Návrhy vzduchových solárních kolektorů |

Elektrárny se vzduchovými solárními kolektory vypadají atraktivněji než kapalné: vyžadují méně potrubí, dílů a jsou levnější.

Obsah

• Výhody solárních kolektorů
• Základní konfigurace
• Absorbéry
• Únik chladicí kapaliny
• Hlavní problémy

Výhody solárních kolektorů

Důvody obtíží s energetickými instalacemi s kapalnými solárními kolektory jsou:

• problémy s možným zamrznutím kapaliny v solárním kolektoru;
• nutnost zohlednit roztažnost kapaliny při jejím zahřívání v systému, včetně možnosti okamžitého přechodu kapaliny do plynného stavu;
• možnost úniku ze systému;
• koroze kovových vodovodních trubek.

Relativní jednoduchost leteckých solárních systémů je atraktivní pro lidi, kteří si chtějí postavit vlastní systém, ale stejně jako u všech systémů pro sběr, ukládání a využití solární energie je obtížné je přesně vypočítat.

Všechny solární instalace, s výjimkou těch nejjednodušších, musí být navrženy někým se znalostmi mechaniky a přenosu tepla.

Vzduchem chlazené solární kolektory se však relativně snadno udržují a opravují. Ventilátory, pohony klapek a ovládací prvky mohou selhat, ale hlavní komponenty včetně solárního kolektoru, tepelného akumulátoru a potrubí by měly mít dlouhou životnost.

Základní konfigurace

Tři základní konfigurace vzduchem chlazených solárních kolektorů:

• Typ I, u kterého je vzduchový kanál umístěn mezi plastovým krytem a povrchem absorbéru;
• Typ II, ve kterém je za absorpční deskou umístěn další vzduchový kanál;
• Typ III, u kterého není horní vzduchovod, ale je použit pouze vzduchovod umístěný za absorpční deskou.

Tři konfigurace rozdělovače potrubí:

1 — vzduchovod; 2 — plastový kryt; 3 — absorbér; 4 — izolace

Typ vzduchového sběrného potrubí II má vyšší účinnost než ostatní dva typy, pokud má vzduch v něm obsažený a venkovní vzduch přibližně stejnou teplotu. S rostoucím rozdílem mezi teplotou kolektoru a teplotou venkovního vzduchu však bude mít daný typ zařízení lepší výkon. III.

Přibližný diagram vzduchového kolektoru použitého v solárním experimentálním domě Institutu pro úsporu energie na Univerzitě v Delaware.

Průřez plochým tepelným kolektorem pro solární dům Univerzity v Delaware:

1 – krokve; 2 – těsnění; 3 – plexisklo s absititovým povlakem; 4 – elastické lepidlo; 5 – butylkaučuk; 6 – solární články; 7 – hermetické těsnění; 8 – vzduchovod; 9 – izolace; 10 – distanční podložky zajišťující rovnoměrné proudění vzduchu

Absorbéry

Výroba solárních kolektorů typu vzduch-voda a s nimi spojených komponent a systémů je relativně jednoduchá ve srovnání s instalatérskými pracemi a hledáním absorpční desky vhodné pro kapalné solární systémy.

S výjimkou návrhu Dr. Harryho Thomasona, ve kterém voda stéká po vlnitém kovovém plechu, má většina konstrukcí absorbérů trubice k nim připevněné nebo s nimi integrované a tyto jednotky je obtížné ovládat i pro kvalifikované pracovníky.

Údržba absorbéru v systému solárních kolektorů chlazených vzduchem je snazší: nejsou připojeny k vodovodnímu systému, který musí být utěsněn; nevyžadují striktní zohlednění roztažnosti a smrštění; není nutné je vyrábět s velkou přesností.

Ve skutečnosti u vzduchem chlazených solárních kolektorů nemusí být absorbér nutně kovový. Vzhledem k tomu, že u mnoha typů solárních kolektorů je vzduch v kontaktu s povrchem materiálu ohřívaného sluncem, nemusí být teplo nutně přenášeno z jedné oblasti povrchu absorbéru na druhou, jako je tomu u kapalinových solárních kolektorů.

