أنظمة التدفئة الشمسية. التدفئة الشمسية السوفيتية والروسية - المدارس العلمية والهندسية. نظام تسخين الهواء

18.10.2019

أنظمة التدفئة الشمسية

4.1 التصنيف والعناصر الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية

أنظمة التسخين الشمسي هي أنظمة تستخدم الإشعاع الشمسي كمصدر للطاقة الحرارية. يتمثل الاختلاف المميز بينهما عن أنظمة التدفئة الأخرى ذات درجات الحرارة المنخفضة في استخدام عنصر خاص - جهاز استقبال شمسي ، مصمم لالتقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى طاقة حرارية.

وفقًا لطريقة استخدام الإشعاع الشمسي ، تنقسم أنظمة التدفئة الشمسية ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى سلبية ونشطة.

تسمى الأنظمة الخاملة التسخين بالطاقة الشمسية، حيث يعمل المبنى نفسه أو أسواره الفردية (مبنى المجمع ، وجدار المجمع ، وسقف المجمع ، وما إلى ذلك) كعنصر يتلقى الإشعاع الشمسي ويحوله إلى حرارة (الشكل 4.1.1)).

أرز. 4.1.1 نظام التسخين الشمسي السلبي ذو درجة الحرارة المنخفضة "جدار المجمع": 1 - أشعة الشمس ؛ 2 - شاشة شفافة ؛ 3 - المثبط الهوائي ؛ 4 - هواء ساخن 5 - هواء مبرد من الغرفة ؛ 6 - إشعاع حراري طويل الموجة لمصفوفة الجدار ؛ 7 - سطح الجدار الأسود المتلقي للأشعة ؛ 8 - الستائر.

تسمى أنظمة التدفئة الشمسية ذات درجة الحرارة المنخفضة بالنشاط ، حيث يكون جهاز الاستقبال الشمسي جهازًا منفصلاً ومستقلًا لا علاقة له بالمبنى. يمكن تقسيم أنظمة الطاقة الشمسية النشطة:

عن طريق الغرض (إمداد الماء الساخن ، وأنظمة التدفئة ، والأنظمة المشتركة للتدفئة والبرودة) ؛

حسب نوع المبرد المستخدم (سائل - ماء ، مضاد للتجمد ، هواء) ؛

حسب مدة العمل (على مدار السنة ، الموسمية) ؛

وفقًا للحل الفني للمخططات (حلقة واحدة ، ثنائية ، متعددة الحلقات).

الهواء عبارة عن سائل تبريد يستخدم على نطاق واسع ولا يتجمد عبر النطاق الكامل لمعلمات التشغيل. عند استخدامه كناقل حراري ، يمكن الجمع بين أنظمة التدفئة ونظام التهوية. ومع ذلك ، فإن الهواء عبارة عن سائل تبريد منخفض السعة الحرارية ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك المعدن لتركيب الأنظمة تسخين الهواءمقارنة بأنظمة المياه.

الماء هو مبرد كثيف الحرارة ومتوفر على نطاق واسع. ومع ذلك ، عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، من الضروري إضافة سوائل مانعة للتجمد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الماء المشبع بالأكسجين يسبب تآكل خطوط الأنابيب والأجهزة. لكن استهلاك المعدن في أنظمة الطاقة الشمسية المائية أقل بكثير ، مما يساهم إلى حد كبير في استخدامها على نطاق أوسع.

عادة ما تكون أنظمة الطاقة الشمسية الموسمية للمياه الساخنة ذات دائرة واحدة وتعمل في الصيف والأشهر الانتقالية ، خلال الفترات ذات درجة الحرارة الخارجية الإيجابية. قد يكون لديهم مصدر إضافي للحرارة أو الاستغناء عنه ، اعتمادًا على الغرض من الكائن الخاضع للخدمة وظروف التشغيل.

عادة ما تكون أنظمة الطاقة الشمسية لتدفئة المباني ذات دائرة مزدوجة أو في أغلب الأحيان متعددة الدوائر ، ويمكن استخدام ناقلات حرارية مختلفة لدوائر مختلفة (على سبيل المثال ، المحاليل المائية للسوائل المضادة للتجمد في الدائرة الشمسية ، والمياه في الدوائر الوسيطة ، والهواء في دائرة المستهلك).

تعتبر الأنظمة الشمسية المدمجة على مدار العام لأغراض إمداد المباني بالحرارة والبرودة متعددة الدوائر وتتضمن مصدرًا إضافيًا للحرارة في شكل مولد حراري تقليدي يعمل على الوقود العضوي أو محول حراري.

مخطط الرسم البيانييظهر نظام التسخين الشمسي في الشكل 4.1.2. يشمل ثلاث دوائر تداول:

الدائرة الأولى ، التي تتكون من مجمعات الطاقة الشمسية 1 ، ومضخة الدورة الدموية 8 والمبادل الحراري السائل 3 ؛

الدائرة الثانية ، التي تتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ومبادل حراري 3 ؛

الدائرة الثالثة ، وتتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ، ومبادل حراري بين الماء والهواء (سخان) 5.

أرز. 4.1.2. رسم تخطيطي لنظام التسخين الشمسي: 1 - مجمع الطاقة الشمسية ؛ 2 - خزان التخزين ؛ 3 - مبادل حراري 4 - بناء 5 - سخان 6 - بديل لنظام التدفئة. 7 - نظام احتياطي لإمداد الماء الساخن ؛ ثمانية - مضخة الدورة الدموية؛ 9 - مروحة.

يعمل نظام التسخين الشمسي على النحو التالي. المبرد (مانع التجمد) لدائرة استقبال الحرارة ، الذي يتم تسخينه في المجمعات الشمسية 1 ، يدخل المبادل الحراري 3 ، حيث يتم نقل حرارة التجمد إلى الماء المتداول في الفضاء الحلقي للمبادل الحراري 3 تحت الإجراء من المضخة 8 الدائرة الثانوية. يدخل الماء الساخن إلى الخزان 2. يتم أخذ الماء من خزان التخزين بواسطة مضخة إمداد الماء الساخن 8 ، ويتم إحضاره ، إذا لزم الأمر ، إلى درجة الحرارة المطلوبة في المضاعف 7 ويدخل نظام إمداد الماء الساخن للمبنى. يتم تغذية خزان التخزين من مصدر المياه.

للتدفئة ، يتم توفير الماء من الخزان 2 بواسطة مضخة الدائرة الثالثة 8 إلى السخان 5 ، والذي من خلاله يمر الهواء عن طريق مروحة 9 ، وبعد تسخينه ، يدخل المبنى 4. في حالة عدم وجود الإشعاع الشمسي أو نقص الطاقة الحرارية المتولدة من المجمعات الشمسية ، يتم تشغيل العمل على النسخ الاحتياطي 6.

يتم تحديد اختيار وتخطيط عناصر نظام التسخين الشمسي في كل حالة من خلال العوامل المناخية والغرض من الكائن وطريقة استهلاك الحرارة والمؤشرات الاقتصادية.

4.2 تركيز مستقبلات الطاقة الشمسية

مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة هي مرايا كروية أو مكافئة (الشكل 4.2.1) ، مصنوعة من معدن مصقول ، في بؤرة يتم وضع عنصر استقبال الحرارة (المرجل الشمسي) ، والذي من خلاله يدور المبرد. يتم استخدام الماء أو السوائل غير المجمدة كناقل للحرارة. عند استخدامه كمبرد للمياه في الليل وأثناء فترة البرديجب إفراغ النظام لمنعه من التجمد.

