La energía solar como fuente de energía alternativa: tipos y características de los sistemas solares.

En la última década, la energía solar como fuente de energía alternativa se ha utilizado cada vez más para calentar y proporcionar agua caliente a los edificios. La razón principal es el deseo de sustituir el combustible tradicional por recursos energéticos asequibles, respetuosos con el medio ambiente y renovables.

La conversión de energía solar en energía térmica se produce en los sistemas solares: el diseño y el principio de funcionamiento del módulo determinan las características específicas de su aplicación. En este material veremos los tipos de colectores solares y los principios de su funcionamiento, y también hablaremos sobre los modelos populares de módulos solares.

La viabilidad de utilizar un sistema solar.

Un sistema solar es un complejo para convertir la energía de la radiación solar en calor, que posteriormente se transfiere a un intercambiador de calor para calentar el refrigerante de un sistema de calefacción o suministro de agua.

La eficiencia de una instalación solar térmica depende de la insolación solar: la cantidad de energía recibida durante una hora de luz por metro cuadrado de superficie ubicada en un ángulo de 90° con respecto a la dirección de los rayos del sol. El valor de medición del indicador es kW*h/m2, el valor del parámetro varía según la temporada.

El nivel medio de insolación solar para una región con un clima continental templado es de 1000-1200 kWh/m2 (por año). La cantidad de sol es el parámetro determinante para calcular el rendimiento de un sistema solar.

El uso de una fuente de energía alternativa permite calentar una casa y obtener agua caliente sin costes energéticos tradicionales, exclusivamente a través de la radiación solar.

Instalar un sistema de calefacción solar es una tarea costosa. Para que los costos de capital estén justificados, es necesario un cálculo preciso del sistema y el cumplimiento de la tecnología de instalación.

Ejemplo. El valor medio de la insolación solar en Tula a mediados del verano es de 4,67 kV/m2*día, siempre que el panel del sistema esté instalado en un ángulo de 50°. La productividad de un colector solar con una superficie de 5 m2 se calcula de la siguiente manera: 4,67*4=18,68 kW de energía térmica por día. Este volumen es suficiente para calentar 500 litros de agua de 17 °C a 45 °C.

Como muestra la práctica, cuando se utiliza una planta de energía solar, los propietarios de cabañas en el verano pueden cambiar completamente del calentamiento de agua eléctrico o de gas al método solar.

Hablando de la viabilidad de introducir nuevas tecnologías, es importante tener en cuenta las características técnicas de un colector solar en particular. Algunos empiezan a funcionar con 80 W/m2 de energía solar, mientras que otros necesitan 20 W/m2.

Incluso en un clima del sur, utilizar un sistema colector únicamente para calefacción no resultará rentable. Si la instalación se utiliza exclusivamente en invierno, cuando hay escasez de sol, el coste del equipo no estará cubierto ni siquiera en 15-20 años.

Para utilizar el complejo solar de la forma más eficiente posible, es necesario incluirlo en el sistema de suministro de agua caliente. Incluso en invierno, el colector solar le permitirá "reducir" las facturas de energía para calentar agua hasta en un 40-50%.

Según los expertos, para uso doméstico, un sistema solar se amortiza en aproximadamente 5 años. Con el aumento de los precios de la electricidad y el gas, el plazo de amortización del complejo se reducirá

Además de los beneficios económicos, la calefacción solar tiene ventajas adicionales:

1. Respetuoso con el medio ambiente. Se reducen las emisiones de dióxido de carbono. En el transcurso de un año, 1 m2 de colector solar evita que entre 350 y 730 kg de residuos lleguen a la atmósfera.
2. Estética. El espacio de un baño o cocina compacto se puede eliminar de calderas o géiseres voluminosos.
3. Durabilidad. Los fabricantes aseguran que si se sigue la tecnología de instalación, el complejo durará entre 25 y 30 años. Muchas empresas ofrecen una garantía de hasta 3 años.

Argumentos en contra del uso de la energía solar: marcada estacionalidad, dependencia del clima y alta inversión inicial.

Estructura general y principio de funcionamiento.

Consideremos la opción de un sistema solar con un colector como principal elemento de trabajo del sistema. La apariencia de la unidad se asemeja a una caja de metal, cuya parte frontal está hecha de vidrio templado. Dentro de la caja hay un elemento de trabajo: una bobina con un absorbente.

