Η ηλιακή ενέργεια ως εναλλακτική πηγή ενέργειας: είδη και χαρακτηριστικά των ηλιακών συστημάτων

Την τελευταία δεκαετία, η ηλιακή ενέργεια ως εναλλακτική πηγή ενέργειας χρησιμοποιείται όλο και πιο συχνά για θέρμανση και παροχή ζεστού νερού στα κτίρια. Ο κύριος λόγος είναι η επιθυμία αντικατάστασης των παραδοσιακών καυσίμων με προσιτούς, φιλικούς προς το περιβάλλον και ανανεώσιμους ενεργειακούς πόρους.

Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική πραγματοποιείται στα ηλιακά συστήματα – η κατασκευή και η αρχή λειτουργίας της μονάδας καθορίζουν την ιδιαιτερότητα της εφαρμογής της. Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε τους τύπους των ηλιακών συλλεκτών και τις αρχές λειτουργίας τους, καθώς και θα αναφερθούμε σε δημοφιλή μοντέλα ηλιακών μονάδων.

Σκοπιμότητα χρήσης ηλιακού συστήματος

Ηλιοσύστημα – συγκρότημα μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μεταφέρεται σε εναλλάκτη θερμότητας για τη θέρμανση του φορέα θερμότητας του συστήματος θέρμανσης ή ύδρευσης.

Η απόδοση μιας ηλιοθερμικής εγκατάστασης εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία – την ποσότητα ενέργειας που προσπίπτει κατά τη διάρκεια μιας ημέρας φωτός σε 1 τ.μ. επιφάνειας, τοποθετημένης υπό γωνία 90° ως προς την κατεύθυνση των ηλιακών ακτίνων. Η μονάδα μέτρησης του δείκτη είναι kWh/τ.μ., η τιμή της παραμέτρου μεταβάλλεται ανάλογα με την εποχή.

Το μέσο επίπεδο ηλιακής ακτινοβολίας για μια περιοχή με εύκρατο ηπειρωτικό κλίμα είναι 1000-1200 kWh/τ.μ. (ετησίως). Η ποσότητα ηλιακής ενέργειας είναι ο καθοριστικός παράγοντας για τον υπολογισμό της απόδοσης του ηλιοσυστήματος.

Η χρήση εναλλακτικής πηγής ενέργειας επιτρέπει τη θέρμανση του σπιτιού και την παροχή ζεστού νερού χωρίς παραδοσιακή κατανάλωση ενέργειας – αποκλειοτικώς μέσω ηλιακής ακτινοβολίας.

Η εγκατάσταση ενός ηλιακού συστήματς θέρμανσης είνα ακριβή. Για να δικαιολοηθούν τα κεφαλαιούχα έξοδα, απαιτείτα ακριβής υπολογισμός του συστήματς και τήρηση της τεχνολτας εγκατάστασης.

Παράδειγμα. Η μέση τιμή ηλιακής ηλιοφάνειας για την Τούλα στα μέσα του καλοκαιριού είναι 4,67 kW/τ.μ.*ημέρα, με την προϋπόθεση ότι το πάνελ του συστήματος είναι τοποθετημένο υπό γωνία 50°. Η απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη επιφάνειας 5 τ.μ. υπολογίζεται ως εξής: 4,67*4=18,68 kW θερμικής ενέργειας την ημέρα. Αυτή η ποσότητα επαρκεί για τη θέρμανση 500 λίτρων νερού από θερμοκρασία 17 °C έως 45 °C.

Όπως δείχνει η πρακτική, με τη χρήση ηλίακής εγκατάστσης, οι ιδιοκτήτες της κατοικίας μπορούν το καλοκαίρι να μετβούν πλήρς από την ηλκτρική ή αερίου θέρμανση νερού στην ηλιακή μέθοδο.

Μιλώντα γα τη σκοπιμότητα εισαγωγής νέων τεχνολογιών, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ηλιακού συλλέκτη. Οοι μεν αρχίζουν να λειτουργούν με 80 W/τ.μ. ηλιακής ενέργειας, ενώ για άλλους αρκούν 20 W/τ.μ.

Ακόμη και σε νότιο κλίμα, η χρήση συστήματος συλλέκτη αποκλειστικά για θέρμανση δεν θα αποδώσει. Εάν η εγκατάσταση χρησιμοποιηθεί αποκλειστικά το χειμώνα με έλλειψη ηλίου, το κόστος του εξοπλισμού δεν θα ανακτηθεί ούτε σε 15-20 χρόνια.

Για να χρησιμοποιηθεί το ηλιακό σύμπλεγμα όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά, πρέπει να ενσωματωθεί στο σύστημα ζεστού νερού χρήσης. Ακόμη και το χειμώνα, ο ηλιακός συλλέκτης θα «κόψει» τους λογαριασμούς ενέργειας για τη θέρμανση νερού έως και 40-50%.

Σύμφωνα με εκτιμήσεις εμπειρογνωμόνων, με οικιακή χρήση, ένα ηλιακό σύστημα αποσβένεται σε περίπου 5 χρόνια. Με της αύξηση των τίμών ηεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου, η περίοδος απόσβεσης του συμπλέγματος θα μειωθεί.