لضمان الكفاءة العالية لعملية التقاط الإشعاع الشمسي وتحويله ، يجب توجيه جهاز استقبال الطاقة الشمسية المركزة باستمرار نحو الشمس. لهذا الغرض ، تم تجهيز جهاز الاستقبال الشمسي بنظام تتبع ، بما في ذلك مستشعر اتجاه الشمس ، ووحدة تحويل إشارة إلكترونية ، ومحرك كهربائي مع علبة تروس لتدوير هيكل مستقبل الطاقة الشمسية في طائرتين.

أرز. 4.2.1. مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة: أ - مكثف مكافئ. ب - مكثف حوض مكافئ ؛ 1 - أشعة الشمس 2 - عنصر استقبال الحرارة (المجمع الشمسي) ؛ 3 - مرآة 4 - آلية محرك نظام التتبع ؛ 5- مواسير توريد وتفريغ المبرد.

تتمثل ميزة الأنظمة ذات مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة في القدرة على توليد الحرارة عند درجة حرارة عالية نسبيًا (تصل إلى 100 درجة مئوية) وحتى البخار. تشمل العيوب التكلفة العالية للبناء ؛ الحاجة إلى التنظيف المستمر للأسطح العاكسة من الغبار ؛ تعمل فقط خلال ساعات النهار ، وبالتالي الحاجة إلى بطاريات كبيرة ؛ استهلاك عالي للطاقة لمحرك نظام التتبع لمسار الشمس بما يتناسب مع الطاقة المتولدة. هذه العيوب تعيق تطبيق واسعنشيط أنظمة درجات الحرارة المنخفضةالتدفئة الشمسية مع مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة. في الآونة الأخيرة ، غالبًا ما تستخدم أجهزة استقبال الطاقة الشمسية المسطحة لأنظمة التدفئة الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة.

4.3 مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة

مجمع الطاقة الشمسية ذو الألواح المسطحة - جهاز به لوحة امتصاص مسطحة التكوين وعازل شفاف مسطح لامتصاص طاقة الإشعاع الشمسي وتحويله إلى حرارة.

تتكون مجمعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة (الشكل 4.3.1) من غطاء زجاجي أو بلاستيكي (فردي ، مزدوج ، ثلاثي) ، لوح ممتص للحرارة مطلي باللون الأسود على الجانب المواجه للشمس ، وعزل على الظهر ، ومبيت (معدن ، بلاستيك والزجاج والخشب).

أرز. 4.3.1. المجمع الشمسي المسطح: 1 - أشعة الشمس. 2 - التزجيج 3 - الجسم 4 - سطح استقبال الحرارة ؛ 5 - العزل الحراري 6 - مانع التسرب 7- إشعاع الموجة الطويلة الخاص باللوحة المستقبلة للحرارة.

بصفتك لوحة استقبال للحرارة ، يمكنك استخدام أي لوح معدني أو بلاستيكي مزود بقنوات لسائل التبريد. تصنع الألواح المستقبلة للحرارة من الألمنيوم أو الفولاذ من نوعين: صفائح الأنابيب والألواح المختومة (الأنابيب في الصفيحة). لا يتم استخدام الألواح البلاستيكية على نطاق واسع بسبب الهشاشة والشيخوخة السريعة تحت تأثير أشعة الشمس ، وكذلك بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة.

تحت تأثير الإشعاع الشمسي ، يتم تسخين الألواح المستقبلة للحرارة إلى درجات حرارة من 70-80 درجة مئوية ، والتي تتجاوز درجة الحرارة المحيطة ، مما يؤدي إلى زيادة انتقال الحرارة بالحمل الحراري للوحة في بيئةوإشعاعها إلى السماء. لتحقيق المزيد درجات حرارة عاليةالمبرد ، سطح اللوحة مغطى بطبقات انتقائية طيفية تمتص بفعالية إشعاع الموجة القصيرة للشمس وتقلل من إشعاعها الحراري في جزء الموجة الطويلة من الطيف. مثل هذه الهياكل القائمة على "النيكل الأسود" ، و "الكروم الأسود" ، وأكسيد النحاس على الألومنيوم ، وأكسيد النحاس على النحاس وغيرها باهظة الثمن (تكلفتها غالبًا ما تتناسب مع تكلفة لوحة استقبال الحرارة نفسها). هناك طريقة أخرى لتحسين أداء مجمعات الألواح المسطحة وهي إنشاء فراغ بين لوحة امتصاص الحرارة والعزل الشفاف لتقليل فقد الحرارة (مجمعات الطاقة الشمسية من الجيل الرابع).

كشفت تجربة تشغيل منشآت الطاقة الشمسية القائمة على مجمعات الطاقة الشمسية عن عدد من العيوب المهمة لهذه الأنظمة. بادئ ذي بدء ، هذه هي التكلفة العالية لهواة الجمع. إن زيادة كفاءة عملهم بسبب الطلاءات الانتقائية ، وزيادة شفافية التزجيج ، والإخلاء ، وكذلك جهاز نظام التبريد ، تبين أنها غير مربحة اقتصاديًا. عيب كبير هو الحاجة إلى التنظيف المتكرر للزجاج من الغبار ، والذي يستبعد عمليا استخدام المجمع في المناطق الصناعية. أثناء التشغيل طويل الأمد لمجمعات الطاقة الشمسية ، خاصة في ظروف الشتاء ، يحدث فشل متكرر بسبب التوسع غير المتكافئ للمناطق المضيئة والمظلمة من الزجاج بسبب انتهاك سلامة التزجيج. هناك أيضًا نسبة كبيرة من فشل المجمع أثناء النقل والتركيب. عيب كبير في الأنظمة مع المجمعات هو أيضًا الحمل غير المتكافئ خلال العام واليوم. أظهرت تجربة تشغيل المجمعات في ظروف أوروبا والجزء الأوروبي من روسيا مع نسبة عالية من الإشعاع المنتشر (تصل إلى 50 ٪) استحالة إنشاء نظام مستقل على مدار العام لإمداد المياه الساخنة والتدفئة. تتطلب جميع أنظمة الطاقة الشمسية ذات المجمعات الشمسية في خطوط العرض الوسطى تركيب صهاريج تخزين كبيرة وإدراج مصدر طاقة إضافي في النظام ، مما يقلل من التأثير الاقتصادي لاستخدامها. في هذا الصدد ، من الأنسب استخدامها في المناطق ذات الكثافة العالية للإشعاع الشمسي (لا تقل عن 300 واط / م 2).

الفرص المحتملة لاستخدام الطاقة الشمسية في أوكرانيا

على أراضي أوكرانيا ، تبلغ طاقة الإشعاع الشمسي لمتوسط يوم ضوئي سنوي واحد في المتوسط 4 كيلو واط ∙ ساعة لكل 1 متر مربع (في أيام الصيف- ما يصل إلى 6 - 6.5 كيلو واط ساعة) أي حوالي 1.5 ألف كيلو واط ساعة سنويًا لكل منها متر مربع. هذا هو نفسه تقريبًا كما هو الحال في أوروبا الوسطى ، حيث ينتشر استخدام الطاقة الشمسية على نطاق واسع.