La unidad absorbente de calor calienta el refrigerante: el líquido en circulación y transfiere el calor generado al circuito de suministro de agua.

Los componentes principales del sistema solar: 1 – campo colector, 2 – ventilación de aire, 3 – estación de distribución, 4 – tanque de alivio de exceso de presión, 5 – controlador, 6 – tanque calentador de agua, 7,8 – elemento calefactor e intercambiador de calor, 9 – válvula mezcladora térmica, 10 – flujo de agua caliente, 11 – entrada de agua fría, 12 – drenaje, T1/T2 – sensores de temperatura

El colector solar trabaja necesariamente en conjunto con el tanque de almacenamiento. Dado que el refrigerante se calienta a una temperatura de 90-130°C, no se puede suministrar directamente a los grifos de agua caliente ni a los radiadores de calefacción. El refrigerante ingresa al intercambiador de calor de la caldera. El tanque de almacenamiento suele complementarse con un calentador eléctrico.

Esquema de trabajo:

1. El sol calienta la superficie. coleccionista.
2. La radiación térmica se transfiere al elemento absorbente (absorbente), que contiene el fluido de trabajo.
3. El refrigerante que circula por los tubos del serpentín se calienta.
4. El equipo de bombeo, una unidad de control y monitoreo garantiza la eliminación del refrigerante a través de una tubería hasta el serpentín del tanque de almacenamiento.
5. El calor se transfiere al agua en la caldera.
6. El refrigerante enfriado regresa al colector y el ciclo se repite.

El agua calentada del calentador de agua se suministra al circuito de calefacción o a los puntos de entrada de agua.

Al instalar un sistema de calefacción o suministro de agua caliente durante todo el año, el sistema está equipado con una fuente de calefacción adicional (caldera, elemento calefactor eléctrico). Esta es una condición necesaria para mantener la temperatura establecida.

Los paneles solares en casas particulares se utilizan con mayor frecuencia como fuente de electricidad de respaldo:

Tipos de colectores solares

Independientemente de su finalidad, el sistema solar está equipado con un colector solar tubular plano o esférico. Cada opción tiene una serie de características distintivas en términos de características técnicas y eficiencia operativa.

Vacío – para climas fríos y templados

Estructuralmente, un colector solar de vacío se parece a un termo: se colocan tubos estrechos con refrigerante en matraces de mayor diámetro. Entre los recipientes se forma una capa de vacío, que es responsable del aislamiento térmico (la retención de calor es de hasta el 95%). La forma tubular es la más óptima para mantener el vacío y “ocupar” los rayos del sol.

Elementos básicos de una instalación solar térmica tubular: marco de soporte, carcasa del intercambiador de calor, tubos de vidrio al vacío tratados con un recubrimiento altamente selectivo para una “absorción” intensiva de energía solar.

El tubo interior (calor) se llena con una solución salina con un punto de ebullición bajo (24-25 ° C). Cuando se calienta, el líquido se evapora: el vapor sube a la parte superior del matraz y calienta el refrigerante que circula en el cuerpo del colector.

Durante el proceso de condensación, gotas de agua fluyen hacia la punta del tubo y el proceso se repite.

Gracias a la presencia de una capa de vacío, el líquido dentro del matraz térmico puede hervir y evaporarse a temperaturas bajo cero (hasta -35 ° C).

Las características de los módulos solares dependen de los siguientes criterios:

• diseño de tubo: pluma, coaxial;
• dispositivo de canal térmico – "Tubo de calor", circulación de flujo directo.

matraz de plumas - un tubo de vidrio que contiene una placa absorbente y un canal de calor. La capa de vacío atraviesa toda la longitud del canal térmico.

tubo coaxial – un matraz doble con un “inserto” de vacío entre las paredes de dos tanques. La transferencia de calor se produce desde la superficie interior del tubo. La punta del termotubo está equipada con un indicador de vacío.

La eficiencia de los tubos de pluma (1) es mayor en comparación con los modelos coaxiales (2). Sin embargo, los primeros son más caros y difíciles de instalar. Además, en caso de avería, el matraz de plumas deberá sustituirse por completo.

