Colector solar termic - Solar thermal collector
| Parte dintr-o serie pe |
| Energie sustenabilă |
|---|
 |
A Colector solar termic colecte căldură prin absorbție lumina solară . Termenul "colector solar" se referă în mod obișnuit la un dispozitiv pentru încălzirea solară a apei calde , dar se poate referi la instalații mari de generare a energiei, cum ar fi jgheaburi solare parabolice și turnuri solare sau dispozitive care nu încălzesc apa , cum ar fi încălzitoarele solare de aer .
Colectoarele solare termice sunt fie neconcentrante, fie concentrate. În colectoarele neconcentrate, zona de deschidere (adică zona care primește radiația solară ) este aproximativ aceeași cu zona absorbantului (adică zona care absorb radiația). Un exemplu obișnuit al unui astfel de sistem este o placă de metal care este vopsită într-o culoare închisă pentru a maximiza absorbția soarelui. Energia este apoi colectată prin răcirea plăcii cu un fluid de lucru , de multe ori apă sau glicol care curge în țevi atașate plăcii.
Colectoarele concentratoare au o deschidere mult mai mare decât zona absorbantului. Deschiderea este de obicei sub forma unei oglinzi care se concentrează asupra absorbantului, care în majoritatea cazurilor sunt țevile care transportă fluidul de lucru. Datorită mișcării soarelui în timpul zilei, colectoarele de concentrare necesită adesea o formă de sistem de urmărire solară și sunt uneori denumite colectoare „active” din acest motiv.
Colectoarele neconcentrate sunt utilizate în mod obișnuit în clădirile rezidențiale, industriale și comerciale pentru încălzirea spațiului , în timp ce colectoarele concentrate din centralele solare concentrate generează electricitate prin încălzirea unui fluid de transfer de căldură pentru a conduce o turbină conectată la un generator electric .
Colectoare solare termice pentru încălzirea apei
Colectoarele solare cu plăci plate și tuburi evacuate sunt utilizate în principal pentru a colecta căldură pentru încălzirea spațiului, apă caldă menajeră sau răcire cu un răcitor de absorbție . Spre deosebire de panourile solare cu apă caldă, acestea folosesc un fluid circulant pentru a deplasa căldura într-un rezervor separat. Primul colector solar termic proiectat pentru construcția acoperișurilor a fost brevetat de William H. Goettl și denumit „ Colector solar de căldură și radiator pentru acoperișul clădirii ”.
Colectoarele solare cu plăci plate evacuate sunt o inovație mai recentă și pot fi utilizate pentru căldură solară pentru răcire industrială (SHIC) și aer condiționat solar (SAC), unde sunt necesare temperaturi mai mari de 100 ° C (212 ° F). Acești colectoare neconcentrante recoltează atât lumină difuză, cât și lumină directă și pot folosi abur în loc de apă ca fluid.
Colectoare de plăci plate
Colectoarele cu plăci plate sunt cea mai comună tehnologie solară termică din Europa . Acestea constau dintr-o (1) incintă care conține (2) o placă absorbantă de culoare închisă cu pasaje de circulație a fluidului și (3) un capac transparent pentru a permite transmiterea energiei solare în incintă. Părțile laterale și partea din spate a incintei sunt de obicei izolate pentru a reduce pierderile de căldură în mediul ambiant. Un fluid de transfer de căldură este circulat prin pasajele de fluid ale absorbantului pentru a elimina căldura din colectorul solar. Fluidul de circulație în climatele tropicale și subtropicale este de obicei apă. În climele în care este posibilă înghețarea, în locul apei poate fi utilizat un fluid de transfer de căldură similar cu o soluție antigel auto sau într-un amestec cu apă. Dacă se folosește un fluid de transfer de căldură, un schimbător de căldură este de obicei folosit pentru a transfera căldura din fluidul colector solar într-un rezervor de stocare a apei calde. Cel mai obișnuit design al absorbantului constă din tuburi de cupru îmbinate cu o foaie de metal cu conductivitate ridicată (cupru sau aluminiu). O acoperire întunecată este aplicată pe partea orientată spre soare a ansamblului absorbant pentru a crește absorbția energiei solare. Un strat de absorbție obișnuit este vopseaua cu smalt negru.
În proiectele de colectoare solare de performanță superioară, capacul transparent este din sticlă sodă-var temperată , având un conținut redus de oxid de fier la fel ca și pentru panourile solare fotovoltaice . Sticla poate avea, de asemenea, un model de stippling și unul sau două acoperiri antireflex pentru a spori în continuare transparența . Învelișul absorbant este de obicei un înveliș selectiv, unde selecția reprezintă proprietatea optică specială de a combina o absorbție ridicată în partea vizibilă a spectrului electromagnetic cuplat cu o emisie redusă în infraroșu . Acest lucru creează o suprafață selectivă , care reduce emisia de energie a corpului negru de la absorbant și îmbunătățește performanța. Conductele pot fi sudate cu laser sau cu ultrasunete pe foaia absorbantă pentru a reduce deteriorarea învelișului selectiv, care se aplică de obicei înainte de îmbinarea cu bobine mari într-un proces rola-rola .
Configurațiile de conducte ale absorbantului includ:
- harpa : design tradițional cu coloane de ridicare a țevii de jos și țeavă de colectare de sus, utilizat în termosifon de joasă presiune și sisteme pompate;
- serpentină : o țeavă continuă în formă de S care maximizează temperatura, dar nu randamentul total al energiei în sistemele cu debit variabil, utilizată numai în sistemele solare compacte de apă caldă menajeră (fără rol de încălzire a spațiului);
- inundat: format din două foi de metal turnate pentru a produce o zonă largă de circulație care îmbunătățește transferul de căldură ;
- strat limită : format din mai multe straturi de foi transparente și opace care permit absorbția într-un strat limită. Deoarece energia este absorbită în stratul limită, conversia căldurii poate fi mai eficientă decât pentru colectoarele în care căldura absorbită este condusă printr-un material înainte de a fi acumulată în lichidul care circulă.