بالإضافة إلى الظروف المناخية المواتية في أوكرانيا ، هناك طاقم علمي مؤهل تأهيلا عاليا في مجال استخدام الطاقة الشمسية. بعد عودة أ. بويكو ب. من اليونسكو ، حيث ترأس برنامج اليونسكو الدولي لاستخدام الطاقة الشمسية (1973-1979) ، بدأ نشاطًا علميًا وتنظيميًا مكثفًا في معهد خاركوف للفنون التطبيقية (الآن الجامعة التقنية الوطنية - KhPI) حول تطوير اتجاه علمي وتعليمي جديد لعلوم المواد للطاقة الشمسية. بالفعل في عام 1983 ، وفقًا لأمر وزارة التعليم العالي في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية N 885 بتاريخ 13 يوليو 1983 ، في معهد خاركوف للفنون التطبيقية ، لأول مرة في ممارسة التعليم العالي في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تدريب الفيزيائيين مع التنميط في مجال علوم المواد للطاقة الشمسية في إطار تخصص "فيزياء المعادن". وضع هذا الأساس لإنشاء قسم التخرج في عام 1988 "علوم المواد الفيزيائية للإلكترونيات والطاقة الشمسية" (FMEG). شارك قسم FMEG بالتعاون مع معهد أبحاث تكنولوجيا هندسة الأدوات (خاركوف) في إطار برنامج الفضاء لأوكرانيا في إنشاء السيليكون الألواح الشمسيةبكفاءة ثلاثة عشر - 14٪ للمركبات الفضائية الأوكرانية.

منذ عام 1994 ، يقبل قسم FMEG ، بدعم من جامعة شتوتغارت والمجتمع الأوروبي ، وكذلك جامعة زيورخ للتكنولوجيا والجمعية الوطنية السويسرية للعلوم ، المشاركة الفعالةفي البحث العلمي على تطوير الخلايا الشمسية الفيلم.

بيئة الاستهلاك مانور: معظم العام علينا أن ننفق المال على تدفئة منازلنا. في مثل هذه الحالة ، لن تكون أي مساعدة غير ضرورية. إن طاقة الشمس هي الأنسب لهذه الأغراض: فهي صديقة للبيئة وخالية تمامًا.

معظم العام علينا أن ننفق المال على تدفئة منازلنا. في مثل هذه الحالة ، لن تكون أي مساعدة غير ضرورية. إن طاقة الشمس هي الأنسب لهذه الأغراض: فهي صديقة للبيئة وخالية تمامًا. تسمح التقنيات الحديثة بالتسخين الشمسي لمنزل خاص ليس فقط في المناطق الجنوبية ، ولكن أيضًا في الممر الأوسط.

ما يجب أن تقدمه التكنولوجيا الحديثة

في المتوسط ، يستقبل 1 متر مربع من سطح الأرض 161 واط من الطاقة الشمسية في الساعة. بالطبع ، عند خط الاستواء ، سيكون هذا الرقم أعلى بعدة مرات مما هو عليه في القطب الشمالي. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد كثافة الإشعاع الشمسي على الوقت من السنة. في منطقة موسكو ، تختلف شدة الإشعاع الشمسي في ديسمبر ويناير عن مايو ويوليو بأكثر من خمس مرات. ومع ذلك ، فإن الأنظمة الحديثة تتسم بالكفاءة بحيث يمكنها العمل في أي مكان على وجه الأرض تقريبًا.

مشكلة استخدام طاقة الاشعاع الشمسي مع أقصى قدر من الكفاءةيتم حلها بطريقتين: التسخين المباشر في المجمعات الحرارية والبطاريات الشمسية الكهروضوئية.

تقوم الألواح الشمسية أولاً بتحويل طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء ، ثم تنقلها عبر نظام خاص للمستهلكين ، مثل غلاية كهربائية.

تقوم المجمعات الحرارية التي يتم تسخينها تحت تأثير أشعة الشمس بتسخين مبرد أنظمة التدفئة وإمدادات المياه الساخنة.

هناك عدة أنواع من المجمعات الحرارية ، بما في ذلك المجمعات الحرارية المفتوحة و أنظمة مغلقة، تصميمات مسطحة وكروية ، مكثفات متعددة الطيات نصف كروية والعديد من الخيارات الأخرى.

تستخدم الطاقة الحرارية التي يتم الحصول عليها من مجمعات الطاقة الشمسية للتدفئة ماء ساخنأو مبرد نظام التدفئة.

على الرغم من التقدم الواضح في تطوير حلول لتجميع وتخزين واستخدام الطاقة الشمسية ، إلا أن هناك مزايا وعيوب.

إن كفاءة التسخين الشمسي في خطوط العرض لدينا منخفضة نوعًا ما ، وهو ما يفسره عدم كفاية عدد الأيام المشمسة للتشغيل المنتظم للنظام.

إيجابيات وسلبيات استخدام الطاقة الشمسية

الميزة الأكثر وضوحًا لاستخدام الطاقة الشمسية هي توفرها. في الواقع ، حتى في أكثر الأحوال الجوية كآبة وغائمة ، يمكن جمع الطاقة الشمسية واستخدامها.

الإضافة الثانية هي صفر انبعاثات. في الواقع ، إنها أكثر أشكال الطاقة الطبيعية والصديقة للبيئة. لا تصدر الألواح الشمسية والمجمعات ضوضاء. في معظم الحالات ، يتم تثبيتها على أسطح المباني ، دون احتلال المنطقة الصالحة للاستخدام في منطقة الضواحي.

عيوب استخدام الطاقة الشمسية هي عدم ثبات الإضاءة. في الليل ، لا يوجد شيء يمكن جمعه ، يتفاقم الوضع بسبب حقيقة أن ذروة موسم التدفئة تقع في أقصر ساعات النهار في السنة.

من العيوب الكبيرة للتدفئة القائمة على استخدام مجمعات الطاقة الشمسية عدم القدرة على تجميع الطاقة الحرارية. يتم تضمين خزان التمدد فقط في الرسم التخطيطي

من الضروري مراقبة النظافة البصرية للألواح ، حيث يقلل التلوث الطفيف من الكفاءة بشكل كبير.

بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن القول أن تشغيل نظام يعمل بالطاقة الشمسية مجاني تمامًا ، فهناك تكاليف ثابتة لاستهلاك المعدات وتشغيل مضخة الدوران وإلكترونيات التحكم.

المجمعات الشمسية المفتوحة

المجمع الشمسي المفتوح هو نظام من الأنابيب غير المحمية من التأثيرات الخارجية ، والتي من خلالها يدور المبرد الذي يتم تسخينه مباشرة بواسطة الشمس. يتم استخدام الماء والغاز والهواء ومضاد التجمد كناقل للحرارة. يتم تثبيت الأنابيب إما على لوحة حاملة على شكل سربنتين أو متصلة في صفوف متوازية بالمخرج.

لا تستطيع مجمعات الطاقة الشمسية المفتوحة التعامل مع تدفئة منزل خاص. بسبب نقص العزل ، يبرد المبرد بسرعة. يتم استخدامها في الصيف بشكل أساسي لتسخين المياه في الحمامات أو حمامات السباحة.