El canal “Heat pipe” es la opción más común para la transferencia de calor en colectores solares.

El mecanismo de acción se basa en colocar un líquido de fácil evaporación en tubos metálicos sellados.

La popularidad de los "Heat pipe" se debe a su costo asequible, facilidad de mantenimiento y facilidad de mantenimiento. Debido a la complejidad del proceso de intercambio de calor, el nivel máximo de eficiencia es del 65%.

Canal de flujo directo – tubos metálicos paralelos conectados en forma de arco en U pasan a través del matraz de vidrio

El refrigerante que fluye a través del canal se calienta y se suministra al cuerpo del colector.

Opciones de diseño del colector solar de vacío: 1 – modificación con un tubo central de calefacción “Heat pipe”, 2 – instalación solar con circulación de refrigerante de flujo directo

Los tubos coaxiales y de plumas se pueden combinar de diferentes maneras con los canales de calor.

Opción 1. Un matraz coaxial con “tubo de calor” es la solución más popular. En el colector, se produce una transferencia repetida de calor desde las paredes del tubo de vidrio al matraz interior y luego al refrigerante. El grado de eficiencia óptica alcanza el 65%.

Diagrama del diseño de un tubo coaxial “Heat pipe”: 1 – carcasa de vidrio, 2 – revestimiento selectivo, 3 – aletas metálicas, 4 – vacío, 5 – matraz térmico con una sustancia de fácil ebullición, 6 – tubo interior de vidrio

Opcion 2. Un matraz coaxial con circulación directa se conoce como colector en forma de U. Gracias al diseño, se reduce la pérdida de calor: la energía térmica del aluminio se transfiere a tubos con refrigerante circulante.

Además de una alta eficiencia (hasta un 75%), el modelo tiene desventajas:

• complejidad de la instalación: los matraces son integrales con el cuerpo del colector de dos tubos (colector principal) y están instalados en su totalidad;
• Se excluye el reemplazo de tubos individuales.

Además, la unidad en forma de U exige mucho refrigerante y es más cara que los modelos "Heat pipe".

Estructura de un colector solar en forma de U: 1 – “cilindro” de vidrio, 2 – revestimiento absorbente, 3 – “caja” de aluminio, 4 – matraz con refrigerante, 5 – vacío, 6 – tubo interior de vidrio

Opción 3. Tubo de plumas con el principio de funcionamiento “Heat pipe”. Rasgos distintivos del coleccionista:

• altas características ópticas: eficiencia de aproximadamente el 77%;
• el absorbente plano transfiere directamente energía térmica al tubo refrigerante;
• debido al uso de una capa de vidrio, se reduce el reflejo de la radiación solar;

Es posible reemplazar un elemento dañado sin drenar el refrigerante del sistema solar.

Opción 4. Un bulbo de plumas de flujo directo es la herramienta más eficaz para utilizar la energía solar como fuente de energía alternativa para calentar agua o calentar una casa. El colector de alto rendimiento funciona con una eficiencia del 80%. La desventaja del sistema es la dificultad de reparación.

Esquemas de diseño para colectores solares tipo pluma: 1 – sistema solar con canal “Heat pipe”, 2 – carcasa de colector solar de dos tubos con flujo directo de refrigerante

Independientemente del diseño, los colectores tubulares tienen las siguientes ventajas:

• rendimiento a bajas temperaturas;
• bajas pérdidas de calor;
• duración de la operación durante el día;
• la capacidad de calentar el refrigerante a altas temperaturas;
• baja resistencia al viento;
• facilidad de instalación.

La principal desventaja de los modelos de aspiradora es la incapacidad de autolimpiarse de la capa de nieve. La capa de vacío no permite que salga el calor, por lo que la capa de nieve no se derrite y bloquea el acceso del sol al campo colector. Desventajas adicionales: alto precio y necesidad de mantener un ángulo de inclinación de trabajo de los matraces de al menos 20°.

Los dispositivos colectores solares que calientan el refrigerante de aire se pueden utilizar para preparar agua caliente si están equipados con un tanque de almacenamiento:

Lea más sobre el principio de funcionamiento de un colector solar de vacío con tubos. Más.