Un colector de plăci plate care folosește o structură de tip fagure pentru a reduce pierderile de căldură, de asemenea, și pe partea de sticlă a fost, de asemenea, pus la dispoziție comercial. Majoritatea colectorilor de plăci plate au o speranță de viață de peste 25 de ani ..
Colectoare de tuburi evacuate
Colectoarele de tuburi evacuate sunt cea mai comună tehnologie solară termică în China și în lume. Folosesc un tub de sticlă pentru a înconjura absorbantul cu vid ridicat și pentru a rezista eficient la presiunea atmosferică . Vidul care înconjoară absorbantul reduce foarte mult pierderea de căldură prin convecție și conducere , obținând astfel o eficiență mai mare de conversie a energiei . Absorbitorul poate fi fie metalic ca în cazul colectoarelor de plăci plate sau poate fi un al doilea tub de sticlă concentric („Sydney Tube”). Fluidul de transfer de căldură poate curge în și din fiecare tub sau fiind în contact cu o conductă de căldură care ajunge în interiorul tubului. Pentru acesta din urmă, conductele de căldură transferă căldura fluidului într-un schimbător de căldură numit „colector” plasat transversal față de tuburi. Colectorul este înfășurat în izolație ( vată de sticlă ) și acoperit de o carcasă de protecție din metal sau plastic, de asemenea, utilizată pentru fixarea pe suporturi.
Tuburile evacuate din sticlă-metal sunt realizate cu foi absorbante de metal plate sau curbate, la fel ca cele ale plăcilor plate. Aceste foi sunt unite la țevi sau țevi de căldură pentru a face „aripioare” și plasate în interiorul unui singur tub de sticlă borosilicat . O acoperire antireflexivă poate fi depusă pe suprafețele interioare și exterioare ale acestor tuburi pentru a îmbunătăți transparența. Atât acoperirea selectivă, cât și cea antireflexivă (suprafața tubului interior) nu se degradează până când nu se pierde vidul. Cu toate acestea, este necesară o etanșare sticlă-metal ridicată la vid pe una sau pe ambele părți ale fiecărui tub evacuat. Această etanșare este reglată între temperatura ambiantă și temperatura fluidului în fiecare zi de funcționare a colectorului și poate duce la defecțiuni în timp.
Tuburile evacuate din sticlă-sticlă sunt realizate cu două tuburi din sticlă borosilicată fuzionate împreună la unul sau ambele capete (similar cu o sticlă de vid sau un balon de dewar). Aripa absorbantă este plasată în interiorul tubului interior la presiunea atmosferică. Tuburile de sticlă-sticlă au o etanșare foarte fiabilă, dar cele două straturi de sticlă reduc cantitatea de lumină solară care ajunge la absorbant. Învelișul selectiv poate fi depus pe tubul interior de borosilicat (partea cu vid ridicat) pentru a evita acest lucru, dar căldura trebuie să curgă apoi prin grosimea sticlei cu conductivitate slabă a tubului interior în acest caz. Mai mult, umezeala poate pătrunde în zona neevacuată din interiorul tubului interior și poate provoca coroziunea absorbantului, în special atunci când este realizată din materiale diferite ( coroziune galvanică ).
O pompă de captare a blițului cu bariu este evaporată în mod obișnuit în spațiul de vid ridicat dintre tuburi pentru a menține presiunea internă stabilă în timp.
Temperaturile ridicate care pot apărea în interiorul tuburilor evacuate pot necesita un design special pentru a preveni supraîncălzirea . Unele colectoare de tuburi evacuate funcționează ca o supapă termică unidirecțională datorită conductelor de căldură. Acest lucru le conferă o temperatură maximă inerentă de funcționare care acționează ca o caracteristică de siguranță. Colectoarele de tuburi evacuate pot fi, de asemenea, prevăzute cu reflectoare cu concentrare redusă în partea din spate a tuburilor, realizând un colector CPC.
Comparații ale colectoarelor plate și tuburilor evacuate
Există un argument de lungă durată între susținătorii acestor două tehnologii. Unele dintre acestea pot fi legate de structura colectoarelor de tuburi evacuate care au o zonă de absorbanță discontinuă. O serie de colectoare de tuburi evacuate pe un acoperiș are spațiu între tuburile individuale și un spațiu de vid între fiecare tub și absorbantul său în interior, acoperind doar o fracțiune din zona de instalare pe un acoperiș. Dacă tuburile evacuate sunt comparate cu colectoarele cu plăci plate pe baza zonei acoperișului ocupat (suprafață brută), s-ar putea ajunge la o concluzie diferită decât dacă ar fi comparate suprafețele absorbantului sau ale diafragmei. Recenta revizuire a standardului ISO 9806 afirmă că eficiența colectoarelor solare termice ar trebui măsurată în termeni de suprafață brută și acest lucru ar putea favoriza plăcile plate în ceea ce privește colectoarele de tuburi evacuate în comparații directe.