Εκτός από το οικονομικό όφελος, η «ηλιακή θέρμανση» έχει επιπλέον πλεονεκτήματα:

1. Οικολογικότητα. Μειώνονται οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Σε ένα έτος, 1 τ.μ. ηλιακού συλλέκτη αποτρέπει την απελευθέρωση 350-730 kg αποβλήτων στν ατμόσφαιρα.
2. Αισθητική. Ο χώρος ενός συμπαγούς μπάνιου ή κουζίνας μπορεί να απαλλαγεί από ογκώδεις θερμοσίφωνες ή θερμοσίφωνες αερίου.
3. Ανθεκτικότητα. Οι κατασκευαστές διαβεβαιώνου ότι με την τήρηση της τεχνολογίας εγκατάστασης, το σύμπλεγμα θα διαρκέσει περίπου 25-30 χρόνια. Πολλές εταιρείες παρέχουν εγγύηση έως 3 χρόνια.

Επιχειρήματα κατά της χρήσης ηλιακής ενέργειας: έντονη εποχικότητα, εξάρτηση από τον καιρό και υψηλές αρχικές επενδύσεις.

Γενική διάταξη και αρχή λειτουργίας

Ας εξετάσουμε την περίπτωση ενός ηλιακού συστήματος με συλλέκτή ως κύριο στσιχείο λειτουργίας. Η εξωτερική εμφάνιση της μοναδας μοιάει με μεταλλικό κουτί, η πρόσθια πλευρά του οποίου είναι κατσκευασμένη από σκνρυμένο γυαλί. Μέσα στο κουτί βρίσκετα το όργανο εργασίας – μία σερπαντίνα με απορρφητήρα.

Το θερμοαπορροφητικό μπλοκ εξασφαλίζει τη θέρμανση του φορέα θερμότητας – το κυκλοφορούν υγρό μεταφέρει τη παραγόμενη θερμότητα στο κύκλωμα ύδρευσης.

Κύρια εξαρτήματα του ηλιακού συστήματος: 1 – πεδίο συλλεκτών, 2 – εξαερωτήρας, 3 – σταθμός διανομής, 4 – δοχείο εκτόνωσης υπερβολικής πίεσης, 5 – ελεγκτής, 6 – δοχείο θέρμανσης νερού, 7,8 – ηλεκτρική αντίσταση και εναλλάκτης θερμότητας, 9 – θερμοστατική βαλβίδα ανάμειξης, 10 – ροή ζεστού νερού, 11 – εισαγωγή κρύου νερού, 12 – αποχέτευση, Т1/Т2 – αισθητήρες θερμοκρασίας

Ο ηλιακός συλλέκτης λειτουργεί υποχρεωτικά σε συνδυασμό με ένα δοχείο αποθήκευσης. Δεδομένου ότι το θερμικό ρευστό θερμαίνεται σε θερμοκρασία 90-130°C, δεν μπορεί να διοχετευθεί απευθείας σε βρύσες ζεστού νερού ή σε καλοριφέρ θέρμανσης. Το θερμικό ρευστό εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας του λέβητα. Το δοχείο αποθήκευσης συχνά συμπληρώνεται με ηλεκτρική αντίσταση.

Διάγραμμα λειτουργίας:

1. Ο ήλιος θερμαίνει την επιφάνεια του συλλέκτη.
2. Η θερμική ακτινοβολία μεταδίδεται στο απορροφητικό στοιχείο (απορροφητή), το οποίο περιέχει το υγρό εργασίας.
3. Το θερμικό ρευστό που κυκλοφορεί στους σωλήνες του ελικοειδούς εναλλάκτη θερμαίνεται.
4. Ο εξοπλισμός αντλίας, η μονάδα ελέγχου και παρακολούθησης εξασφαλίζουν την απαγωγή του θερμικού ρευστού μέσω του αγωγού στο ελικοειδές εναλλάκτη του δοχείου αποθήκευσης.
5. Πραγματοποιείται η μεταφορά θερμότητας στο νερό του λέβητα.
6. Το ψυχθέν θερμικό ρευστό επιστρέφει στον συλλέκτη και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Το θερμαινόμενο νερό από τον θερμοσίφωνα διοχετεύεται στο κύκλωμα θέρμανσης ή στα σημεία υδροληψίας.

Κατά την εγκατάσταση ενός συστήματος θέρμανσης ή μιας ετήσιας παροχής ζεστού νερού, το σύστημα εξοπλίζεται με μια πρόσθετη πηγή θέρμανσης (λέβητας, ηλεκτρική αντίσταση). Αυτή είναι μια απαραίτητη προϋπόθεση για τη διατήρηση της επιθυμητής θερμοκρασίας.

Τα ηλιακά πάνελ στην εγκατάσταση ιδιωτικών κατοικιών χρησιμοποιούνται συχνότερα ως εφεδρική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας:

Τύποι ηλιακών συλλεκτών

Ανεξάρτητα από τον σκοπό, το ηλιακό σύστημα εξοπλίζεται με επίπεδο ή σφαιρικό σωληνωτό ηλιακό συλλέκτη. Κάθε μία από τις επιλογές έχει μια σειρά από διακριτικά χαρακτηριστικά όσον αφορά τα τεχνικά χαρακτηριστικά και την αποδοτικότητα λειτουργίας.