Téměř jakýkoli zčernalý povrch, který je zahříván sluncem, přenáší teplo do vzduchu, který ho obklopuje. Tento mechanismus výměny tepla otevírá širokou škálu možností pro absorbéry.

R. Bliss a M. Donovan použili k výrobě absorbérů černé čtyřvrstvé bavlněné síto a Dr. J. Lof použil ve svém domě v Coloradu černěné skleněné desky; skleněné desky (0 m) se vzájemně překrývaly o dvě třetiny.

Každá deska se skládá ze dvou částí: černé a průhledné. Černý povlak se získá nanesením černé skelné strusky na běžné okenní sklo a jejím uchováním v žíhací peci.

Desky jsou shora pokryty dvěma vrstvami skla. Čtyři sekce o délce 1,2 m jsou uspořádány v řadě pod úhlem 60° od vodorovné roviny.

Zpočátku kvůli nesprávnému způsobu upevnění okrajů sklo při roztahování a smršťování praskalo. Způsob upevnění byl změněn a sklo se nerozbilo. Pokud nejsou okraje skla chráněny, deska praskne a nakonec se rozbije.

Vzduchový solární kolektor od J. Löfa:

1 – Vstup studeného vzduchu; 2 – Izolované dno; 3 – Černý kryt; 4 – Výstup horkého vzduchu; 5 – Horní skleněný kryt; 6 – Čiré sklo; 7 – Mezera 6,3 mm

Pro absorbér lze samozřejmě použít i kovové desky. Je zřejmé, že kov je nejen odolný a účinný, ale je také vhodnější v případech, kdy sluneční záření nedosahuje celého povrchu absorbéru, který je v kontaktu s pohybujícím se vzduchem.

Kov také pomáhá eliminovat „horká místa„způsobené nerovnoměrným prouděním vzduchu nad povrchem, které rozděluje přebytečné nahromaděné teplo na jiné povrchy a z nich do vzduchu.“

Ve svém výzkumu J.D. Close určil relativní výhody potrubí oproti neprůhledným kovovým absorpčním deskám.

J.D. Close také dospěl k závěru, že čím vyšší je provozní teplota solárního kolektoru, tím větší je význam koeficientu přestupu tepla mezi povrchem absorbéru a vzduchem.

V létě, kdy teplota solárního kolektoru může být pouze o 15–20 °C vyšší než teplota venkovního vzduchu, lze účinnost jednoho plochého plechu srovnat s účinností žebrovaného plechu nebo povrchu s. V-tvarovaná vlnitost.

Avšak v oblastech s chladným a studeným podnebím, kde teplotní rozdíl mezi solárním kolektorem a vnějším prostředím může dosáhnout 55 °C, je žebrovaná deska o 5 % účinnější než plochá deska a deska s V-tvarovaná vlnitost – o 10-15%.

Absorpční deska s V– figurativní vlny:

1 – Úhel otevření vlnitosti ve tvaru V 60°

Zadní strana absorpční desky by měla být natřena černě, pokud kolem ní proudí vzduch. Povrch oddělující zadní potrubí od izolace by měl být pokryt reflexní fólií; pokud se však použije perforovaná deska, měla by být oddělovací plocha černá a sloužit jako další teplosměnná plocha.

Žebrovaná absorpční deska

Willier ukázal, že nahrazením konvenční pevné absorpční desky začerněným drátem nebo plastovou sítí, která umožňuje podkladovému povrchu potrubí absorbovat polovinu záření, lze zdvojnásobit velikost záření. h (efektivní koeficient přenosu tepla mezi výměníkem tepla a proudem vzduchu), což zajišťuje zvýšení odvodu tepla o 10-15%.

Uspokojivé hodnoty h jsou v rozmezí 34–68 W/(m²*°K). Vyšší hodnoty jsou vhodnější. h za předpokladu, že náklady na čerpání vzduchu nebudou příliš vysoké.

Další metody zvýšení efektivní povrchové plochy absorbéru, a tím i zvýšení součinitele přestupu tepla, jsou znázorněny na následujících obrázcích.