عادة ما لا يكون للمجمعات المفتوحة عازل. التصميم بسيط للغاية ، وبالتالي فهو منخفض التكلفة وغالبًا ما يتم تصنيعه بشكل مستقل.

نظرًا لنقص العزل ، فإنهم لا يوفرون عمليا الطاقة المتلقاة من الشمس ، فهي تتميز بكفاءة منخفضة. تستخدم بشكل رئيسي في فترة الصيفلتسخين المياه في حمامات السباحة أو الاستحمام الصيفي. يتم تثبيتها في مناطق مشمسة ودافئة ، مع وجود اختلافات طفيفة في درجة حرارة الهواء المحيط والماء الساخن. يعمل جيدًا فقط في الطقس المشمس والهادئ.

أبسط مجمع للطاقة الشمسية مع المشتت الحراري مصنوع من الخليج أنابيب البوليمر، ستوفر إمدادات المياه الساخنة في البلاد للري والاحتياجات المنزلية

مجمعات الطاقة الشمسية الأنبوبية

يتم تجميع مجمعات الطاقة الشمسية الأنبوبية من أنابيب منفصلة يمر من خلالها الماء أو الغاز أو البخار. هذا هو أحد أنظمة الطاقة الشمسية من النوع المفتوح. ومع ذلك ، فإن المبرد محمي بالفعل بشكل أفضل من السلبية الخارجية. خاصة في التركيبات الفراغية ، مرتبة حسب مبدأ الترمس.

كل أنبوب متصل بالنظام بشكل منفصل ، بالتوازي مع بعضهما البعض. إذا فشل أحد الأنبوبين ، فمن السهل استبداله بأنبوب جديد. يمكن تجميع الهيكل بالكامل مباشرة على سطح المبنى ، مما يسهل التثبيت بشكل كبير.

المجمع الأنبوبي له هيكل معياري. العنصر الرئيسي هو أنبوب مفرغ ، يختلف عدد الأنابيب من 18 إلى 30 ، مما يسمح لك بتحديد قوة النظام بدقة

تكمن ميزة إضافية كبيرة للمجمعات الشمسية الأنبوبية في الشكل الأسطواني للعناصر الرئيسية ، وبفضل ذلك يتم التقاط الإشعاع الشمسي طوال اليوم دون استخدام أنظمة باهظة الثمن لتتبع حركة النجم.

يخلق طلاء خاص متعدد الطبقات نوعًا من المصيدة الضوئية لأشعة الشمس. يُظهر الرسم التخطيطي جزئيًا الجدار الخارجي للقارورة المفرغة مما يعكس الأشعة على جدران القارورة الداخلية

وفقًا لتصميم الأنابيب ، يتم تمييز مجمعات الطاقة الشمسية المحورية والقلم.

الأنبوب المحوري هو وعاء ديور أو ترمس مألوف. إنها مصنوعة من قوارير يتم ضخ الهواء بينهما. السطح الداخلي للمصباح الداخلي مغطى بطبقة انتقائية عالية تمتص الطاقة الشمسية بشكل فعال.

يتم نقل الطاقة الحرارية من الطبقة الانتقائية الداخلية إلى أنبوب حراري أو مبادل حراري داخلي مصنوع من ألواح الألمنيوم. في هذه المرحلة ، تحدث خسائر غير مرغوب فيها للحرارة.

أنبوب القلم هو اسطوانة زجاجيةمع امتصاص الريش داخل.

لعزل حراري جيد ، يتم ضخ الهواء من الأنبوب. يحدث انتقال الحرارة من جهاز الامتصاص دون خسارة ، وبالتالي فإن كفاءة أنابيب الريش أعلى.

وفقًا لطريقة نقل الحرارة ، يوجد نظامان: التدفق المباشر وأنبوب الحرارة (أنبوب الحرارة).

الأنبوب الحراري عبارة عن حاوية مغلقة بها سائل متطاير.

يوجد داخل الأنبوب الحراري سائل متطاير يمتص الحرارة منه جدار داخليقارورة أو من امتصاص القلم. تحت تأثير درجة الحرارة ، يغلي السائل ويرتفع في شكل بخار. بعد إطلاق الحرارة للتسخين أو مبرد الماء الساخن ، يتكثف البخار في سائل ويتدفق إلى أسفل.

غالبًا ما يستخدم الماء عند ضغط منخفض كسائل متطاير.

يستخدم نظام التدفق المباشر أنبوبًا على شكل حرف U يتم من خلاله تدوير الماء أو مبرد نظام التسخين.

تم تصميم نصف الأنبوب على شكل حرف U لمبرد بارد ، بينما يأخذ الثاني الأنبوب المسخن. عند التسخين ، يتمدد المبرد ويدخل إلى خزان التخزين ، مما يوفر دورانًا طبيعيًا. كما هو الحال مع أنظمة الأنابيب الحرارية ، يجب ألا تقل زاوية الميل عن 20 درجة.

تعتبر أنظمة التدفق المباشر أكثر كفاءة لأنها تسخن المبرد على الفور.

إذا تم التخطيط لاستخدام أنظمة تجميع الطاقة الشمسية على مدار السنة، ثم يتم ضخ الانتفريزات الخاصة فيها.

إيجابيات وسلبيات المجمعات الأنبوبية

استخدام المجمعات الشمسية الأنبوبية له عدد من المزايا والعيوب. يتكون تصميم المجمع الشمسي الأنبوبي من نفس العناصر التي يسهل استبدالها نسبيًا.

مزايا:

فقدان الحرارة المنخفضة
القدرة على العمل في درجات حرارة تصل إلى -30 درجة مئوية ؛
أداء فعال طوال ساعات النهار ؛
أداء جيد في المناطق ذات المناخ المعتدل والبارد ؛
انخفاض انحراف القذيفه بفعل الهواء ، تبرره قدرة الأنظمة الأنبوبية على تمرير الكتل الهوائية من خلالها ؛
إمكانية إنتاج درجة حرارة عالية للمبرد.

من الناحية الهيكلية ، يكون للهيكل الأنبوبي سطح فتحة محدود. لها العيوب التالية:

غير قادر على التنظيف الذاتي من الثلج والجليد والصقيع ؛
غالي السعر.

على الرغم من التكلفة المرتفعة في البداية ، فإن الجامعين الأنبوبيين يدفعون لأنفسهم بشكل أسرع. لديهم عمر خدمة طويل.

مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة المغلقة

يتكون المجمع المسطح من هيكل من الألومنيوم وطبقة امتصاص خاصة - ماص وطلاء شفاف وخط أنابيب وسخان.

كممتص ، يتم استخدام الألواح النحاسية السوداء ، والتي تتميز بالتوصيل الحراري المثالي لإنشاء أنظمة شمسية. عندما يمتص الممتص الطاقة الشمسية ، يتم نقل الطاقة الشمسية التي تتلقاها إلى ناقل حراري يدور عبر نظام من الأنابيب المجاورة للممتص.

من الخارج ، اللوحة المغلقة محمية بطبقة شفافة. إنه مصنوع من الزجاج المقوى المضاد للصدمات بعرض نطاق يتراوح بين 0.4 و 1.8 ميكرون. هذا النطاق يمثل الحد الأقصى من الإشعاع الشمسي. الزجاج المضاد للصدمات هو حماية جيدة ضد البَرَد. على الجانب الخلفي ، اللوحة بأكملها معزولة بشكل آمن.

