobne. Avšak moderné systémy sú natoľko účinné, že dokážu fungovať prakticky všade na Zemi.

Moderné solárne systémy dokážu efektívne pracovať pri zamračenom a chladnom počasí do -30 °C

Úloha využitia energie slnečného žiarenia s maximálnou účinnosťou sa rieši dvoma spôsobmi: priamym ohrevom v tepelných kolektoroch a solárnymi fotovoltickými panelmi. Solárne panely najprv premieňajú energiu slnečných lúčov na elektrinu, potom ju prenášajú cez špeciálny systém spotrebiteľom, napríklad elektrickému kotlu.

Tepelné kolektory sa zahrievajú pôsobením slnečných lúčov a ohrievajú teplonosné médium vykurovacích systémov a systému teplej vody.

Tepelné kolektory sú viacerých druhov, medzi ktoré patria otvorené a uzavreté systémy, ploché a guľové konštrukcie, polguľové kolektory-koncentrátory a mnohé ďalšie varianty. Tepelná energia získaná zo slnečných kolektorov sa využíva na ohrev teplej vody alebo teplonosného média vykurovacieho systému.

Priemysel vyrába v širokom sortimente kolektorové systémy na začlenenie do nezávislej vykurovacej siete. Najjednoduchší variant pre chatu však nie je ťažké vyrobiť svojpomocne:

Napriek zjavnému pokroku vo vývoji riešení na zber, akumuláciu a využívanie slnečnej energie existujú výhody a nevýhody.

Efektívne využívanie slnečnej energie

Najzrejmejšou výhodou využívania slnečnej energie je jej všeobecná dostupnosť. V skutočnosti aj v najzamračenejšom a najoblačnejšom počasí možno slnečnú energiu zbierať a využívať.

Druhou výhodou – sú nulové emisie. V podstate ide o najekologickejší a najprirodzenejší druh energie. Slnečné batérie a kolektory nevytvárajú hluk. Vo väčšine prípadov sa inštalujú na strechy budov, pričom nezaberajú užitočnú plochu vidieckeho pozemku.

Účinnosť slnečného vykurovania v našich zemepisných šírkach je pomerne nízka, čo je spôsobené nedostatočným počtom slnečných dní na pravidelnú prevádzku systému (+)

Nevýhody spojené s využívaním slnečnej energie spočívajú v nestálosti osvetlenia. V tmavom období dňa nie je čo zbierať, situáciu zhoršuje skutočnosť, že vrchol vykurovacej sezóny pripadá na najkratšie svetelné dni v roku. Je potrebné sledovať optickú čistotu panelov, nepatrné znečistenie prudko znižuje účinnosť.

Okrem toho nemožno povedať, že prevádzka systému na slnečnú energiu je úplne zadarmo, existujú stále náklady na amortizáciu zariadenia, prácu obehového čerpadla a riadiacej elektroniky.

Podstatnou nevýhodou vykurovania založeného na použití slnečných kolektorov je absencia možnosti akumulovať tepelnú energiu. Do schémy je zahrnutá len expanzná nádoba (+)

Otvorené solárne kolektory

Otvorený slnečný kolektor predstavuje systém rúrok nechránený pred vonkajšími vplyvmi, ktorými cirkuluje teplonosné médium ohrievané priamo slnkom.

Ako teplonosné médium sa používa voda, plyn, vzduch, nemrznúca zmes. Rúrky sú buď pripevnené na nosnej paneli v tvare špirály, alebo sú pripojené paralelnými radmi k výstupnému hrdlu.

Slnečné kolektory otvoreného typu nie sú schopné zvládnuť vykurovanie rodinného domu. Kvôli absencii izolácie teplonosné médium rýchlo vychladne. Používajú sa v letnom období najmä na ohrev vody v sprchách alebo bazénoch.

Otvorené kolektory zvyčajne nemajú žiadnu izoláciu. Konštrukcia je veľmi jednoduchá, preto má nízku cenu a často sa vyrába svojpomocne.

Vzhľadom na absenciu izolácie prakticky neuchovávajú energiu získanú od slnka, vyznačujú sa nízkou účinnosťou. Používajú sa prevažne v letnom období na ohrev vody v bazénoch alebo letných sprchách.

Inštalujú sa v slnečných a teplých regiónoch, pri malých rozdieloch teploty okolitého vzduchu a ohrievanej vody. Dobre fungujú len v slnečnom a bezveternom počasí.