Vlnitá absorpční deska

Vzhledem k tomu, že absorbér může být vyroben z nekovových materiálů, je pravděpodobné, že se náklady na solární kolektory výrazně sníží, což povzbuzuje výrobce k prozkoumání této alternativy k kapalným solárním systémům s cílem vyrobit cenově konkurenceschopnější produkt.

Bohužel, výzkum vzduchem chlazených solárních kolektorů byl proveden relativně málo. To je způsobeno především tradiční preferencí kapalných systémů.

Výrobci jsou zaplaveni informacemi o kapalných solárních systémech a považují je za nejsnadněji implementovatelné. Kvůli tomuto množství informací se provádí další výzkum především s kapalnými systémy, takže nerovnováha se jen prohlubuje.

Kovová absorpční deska obdélníkového průřezu

Bez ohledu na to, zda jsou absorbéry vyrobeny z kovu či nikoli, je důležité, aby pohyb vzduchu mezerou nad teplosměnnou plochou byl turbulentní.

Proudění vzduchu je typicky laminární, tj. vzduch v blízkosti povrchu je relativně nehybný, zatímco vzduch nad povrchem se pohybuje v klidných, nerušených vrstvách. Tento režim proudění zajišťuje špatný přenos tepla: nehybný vzduch v blízkosti povrchu absorbéru se zahřívá a vzduch pohybující se nad nehybnou vrstvou se nedotýká teplosměnného povrchu.

Tuto nevýhodu lze eliminovat použitím turbulentního proudění, které je uvažováno ve dvou měřítkách. Na makroměřítku lze turbulentní proudění ilustrovat víry kouře vháněnými do objemu; tyto víry lze snadno pozorovat vizuálně. Na mikroměřítku by se stejný efekt měl vyskytovat přímo na povrchu absorbéru.

Pro vytvoření turbulence v makroměřítku by absorbér neměl být plochý, ale měl by být co nejdrsnější, aby nutil vzduch pohybovat se všemi směry. Žebrovaná deska a V-tvarované vlny.

Pro vytvoření turbulence v mikroměřítku musí být povrch také drsný s co největším počtem ostrých hran.

Mezi příklady takových drsných povrchů patří:

• vrstva podobná jemnému štěrku;
• vzduchové filtry do pecí;
• tkanina;
• mřížka;
• deska s děrovanými otvory.

Možná organizace proudění vzduchu vzduchem chlazenými solárními kolektory:

1 – vzduchová mezera 25-50 mm; 2 – polyesterová pryskyřice vyztužená skelnými vlákny; 3 – průsvitná izolace (nebo druhý skleněný povlak); 4 – černý plech; 5 – plastový povlak; 6 – reflexní povrch; 7 – izolace ze skelných vláken o tloušťce 150-250 mm; 8 – dekorativní povlak

Pokud jsou k němu připevněny tisíce drobných chloupků (nebo rovných špendlíků zapuštěných do povrchu hliníkového plechu), účinnost přenosu tepla se dále zvýší díky většímu povrchu a mikroturbulenci vytvářené samotnými chloupky.

Ještě většího efektu se dosáhne, pokud se hliníková deska s chloupky skládá z řady jednotlivých sekcí, které způsobují makroturbulenci proudění vzduchu.

Kovová absorpční deska s děrovanými otvory

Turbulence způsobuje pokles tlaku v solárním kolektoru. Složitá konfigurace povrchu a četné překážky proudění vzduchu vyžadují dostatečně výkonný ventilátor, a proto větší spotřebu energie k vytvoření proudění vzduchu.

Energie potřebná k tomu může vyvážit úspory z využití solární energie, zejména pokud je ventilátor napájen elektřinou a vezmeme-li v úvahu množství paliva spáleného v elektrárně k výrobě této elektřiny.

R. Bliss a M. Donovan tento problém vyřešili profukováním vzduchu skrz čtyři vrstvy černé síťoviny.

Solární kolektor R. Bliss a M. Donovan s černou síťovinou:

1 – černá síťovina; 2 – přívod vzduchu; 3 – výstup vzduchu

U vzduchových solárních kolektorů jsou faktory ovlivňující výběr absorpční barvy, selektivních povrchů a nátěrů podobné těm, které byly diskutovány výše u kapalinových solárních kolektorů.