تتميز مجمعات الألواح الشمسية المسطحة بأقصى أداء وتصميم بسيط. يتم زيادة كفاءتها بسبب استخدام جهاز امتصاص. إنهم قادرون على التقاط الإشعاع الشمسي المنتشر والمباشر.

قائمة مزايا الألواح المسطحة المغلقة تشمل:

بساطة التصميم
أداء جيد في مناطق المناخ الدافئ ؛
القدرة على التثبيت في أي زاوية إذا كانت هناك أجهزة لتغيير زاوية الميل ؛
القدرة على التنظيف الذاتي من الثلج والصقيع ؛
سعر منخفض.

تعتبر مجمعات الألواح الشمسية المسطحة مفيدة بشكل خاص إذا تم التخطيط لاستخدامها في مرحلة التصميم. عمر الخدمة للمنتجات عالية الجودة هو 50 عامًا.

تشمل العيوب ما يلي:

خسائر حرارة عالية
وزن كبير
ارتفاع انحراف القذيفه بفعل الهواء عندما تقع الألواح بزاوية في الأفق ؛
قيود في الأداء عند انخفاض درجات الحرارة لأكثر من 40 درجة مئوية.

نطاق تطبيق المجمعات المغلقة أوسع بكثير من التركيبات الشمسية من النوع المفتوح. في الصيف ، يمكنهم تلبية الحاجة إلى الماء الساخن بشكل كامل. في الأيام الباردة التي لا تشملها المرافق العامة خلال فترة التدفئة ، يمكنهم العمل بدلاً من السخانات التي تعمل بالغاز والكهرباء.

مقارنة خصائص مجمعات الطاقة الشمسية

أهم مؤشر للمجمع الشمسي هو الكفاءة. يعتمد الأداء المفيد لمجمعات الطاقة الشمسية ذات التصميمات المختلفة على اختلاف درجة الحرارة. في الوقت نفسه ، تكون مجمعات الألواح المسطحة أرخص بكثير من المجمعات الأنبوبية.

تعتمد قيم الكفاءة على جودة التصنيع لمجمع الطاقة الشمسية. الغرض من الرسم البياني هو إظهار كفاءة استخدام أنظمة مختلفة حسب اختلاف درجة الحرارة.

عند اختيار مجمع الطاقة الشمسية ، يجب الانتباه إلى عدد من المعلمات التي توضح كفاءة الجهاز وقوته.

هناك العديد من الخصائص المهمة لمجمعات الطاقة الشمسية:

معامل الامتزاز - يوضح نسبة الطاقة الممتصة إلى الإجمالي ؛
معامل الانبعاث - يوضح نسبة الطاقة المنقولة إلى الممتصة ؛
المساحة الكلية والفتحة ؛
نجاعة.

منطقة الفتحة هي منطقة عمل المجمع الشمسي. يحتوي المجمع المسطح على منطقة فتحة قصوى. مساحة الفتحة تساوي مساحة الممتص.

طرق الاتصال بنظام التدفئة

نظرًا لأن الأجهزة التي تعمل بالطاقة الشمسية لا يمكن أن توفر إمدادًا مستقرًا للطاقة على مدار الساعة ، هناك حاجة إلى نظام مقاوم لهذه العيوب.

بالنسبة لوسط روسيا ، لا يمكن أن تضمن الأجهزة الشمسية إمدادًا مستقرًا للطاقة ، لذلك يتم استخدامها كنظام إضافي. يختلف الدمج في نظام التدفئة والماء الساخن الموجود لمجمع الطاقة الشمسية والبطارية الشمسية.

مخطط اتصال جامع الحرارة

اعتمادًا على الغرض من استخدام مجمع الحرارة ، يتم استخدام أنظمة اتصال مختلفة. قد يكون هناك عدة خيارات:

خيار الصيف لإمداد الماء الساخن
خيار الشتاء للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة

النسخة الصيفية هي الأبسط ويمكنها الاستغناء عن مضخة الدورة الدموية ، وذلك باستخدام الدورة الطبيعية للمياه.

يتم تسخين الماء في المجمع الشمسي وبسبب التمدد الحراري يدخل خزان التخزين أو المرجل. في هذه الحالة ، يحدث الدوران الطبيعي: يتم امتصاص الماء البارد في مكان الماء الساخن من الخزان.

في فصل الشتاء ، في درجات الحرارة السلبية ، لا يمكن تسخين المياه المباشر. يدور مانع تجمد خاص عبر دائرة مغلقة ، مما يضمن انتقال الحرارة من المجمع إلى المبادل الحراري في الخزان

مثل أي نظام يعتمد على الدوران الطبيعي ، فإنه لا يعمل بكفاءة عالية ، مما يتطلب الامتثال المنحدرات الضرورية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون خزان التخزين أطول من المجمع الشمسي.

لكي يظل الماء ساخنًا لأطول فترة ممكنة ، يجب عزل الخزان بعناية.

إذا كنت تريد حقًا تحقيق التشغيل الأكثر كفاءة للمجمع الشمسي ، فسيصبح مخطط الأسلاك أكثر تعقيدًا.

يدور سائل التبريد غير المتجمد من خلال نظام تجميع الطاقة الشمسية. يتم توفير الدوران القسري بواسطة مضخة يتم التحكم فيها بواسطة جهاز تحكم.

تتحكم وحدة التحكم في تشغيل مضخة الدوران بناءً على قراءات اثنين على الأقل من مستشعرات درجة الحرارة. يقيس المستشعر الأول درجة الحرارة في خزان التخزين ، والثاني - على أنبوب إمداد المبرد الساخن للمجمع الشمسي. بمجرد أن تتجاوز درجة الحرارة في الخزان درجة حرارة سائل التبريد ، تقوم وحدة التحكم في المجمع بإيقاف تشغيل مضخة الدورة الدموية ، مما يوقف دوران المبرد عبر النظام.

في المقابل ، عندما تنخفض درجة الحرارة في خزان التخزين عن القيمة المحددة ، يتم تشغيل غلاية التدفئة.

مخطط توصيل البطارية الشمسية

قد يكون من المغري تطبيق مخطط مماثل لتوصيل بطارية شمسية بشبكة الطاقة ، كما هو مطبق في حالة مجمّع الطاقة الشمسية ، حيث تتراكم الطاقة المتلقاة خلال النهار. لسوء الحظ ، بالنسبة لنظام الإمداد بالطاقة لمنزل خاص ، فإن إنشاء حزمة بطارية ذات سعة كافية أمر مكلف للغاية. لذلك ، يكون مخطط الاتصال على النحو التالي.

عندما تنخفض الطاقة التيار الكهربائيمن بطارية شمسية ، تضمن وحدة ATS (مفتاح التحويل التلقائي) اتصال المستهلكين بشبكة كهربائية مشتركة

من الألواح الشمسية ، تذهب الشحنة إلى وحدة التحكم في الشحن ، والتي تؤدي وظائف عديدة: فهي توفر إعادة شحن ثابتة للبطاريات وتثبت الجهد. بعد ذلك ، يتم توفير التيار الكهربائي للعاكس ، حيث يتم التحويل التيار المباشر 12 فولت أو 24 فولت إلى 220 فولت تيار متردد أحادي الطور.