Vodyanoy – la mejor opción para las latitudes del sur

Un colector solar plano (panel) es una placa rectangular de aluminio cubierta en la parte superior con una tapa de plástico o vidrio. Dentro de la caja hay un campo de absorción, una bobina metálica y una capa de aislamiento térmico. La zona del colector está llena de una tubería de flujo a través de la cual circula el refrigerante.

Los componentes básicos de un colector solar plano: carcasa, absorbente, capa protectora, capa de aislamiento térmico y sujetadores. Durante el montaje se utiliza vidrio esmerilado con una transmitancia en el rango espectral de 0,4 a 1,8 micrones.

La absorción de calor del revestimiento absorbente altamente selectivo alcanza el 90%. Se coloca una tubería metálica fluida entre el "absorbedor" y el aislamiento térmico. Se utilizan dos esquemas de colocación de tubos: "arpa" y "meandro".

El proceso de montaje de colectores solares que calientan el líquido refrigerante incluye una serie de pasos tradicionales:

Si el circuito de calefacción se complementa con una tubería que suministra agua sanitaria al sistema de agua caliente, tiene sentido conectar un acumulador de calor al colector solar. La opción más sencilla sería un tanque de un recipiente adecuado con aislamiento térmico que pueda mantener la temperatura del agua calentada. Debes instalarlo en el paso elevado:

Un colector tubular con refrigerante líquido actúa como un efecto "invernadero": los rayos del sol atraviesan el vidrio y calientan la tubería. Gracias a la estanqueidad y al aislamiento térmico, el calor se retiene en el interior del panel.

La resistencia del módulo solar está determinada en gran medida por el material de la cubierta protectora:

• vidrio ordinario – el revestimiento más barato y frágil;
• vidrio colado – alto grado de dispersión de la luz y mayor resistencia;
• vidrio antirreflectante – caracterizado por una máxima capacidad de absorción (95%) debido a la presencia de una capa que elimina el reflejo de los rayos del sol;
• vidrio autolimpiante (polar) con dióxido de titanio: los contaminantes orgánicos se queman con el sol y los restos restantes son arrastrados por la lluvia.

El vidrio de policarbonato es el más resistente a los impactos. El material se instala en modelos caros.

Reflexión de la luz solar y capacidad de absorción: 1 – revestimiento antirreflejo, 2 – vidrio templado resistente a impactos. El espesor óptimo de la capa exterior protectora es de 4 mm.

Características operativas y funcionales de las instalaciones de paneles solares:

• los sistemas de circulación forzada tienen una función de descongelación que le permite deshacerse rápidamente de la capa de nieve en el heliofield;
• el vidrio prismático captura una amplia gama de rayos en diferentes ángulos; en verano, la eficiencia de la instalación alcanza el 78-80%;
• el colector no teme el sobrecalentamiento: si hay un exceso de energía térmica, es posible un enfriamiento forzado del refrigerante;
• mayor resistencia al impacto en comparación con sus homólogos tubulares;
• Posibilidad de instalación en cualquier ángulo;
• política de precios asequibles.

Los sistemas no están exentos de deficiencias. Durante los períodos de deficiencia de radiación solar, a medida que aumenta la diferencia de temperatura, la eficiencia de un colector solar de placa plana cae significativamente debido a un aislamiento térmico insuficiente. Por tanto, el módulo de panel está justificado en verano o en regiones con clima cálido.

Sistemas solares: características de diseño y operación.

La variedad de sistemas solares se puede clasificar según los siguientes parámetros: método de aprovechamiento de la radiación solar, método de circulación del refrigerante, número de circuitos y estacionalidad de funcionamiento.

Complejo activo y pasivo.

Cualquier sistema de conversión de energía solar tiene un receptor solar. Según el método de utilización del calor recibido, se distinguen dos tipos de complejos solares: pasivos y activos.

El primer tipo es un sistema de calefacción solar, donde los elementos estructurales del edificio actúan como elemento absorbente de calor de la radiación solar. El tejado, la pared colectora o las ventanas actúan como superficie receptora de energía solar.