Je však třeba učinit několik poznámek. Snad jednou z hlavních nevýhod nekovových absorbérů pro vzduchové solární kolektory je relativní obtížnost nanášení selektivních povlaků. Dokud se technologie nanášení takových povlaků nezlepší, budou převládat kovové absorbéry.

Close prokázal hodnotu selektivních povlaků pro vzduchem chlazené solární kolektory. Za jinak stejných podmínek se u absorbéru se selektivním povlakem jeho účinnost zvyšuje z 50 na 65 % při nízkých provozních teplotách a z 15 na 35 % při zvýšených teplotách.

Únik chladicí kapaliny

Důležitým faktorem při návrhu solárního kolektoru je zabránění úniku vzduchu. Vzhledem k tomu, že vzduch ohřátý sluncem je přiváděn pod tlakem ventilátorem, existuje možnost úniku i přes malé trhliny, stejně jako nasávání studeného venkovního vzduchu do těchto trhlin.

Mnoho konstruktérů se domnívá, že prevence úniků je důležitá u kapalných solárních systémů, ale stejně důležitá je i pro zlepšení účinnosti vzduchem chlazených solárních kolektorů.

Vzduchotěsnost je kritickým faktorem při návrhu celého systému proudění vzduchu, včetně potrubí a klapek.

Při instalaci zasklívacích spár je třeba dbát zvláštní opatrnosti, aby se zabránilo úniku vzduchu; použití velkých plastových desek výrazně snižuje počet spár v zasklení. Stejně jako druhé okenní rámy snižují pronikání vzduchu do budovy, druhý a třetí průhledný nátěr snižují únik vzduchu u vzduchových kolektorů.

Pokud se má solární kolektor vyrábět a montovat na místě, mohou být konstrukční prvky oddělující oddíly absorpčních těles od sebe navzájem perforovány, aby mohl vzduch proudit z jednoho oddílu do druhého, a tím se vyrovnal tlak a proudění vzduchu různými panely.

Ve srovnání s kapalinami je předvídání a rovnoměrné rozložení proudění plynů nebo vzduchu obtížnější. V případě panelů vyráběných v továrně, které se montují na místě, musí konstrukce umožňovat změny a úpravy proudění vzduchu.

Obtížnost předvídání a řízení pohybu vzduchu je jedním z hlavních důvodů, proč inženýři dávají přednost kapalným solárním systémům.

Hlavní problémy

Závažné problémy při vytváření vzduchového solárního kolektoru jsou:

• nízká měrná tepelná kapacita vzduchu;
• nízká hustota.

Vzhledem k nízké tepelné kapacitě vzduchu je nutné vytvořit velké pracovní objemy, kde může cirkulovat, a to i v samotném solárním kolektoru.

Vzduchové mezery v solárních kolektorech (např. mezi absorpční deskou a průhledným povlakem) jsou 40–150 mm. Obecně platí, že čím větší je průměr vzduchovodu, tím menší je tlaková ztráta (odpor vůči pohybu vzduchu), ale tím horší je přenos tepla z absorbéru do vzduchu.

Vzduchový solární kolektor je určen k ohřevu vzduchu přímo přiváděného do topného systému. Takový kolektor se používá v systémech s ohřevem vzduchu, odvlhčovačích a v systémech s rekuperací vzduchu v místnostech.

Konstrukce vzduchového kolektoru je plochý panel namontovaný v jižní fasádě budovy. Absorpční panel, stejně jako u kapalných solárních kolektorů, je vyroben z desek z dobře vodivého kovu (měď, hliník) nebo méně často z plastu. Na rozdíl od plochého solárního kolektoru zde nejsou žádné trubky; vzduch se ohřívá přímo při kontaktu s deskou absorpčního kolektoru. Pro zvětšení plochy přenosu tepla má absorbér žebrovaný tvar nebo perforaci. Kolektor musí být dobře izolován, aby se snížily tepelné ztráty. Cirkulace vzduchu v takových systémech může být buď přirozená, nebo nucená pomocí ventilátorů.