Najjednoduchší slnečný kolektor s tepelným prijímačom vyrobeným z cievky polymérnych rúr zabezpečí dodávku ohriatej vody na chate na polievanie a domáce potreby.

Trubicové typy kolektorov

Rúrkové slnečné kolektory sú zostavené z jednotlivých rúrok, cez ktoré prúdi voda, plyn alebo para. Je to jeden z typov otvorených heliosystémov. Teplonosné médium je však oveľa lepšie chránené pred vonkajšími negatívnymi vplyvmi. Najmä vo vákuových zariadeniach, ktoré sú usporiadané na princípe termosiek.

Každá rúrka je pripojená k systému samostatne, paralelne vedľa seba. Pri zlyhaní jednej rúrky ju možno ľahko vymeniť za novú. Celá konštrukcia sa môže zostaviť priamo na streche budovy, čo výrazne uľahčuje montáž.

Rúrkový kolektor má modulárnu štruktúru. Hlavným prvkom je vákuová rúrka, počet rúrok sa pohybuje od 18 do 30, čo umožňuje presne zvoliť výkon systému.

Významnou výhodou rúrkových slnečných kolektorov je valcový tvar hlavných prvkov, vďaka ktorým sa slnečné žiarenie zachytáva počas celého denného svetla bez použitia drahých systémov na sledovanie pohybu slnka.

Špeciálny viacvrstvový náter vytvára akúsi optickú pascu pre slnečné lúče. Na schéme je čiastočne znázornená vonkajšia stena vákuovej banky, ktorá odráža lúče na steny vnútornej banky (+).

Podľa konštrukcie rúrok sa rozlišujú perové a koaxiálne slnečné kolektory.

Koaxiálna rúrka predstavuje Dewarovu nádobu alebo všetkým známy termosi. Sú vyrobené z dvoch baniek, medzi ktorými je odčerpaný vzduch. Na vnútorný povrch vnútornej banky je nanesený vysoko selektívny náter, ktorý efektívne absorbuje slnečnú energiu.

Pri valcovom tvare rúrky dopadajú slnečné lúče vždy kolmo na povrch.

Tepelná energia z vnútornej selektívnej vrstvy sa prenáša do tepelnej rúrky alebo vnútorného výmenníka tepla z hliníkových platní. V tejto fáze dochádza k nežiaducim tepelným stratám.

Perová rúrka predstavuje sklenený valec so vloženým perovým absorbérom.

Svoje pomenovanie systém získal od perového absorbéra, ktorý tesne obklopuje tepelný kanál z teplovodivého kovu.

Pre dobrú tepelnú izoláciu je z rúrky odčerpaný vzduch. Prenos tepla z absorbéra prebieha bez strát, preto je účinnosť perových rúrok vyššia.

Podľa spôsobu prenosu tepla existujú dva systémy: prietokové a s tepelnou rúrkou (heat pipe). Tepelná rúrka predstavuje uzavretú nádobu s ľahko sa vyparujúcou kvapalinou.

Keďže ľahko sa odparujúca kvapalina prirodzene steká na dno tepelnej trubice, minimálny uhol sklonu je 20 °C.

Vo vnútri tepelnej trubice sa nachádza ľahko sa odparujúca kvapalina, ktorá prijíma teplo z vnútornej steny banky alebo z perového absorbéra. Pôsobením teploty kvapalina vrie a vo forme pary stúpa nahor. Po tom, čo je teplo odovzdané vykurovaciemu médiu alebo teplej vode, para kondenzuje na kvapalinu a steká dole.

Ako ľahko sa odparujúca kvapalina sa často používa voda pri nízkom tlaku. V prietokovom systéme sa používa trubica v tvare U, cez ktorú cirkuluje voda alebo vykurovacie médium.

Jedna polovica trubice v tvare U je určená pre studené vykurovacie médium, druhá odvádza ohriate. Pri zahriatí sa vykurovacie médium rozťahuje a vstupuje do akumulačnej nádrže, čím zabezpečuje prirodzenú cirkuláciu. Rovnako ako v prípade systémov s tepelnou trubicou, minimálny uhol sklonu musí byť aspoň 20°.

Pri prietokovom pripojení tlak v systéme nemôže byť vysoký, pretože vo vnútri banky je technické vákuum.