للأسف ، لم يتم تكييف شبكات الطاقة لدينا لتلقي الطاقة ، فهي تعمل فقط في اتجاه واحد من المصدر إلى المستهلك. لهذا السبب ، لن تتمكن من بيع الكهرباء المنتجة أو على الأقل جعل العداد يدور في الاتجاه المعاكس.

استخدام الألواح الشمسية مفيد من حيث أنها توفر المزيد نظرة عالميةالطاقة ، ولكن في نفس الوقت لا يمكن مقارنتها بكفاءة مع مجمعات الطاقة الشمسية. ومع ذلك ، فإن الأخيرة لا تملك القدرة على تخزين الطاقة ، على عكس البطاريات الشمسية الكهروضوئية.

كيفية حساب قوة المجمع المطلوبة

عند حساب الطاقة المطلوبة لمجمع الطاقة الشمسية ، غالبًا ما يكون من الخطأ إجراء حسابات بناءً على الطاقة الشمسية الواردة في أبرد شهور السنة.

الحقيقة هي أنه في الأشهر المتبقية من العام سوف يسخن النظام بأكمله باستمرار. يمكن أن تصل درجة حرارة المبرد في الصيف عند مخرج المجمع الشمسي إلى 200 درجة مئوية عند تسخينه بالبخار أو الغاز ، و 120 درجة مئوية ضد التجمد ، و 150 درجة مئوية بالماء. إذا غلي المبرد ، فسوف يتبخر جزئيًا. نتيجة لذلك ، يجب استبداله.

توفير إمدادات الماء الساخن لا تزيد عن 70٪ ؛
- توفير نظام التدفئة بنسبة لا تزيد عن 30٪.

يجب توليد باقي الحرارة اللازمة بواسطة معدات التسخين القياسية. ومع ذلك ، مع هذه المؤشرات ، يتم توفير حوالي 40 ٪ في المتوسط سنويًا للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة.

توليد الطاقة من أنبوب واحد نظام الشفطيعتمد على الموقع الجغرافي. يُطلق على مؤشر الطاقة الشمسية الذي ينخفض سنويًا على 1 م 2 من الأرض اسم التشمس. بمعرفة طول الأنبوب وقطره ، يمكنك حساب الفتحة - منطقة الامتصاص الفعالة. يبقى تطبيق معاملات الامتصاص والانبعاث لحساب قوة أنبوب واحد في السنة.

مثال على الحساب:

طول الأنبوب القياسي 1800 مم ، والطول الفعال 1600 مم. قطر 58 مم. الفتحة هي المنطقة المظللة التي أنشأها الأنبوب. وبالتالي ، فإن مساحة مستطيل الظل ستكون:

S = 1.6 * 0.058 = 0.0928 م 2

تبلغ كفاءة الأنبوب الأوسط 80٪ ، أما العزل الشمسي لموسكو فهو حوالي 1170 كيلو وات ساعة / م 2 سنويًا. وبالتالي ، سيعمل أنبوب واحد كل عام:

ث = 0.0928 * 1170 * 0.8 = 86.86 كيلو واط * ساعة

وتجدر الإشارة إلى أن هذا حساب تقريبي للغاية. تعتمد كمية الطاقة المتولدة على اتجاه التركيب والزاوية ومتوسط درجة الحرارة السنوية وما إلى ذلك. نشرت

التصنيف والعناصر الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية

وفقًا لطريقة استخدام الإشعاع الشمسي ، تنقسم أنظمة التدفئة الشمسية ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى سلبية ونشطة.

تسمى أنظمة التسخين الشمسي المنفعلة ، حيث يعمل المبنى نفسه أو أسواره الفردية (مبنى المجمع ، وجدار المجمع ، وسقف المجمع ، وما إلى ذلك) كعنصر يتلقى الإشعاع الشمسي ويحوله إلى حرارة (الشكل 3.4)).

أرز. 3.4. نظام التسخين الشمسي السلبي ذو درجة الحرارة المنخفضة "جدار المجمع": 1 - الأشعة الشمسية ؛ 2 - شاشة شفافة ؛ 3 - المثبط الهوائي ؛ 4 - هواء ساخن 5 - هواء مبرد من الغرفة ؛ 6 - إشعاع حراري طويل الموجة لمصفوفة الجدار ؛ 7 - سطح الجدار الأسود المتلقي للأشعة ؛ 8 - الستائر.

- حسب الغرض (إمداد الماء الساخن ، وأنظمة التدفئة ، والأنظمة المشتركة للتدفئة والبرودة) ؛

- حسب نوع المبرد المستخدم (سائل - ماء ، مضاد للتجمد ، هواء) ؛

- حسب مدة العمل (على مدار العام ، موسمي) ؛

- حسب الحل التقني للمخططات (حلقة واحدة ، ثنائية ، متعددة الحلقات).

الهواء عبارة عن سائل تبريد يستخدم على نطاق واسع ولا يتجمد عبر النطاق الكامل لمعلمات التشغيل. عند استخدامه كناقل حراري ، يمكن الجمع بين أنظمة التدفئة ونظام التهوية. ومع ذلك ، فإن الهواء عبارة عن ناقل حراري منخفض السعة الحرارية ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك المعدن لتركيب أنظمة تسخين الهواء مقارنةً بأنظمة المياه.

يظهر الرسم التخطيطي لنظام التدفئة الشمسية في الشكل 3.5. يشمل ثلاث دوائر تداول:

- الدائرة الأولى المكونة من مجمعات الطاقة الشمسية 1 ومضخة الدورة الدموية 8 والمبادل الحراري السائل 3 ؛

- الدائرة الثانية ، وتتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ومبادل حراري 3 ؛

- الدائرة الثالثة ، وتتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ، ومبادل حراري بين الماء والهواء (سخان) 5.

أرز. 3.5 رسم تخطيطي لنظام التسخين الشمسي: 1 - مجمع الطاقة الشمسية ؛ 2 - خزان التخزين ؛ 3 - مبادل حراري 4 - بناء 5 - سخان 6 - بديل لنظام التدفئة. 7 - نظام احتياطي لإمداد الماء الساخن ؛ 8 - مضخة الدوران ؛ 9 - مروحة.

تركيز مستقبلات الطاقة الشمسية

مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة هي مرايا كروية أو مكافئة (الشكل 3.6) ، مصنوعة من معدن مصقول ، حيث يتم وضع عنصر استقبال الحرارة (المرجل الشمسي) ، والذي من خلاله يدور المبرد. يتم استخدام الماء أو السوائل غير المجمدة كناقل للحرارة. عند استخدام الماء كحامل حراري ليلاً وأثناء فترة البرد ، يجب إفراغ النظام لمنعه من التجمد.

تتمثل ميزة الأنظمة ذات مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة في القدرة على توليد الحرارة عند درجة حرارة عالية نسبيًا (تصل إلى 100 درجة مئوية) وحتى البخار. تشمل العيوب التكلفة العالية للبناء ؛ الحاجة إلى التنظيف المستمر للأسطح العاكسة من الغبار ؛ تعمل فقط خلال ساعات النهار ، وبالتالي الحاجة إلى بطاريات كبيرة ؛ استهلاك عالي للطاقة لمحرك نظام التتبع لمسار الشمس بما يتناسب مع الطاقة المتولدة. تعيق أوجه القصور هذه الاستخدام الواسع لأنظمة التسخين الشمسي النشطة منخفضة الحرارة مع مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة. في الآونة الأخيرة ، غالبًا ما تستخدم أجهزة استقبال الطاقة الشمسية المسطحة لأنظمة التدفئة الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة.

مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة

تتكون مجمعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة (الشكل 3.7) من غطاء زجاجي أو بلاستيكي (فردي ، مزدوج ، ثلاثي) ، لوح ممتص للحرارة مطلي باللون الأسود على الجانب المواجه للشمس ، وعازل على الظهر ومبيت (معدن ، بلاستيك ، زجاج) ، خشبية).

أرز. 3.6 مستقبلات الطاقة الشمسية المركزة: أ - مكثف مكافئ. ب - مكثف حوض مكافئ ؛ 1 - أشعة الشمس 2 - عنصر استقبال الحرارة (المجمع الشمسي) ؛ 3 - مرآة 4 - آلية محرك نظام التتبع ؛ 5- مواسير توريد وتفريغ المبرد.

أرز. 3.7 المجمع الشمسي المسطح: 1 - أشعة الشمس. 2 - التزجيج 3 - الجسم 4 - سطح استقبال الحرارة ؛ 5 - العزل الحراري 6 - مانع التسرب 7- إشعاع الموجة الطويلة الخاص باللوحة المستقبلة للحرارة.

تحت تأثير الإشعاع الشمسي ، يتم تسخين الألواح المستقبلة للحرارة إلى درجات حرارة من 70-80 درجة مئوية ، والتي تتجاوز درجة الحرارة المحيطة ، مما يؤدي إلى زيادة انتقال الحرارة بالحمل الحراري للوحة إلى البيئة وإشعاعها الخاص إلى سماء. لتحقيق درجات حرارة أعلى للمبرد ، يتم تغطية سطح اللوحة بطبقات انتقائية طيفية تمتص بفعالية إشعاع الموجة القصيرة من الشمس وتقلل من إشعاعها الحراري في جزء الموجة الطويلة من الطيف. مثل هذه الهياكل القائمة على "النيكل الأسود" ، و "الكروم الأسود" ، وأكسيد النحاس على الألومنيوم ، وأكسيد النحاس على النحاس وغيرها باهظة الثمن (تكلفتها غالبًا ما تتناسب مع تكلفة لوحة استقبال الحرارة نفسها). هناك طريقة أخرى لتحسين أداء مجمعات الألواح المسطحة وهي إنشاء فراغ بين لوحة امتصاص الحرارة والعزل الشفاف لتقليل فقد الحرارة (مجمعات الطاقة الشمسية من الجيل الرابع).

التسخين الشمسي هو وسيلة لتدفئة مبنى سكني ، والذي أصبح أكثر شيوعًا كل يوم في العديد من دول العالم ، ومعظمها من البلدان المتقدمة. يمكن أن يتباهى أكبر نجاح في مجال الطاقة الحرارية الشمسية اليوم في بلدان أوروبا الغربية والوسطى. على أراضي الاتحاد الأوروبي على مدى العقد الماضي ، كان هناك نمو سنوي في صناعة الطاقة المتجددة بنسبة 10-12٪. هذا المستوى من التطور هو مؤشر مهم للغاية.

جامع الطاقة الشمسية

أحد أكثر تطبيقات الطاقة الشمسية وضوحًا هو استخدامها لتسخين المياه والهواء (كحاملات حرارية). في المناطق المناخية حيث يسود الطقس البارد ، ل حياة مريحةمطلوب من الناس حساب وتنظيم أنظمة التدفئة لكل مبنى سكني. يجب أن يكون لديهم مصدر ماء ساخن لمختلف الاحتياجات ، إلى جانب الحاجة إلى تدفئة المنازل. بالتأكيد، الخيار الأفضلهنا سيكون هناك تطبيق للمخطط حيث تعمل أنظمة التدفئة الآلية.

تتطلب المؤسسات الصناعية كميات كبيرة من الماء الساخن يوميًا في عملية الإنتاج. على سبيل المثال ، يمكننا الاستشهاد بأستراليا ، حيث يتم إنفاق ما يقرب من 20 في المائة من إجمالي الطاقة المستهلكة على تسخين مائع نقل الحرارة إلى درجة حرارة لا تتجاوز 100 درجة مئوية. لهذا السبب ، في بعض البلدان المتقدمة في الغرب ، وإلى حد كبير في إسرائيل وأمريكا الشمالية واليابان ، وبالطبع في أستراليا ، يتوسع إنتاج أنظمة التدفئة الشمسية بسرعة كبيرة.

في المستقبل القريب ، سيتم توجيه تطوير الطاقة بلا شك لصالح استخدام الإشعاع الشمسي. كثافة الاشعاع الشمسي علي سطح الأرضبمتوسط 250 واط لكل متر مربع. وذلك بالرغم من أن اثنين واط لكل متر مربع كافية لسد الحاجات الاقتصادية للفرد في أقل المناطق الصناعية.

يتمثل الاختلاف المفيد بين الطاقة الشمسية وصناعات الطاقة الأخرى التي تستخدم عمليات احتراق الوقود الأحفوري في الملاءمة البيئية للطاقة المتلقاة. الشغل معدات الطاقة الشمسيةلا يؤدي إلى الانفصال الانبعاثات الضارةفي الجو.

اختيار مخطط تطبيق المعدات والأنظمة السلبية والنشطة

هناك نوعان من المخططات لاستخدام الإشعاع الشمسي كنظام تدفئة للمنزل. هذه أنظمة نشطة وسلبية. أنظمة التدفئة الشمسية السلبية - تلك التي يكون فيها العنصر الذي يمتص الإشعاع الشمسي مباشرة ويولد الحرارة منه هو هيكل المنزل نفسه أو أجزائه الفردية. يمكن أن تكون هذه العناصر سياجًا أو سقفًا أو أجزاء منفصلة من مبنى مبني على أساس مخطط معين. الأنظمة السلبية لا تستخدم الأجزاء المتحركة الميكانيكية.

تعمل الأنظمة النشطة على أساس مخطط تدفئة المنزل المعاكس ، فهي تستخدم بنشاط الأجهزة الميكانيكية (المضخات ، المحركات ، عند استخدامها ، فإنها تحسب أيضًا الطاقة المطلوبة).

أبسط تصميم وأقل تكلفة من الناحية المالية عند تركيب دائرة هي أنظمة سلبية. لا تتطلب دوائر التسخين هذه تركيب أجهزة إضافية لامتصاص الإشعاع الشمسي وتوزيعه لاحقًا في نظام تدفئة المنزل. يعتمد تشغيل هذه الأنظمة على مبدأ التسخين المباشر لمساحة المعيشة مباشرة من خلال الجدران الناقلة للضوء الموجودة على الجانب الجنوبي. يتم تنفيذ وظيفة تسخين إضافية بواسطة الأسطح الخارجية لعناصر سياج المنزل ، وهي مجهزة بطبقة من الشاشات الشفافة.