|
O comparație a puterii de energie (kW.h / zi) a unui colector de plăci plate (linii albastre; Termodinamică S42-P; absorbant 2,8 m 2 ) și a unui colector de tub evacuat (linii verzi; SunMaxx 20EVT; absorbant 3,1 m 2. Date obținut din documentele de certificare SRCC de pe Internet. Tm-Ta = diferența de temperatură între apa din colector și temperatura ambiantă. Q = insolarea în timpul măsurătorilor. În primul rând, pe măsură ce (Tm-Ta) crește, colectorul de plăci plate își pierde eficiența mai rapid decât colectorul de tuburi evac. Aceasta înseamnă că colectorul de plăci plate este mai puțin eficient în producerea apei mai mari de 25 grade C deasupra mediului ambiant (adică în dreapta semnelor roșii din grafic). În al doilea rând, chiar dacă ieșirea ambilor colectoare scade puternic în condiții de înnorat (insolație scăzută), colectorul cu tub evac produce semnificativ mai multă energie sub tulburare decât colectorul cu plăci plate. Deși mulți factori împiedică extrapolarea de la doi colectoare la două tehnologii diferite, relațiile de bază dintre eficiența lor rămân valabile. |
|
Un test de teren care ilustrează diferențele discutate în figura din stânga. Un colector de plăci plate și un colector de tuburi evacuate de dimensiuni similare au fost instalate adiacent pe un acoperiș, fiecare cu o pompă, controler și rezervor de stocare. Mai multe variabile au fost înregistrate pe parcursul unei zile cu ploi intermitente și nor. Linia verde = iradiere solară. Linia maronie superioară indică temperatura colectorului de tuburi evac pentru care ciclul pompei este mult mai lent și chiar se oprește timp de aproximativ 30 de minute în timpul părților reci ale zilei (iradiere scăzută), indicând o rată lentă de colectare a căldurii. Temperatura colectorului de plăci plate a scăzut semnificativ în timpul zilei (linia mov de jos), dar a început să circule din nou mai târziu în ziua când iradierea a crescut. Temperatura din rezervorul de stocare a apei din sistemul de tuburi evac (grafic albastru închis) a crescut cu 8 grade C în timpul zilei, în timp ce cea a sistemului cu plăci plate (grafic albastru deschis) a rămas constantă. Amabilitatea ITS-solar. |
Colectoarele cu plăci plate pierd de obicei mai multă căldură în mediul înconjurător decât tuburile evacuate, deoarece nu există izolație pe partea de sticlă. Colectoarele de tuburi evacuate au intrinsec un raport de absorbție mai mic la suprafața brută (de obicei cu 60-80% mai puțin) decât plăcile plate, deoarece tuburile trebuie distanțate. Deși mai multe companii europene produc colectoare de tuburi evacuate (în principal tip sticlă-metal), piața tuburilor evacuate este dominată de producătorii din China, unele companii având înregistrări de 15-30 de ani sau mai mult. Nu există dovezi clare că cele două modele diferă în ceea ce privește fiabilitatea pe termen lung. Cu toate acestea, tehnologia tuburilor evacuate (în special pentru variantele mai noi cu garnituri de sticlă-metal și țevi de căldură) trebuie încă să demonstreze o durată de viață competitivă. Modularitatea tuburilor evacuate poate fi avantajoasă din punct de vedere al extensibilității și întreținerii, de exemplu, dacă vidul dintr-un tub de țeavă de căldură se pierde, acesta poate fi ușor înlocuit cu un efort minim.
În majoritatea climelor, colectoarele de plăci plate vor fi, în general, mai rentabile decât tuburile evacuate. Cu toate acestea, colectoarele de tuburi evacuate sunt bine adaptate la temperaturile ambiante reci și funcționează bine în situații de iradiere solară scăzută, asigurând căldură mai constant pe tot parcursul anului. Dispozitivele de colectare a plăcilor plate neeglazate sunt dispozitivele preferate pentru încălzirea apei din piscină. Colectoarele fără geam pot fi potrivite în medii tropicale sau subtropicale dacă apa caldă menajeră trebuie încălzită cu mai puțin de 20 ° C (36 ° F) la temperatura ambiantă. Colectoarele de tuburi evacuate au o rezistență aerodinamică mai redusă, ceea ce poate permite o instalare mai simplă pe acoperișuri în locuri cu vânt. Decalajele dintre tuburi pot permite căderea zăpezii prin colector, minimizând pierderea producției în unele condiții de zăpadă, deși lipsa căldurii radiate din tuburi poate preveni, de asemenea, vărsarea eficientă a zăpezii acumulate. Colectoarele de plăci plate ar putea fi mai ușor de curățat. Alte proprietăți, cum ar fi aspectul și ușurința instalării, sunt mai subiective și mai greu de comparat.
Colectoare de plăci plate evacuate
Colectoarele solare cu plăci plate evacuate oferă toate avantajele atât ale colectoarelor cu plăci plate, cât și ale tuburilor evacuate combinate împreună. Acestea înconjoară un absorbant de tablă de suprafață mare cu vid ridicat în interiorul unui plic plat din sticlă și metal. Ele oferă cea mai mare eficiență de conversie a energiei față de orice colector solar termic neconcentrant, dar necesită o tehnologie sofisticată pentru fabricare. Acestea nu trebuie confundate cu colectoarele de plăci plate cu vid mic în interior. Primul colector care a folosit izolația cu vid ridicat a fost dezvoltat la CERN , în timp ce TVP SOLAR SA din Elveția a fost prima companie care a comercializat colectoare certificate Solar Keymark în 2012.
Colectorii solari cu plăci plate evacuate necesită atât o garnitură de sticlă-metal pentru a uni placa de sticlă cu restul plicului metalic, cât și o structură internă pentru a susține o astfel de placă împotriva presiunii atmosferice. Absorberul trebuie să fie segmentat sau prevăzut cu găuri adecvate pentru a se potrivi unei astfel de structuri. Îmbinarea tuturor pieselor trebuie să fie etanșă la vid și numai materialele cu presiune de vapori scăzută pot fi utilizate pentru a preveni degazarea . Tehnologia de etanșare sticlă-metal se poate baza fie pe sticlă metalizată, fie pe metal vitrificat și definește tipul de colector. Spre deosebire de colectoarele de tuburi evacuate, acestea folosesc pompe neevaporabile getter (NEG) pentru a menține presiunea internă stabilă în timp. Această tehnologie a pompei getter are avantajul de a oferi o regenerare in-situ prin expunerea la lumina soarelui. Colectoarele solare cu plăci plate evacuate au fost studiate pentru condiția de aer solar și comparate cu concentratoarele solare compacte.