Συλλέκτης κενού – για ψυχρό και εύκρατο κλίμα

Κατασκευαστικά, ο κενού ηλιακός συλλέκτης μοιάζει με θερμός – λεπτοί σωλήνες με θερμοφόρο μέσο τοποθετούνται σε φιάλες μεγαλύτερης διαμέτρου. Μεταξύ των δοχείων σχηματίζεται ένα κενό στρώμα, υπεύθυνο για τη θερμομόνωση (διατήρηση θερμότητας έως 95%). Η σωληνοειδής μορφή είναι η βέλτιστη για τη διατήρηση του κενού και την «κατάληψη» των ηλιακών ακτίνων.

Βασικά στοιχεία σωληνοειδούς ηλιοθερμικής εγκατάστασης: πλαίσιο στήριξης, περίβλημα εναλλάκτη θερμότητας, γυάλινοι σωλήνες κενού, επεξεργασμένοι με εξαιρετικά επιλεκτική επικάλυψη για την έντονη «απορρόφηση» της ηλιακής ενέργειας

Ο εσωτερικός (θερμικός) σωλήνας είναι γεμάτος με αλατούχο διάλυμα χαμηλού σημείου βρασμού (24-25 °C). Κατά τη θέρμανση, το υγρό εξατμίζεται – οι ατμοί ανεβαίνουν προς τα πάνω στη φιάλη και θερμαίνουν το μέσο μεταφοράς θερμότητας που κυκλοφορεί στο σώμα του συλλέκτη.

Κατά τη διαδικασία συμπύκνωσης, οι σταγόνες νερού ρέουν στο άκρο του σωλήνα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Λόγω της ύπαρξης ενός κενού μονωτικού στρώματος, το υγρό μέσα στη θερμική φιάλη μπορεί να βράσει και να εξατμιστεί σε αρνητικές εξωτερικές θερμοκρασίες (έως -35 °C).

Τα χαρακτηριστικά των ηλιακών μονάδων εξαρτώνται από τα ακόλουθα κριτήρια:

• Η κατασκευή του σωλήνα είναι στυλογραφική, ομοαξονική;
• διάταξη θερμικού αγωγού – «Heat pipe», κυκλοφορία ευθείας ροής.

Φτερωτή φιάλη – γυάλινος σωλήνας, στον οποίο περιέχεται ένας πλακοειδής απορροφητήρας και ένας θερμικός αγωγός. Το κενό διάστρωμα διέρχεται σε όλο το μήκος του θερμικού αγωγού.

Ομοαξονικός σωλήνας – διπλή φιάλη με κενό «ένθετο» μεταξύ των τοιχωμάτων δύο δοχείων. Η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται από την εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα. Το άκρο του θερμοσωλήνα είναι εξοπλισμένο με δείκτη κενού.

Η απόδοση των φτερωτών σωλήνων (1) είναι υψηλότερη σε σύγκριση με τα ομοαξονικά μοντέλα (2). Ωστόσο, τα πρώτα είναι ακριβότερα και πιο δύσκολα στην εγκατάσταση. Επιπλέον, σε περίπτωση βλάβης, ο φτερωτός σωλήνας θα πρέπει να αντικατασταθεί εξ ολοκλήρου.

Ο αγωγός «Heat pipe» – η πιο διαδεδομένη μέθοδος μεταφοράς θερμότητας στους ηλιακούς συλλέκτες.

Ο μηχανισμός δράσης βασίζεται στην τοποθέτηση ενός εύκολα εξατμιζόμενου υγρού σε στεγανά μεταλλικά σωληνάκια.

Η δημοτικότητα του «Heat pipe» οφείλεται στο προσιτό κόστος, στην ανεπιτήδευτη συντήρηση και στην επιδιορθωσιμότητά του. Λόγω της πολυπλοκότητας της διαδικασίας ανταλλαγής θερμότητας, ο μέγιστος βαθμός απόδοσης είναι 65%.

Κανάλι ευθείας ροής – μέσω της γυάλινης σφαίρας διέρχονται παράλληλοι μεταλλικοί σωλήνες συνδεδεμένοι σε σχήμα U

Το θερμαντικό υγρό, ρέοντας μέσα από το κανάλι, θερμαίνεται και τροφοδοτείται στο σώμα του συλλέκτη.

Παραλλαγές κατασκευών του ηλιακού συλλέκτη κενού: 1 – η τροποποίηση με κεντρικό σωλήνα θέρμανσης «Heat pipe», 2 – η ηλιακή εγκατάσταση με κυκλοφορία άμεσης ροής του θερμαντικού υγρού

Οι ομοαξονικοί και οι πτερωτοί σωλήνες μπορούν να συνδυαστούν με διάφορους τρόπους με τους θερμικούς αγωγούς.