Esquema de un sistema solar pasivo de baja temperatura con una pared colectora: 1 - rayos de sol, 2 - pantalla translúcida, 3 - barrera de aire, 4 - aire calentado, 5 - flujos de aire de escape, 6 - radiación térmica de la pared, 7 - superficie absorbente de calor de la pared del colector, 8 – persianas decorativas

En los países europeos, las tecnologías pasivas se utilizan en la construcción de edificios energéticamente eficientes. Las superficies receptoras de energía solar están decoradas a modo de ventanas falsas. Detrás del revestimiento de cristal se esconde una pared de ladrillos ennegrecidos con aberturas de luz.

Los elementos de la estructura (paredes y techos aislados con poliestireno del exterior) actúan como acumuladores de calor.

Los sistemas activos implican el uso de dispositivos independientes no relacionados con la estructura.

Esta categoría incluye los complejos mencionados anteriormente con colectores planos y tubulares; las instalaciones solares térmicas suelen estar situadas en el tejado del edificio.

Sistemas de termosifón y circulación.

Los equipos solares térmicos con movimiento natural del refrigerante a lo largo del circuito colector-acumulador-colector se realizan por convección: el líquido caliente de baja densidad sube y el líquido enfriado fluye hacia abajo.

En los sistemas de termosifón, el tanque de almacenamiento está ubicado encima del colector, lo que garantiza la circulación espontánea del refrigerante.

El esquema de funcionamiento es típico de los sistemas estacionales de circuito único. No se recomienda el uso del complejo de termosifón en colectores con un área de más de 12 metros cuadrados.

Un sistema solar sin presión tiene una amplia gama de desventajas:

• en días nublados, el rendimiento del complejo disminuye: se requiere una gran diferencia de temperatura para que el refrigerante se mueva;
• pérdidas de calor por el lento movimiento del líquido;
• el riesgo de sobrecalentamiento del tanque debido a la incontrolabilidad del proceso de calentamiento;
• inestabilidad del coleccionista;
• dificultad para colocar el tanque de almacenamiento: cuando se instala en el techo, aumenta la pérdida de calor, se aceleran los procesos de corrosión y existe el riesgo de que las tuberías se congelen.

Las ventajas del sistema de “gravedad”: simplicidad de diseño y asequibilidad.

Los costos de capital de instalar un sistema solar de circulación (forzada) son significativamente más altos que los de instalar un complejo de flujo libre. Una bomba “corta” el circuito, asegurando el movimiento del refrigerante. El funcionamiento de la estación de bombeo está controlado por un controlador.

La potencia térmica adicional generada en el complejo de aire forzado supera la potencia consumida por el equipo de bombeo. La eficiencia del sistema aumentará en un tercio

Este método de circulación se utiliza en instalaciones solares térmicas de doble circuito durante todo el año.

Ventajas de un complejo completamente funcional:

• elección ilimitada de ubicación del tanque de almacenamiento;
• actuación fuera de temporada;
• selección del modo de calefacción óptimo;
• seguridad – bloqueo del funcionamiento en caso de sobrecalentamiento.

La desventaja del sistema es su dependencia de la electricidad.

Solución técnica de circuitos: circuito simple y doble.

En las instalaciones de circuito único circula líquido, que posteriormente se suministra a los puntos de toma de agua. En invierno, se debe drenar el agua del sistema para evitar la congelación y el agrietamiento de las tuberías.

Características de los complejos solares térmicos de circuito único:

• se recomienda "llenar" el sistema con agua blanda purificada: la deposición de sales en las paredes de las tuberías provoca la obstrucción de los canales y la rotura del colector;
• corrosión por exceso de aire en el agua;
• vida útil limitada: de cuatro a cinco años;
• Alta eficiencia en verano.

En los complejos solares de doble circuito circula un refrigerante especial (líquido anticongelante con aditivos antiespumantes y anticorrosivos), que transfiere calor al agua a través de un intercambiador de calor.

Esquemas del diseño de un sistema solar de circuito simple (1) y doble circuito (2). La segunda opción se caracteriza por una mayor confiabilidad, la capacidad de trabajar en invierno y una larga vida útil (20-50 años).

Los matices de operar un módulo de doble circuito: una ligera disminución en la eficiencia (3-5% menos que en un sistema de circuito único), la necesidad de reemplazar completamente el refrigerante cada 7 años.

Condiciones de trabajo y mejora de la eficiencia

Es mejor confiar el cálculo y la instalación de un sistema solar a profesionales. El cumplimiento de la técnica de instalación garantizará la operatividad y el logro del rendimiento declarado. Para mejorar la eficiencia y la vida útil, es necesario tener en cuenta algunos matices.