Prietokové systémy sú účinnejšie, pretože okamžite ohrievajú vykurovacie médium. Ak sa systémy solárnych kolektorov plánujú používať celoročne, vstrekuje sa do nich špeciálna nemrznúca zmes.

Použitie rúrkových solárnych kolektorov má rad výhod a nevýhod. Konštrukcia rúrkového solárneho kolektora pozostáva z rovnakých prvkov, ktoré sa dajú relatívne ľahko vymeniť.

Výhody:

• nízke tepelné straty;
• schopnosť pracovať pri teplote do -30 °C;
• efektívna výkonnosť počas celého svetelného dňa;
• dobrá prevádzkyschopnosť v oblastiach s miernym a studeným podnebím;
• nízky odpor vetru, odôvodnený schopnosťou rúrkových systémov prepúšťať cez seba vzduchové hmoty;
• možnosť dosiahnutia vysokej teploty vykurovacieho média.

Konštrukčne má rúrková konštrukcia obmedzenú apertúrnu plochu.

Má nasledujúce nevýhody:

• nie je schopná samočistenia od snehu, ľadu, námrazy;
• vysoká cena.

Napriek pôvodne vysokej cene sa rúrkové kolektory rýchlejšie zaplatia. Majú dlhú životnosť.

Rúrkové kolektory patria k solárnym zariadeniam otvoreného typu, preto nie sú vhodné na celoročné použitie vo vykurovacích systémoch (+)

Ploché uzavreté systémy

Plochý kolektor pozostáva z hliníkového rámu, špeciálnej absorbčnej vrstvy – absorbéra, priehľadného krytu, potrubia a tepelnej izolácie.

Ako absorbér sa používa začernená medená fólia, ktorá sa vyznačuje ideálnou tepelnou vodivosťou pre vytváranie solárnych systémov. Pri absorpcii slnečnej energie absorbérom dochádza k prenosu získanej slnečnej energie na teplonosné médium cirkulujúce v systéme rúrok priľahlých k absorbéru.

Z vonkajšej strany je uzavretý panel chránený priehľadným krytom. Je vyrobený z nárazuvzdorného tvrdeného skla, ktoré má priepustnosť v rozsahu 0,4 – 1,8 µm. Na toto pásmo pripadá maximum slnečného žiarenia. Nárazuvzdorné sklo poskytuje dobrú ochranu pred krúpami. Zo zadnej strany je celý panel spoľahlivo zateplený.

Ploché slnečné kolektory sa vyznačujú maximálnou účinnosťou a jednoduchou konštrukciou. Ich účinnosť je zvýšená vďaka použitiu absorbéra. Sú schopné zachytávať rozptýlené aj priame slnečné žiarenie.

Medzi výhody uzavretých plochých panelov patria:

• jednoduchosť konštrukcie;
• dobrá účinnosť v oblastiach s teplým podnebím;
• možnosť inštalácie pod ľubovoľným uhlom pri existencii zariadení na zmenu uhla sklonu;
• schopnosť samočistenia od snehu a inovate;
• nízka cena.

Ploché solárne kolektory sú obzvlášť výhodné, ak je ich použitie naplánované už v štádiu projektovania. Životnosť kvalitných výrobkov je 50 rokov.

K nedostatkom možno zaradiť:

• vysoké tepelné straty;
• veľká hmotnosť;
• vysoká náchylnosť na vietor pri umiestnení panelov pod uhlom k horizontu;
• obmedzenia vo výkone pri teplotných rozdieloch viac ako 40 °C.

Oblasť použitia uzavretých kolektorov je podstatne širšia ako pri solárnych zariadeniach otvoreného typu. V lete sú schopné plne uspokojiť potrebu teplej vody. V chladných dňoch, ktoré nie sú zahrnuté do vykurovacieho obdobia, môžu pracovať namiesto plynových a elektrických ohrievačov.

Tým, ktorí si chcú vyrobiť solárny kolektor vlastnými rukami na vykurovanie chaty, odporúčame oboznámiť sa s overenými schémami a podrobnými návodmi na montáž.

Porovnanie vlastností solárnych kolektorov

Najdôležitejším ukazovateľom solárneho kolektora je jeho účinnosť. Užitočný výkon rôznych konštrukcií solárnych kolektorov závisí od teplotného rozdielu. Ploché kolektory sú pritom výrazne lacnejšie ako trubicové.