Παραλλαγή 1. Ο ομοαξονικός κύλινδρος με «Heat pipe» – η πιο δημοφιλής λύση. Στον συλλέκτη γίνεται πολλαπλή μεταφορά θερμότητας από τα τοιχώματα του γυάλινου σωλήνα προς την εσωτερική σφαίρα και στη συνέχεια στο θερμαντικό υγρό. Η οπτική απόδοση φτάνει το 65%.

Διάγραμμα της διάταξης του ομοαξονικού σωλήνα «Heat pipe»: 1 – γυάλινο περίβλημα, 2 – επιλεκτική επικάλυψη, 3 – μεταλλικές νευρώσεις, 4 – κενό, 5 – θερμική σφαίρα με ουσία χαμηλού σημείου βρασμού, 6 – εσωτερικός γυάλινος σωλήνας

Παραλλαγή 2. Ο ομοαξονικός κύλινδρος με κυκλοφορία άμεσης ροής είναι γνωστός ως συλλέκτης σχήματος U. Χάρη στη σχεδίαση, μειώνονται οι απώλειες θερμότητας – η θερμική ενέργεια από το αλουμίνιο μεταφέρεται σε σωλήνες με κυκλοφορούν θερμαντικό υγρό.

Παράλληλα με την υψηλή απόδοση (έως 75%), το μοντέλο έχει μειονεκτήματα:

• πολυπλοκότητα εγκατάστασης – οι σφαίρες αποτελούν ένα ενιαίο σύνολο με το δίσωλο σώμα του συλλέκτη (manifold) και εγκαθίστανται ολόκληρες·
• αποκλείεται η αντικατάσταση μεμονωμένων σωλήνων.

Επιπλέον, η μονάδα σχήματος U είναι απαιτητική ως προς το θερμαντικό υγρό και ακριβότερη από τα μοντέλα «Heat pipe».

Διάταξη ηλιακού συλλέκτη σχήματος U: 1 – γυάλινος «κύλινδρος», 2 – απορροφητική επικάλυψη, 3 – αλουμινένιο «κάλυμμα», 4 – σφαίρα με θερμαντικό υγρό, 5 – κενό, 6 – εσωτερικός γυάλινος σωλήνας

Παραλλαγή 3. Πτερωτός σωλήνας με αρχή λειτουργίας «Heat pipe». Διακριτικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη:

• υψηλά οπτικά χαρακτηριστικά – απόδοση περίπου 77%·
• ο επίπεδος απορροφητής μεταδίδει απευθείας τη θερμική ενέργεια στον σωλήνα με το θερμαντικό υγρό·
• λόγω της χρήσης ενός στρώματος γυαλιού, μειώνεται η ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας·

Είναι δυνατή η αντικατάσταση ενός κατεστραμμένου στοιχείου χωρίς αποστράγγιση του θερμαντικού υγρού από το ηλιακό σύστημα.

Παραλλαγή 4. Πτερωτή σφαίρα άμεσης ροής – το πιο αποτελεσματικό εργαλείο χρήσης της ηλιακής ενέργειας ως εναλλακτικής πηγής ενέργειας για τη θέρμανση νερού ή τη θέρμανση κατοικιών. Ο υψηλής απόδοσης συλλέκτης λειτουργεί με απόδοση 80%. Μειονέκτημα του συστήματος – η δυσκολία επισκευής.

Σχήματα διάταξης ηλιακών συλλεκτών με σωλήνες: 1 – ηλιακό σύστημα με αγωγό «Heat pipe», 2 – δίσωλο σώμα ηλιακού συλλέκτη με άμεση ροή θερμοφόρου μέσου

Ανεξάρτητα από την εκτέλεση, οι σωληνωτοί συλλέκτες έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

• λειτουργία σε χαμηλή θερμοκρασία·
• χαμηλές θερμικές απώλειες·
• διάρκεια λειτουργίας κατά τη διάρκεια της ημέρας·
• ικανότητα θέρμανσης του θερμοφόρου μέσου σε υψηλές θερμοκρασίες·
• χαμηλή επίδραση ανέμου·
• ευκολία εγκατάστασης.

Το κύριο μειονέκτημα των μοντέλων κενού είναι η αδυναμία αυτοκαθαρισμού από το χιόνι. Το στρώμα κενού δεν αφήνει τη θερμότητα να διαφύγει, οπότε το χιόνι δεν λιώνει και εμποδίζει την πρόσβαση του ήλιου στο πεδίο συλλέκτη. Πρόσθετα μειονεκτήματα: υψηλή τιμή και ανάγκη τήρησης γωνίας κλίσης των σωλήνων τουλάχιστον 20°.

Οι ηλιακοί συλλέκτες που θερμαίνουν το αεροφόρο μέσο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προετοιμασία ζεστού νερού, εάν είναι εξοπλισμένοι με δοχείο αποθήκευσης:

Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με την αρχή λειτουργίας του ηλιακού συλλέκτη κενού με σωλήνες, διαβάστε παρακάτω.