Schéma provozu vzduchového solárního kolektoru

Vzduchový solární kolektor: vlastnosti provozu

Vzduchový kolektor pracuje při výrazně nižších teplotách než tradiční kapalinové solární kolektory. V tradičních systémech musí teplota na kolektoru překročit 40–50 ºC, aby solární systém začal fungovat, zatímco pro vzduchový solární systém stačí 25–30 ºC. V důsledku toho jsou tepelné ztráty výrazně nižší a účinnost systému se zvyšuje. Vzhledem k tomu, že tepelná vodivost vzduchu je však mnohem nižší, je použití takových systémů velmi omezené.

Vzduchový solární kolektor nelze považovat za alternativu k solárním systémům s kapalným teplonosným médiem, protože je problematické jeho použití k ohřevu vody a integrace do tradičních topných systémů. V systémech vzduchového vytápění je však možné dosáhnout značných úspor energie.

Sergey Marinets

Autor je inženýr v oblasti obnovitelných zdrojů energie.

Související příspěvky

REDOX redox flow baterie: proč je to budoucnost?

Kapacita baterie Ah nebo kWh: jaký je rozdíl?

Vysokonapěťová nebo nízkonapěťová baterie: co si vybrat?

Solární systém nebo solární elektrárna: co je lepší pro ohřev vody?

8 komentáře

Díky webu za užitečný článek o vzduchovém kolektoru, díky němu jsem přemýšlel o větrání na dači tímto způsobem. Nejdřív jsem si to chtěl udělat sám, ale pak jsem našel webové stránky firmy Solar Fox, rozhodl jsem se koupit od nich, i když jsem měl pochybnosti. O víkendu mi tenhle svůj kolektor nainstalovali, trvalo dlouho dodání, ale jinak je vše v pořádku.
Doufám, že se to nakonec ukáže jako opravdu dobrá věc.

muslimský :
Dobrý den. Prosím, napište mi, jak funguje sběrač. Zajímá mě vaše zpětná vazba.
Igor Redkich :

Alexey S. A jak teď funguje váš sběrač? Díval jsem se na webové stránky této firmy, chci si do garáže nainstalovat jejich ventilátor. Teď, když jste ho nainstalovali, můžete mi prosím říct, jak se vám daří? A díky autorům článku Popostrčili jste mě k tomu, abych si život usnadnila

muslimský :
Zajímají mě provozní zkušenosti. Reálné recenze. Předem děkuji.
Denis Gurvalov :

Mám zkušenosti s používáním solárního kolektoru od této firmy. Nainstaloval jsem ho na půdu/podkroví, aby se tato plocha nad domem dala obývat. Minulé léto jsme předělali střechu a vše pořádně pokryli dřevem. Na konci podzimu 2016 se ukázalo, že místnost je potřeba vytopit a vysušit, jinak by z našeho nápadu nic nevzešlo. V prosinci jsme si během slevové akce koupili solární kolektor od Solar Fox za 29 325 (topný model určený pro 80 metrů čtverečních). Sleva byla 30 %. Přes zimu, i přes to, že podle mého názoru bylo méně slunečných dnů než obvykle, se kolektor ukázal v nejlepším světle. Půda byla neustále teplá a suchá. Připevnili jsme ho na střechu. Ani na jaře jsme nenašli žádné problémy. Nyní je zařízení vypnuté, protože už je teplo. Myslím, že jedinou nevýhodou je, že zařízení nelze používat širšími způsoby, například pro noční vytápění v létě, aby se přes den akumuloval náboj, a nestál jen tak.
Doufám, že moje zkušenosti s jeho používáním někomu pomohou s rozhodnutím pro či proti jeho koupi.

Alex :
Sestavil jsem si to sám. Ta věc opravdu funguje.

Pokud existují fotky z procesu, bylo by skvělé zveřejnit recenzi.

Solar Fox prodává kolektory vyrobené v Rusku a prezentuje je jako vyrobené na Ukrajině. Zkrátka lež.