Hodnoty účinnosti závisia od kvality výroby solárneho kolektora. Účelom grafu je ukázať efektívnosť použitia rôznych systémov v závislosti od teplotného rozdielu.

Pri výbere solárneho kolektora je potrebné venovať pozornosť množstvu parametrov, ktoré ukazujú účinnosť a výkon zariadenia.

Pre solárne kolektory existuje niekoľko dôležitých charakteristík:

• koeficient absorpcie – ukazuje pomer absorbovanej energie k celkovej;
• emisný koeficient – udáva pomer odovzdanej energie k pohltenej;
• celková a apertúrna plocha;
• Účinnosť.

Apertúrna plocha je pracovná plocha slnečného kolektora. Pri plochom kolektore je apertúrna plocha maximálna. Apertúrna plocha sa rovná ploche absorbéra.

Spôsoby pripojenia k vykurovaciemu systému

Keďže zariadenia na slnečnú energiu nemôžu zabezpečiť stabilné a nepretržité dodávanie energie, je potrebný systém odolný voči týmto nedostatkom.

Pre stredné pásmo Ruska slnečné zariadenia nemôžu zaručiť stabilný príkon energie, preto sa používajú ako doplnkový systém. Integrácia do existujúceho vykurovacieho systému a systému teplej vody sa líši pre slnečný kolektor a slnečnú batériu.

Schéma s vodným kolektorom

V závislosti od cieľov použitia tepelného kolektora sa používajú rôzne systémy pripojenia. Možností môže byť niekoľko:

1. Letný variant pre zásobovanie teplou vodou
2. Zimný variant pre vykurovanie a zásobovanie teplou vodou

Letný variant je najjednoduchší a môže sa zaobísť aj bez cirkulačného čerpadla, využívajúc prirodzenú cirkuláciu vody.

Voda sa ohrieva v slnečnom kolektore a vďaka tepelnej rozťažnosti vstupuje do akumulačnej nádrže alebo bojlera. Pritom dochádza k prirodzenej cirkulácii: na miesto horúcej vody z nádrže sa nasáva studená.

V zime pri záporných teplotách nie je priamy ohrev vody možný. Uzavretým okruhom cirkuluje špeciálna nemrznúca zmes, zabezpečujúc prenos tepla z kolektora do tepelného výmenníka v nádrži.

Ako každý systém založený na prirodzenej cirkulácii funguje nie veľmi efektívne, vyžadujúc dodržanie potrebných sklonov. Okrem toho musí byť akumulačná nádrž vyššie ako slnečný kolektor. Aby voda zostala čo najdlhšie horúca, je potrebné nádrž dôkladne izolovať.

Ak naozaj chcete dosiahnuť maximálne efektívnu prácu slnečného kolektora, schéma pripojenia sa skomplikuje.

Aby sa kolektor v noci nezmenil na chladiaci radiátor, je potrebné násilne zastaviť cirkuláciu vody.

V systéme slnečného kolektora cirkuluje nemrznúce teplonosné médium. Nútenú cirkuláciu zabezpečuje čerpadlo riadené regulátorom.

Regulátor riadi prácu cirkulačného čerpadla na základe údajov najmenej dvoch teplotných senzorov. Prvý senzor meria teplotu v akumulačnej nádrži, druhý – na prívodnej rúre horúceho teplonosného média slnečného kolektora.

Akonáhle teplota v nádrži prekročí teplotu teplonosnej látky, regulátor v kolektore vypne obehové čerpadlo, čím zastaví obeh teplonosnej látky v systéme. Naopak, pri poklese teploty v zásobnej nádrži pod nastavenú hodnotu sa zapne vykurovací kotol.

Novým slovom a efektívnou alternatívou k solárnym kolektorom s teplonosnou látkou sa stali systémy s vákuovými trubicami, s princípom činnosti a zariadenia ktorých vám odporúčame sa oboznámiť.

Schéma so solárnym panelom

Bolo by lákavé použiť podobnú schému zapojenia solárnej batérie k elektrickej sieti, ako je to realizované v prípade solárneho kolektora, a akumulovať energiu prijatú počas dňa. Bohužiaľ, pre systém elektrického napájania rodinného domu je vytvorenie bloku batérií dostatočnej kapacity veľmi drahé. Preto schéma zapojenia vyzerá nasledovne.