Υδραυλικός – βέλτιστη επιλογή για νότια γεωγραφικά πλάτη

Ο επίπεδος (πάνελ) ηλιακός συλλέκτης είναι μία ορθογώνια αλουμινένια πλάκα, καλυμμένη από πάνω με πλαστικό ή γυάλινο κάλυμμα. Μέσα στο κουτί βρίσκεται το πεδίο απορρόφηςης, μία μεταλλική σπείρα και ένα στρώμα θερμομόνωσης. Η επιφάνεια του συλλέκτη είναι γεμάτη με σωλήνες ροής, μέσα από τους οποίους κινείται το θερμοφόρο μέσον.

Βασικά συστάτικά εντός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη: σώμα, απορροφητήρας, προστατευτική επίστρωση, στρώμα θερμομόνωσης και σύνδεσμοι. Κατά τη συναρμολόγη χρησμοποιείται ματ γυαλί με δείκτη διέλευσης φασματικής περλοχής 0,4–1,8 μm

Η απορρόφηση θερμόητας της υψηλά εκλκτικής απορροφητικής επίστρωσης φτάνει το 90%. Ο μεταλλικός σωλήνας ροής τοποθετείται μεταξύ του «απορροφητή» και της θερμομόνωσης. Χρησμοποιούνται δύο σχήματα τοποθέτησης σωλήνων: «άρπα» και «μαίανδρος».

Η διαδικασία συναρμολόγησης ηλιακών συλλεκτών που θερμαίνουν το υγρό μέσο μεταφοράς θερμότητας περιλαμβάνει μια σειρά παραδοσιακών βημάτων:

Εάν το κύκλωμα θέρμανσης συμπληρωθεί με μια γραμμή που παρέχει νερό ύδρευσης στο σύστημα ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ), έχει νόημα να συνδέσετε έναν θερμοσυσσωρευτή στον ηλιακό συλλέκτη. Η απλούστερη επιλογή είναι μια δεξαμενή κατάλληλης χωρητικότητας με θερμομόνωση ικανή να διατηρεί τη θερμοκρασία του θερμαινόμενου νερού. Πρέπει να εγκατασταθεί σε μια εξέδρα:

Ο σωληνοειδής συλλέκτης με υγρό θερμοφορέα λειτουργεί σαν φαινόμενο θερμοκηπίου – οι ηλιακές ακτίνες διαπερνούν το γυαλί και θερμαίνουν τον σωλήνα. Χάρη στη στεγανότητα και τη θερμομόνωση, η θερμότητα διατηρείται εντός του πάνελ.

Η αντοχή του ηλιακού στοιχείου καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό του προστατευτικού καλύμματος:

• κοινό γυαλί – το φθηνότερο και πιο εύθραυστο κάλυμμα·
• σκληρυμένο γυαλί – υψηλός βαθμός διάχυσης φωτός και αυξημένη αντοχή·
• αντιανακλαστικό γυαλί – διαθέτει μέγιστη απορροφητική ικανότητα (95%) λόγω της ύπαρξης στρώματος που εξαλείφει την αντανάκλαση των ηλιακών ακτίνων·
• αυτοκαθαριζόμενο (πολικό) γυαλί με διοξείδιο του τιτανίου – οι οργανικές βρωμιές καίγονται στον ήλιο και τα υπολείμματα βρωμιάς ξεπλένονται από τη βροχή.

Το γυαλί πολυανθρακικού αντέχει καλύτερα στις κρούσεις. Το υλικό τοποθετείται σε ακριβά μοντέλα.

Αντανάκλαση ηλιακών ακτίνων και απορροφητική ικανότητα: 1 – αντιανακλαστική επικάλυψη, 2 – σκληρυμένο ανθεκτικό γυαλί. Βέλτιστο πάχος προστατευτικού εξωτερικού κελύφους – 4 mm

Λειτουργικά-χαρακτηριστικά των επίπεδων ηλιακών εγκαταστάσεων:

• στα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας προβλέπεται λειτουργία απόψυξης, που επιτρέπει την ταχεία απομάκρυνση του χιονιού από το ηλιακό πεδίο·
• το πρισματικό γυαλί συλλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα ακτίνων υπό διαφορετικές γωνίες – το καλοκαίρι η απόδοση της εγκατάστασης φτάνει το 78-80%·
• ο συλλέκτης δεν φοβάται την υπερθέρμανση – σε περίπτωση υπερβολικής θερμικής ενέργειας είναι δυνατή η εξαναγκασμένη ψύξη του θερμοφορέα·
• αυξημένη αντοχή σε κρούσεις σε σύγκριση με τους σωληνοειδείς ομολόγους·
• δυνατότητα εγκατάστασης υπό οποιαδήποτε γωνία·
• προσιτή τιμολογιακή πολιτική.

Τα συστήματα δεν στερούνται μειονεκτημάτων. Σε περιόδους έλλειψης ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς αυξάνεται η διαφορά θερμοκρασίας, η απόδοση του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη μειώνεται σημαντικά λόγω ανεπαρκούς θερμομόνωσης. Ως εκ τούτου, το επίπεδο στοιχείο δικαιολογείται το καλοκαίρι ή σε περιοχές με ζεστό κλίμα.