Colectoare de plăci plate din polimer
Aceste colectoare sunt o alternativă la colectoarele de metale și sunt acum produse în Europa. Acestea pot fi în întregime polimerice sau pot include plăci metalice în fața canalelor de apă tolerante la îngheț din cauciuc siliconic . Polimerii sunt flexibili și, prin urmare, toleranți la îngheț și pot folosi apă simplă în loc de antigel, astfel încât să poată fi introduși direct în rezervoarele de apă existente în loc să aibă nevoie de schimbătoare de căldură care să reducă eficiența. Prin renunțarea la un schimbător de căldură, temperaturile nu trebuie să fie atât de ridicate pentru ca sistemul de circulație să fie pornit, astfel încât astfel de panouri de circulație directă, fie ele polimerice sau altele, pot fi mai eficiente, în special la niveluri scăzute de iradiere solară . Unii colectori de polimeri acoperiți selectiv timpurii au suferit supraîncălzire atunci când sunt izolați, deoarece temperaturile de stagnare pot depăși punctul de topire al polimerului. De exemplu, punctul de topire al polipropilenei este de 160 ° C (320 ° F), în timp ce temperatura de stagnare a colectoarelor termice izolate poate depăși 180 ° C (356 ° F) dacă nu sunt utilizate strategii de control. Din acest motiv, polipropilena nu este adesea utilizată în colectoarele solare vitrate selectiv. Din ce în ce mai mult, se folosesc polimeri, cum ar fi siliconii cu temperaturi ridicate (care se topesc la peste 250 ° C (482 ° F)). Unele colectoare solare vitrate pe bază de polimer non polipropilenic sunt acoperite cu negru mat, nu acoperite selectiv, pentru a reduce temperatura de stagnare la 150 ° C (302 ° F) sau mai puțin.
În zonele în care înghețarea este posibilă, toleranța la îngheț (capacitatea de a îngheța în mod repetat fără fisurare) poate fi realizată prin utilizarea polimerilor flexibili. Țevile din cauciuc siliconic au fost folosite în acest scop în Marea Britanie din 1999. Colectoarele metalice convenționale sunt vulnerabile la deteriorarea cauzată de îngheț, deci dacă sunt umplute cu apă, acestea trebuie să fie cu grijă instalate, astfel încât să se scurgă complet folosind gravitația înainte de a se aștepta înghețarea, astfel încât să nu sparge. Multe colectoare de metale sunt instalate ca parte a unui sistem de schimb de căldură etanș. În loc să curgă apă potabilă direct prin colectoare, se folosește un amestec de apă și antigel, cum ar fi propilen glicol. Un fluid de schimb de căldură protejează împotriva deteriorării congelării până la o temperatură de risc determinată local, care depinde de proporția de propilen glicol din amestec. Utilizarea glicolului scade marginal capacitatea de transport a căldurii apei, în timp ce adăugarea unui schimbător de căldură suplimentar poate reduce performanța sistemului la niveluri scăzute de lumină.
O colecție de piscină sau unglazură este o formă simplă de colector de plăci plate fără capac transparent. De regulă, ca absorbant se utilizează cauciuc din polipropilenă sau EPDM sau cauciuc siliconic. Folosit pentru încălzirea piscinei, poate funcționa destul de bine atunci când temperatura de ieșire dorită este aproape de temperatura ambiantă (adică atunci când este cald afară). Pe măsură ce temperatura ambiantă se răcorește, acești colectoare devin mai puțin eficienți.
Colecționari de boluri
Un vas solar este un tip de colector solar termic care funcționează similar cu un vas parabolic , dar în loc să utilizeze o oglindă parabolică de urmărire cu un receptor fix, are o oglindă sferică fixă cu un receptor de urmărire. Acest lucru reduce eficiența, dar face mai ieftin construirea și operarea. Proiectanții îl numesc un sistem de energie solară cu focalizare distribuită cu oglindă fixă . Principalul motiv al dezvoltării sale a fost de a elimina costul mișcării unei oglinzi mari pentru a urmări soarele, ca și în cazul sistemelor parabolice.
O oglindă parabolică fixă creează o imagine diferită a soarelui în timp ce se mișcă pe cer. Doar atunci când oglinda este îndreptată direct spre soare, lumina se concentrează pe un punct. Acesta este motivul pentru care sistemele de farfurii parabolice urmăresc soarele. O oglindă sferică fixă focalizează lumina în același loc, independent de poziția soarelui. Cu toate acestea, lumina nu este direcționată către un punct, ci este distribuită pe o linie de la suprafața oglinzii la o jumătate de rază (de-a lungul unei linii care străbate centrul sferei și soarele).
Pe măsură ce soarele se mișcă peste cer, deschiderea oricărui colector fix se schimbă. Acest lucru determină modificări ale cantității de lumină solară captată, producând ceea ce se numește efectul sinusal al puterii de ieșire. Susținătorii designului bolului solar susțin că reducerea puterii totale în comparație cu oglinzile parabolice de urmărire este compensată de costuri mai mici ale sistemului.
Lumina soarelui concentrată la linia focală a unui reflector sferic este colectată folosind un receptor de urmărire. Acest receptor este pivotat în jurul liniei focale și este de obicei contrabalansat. Receptorul poate consta din țevi care transportă fluid pentru transfer termic sau celule fotovoltaice pentru conversia directă a luminii în electricitate.