Válvula termostática. En sistemas de calefacción tradicionales elemento termostático Rara vez se instala, ya que el generador de calor se encarga de regular la temperatura. Sin embargo, al instalar un sistema solar, no hay que olvidarse de la válvula de seguridad.

Calentar el tanque a la temperatura máxima permitida aumenta el rendimiento del colector y permite utilizar el calor solar incluso en tiempo nublado.

La ubicación óptima de la válvula es a 60 cm del calentador. Cuando se coloca cerca, el "termostato" se calienta y bloquea el suministro de agua caliente.

Colocación del tanque de almacenamiento. El depósito de inercia de ACS debe instalarse en un lugar accesible. Cuando se coloca en una habitación compacta, se presta especial atención a la altura de los techos.

El espacio libre mínimo sobre el tanque es de 60 cm, este espacio es necesario para realizar el mantenimiento de la batería y reemplazar el ánodo de magnesio.

Instalación Tanque de expansión. El elemento compensa la expansión térmica durante los períodos de estancamiento. La instalación del tanque encima del equipo de bombeo provocará el sobrecalentamiento de la membrana y su desgaste prematuro.

El lugar óptimo para el tanque de expansión es debajo del grupo de bombas. El efecto de la temperatura durante esta instalación se reduce significativamente y la membrana conserva su elasticidad por más tiempo.

Conexión del circuito solar. Al conectar tuberías, se recomienda organizar un bucle. El circuito térmico reduce la pérdida de calor al evitar la liberación de líquido calentado.

Una opción técnicamente correcta para implementar un “bucle” de un circuito solar. Si se ignora este requisito, la temperatura en el tanque de almacenamiento desciende entre 1 y 2 °C durante la noche.

La válvula de retención. Evita el “vuelco” de la circulación del refrigerante. Con falta de actividad solar. la válvula de retención Impide que se disipe el calor acumulado durante el día.

Modelos populares de módulos solares.

Hay demanda de sistemas solares de empresas nacionales y extranjeras. Los productos de los fabricantes han ganado una buena reputación: NPO Mashinostroeniya (Rusia), Gelion (Rusia), Ariston (Italia), Alten (Ucrania), Viessman (Alemania), Amcor (Israel), etc.

Sistema solar "Halcón". Colector solar plano equipado con un recubrimiento óptico multicapa con pulverización catódica con magnetrón. La mínima capacidad de emisión y el alto nivel de absorción proporcionan una eficiencia de hasta el 80%.

Características de presentación:

• temperatura de funcionamiento – hasta -21 °C;
• radiación de calor inversa – 3-5%;
• capa superior – vidrio templado (4 mm).

Coleccionista SVK-A (Alten). Instalación solar de vacío con una superficie de absorción de 0,8-2,41 m2 (según modelo). El refrigerante es propilenglicol, el aislamiento térmico de un intercambiador de calor de cobre de 75 mm minimiza la pérdida de calor.

Opciones adicionales:

• cuerpo – aluminio anodizado;
• diámetro del intercambiador de calor – 38 mm;
• aislamiento – lana mineral con tratamiento antihigroscópico;
• revestimiento – vidrio de borosilicato de 3,3 mm;
• Eficiencia – 98%.

Vitosol 100-F es un captador solar plano para instalación horizontal o vertical. Absorbedor de cobre con bobina tubular en forma de arpa y revestimiento de heliotitanio. Transmisión de luz – 81%.

Precios aproximados de los sistemas solares: colectores solares planos – desde 400 USD/m2, colectores solares tubulares – 350 USD/10 frascos de vacío. Juego completo de sistema de circulación – desde 2500 USD

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

El principio de funcionamiento de los colectores solares y sus tipos:

Evaluación del rendimiento de un colector plano a temperaturas bajo cero:

Tecnología de instalación de un panel colector solar en el ejemplo del modelo Buderus:

La energía solar es una fuente renovable de calor. Teniendo en cuenta el aumento de los precios de los recursos energéticos tradicionales, la implementación de sistemas solares justifica las inversiones de capital y se amortiza en los próximos cinco años si se siguen las técnicas de instalación.

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