Ηλιακά συστήματα: ιδιαιτερότητες κατασκευής και λειτουργίας

Η ποικιλία των ηλιακών συστημάτων μπορεί να ταξινομηθεί με βάση τα εξής παραμέτρους: μέθοδο χρήσης της ηλιακής ακτινοβολίας, τρόπο κυκλοφορίας του θερμοφορέα, αριθμό κυκλωμάτων και εποχικότητα λειτουργίας.

Ενεργό και παθητικό σύστημα

Σε κάθε ηλιακό σύστημα μετατροπής ενέργειας προβλέπεται ηλιακός δέκτης. Ανάλογα με τον τρόπο χρήσης της παραγόμενης θερμότητας διακρίνονται δύο τύποι ηλιακών συστημάτων: παθητικά και ενεργά.

Ο πρώτος τύπος – σύστημα ηλιακής θέρμανσης, όπου τα δομικά στοιχεία του κτιρίου λειτουργούν ως στοιχεία απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ως επιφάνεια υποδοχής ηλιακής ενέργειας λειτουργούν η στέγη, ο τοίχος-συλλέκτης ή τα παράθυρα.

Διάγραμμα παθητικού ηλιακού συστήματος χαμηλής θερμοκρασίας με τοίχο-συλλέκτη: 1 – ακτίνες ηλίου, 2 – ημιδιαφανές παραπέτασμα, 3 – φράγμα αέρος, 4 – θερμαινόμενος αέρας, 5 – εξαντλημένες ροές αέρα, 6 – θερμική ακτινοβολία από τον τοίχο, 7 – θερμοαπορροφητική επιφάνεια του τοίχου-συλλέκτη, 8 – διακοσμητικές περσίδες

Στις ευρωπαϊκές χώρες, οι παθητικές τεχνολογίες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ενεργειακά αποδοτικών κτιρίων. Οι ηλιοδεκτικές επιφάνειες διακοσμούνται ως ψευδοπαράθυρα. Κάτω από το γυάλινο κάλυμμα τοποθετείται ένας τοίχος από μαυρισμένα τούβλα με φωτοανοίγματα.

Ως θερμοσυσσωρευτές λειτουργούν τα δομικά στοιχεία – οι τοίχοι και οι οροφές, μονωμένοι εξωτερικά με πολυστυρένιο.

Τα ενεργητικά συστήματα συνεπάγονται τη χρήση ανεξάρτητων συσκευών που δεν σχετίζονται με το κτίριο.

Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα προαναφερθέντα συγκροτήματα με σωληνοειδείς και επίπεδους συλλέκτες – οι ηλιοθερμικές εγκαταστάσεις, οι οποίες συνήθως τοποθετούνται στην οροφή του κτιρίου.

Θερμοσιφωνικά και κυκλοφοριακά συστήματα

Ο ηλιοθερμικός εξοπλισμός με φυσική κίνηση του θερμοφόρου μέσου κατά μήκος του βρόχου συλλέκτης-συσσωρευτής-συλλέκτης πραγματοποιείται μέσω μεταφοράς – το θερμό υγρό χαμηλής πυκνότητας ανεβαίνει, το ψυχρό ρέει προς τα κάτω.

Στα θερμοσιφωνικά συστήματα, η δεξαμενή αποθήκευσης τοποθετείται πάνω από τον συλλέκτη, εξασφαλίζοντας την αυθόρμητη κυκλοφορία του θερμοφόρου μέσου.

Αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι χαρακτηριστικός για μονοκυκλωματικά εποχιακά συστήματα. Το θερμοσιφωνικό σύστημα δεν συνιστάται για συλλέκτες με επιφάνεια μεγαλύτερη από 12 τ.μ.

Το μη πιεστικό ηλιακό σύστημα έχει μια εκτενή λίστα μειονεκτημάτων:

• Τις συννεφιασμένες ημέρες, η απόδοση του συστήματος μειώνεται – για την κίνηση του θερμοφόρου μέσου απαιτείται μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας·
• θερμικές απώλειες που οφείλονται στην αργή μετακίνηση του υγρού·
• κίνδυνος υπερθέρμανσης της δεξαμενής λόγω μη ελεγχόμενης διαδικασίας θέρμανσης·
• αστάθεια λειτουργίας του συλλέκτη·
• δυσκολία τοποθέτησης της δεξαμενής συσσώρευσης – κατά την εγκατάσταση στην οροφή αυξάνονται οι θερμικές απώλειες, επιταχύνονται οι διαδικασίες διάβρωσης, εμφανίζεται κίνδυνος παγώματος των σωληνώσεων.

Πλεονεκτήματα του «βαρυτικού» συστήματος: απλότητα κατασκευής και προσιτή τιμή.

Το κεφαλαιουχικό κόστος για την εγκατάσταση ενός κυκλοφοριακού (εξαναγκαστικού) ηλιακού συστήματος είναι σημαντικά υψηλότερο από την εγκατάσταση ενός μη πιεστικού συστήματος. Μια αντλία «ενσωματώνεται» στο βρόχο, εξασφαλίζοντας την κίνηση του θερμοφόρου μέσου. Η λειτουργία του αντλιοστασίου ελέγχεται από έναν ελεγκτή.