Proiectarea bolului solar a rezultat dintr-un proiect al Departamentului de Inginerie Electrică al Universității Tehnice din Texas, condus de Edwin O'Hair, de a dezvolta o centrală electrică de 5 MWe. Un vas solar a fost construit pentru orașul Crosbyton, Texas, ca instalație pilot. Vasul avea un diametru de 65 ft (20 m), înclinat la un unghi de 15 ° pentru a optimiza relația cost / randament (33 ° ar fi randament maximizat). Janta emisferei a fost „tăiată” la 60 °, creând o deschidere maximă de 308,3 m 2 . Acest bol pilot a produs electricitate la o rată de vârf de 10 kW.
Un bol solar Auroville cu diametrul de 15 metri (49 ft) a fost dezvoltat dintr-un test anterior al unui castron de 3,5 metri (11 ft) în 1979-1982 de către Institutul de Cercetare Energetică Tata . Acest test a arătat utilizarea vasului solar în producția de abur pentru gătit. Proiectul la scară largă pentru construirea unui vas solar și a unei bucătării a început din 1996 și a fost pe deplin operațional până în 2001.
În locațiile cu energie solară medie disponibilă, colectoarele de plăci plate au dimensiuni de aproximativ 1,2 până la 2,4 decimetri pătrați pe litru de apă caldă într-o zi.
Aplicații
Principala utilizare a acestei tehnologii este în clădirile rezidențiale unde cererea de apă caldă are un impact mare asupra facturilor la energie. Aceasta înseamnă, în general, o situație cu o familie numeroasă sau o situație în care cererea de apă caldă este excesivă din cauza spălării frecvente a rufelor. Aplicațiile comerciale includ spălătorii, mașini de spălat, mașini de spălat rufe militare și unități de alimentație. Tehnologia poate fi utilizată și pentru încălzirea spațiului dacă clădirea este amplasată în afara rețelei sau dacă energia electrică este supusă unor întreruperi frecvente. Sistemele solare de încălzire a apei sunt cel mai probabil eficiente din punct de vedere al costurilor pentru instalațiile cu sisteme de încălzire a apei care sunt scumpe de funcționat sau cu operațiuni precum spălătorii sau bucătării care necesită cantități mari de apă caldă. Colectoarele de lichid neglazurate sunt utilizate în mod obișnuit pentru încălzirea apei pentru piscine, dar pot fi aplicate și la preîncălzirea apei pe scară largă. Atunci când încărcăturile sunt mari în raport cu suprafața disponibilă a colectorului, cea mai mare parte a încălzirii apei se poate face la temperaturi scăzute, mai mici decât temperaturile de la piscină, unde colectoarele necristalate sunt bine stabilite pe piață ca alegere potrivită. Deoarece aceste colectoare nu trebuie să reziste la temperaturi ridicate, pot folosi materiale mai puțin costisitoare, cum ar fi plasticul sau cauciucul. Multe colectoare fără sticlă sunt fabricate din polipropilenă și trebuie drenate complet pentru a evita deteriorarea înghețului atunci când temperatura aerului scade sub 44 ° F (7 ° C) în nopțile senine. Un procent mai mic, dar în creștere, de colectoare nesmălțuite sunt flexibile, ceea ce înseamnă că pot rezista apei înghetate în interiorul absorbantului. Problema înghețului trebuie să fie doar conductele umplute cu apă și colectoarele colectoare într-o stare de îngheț tare. Sistemele solare de apă caldă neglazurate ar trebui instalate pentru a „scurge” un rezervor de stocare ori de câte ori radiația solară este insuficientă. Nu există probleme de șoc termic în cazul sistemelor fără geam. Utilizate în mod obișnuit la încălzirea piscinelor încă de la începuturile energiei solare, colectoarele solare neeglazate încălzesc direct apa piscinei fără a fi nevoie de antigel sau schimbătoare de căldură. Sistemele solare cu apă fierbinte necesită schimbătoare de căldură datorită posibilităților de contaminare și, în cazul colectoarelor neglazurate, diferența de presiune dintre fluidul solar de lucru (apă) și sarcină (apă rece de oraș presurizată). Încălzitoarele solare mari de apă caldă neglazurate, precum cel de la Minoru Aquatic Center din Richmond, BC funcționează la temperaturi mai scăzute decât tuburile evacuate sau sistemele colectoare cu cutie și vitrate. Deși necesită schimbătoare de căldură mai mari și mai scumpe, toate celelalte componente, inclusiv rezervoare de stocare ventilate și conducte din plastic neizolat din PVC, reduc în mod dramatic costurile acestei alternative în comparație cu tipurile de colectoare cu temperatură mai ridicată. Când încălzim apă caldă, încălzim de fapt rece la cald și cald la cald. Putem încălzi frigul să se încălzească la fel de eficient cu colectoarele nesmălțuite, la fel cum putem încălzi cald până la fierbinte cu colectoarele de temperatură înaltă.
Colectoare solare termice care încălzesc aerul
Un simplu colector solar de aer constă dintr-un material absorbant, uneori având o suprafață selectivă, pentru a capta radiațiile de la soare și a transfera această energie termică în aer prin transfer de căldură prin conducție. Acest aer încălzit este apoi canalizat către spațiul clădirii sau către zona de proces în care aerul încălzit este utilizat pentru încălzirea spațiului sau pentru necesitățile de încălzire de proces. Funcționând într-un mod similar cu un cuptor convențional cu aer forțat, sistemele solare-termice de aer furnizează căldură prin circularea aerului pe o suprafață de colectare a energiei, absorbind energia termică a soarelui și conductând aerul care vine în contact cu acesta. Se pot realiza colectoare simple și eficiente pentru o varietate de aplicații de climatizare și proces.