Pri znížení výkonu elektrického prúdu zo solárnej batérie blok AVR (automatické zapnutie rezervy) zabezpečí pripojenie spotrebičov k bežnej elektrickej sieti

Zo solárnych panelov prúdi náboj do regulátora nabíjania, ktorý plní niekoľko funkcií: zabezpečuje trvalé dobíjanie batérií a stabilizuje napätie. Ďalej elektrický prúd prúdi do meniča, kde sa uskutočňuje premena jednosmerného prúdu 12V alebo 24V na striedavý jednofázový prúd 220V.

Bohužiaľ, naše elektrické siete nie sú prispôsobené na získavanie energie, môžu pracovať iba v jednom smere od zdroja k spotrebiteľovi. Z tohto dôvodu nebudete môcť predávať získanú elektrickú energiu alebo aspoň prinútiť merač, aby sa točil opačným smerom.

Využívanie solárnych batérií je výhodné tým, že poskytujú univerzálnejší druh energie, ale zároveň sa nemôžu porovnávať v účinnosti so solárnymi kolektormi. Posledné však nemajú možnosť akumulovať energiu na rozdiel od solárnych fotovoltaických batérií.

Príklad výpočtu potrebného výkonu

Pri výpočte potrebného výkonu solárneho kolektora sa veľmi často chybne vykonávajú výpočty na základe prichádzajúcej slnečnej energie v najchladnejších mesiacoch roka.

Ide o to, že v ostatných mesiacoch roka sa bude celý systém neustále prehrievať. Teplota nosiča tepla v lete na výstupe zo solárneho kolektora môže dosahovať 200°C pri ohreve pary alebo plynu, 120°C nemrznúcej zmesi, 150°C vody. Ak nosič tepla vrie, čiastočne sa odparí. V dôsledku toho bude potrebné ho vymeniť.

Výrobné spoločnosti odporúčajú vychádzať z týchto údajov:

• zabezpečenie teplej vody nie viac ako 70%;
• zabezpečenie vykurovacieho systému nie viac ako 30%.

Zvyšné potrebné teplo by malo vyrábať štandardné vykurovacie zariadenie. Napriek tomu sa pri týchto ukazovateľoch ročne ušetrí v priemere asi 40% na vykurovaní a teplej vode.

Výkon vyrábaný jednou trubicou vákuového systému závisí od geografickej polohy. Ukazovateľ slnečnej energie dopadajúcej za rok na 1 m² zeme sa nazýva insolácia.

Pri znalosti dĺžky a priemeru trubice je možné vypočítať apertúru – efektívnu absorpčnú plochu. Zostáva použiť koeficienty absorpcie a emisie na výpočet výkonu jednej trubice za rok.

Príklad výpočtu:

Štandardná dĺžka trubice je 1800 mm, efektívna – 1600 mm. Priemer 58 mm. Apertúra – zatienená časť vytvorená trubicou. Takže plocha obdĺžnika tieňa bude:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

Účinnosť priemernej trubice je 80%, slnečná insolácia pre Moskvu je asi 1170 kWh/m² za rok. Takže jedna trubica vyrobí za rok:

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

Je potrebné poznamenať, že ide o veľmi približný výpočet. Množstvo vyrobenej energie závisí od orientácie zariadenia, uhla, priemernej ročnej teploty atď.

So všetkými druhmi alternatívnych zdrojov energie a spôsobmi ich využitia sa môžete oboznámiť v predloženom článku.

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Ukážka činnosti solárneho kolektora v zimnom období:

Video #2. Porovnanie rôznych modelov solárnych kolektorov:

Počas celej svojej existencie ľudstvo každým rokom spotrebúva čoraz viac energie. Pokusy využívať bezplatné slnečné žiarenie sa podnikali už dávno, ale až v poslednej dobe bolo možné efektívne využívať slnko v našich zemepisných šírkach. Niet pochýb o tom, že budúcnosť patrí heliosystémom.

Chcete sa podeliť o zaujímavé špecifiká v organizácii solárneho vykurovania vidieckeho domu alebo chaty? Napíšte, prosím, komentáre do bloku nižšie. Tu tiež môžete položiť otázku, zanechať fotografiu s ukážkou procesu montáže systému, podeliť sa o užitočné informácie.