Η πρόσθετη θερμική ισχύς που παράγεται στο εξαναγκαστικό σύστημα υπερβαίνει την ισχύ που καταναλώνει ο εξοπλισμός αντλίας. Η απόδοση του συστήματος αυξάνεται κατά το ένα τρίτο.

Αυτός ο τρόπος κυκλοφορίας χρησιμοποιείται σε ετήσιες διπλοκυκλωματικές ηλιοθερμικές εγκαταστάσεις.

Πλεονεκτήματα του πλήρως λειτουργικού συστήματος:

• απεριόριστη επιλογή θέσης της δεξαμενής συσσώρευσης·
• λειτουργικότητα εκτός εποχής·
• επιλογή βέλτιστης λειτουργίας θέρμανσης·
• ασφάλεια – κλείδωμα λειτουργίας σε υπερθέρμανση.

Μειονέκτημα του συστήματος – εξάρτηση από την ηλεκτρική ενέργεια.

Τεχνική λύση κυκλωμάτων: μονοκυκλωματικά και δικυκλωματικά

Στις μονοκυκλωματικές εγκαταστάσεις κυκλοφορεί υγρό, το οποίο στη συνέχεια τροφοδοτεί τα σημεία υδροληψίας. Το χειμώνα, το νερό πρέπει να αποστραγγίζεται από το σύστημα για να αποφευχθεί η κατάψυξη και η ρωγμάτωση των σωλήνων.

Χαρακτηριστικά μονοκυκλωματικών ηλιοθερμικών συμπλεγμάτων:

• συνιστάται «πλήρωση» του συστήματος με καθαρό μαλακό νερό – η καθίζηση αλάτων στα τοιχώματα των σωλήνων οδηγεί σε απόφραξη των καναλιών και βλάβη του συλλέκτη·
• διάβρωση λόγω περίσσειας αέρα στο νερό·
• περιορισμένη διάρκεια ζωής – εντός τεσσάρων-πέντε ετών·
• υψηλή απόδοση το καλοκαίρι.

Στα δικυκλωματικά ηλιοσυμπλέγματα κυκλοφορεί ειδικό θερμαντικό μέσο (αντιψυκτικό υγρό με αντιαφριστικά και αντιδιαβρωτικά πρόσθετα), το οποίο μεταδίδει θερμότητα στο νερό μέσω εναλλάκτη θερμότητας.

Σχήματα διάταξης μονοκυκλωματικού (1) και δικυκλωματικού (2) ηλιακού συστήματος. Η δεύτερη επιλογή διακρίνεται για αυξημένη αξιοπιστία, δυνατότητα λειτουργίας το χειμώνα και διάρκεια λειτουργίας (20-50 έτη)

Λεπτομέρειες λειτουργίας του δικυκλωματικού στοιχείου: μικρή μείωση της απόδοσης (3-5% λιγότερο από ένα μονοκύκλωματικό σύστημα), ανάγκη πλήρους αντικατάστασης του θερμαντικού μέσου κάθε 7 χρόνια.

Προϋποθέσεις λειτουργίας και βελτίωσης της απόδοσης

Ο υπολογισμός και η εγκατάσταση του ηλιακού συστήματος καλύτερα να ανατεθούν σε επαγγελματίες. Η τήρηση της τεχνικής εγκατάστασης θα εξασφαλίσει λειτουργικότητα και επίτευξη της δηλωμένης απόδοσης. Για τη βελτίωση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένες λεπτομέρειες.

Θερμοστατική βαλβίδα. Στα παραδοσιακά συστήματα θέρμανσης θερμοστατικό στοιχείο σπάνια τοποθετείται, καθώς για τη ρύθμιση θερμοκρασίας είναι υπεύθυνη η γεννήτρια θερμότητας. Ωστόσο, κατά τη διαμόρφωση ενός ηλιακού συστήματος, η βαλβίδα προστασίας δεν πρέπει να ξεχνιέται.

Η θέρμανση της δεξαμενής στη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία αυξάνει την απόδοση του συλλέκτη και επιτρέπει την αξιοποίηση της ηλιακής θερμότητας ακόμη και σε συννεφιά

Βέλτιστη τοποθέτηση της βαλβίδας – 60 cm από τον θερμαντήρα. Σε κοντινή απόσταση, ο «θερμοστάτης» θερμαίνεται και μπλοκάρει την παροχή ζεστού νερού.

Τοποθέτηση δεξαμενής αποθήκευσης. Η δεξαμενή buffer του ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) πρέπει να εγκαθίσταται σε προσβάσιμο σημείο. Κατά την τοποθέτηση σε συμπαγή χώρο, δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο ύψος της οροφής.

Ο ελάχιστος ελεύθερος χώρος πάνω από τη δεξαμενή είναι 60 cm. Αυτό το διάκενο είναι απαραίτητο για τη συντήρηση της μπαταρίας και την αντικατάσταση της ανόδου μαγνησίου.

Εγκατάσταση δοχείου διαστολής. Το στοιχείο αντισταθμίζει τη θερμική διαστολή κατά την περίοδο στασιμότητας. Η τοποθέτηση του δοχείου πάνω από τον εξοπλισμό άντλησης θα προκαλέσει υπερθέρμανση της μεμβράνης και πρόωρη φθορά της.