Multe aplicații pot utiliza tehnologii de căldură solară cu aer pentru a reduce amprenta de carbon din utilizarea surselor convenționale de căldură, cum ar fi combustibilii fosili, pentru a crea un mijloc durabil de a produce energie termică. Aplicații precum încălzirea spațiului, extinderea sezonului cu efect de seră, preîncălzirea aerului de machiaj a aerului sau căldura de proces pot fi abordate de dispozitivele de încălzire cu aer solar. În domeniul „ cogenerării solare”, tehnologiile solare termice sunt asociate cu fotovoltaica (PV) pentru a crește eficiența sistemului prin îndepărtarea căldurii de la colectoarele fotovoltaice, răcirea panourilor fotovoltaice pentru a-și îmbunătăți performanțele electrice, încălzind simultan aerul pentru incalzirea spatiului.
Încălzirea și ventilarea spațiului
Încălzirea spațiilor pentru aplicații rezidențiale și comerciale se poate face prin utilizarea panourilor solare de încălzire a aerului. Această configurație funcționează prin extragerea aerului din învelișul clădirii sau din mediul exterior și trecerea acestuia prin colector, unde aerul se încălzește prin conducție din absorbant și este apoi alimentat în spațiul de locuit sau de lucru fie prin mijloace pasive, fie cu ajutorul unui ventilator. O figură pionieră a acestui tip de sistem a fost George Löf, care a construit un sistem de aer încălzit cu energie solară în 1945 pentru o casă din Boulder, Colorado. Ulterior a inclus un pat de pietriș pentru stocarea căldurii.
Aerisirea, aerul proaspăt sau aerul de machiaj este necesar în majoritatea clădirilor comerciale, industriale și instituționale pentru a îndeplini cerințele de cod. Prin extragerea aerului printr-un colector de aer transpirat neglazurat proiectat corespunzător sau un încălzitor de aer, aerul proaspăt încălzit cu energie solară poate reduce sarcina de încălzire în timpul funcționării în timpul zilei. Multe aplicații sunt acum instalate în cazul în care colectorul transpirat preîncălzește aerul proaspăt intrând într-un ventilator de recuperare a căldurii pentru a reduce timpul de dezghețare al HRV-urilor. Cu cât aerisirea și temperatura sunt mai mari, cu atât timpul de recuperare va fi mai bun.
Încălzirea procesului
Căldura solară cu aer este, de asemenea, utilizată în aplicații de proces, cum ar fi uscarea rufelor, culturilor (de exemplu, ceai, porumb, cafea) și alte aplicații de uscare. Aerul încălzit printr-un colector solar și apoi trecut peste un mediu care trebuie uscat poate oferi un mijloc eficient prin care să se reducă conținutul de umiditate al materialului.
Tipuri de colectoare solare de încălzire a aerului
Colectoarele sunt clasificate în mod obișnuit prin metodele lor de canalizare a aerului ca unul dintre cele trei tipuri:
- colectoare de trecere
- front-pass
- trecere înapoi
- combinații colectoare de trecere față și spate
Colectorii pot fi clasificați și după suprafața lor exterioară:
- glazurat
- fără glazură
Colector de aer prin trecere
Oferind cea mai mare eficiență a oricărei tehnologii solare, configurația de trecere, aerul condus pe o parte a absorbantului trece printr-un material perforat și este încălzit din proprietățile conductoare ale materialului și din proprietățile convective ale aerului în mișcare. Amortizoarele de trecere au cea mai mare suprafață care permite rate de transfer de căldură conductive relativ ridicate, dar scăderea semnificativă a presiunii poate necesita o putere mai mare a ventilatorului, iar deteriorarea anumitor materiale absorbante după mulți ani de expunere la radiații solare poate crea în plus probleme cu calitatea și performanța aerului .
Colector de aer din spate, față și pasaj combinat
În configurațiile de tip back-pass, front-pass și combinate, aerul este direcționat fie pe spate, fie pe față, fie pe ambele părți ale absorbantului, pentru a fi încălzit de la întoarcerea la anteturile conductelor de alimentare. Deși trecerea aerului pe ambele părți ale absorbantului va oferi o suprafață mai mare pentru transferul conductiv de căldură, pot apărea probleme cu praful (murdărirea) din trecerea aerului pe partea frontală a absorbantului, ceea ce reduce eficiența absorbantului prin limitarea cantității de lumină solară primită . În climă rece, aerul care trece lângă geamuri va provoca în plus pierderi de căldură mai mari, rezultând o performanță generală mai mică a colectorului.
Sisteme vitrate
Sistemele vitrate au de obicei o foaie superioară transparentă și panouri laterale și posterioare izolate pentru a minimiza pierderile de căldură din aerul ambiant. Plăcile absorbante din panourile moderne pot avea absorbabilitate mai mare de 93%. Colectoare solare vitrate (tipuri de recirculare care sunt de obicei utilizate pentru încălzirea spațiului). Aerul trece de obicei de-a lungul părții din față sau din spate a plăcii absorbante în timp ce spală căldura direct de pe aceasta. Aerul încălzit poate fi apoi distribuit direct pentru aplicații precum încălzirea și uscarea spațiului sau poate fi depozitat pentru utilizare ulterioară. Rambursarea pentru panourile solare de încălzire cu aer vitrat poate fi mai mică de 9-15 ani, în funcție de combustibilul înlocuit.
Sisteme necristalate
Sistemele necristalate sau sistemele de aer transpirat au fost utilizate pentru a încălzi aerul de machiaj sau ventilație în aplicații comerciale, industriale, agricole și de procesare. Acestea constau dintr-o placă absorbantă care aerul trece prin sau pe măsură ce curăță căldura din absorbant. Materialele pentru geamuri netransparente sunt mai puțin costisitoare și scad perioadele de recuperare așteptate. Colectoarele transpirate sunt considerate „neglazurate”, deoarece suprafețele colectorului lor sunt expuse elementelor, adesea nu sunt transparente și nu sunt sigilate ermetic.
Colectoare solare transpare necristalate
fundal
Termenul "colector de aer neglazurat" se referă la un sistem solar de încălzire a aerului care constă dintr-un absorbant de metal fără sticlă sau geamuri deasupra. Cel mai frecvent tip de colector negru de pe piață este colectorul solar transpirat. Tehnologia a fost monitorizată pe larg de aceste agenții guvernamentale, iar Natural Resources Canada a dezvoltat instrumentul de fezabilitate RETScreen ™ pentru a modela economiile de energie din colectoarele solare transpirați. De atunci, câteva mii de sisteme de colectoare solare transpuse au fost instalate într-o varietate de aplicații comerciale, industriale, instituționale, agricole și de proces în țări din întreaga lume. Această tehnologie a fost utilizată inițial în principal în aplicații industriale, cum ar fi fabricile și fabricile de asamblare în care existau cerințe ridicate de ventilație, căldură stratificată în tavan și adesea presiune negativă în clădire. Odată cu creșterea efortului de a instala sisteme de energie regenerabilă pe clădiri, colectoarele solare transpirate sunt acum utilizate în întregul parc de clădiri datorită producției ridicate de energie (până la 750 de vârf termic de vat / metru pătrat), conversiei solare ridicate (până la 90%) și costuri de capital mai mici în comparație cu energia solară fotovoltaică și încălzirea solară a apei.
Încălzirea solară a aerului este o tehnologie de încălzire cu energie regenerabilă utilizată pentru încălzirea sau condiționarea aerului pentru clădiri sau procesarea aplicațiilor de căldură. Este, de obicei, cea mai rentabilă dintre toate tehnologiile solare, în special în aplicații la scară largă, și abordează cea mai mare utilizare a energiei clădirilor în climă de încălzire, care este încălzirea spațiilor și încălzirea proceselor industriale. Sunt fie glazurate, fie nu.
Metoda de operare
Colectoarele de aer neglazurat încălzesc aerul ambiental (exterior) în loc de aerul recirculat al clădirii. Colectorii solari transpirați sunt de obicei montați pe perete pentru a capta unghiul inferior al soarelui în lunile de încălzire de iarnă, precum și pentru reflectarea soarelui de pe zăpadă și pentru a obține performanța optimă și rentabilitatea investiției atunci când funcționează la debituri cuprinse între 4 și 8 CFM pe picior pătrat (72 până la 144 m3 / h.m2) din zona colectorului.
Suprafața exterioară a unui colector solar transpirat constă din mii de mici perforări care permit capturarea stratului de căldură și uniformă într-o cavitate de aer din spatele panourilor exterioare. Acest aer încălzit de ventilație este aspirat sub presiune negativă în sistemul de ventilație al clădirii unde este apoi distribuit prin mijloace convenționale sau folosind un sistem de canalizare solară.
Aer cald care poate pătrunde într-un sistem HVAC conectat la un colector transpirat care are ieșiri de aer poziționate de-a lungul vârfului colectorului, în special dacă colectorul este orientat spre vest. Pentru a contracara această problemă, Matrix Energy a brevetat un colector transpirat cu o poziție mai mică de ieșire a aerului și încadrarea cavității perforate pentru a perpetua o turbulență crescută a aerului în spatele absorbantului perforat pentru performanțe sporite.
Această vedere decupată prezintă componentele colectorului solar transpirat MatrixAir și fluxul de aer. Intrarea inferioară a aerului atenuează admisia de aer încălzit în sistemul HVAC în timpul funcționării de vară.
Monitorizarea extinsă de către Natural Resources Canada și NREL a arătat că sistemele de colectoare solare transpuse reduc între 10-50% din sarcina convențională de încălzire și că RETScreen este un predictor precis al performanței sistemului. Colectorii solari transpirați acționează ca un ecran de ploaie și captează, de asemenea, pierderile de căldură care scapă din anvelopa clădirii, care este colectată în cavitatea de aer a colectorului și retrasă în sistemul de ventilație. Nu este necesară întreținerea sistemelor solare de încălzire a aerului și durata de viață așteptată este de peste 30 de ani.
Variații ale colectorilor solari transpirați
Colectorii transpirați fără geam pot fi montați și pe acoperiș pentru aplicații în care nu există un perete orientat spre sud sau pentru alte considerații arhitecturale. Matrix Energy Inc. a brevetat un produs montat pe acoperiș denumit „Delta”, un sistem modular, de încălzire solară cu aer solar, unde fațadele orientate spre sud, est sau vest nu sunt disponibile.
Fiecare modul de zece picioare (3,05 m) va furniza 250 CFM (425 m3 / h) de aer proaspăt preîncălzit, oferind de obicei economii anuale de energie de 1100 kWh (4 GJ) anual. Acest colector unic transpirat modular în două etape, montat pe acoperiș, funcționează cu o eficiență de aproape 90%, fiecare modul furnizând peste 118 L / s de aer preîncălzit per colector de doi metri pătrați. Până la șapte colectoare pot fi conectate în serie într-un singur rând, fără limită la numărul de rânduri conectate în paralel de-a lungul unui canal central, obținând de obicei 4 CFM de aer preîncălzit pe piciorul pătrat de suprafață disponibilă a acoperișului.
Colectoarele transpirate pot fi configurate pentru a încălzi aerul de două ori pentru a crește temperatura aerului livrat, făcându-l potrivit pentru aplicații de încălzire a spațiului, precum și pentru încălzirea aerului de ventilație. Într-un sistem cu două trepte, prima treaptă este colectorul tipic transpirat, netezit, iar a doua treaptă are geamuri care acoperă colectorul transpirat. Vitrarea permite ca tot aerul încălzit din prima etapă să fie direcționat printr-un al doilea set de colectoare transpirați pentru o a doua etapă de încălzire solară.