Η βέλτιστη θέση για το δοχείο διαστολής είναι κάτω από την ομάδα άντλησης. Η θερμική επίδραση σε αυτή την τοποθέτηση μειώνεται σημαντικά και η μεμβράνη διατηρεί την ελαστικότητά της περισσότερο.

Σύνδεση ηλιοθερμικού κυκλώματος. Κατά τη σύνδεση των σωλήνων συνιστάται να δημιουργείται ένας βρόχος. Ο «θερμικός βρόχος» μειώνει τις απώλειες θερμότητας, αποτρέποντας τη διαφυγή του θερμαινόμενου υγρού.

Τεχνικά σωστή υλοποίηση του «βρόχου» ηλιοθερμικού κυκλώματος. Η παράβλεψη αυτής της απαίτησης προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας στη δεξαμενή αποθήκευσης κατά 1-2 °C τη νύχτα.

Βαλβίδα αντεπιστροφής. Αποτρέπει την «ανατροπή» της κυκλοφορίας του θερμαντικού μέσου. Σε περίπτωση ανεπαρκούς ηλιακής δραστηριότητας, η βαλβίδα αντεπιστροφής εμποδίζει τη διασπορά της θερμότητας που συσσωρεύτηκε κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Δημοφιλή μοντέλα «ηλιακών» μονάδων

Σε ζήτηση βρίσκονται ηλιακά συστήματα εγχώριων και ξένων εταιρειών. Καλή φήμη έχουν αποκτήσει τα προϊόντα των κατασκευαστών: ΝΠΟ Μασινοστροένιγια (Ρωσία), Γκελιόν (Ρωσία), Άριστον (Ιταλία), Άλτεν (Ουκρανία), Βίσμαν (Γερμανία), Άμκορ (Ισραήλ) κ.ά.

Ηλιακό σύστημα «Σόκολ». Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης, εξοπλισμένος με πολυστρωματική οπτική επίστρωση με μαγνητρονική απόθεση. Η ελάχιστη ικανότητα εκπομπής και το υψηλό επίπεδο απορρόφησης εξασφαλίζουν απόδοση έως 80%.

Λειτουργικά χαρακτηριστικά:

• θερμοκρασία λειτουργίας – έως -21 °C·
• αντίστροφη εκπομπή θερμότητας – 3-5%·
• ανώτερη στρώση – σκληρυμένο γυαλί (4 mm).

Συλλέκτης SBK-A (Άλτεν). Ηλιακή εγκατάσταση κενού με επιφάνεια απορρόφησης 0,8-2,41 τετρ. μέτρα (ανάλογα με το μοντέλο). Θερμαντικό μέσο – προπυλενογλυκόλη, η θερμομόνωση του χάλκινου εναλλάκτη θερμότητας στα 75 mm ελαχιστοποιεί τις απώλειες θερμότητας.

Πρόσθετες παράμετροι:

• περίβλημα – ανοδιωμένο αλουμίνιο·
• διάμετρος εναλλάκτη θερμότητας – 38 mm·
• μόνωση – ορυκτοβάμβακας με αντιυγροσκοπική επεξεργασία·
• επίστρωση – γυαλί βοριοπυριτίου 3,3 mm·
• απόδοση – 98%.

Vitosol 100-F – επίπεδος ηλιακός συλλέκτης οριζόντιας ή κάθετης τοποθέτησης. Χάλκινος απορροφητής με σωληνοειδή σπείρα σε σχήμα άρπας και επικάλυψη ηλιοτιτανίου. Διαπερατότητα φωτός – 81%.

Ενδεικτική τιμολογιακή κλίμακα για ηλιακά συστήματα: επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες – από 400 у.е./τ.μ., σωληνοειδείς ηλιακοί συλλέκτες – 350 у.е./10 φιάλες κενού. Πλήρες σετ κυκλοφοριακού συστήματος – από 2500 у.е.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Αρχή λειτουργίας των ηλιακών συλλεκτών και τα είδη τους:

Αξιολόγηση της απόδοσης ενός επίπεδου συλλέκτη σε αρνητικές θερμοκρασίες:

Τεχνολογία εγκατάστασης ηλιακού συλλέκτη πάνελ με παράδειγμα το μοντέλο Buderus:

Η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή θερμότητας. Λαμβάνοντας υπόψη την αύξηση των τιμών των παραδοσιακών ενεργειακών πόρων, η εγκατάσταση ηλιακών συστημάτων δικαιολογεί τις κεφαλαιουχικές επενδύσεις και αποσβένεται εντός των επόμενων πέντε ετών, εφόσον τηρούνται οι τεχνικές εγκατάστασης.

Εάν έχετε πολύτιμες πληροφορίες που θέλετε να μοιραστείτε με τους επισκέπτες του ιστότοπού μας, παρακαλούμε αφήστε τα σχόλιά σας στο πλαίσιο κάτω από το άρθρο. Εκεί μπορείτε επίσης να κάνετε ερωτήσεις σχετικά με το θέμα του άρθρου ή να μοιραστείτε την εμπειρία σας από τη χρήση ηλιακών συλλεκτών.