Colectoare solare termice care generează electricitate
Jgheaburile , vasele și turnurile parabolice descrise în această secțiune sunt utilizate aproape exclusiv în stațiile de producere a energiei solare sau în scopuri de cercetare. Jgheaburile parabolice au fost utilizate pentru unele sisteme comerciale de climatizare solară . Deși simple, acești concentratori solari sunt destul de departe de concentrația maximă teoretică. De exemplu, concentrația parabolică minimă este de aproximativ 1/3 din maximul teoretic pentru același unghi de acceptare , adică pentru aceleași toleranțe globale pentru sistem. Abordarea maximului teoretic poate fi atinsă folosind concentratoare mai elaborate bazate pe optică nonimaging . Colectoarele solare termice pot fi, de asemenea, utilizate împreună cu colectoarele fotovoltaice pentru a obține căldură și energie combinate.
Jgheab parabolic
Acest tip de colector este utilizat în general în centralele solare . Un reflector parabolic în formă de jgheab este utilizat pentru a concentra lumina soarelui pe un tub izolat (tub Dewar ) sau țeavă de căldură , plasat la punctul focal , conținând agent de răcire care transferă căldura de la colectoare la cazanele din centrală.
Vas parabolic
Cu un colector de vase parabolice, una sau mai multe vase parabolice concentrează energia solară la un singur punct focal, similar modului în care un telescop reflectorizant focalizează lumina stelelor sau o antenă de antenă focalizează undele radio. Această geometrie poate fi utilizată în cuptoare solare și centrale solare.
Forma unei parabole înseamnă că razele de lumină care intră, care sunt paralele cu axa vasului, vor fi reflectate spre focalizare, indiferent unde ajung pe vas. Lumina de la soare ajunge la suprafața Pământului aproape complet paralel, iar vasul este aliniat cu axa sa îndreptată spre soare, permițând ca aproape toată radiația primită să fie reflectată către punctul focal al vasului. Cele mai multe pierderi în astfel de colectoare se datorează imperfecțiunilor în forma parabolică și reflexiei imperfecte.
Pierderile datorate împrăștierii atmosferice sunt în general minime. Cu toate acestea, într-o zi cu ceață sau ceață, lumina este difuzată în toate direcțiile prin atmosferă, ceea ce reduce semnificativ eficiența unei farfurii parabolice. În proiectele de centrale electrice de tip stirling , un motor stirling cuplat la o dinamă este plasat în centrul farfuriei. Aceasta absoarbe energia focalizată pe ea și o transformă în electricitate.
Turnul de putere
Un turn de putere este un turn mare înconjurat de oglinzi de urmărire numite heliostate . Aceste oglinzi se aliniază și focalizează lumina soarelui pe receptorul din partea de sus a turnului, căldura colectată este transferată către o centrală electrică de mai jos. Acest design atinge temperaturi foarte ridicate. Temperaturile ridicate sunt potrivite pentru generarea de electricitate folosind metode convenționale precum turbina cu aburi sau o reacție chimică directă la temperaturi ridicate, cum ar fi sarea lichidă. Prin concentrarea razelor solare, sistemele actuale pot obține o eficiență mai bună decât celulele solare simple. O zonă mai mare poate fi acoperită folosind oglinzi relativ ieftine, mai degrabă decât folosind celule solare scumpe . Lumina concentrată poate fi redirecționată către o locație adecvată prin cablu din fibră optică pentru utilizări precum iluminatul clădirilor. Stocarea căldurii pentru producția de energie în condiții de tulbure și peste noapte poate fi realizată, adesea prin stocarea subterană a fluidelor încălzite. Sărurile topite au fost folosite cu un efect bun. Au fost propuse și alte fluide de lucru, cum ar fi metalele lichide, datorită proprietăților lor termice superioare.
Cu toate acestea, sistemele de concentrare necesită urmărirea solară pentru a menține focalizarea soarelui pe colector. Nu sunt în măsură să furnizeze o putere semnificativă în condiții de lumină difuză . Celulele solare sunt capabile să ofere o anumită ieșire chiar dacă cerul devine tulbure, dar puterea de ieșire din sistemele de concentrare scade drastic în condiții de tulbure, deoarece lumina difuză nu poate fi concentrată bine.
Standarde
- Metode de testare ISO pentru colectoarele solare.
- EN 12975 : Sisteme solare termice și componente. Colectoare solare.
- EN 12976 : Sisteme solare termice și componente. Sisteme fabricate din fabrică.
- EN 12977 : Sisteme solare termice și componente. Sisteme personalizate.
- Solar Keymark: sisteme solare termice și componente. Certificare EN 1297X de nivel superior, care include vizite la fabrică.
- International Code Council / Solar Rating & Certification Corporation: Testarea este efectuată de laboratoare independente și include de obicei selectarea unui colector care urmează să fie testat dintr-un grup de eșantioane de cel puțin șase colectoare solare.
- ICC 901 / ICC-SRCC ™ 100: Colector solar termic standard
- ICC 900 / ICC-SRCC ™ 300: Sistem solar termic standard
- ICC 902 / APSP 902 / ICC-SRCC ™ 400: Sistem solar de încălzire pentru piscină și spa Standard
Vezi si
- Energie solară concentrată
- Polietilenă reticulată § PEX-AL-PEX
- Geamuri izolate
- Lista centralelor solare termice
- Lista conductivităților termice
- Nanofluidele din colectoarele solare
- Stocare sezonieră de energie termică (STES)
- Suprafață selectivă
- Aragaz solar
- Turnul solar al florilor
- Energia solară termică
- Pompa de căldură asistată de solar
- Peretele Trombe
- Zeolit