لبدء عملية تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية ، يتم استخدام نظام من الهياكل يعتمد على استخدام مستقبلات الطاقة الشمسية ذات السطح الشفاف ، حيث يلعب "تأثير الاحتباس الحراري" الوظيفة الرئيسية ، ويتم استخدام قدرة الزجاج على الاحتفاظ بالإشعاع الحراري مما يزيد من درجة الحرارة داخل الغرفة.

وتجدر الإشارة إلى أن استخدام نوع واحد فقط من أنواع الأنظمة قد لا يكون له ما يبرره تمامًا. في كثير من الأحيان ، يُظهر الحساب الدقيق أنه يمكن تحقيق انخفاض كبير في فقد الحرارة وتقليل احتياجات الطاقة للمبنى من خلال استخدام أنظمة متكاملة. عمل عامكل من الأنظمة النشطة والسلبية من خلال الجمع بين الصفات الإيجابية ستعطي أقصى تأثير.

يُظهر حساب الكفاءة الشائع الاستخدام أن الاستخدام السلبي للإشعاع الشمسي سيوفر ما يقرب من 14 إلى 16 في المائة من احتياجات التدفئة في منزلك. سيكون مثل هذا النظام جزءًا مهمًا من عملية توليد الحرارة.

ومع ذلك ، على الرغم من المؤكد الصفات الإيجابيةأنظمة سلبية ، الاحتمالات الرئيسية لتلبية احتياجات المبنى في الحرارة بشكل كامل ، لا يزال من الضروري استخدام النشط معدات التدفئة. الأنظمة التي تتمثل وظيفتها في الامتصاص المباشر للإشعاع الشمسي وتراكمه وتوزيعه.

التخطيط والحساب

احسب إمكانية تركيب أنظمة تدفئة نشطة باستخدام الطاقة الشمسية (الخلايا الشمسية البلورية ، مجمعات الطاقة الشمسية) ويفضل في مرحلة تصميم المبنى. ولكن مع ذلك ، هذه اللحظة ليست إلزامية ، يمكن أيضًا تثبيت مثل هذا النظام في مهمة حالية ، بغض النظر عن سنة بنائه (أساس النجاح هو الحساب الصحيح للمخطط بأكمله).

يتم تركيب المعدات على الجانب الجنوبي من المنزل. هذا الموقع يخلق ظروفًا لامتصاص أقصى قدر من الإشعاع الشمسي الوارد في الشتاء. تكون الخلايا الضوئية التي تحول طاقة الشمس ويتم تركيبها على هيكل ثابت أكثر فاعلية عندما يتم تركيبها بالنسبة لسطح الأرض بزاوية مساوية للموقع الجغرافي للمبنى الساخن. زاوية السقف ، ودرجة دوران المنزل إلى الجنوب - هذه نقاط مهمة يجب أخذها في الاعتبار عند حساب مخطط التدفئة بالكامل.

يجب تركيب الخلايا الكهروضوئية الشمسية والمجمعات الشمسية في أقرب مكان ممكن لاستهلاك الطاقة. تذكر أنه كلما اقتربت من بناء حمام ومطبخ ، قل فقدان الحرارة (في هذه الحالة ، يمكنك الحصول على مجمّع شمسي واحد لتدفئة كلتا الغرفتين). المعيار الرئيسي لتقييم اختيار المعدات التي تحتاجها هو كفاءتها.

تنقسم أنظمة التسخين بالطاقة الشمسية النشطة إلى المجموعات التالية وفقًا للمعايير التالية:

استخدام دائرة احتياطية ؛
موسمية العمل (طوال العام أو في موسم معين) ؛
الغرض الوظيفي - التدفئة والتزويد ماء ساخنوالأنظمة المدمجة
الناقل الحراري المستخدم سائل أو هواء ؛
حل تقني تطبيقي لعدد دوائر (1 ، 2 أو أكثر).

ستكون البيانات الاقتصادية العامة بمثابة العامل الرئيسي في اختيار أحد أنواع المعدات. سيساعدك الحساب الحراري الكفء للنظام بأكمله على اتخاذ القرار بشكل صحيح. يجب إجراء الحساب مع مراعاة مؤشرات كل غرفة محددة حيث يتم التخطيط لتنظيم التدفئة الشمسية و (أو) إمدادات المياه الساخنة. من الضروري مراعاة موقع المبنى والظروف الطبيعية المناخية وحجم تكلفة مورد الطاقة النازح. الحساب الصحيح والاختيار الناجح لمخطط تنظيم الإمداد الحراري هو مفتاح الجدوى الاقتصادية لاستخدام معدات الطاقة الشمسية.

نظام التسخين الشمسي

مخطط التدفئة الأكثر شيوعًا هو تركيب مجمعات الطاقة الشمسية ، والتي توفر تراكم الطاقة الممتصة في حاوية خاصة - بطارية.

حتى الآن ، الأكثر انتشارًا هي مخططات التدفئة ذات الدائرة المزدوجة للمباني السكنية ، حيث يتم تثبيت نظام الدوران القسري لسائل التبريد في المجمع. مبدأ عملها هو ما يلي. يتم توفير الماء الساخن من الأعلى خزان، تحدث العملية تلقائيًا وفقًا لقوانين الفيزياء. البرد المياه الجاريةيتم توفيره عن طريق الضغط على الجزء السفلي من الخزان ، حيث تقوم هذه المياه بإزاحة الماء الساخن المتجمع في الجزء العلوي من الخزان ، والذي يدخل بعد ذلك إلى نظام إمداد المنزل بالمياه الساخنة لتلبية احتياجاته المنزلية واحتياجات التدفئة.

بالنسبة لمنزل الأسرة الواحدة ، عادةً ما يتم تركيب خزان تخزين بسعة 400 إلى 800 لتر. لتسخين الناقل الحراري لهذه الأحجام ، اعتمادًا على الظروف الطبيعيةمطلوب لحساب مساحة سطح المجمع الشمسي بشكل صحيح. من الضروري أيضًا تبرير استخدام المعدات اقتصاديًا.

فيما يلي مجموعة المعدات القياسية لتركيب نظام التسخين الشمسي:

المجمع الشمسي نفسه مباشرة ؛
نظام التركيب (دعامات ، عوارض ، حاملات) ؛
خزان؛
خزان يعوض التمدد الزائد للناقل الحراري ؛
جهاز التحكم في المضخة
المضخة (مجموعة الصمامات) ؛
مجسات درجة الحرارة
أجهزة التبادل الحراري (المستخدمة في مخططات بكميات كبيرة) ؛
أنابيب عازلة للحرارة
تجهيزات السلامة والتحكم ؛
مناسب.

نظام يعتمد على ألواح امتصاص الحرارة. يتم استخدام هذه الألواح ، كقاعدة عامة ، في مرحلة البناء الجديد. لتركيبها ، من الضروري بناء هيكل خاص يسمى السقف الساخن. هذا يعني أنه يجب تثبيت الألواح مباشرة في هيكل السقف ، باستخدام عناصر السقف كعناصر متكاملة لحاوية المعدات. سيقلل هذا التثبيت من تكاليف إنشاء نظام تدفئة ، ومع ذلك ، فإنه سيتطلب عملًا عالي الجودة على عزل وصلات الأجهزة والسقف. تتطلب طريقة تركيب المعدات هذه أن تقوم بتصميم وتخطيط جميع مراحل العمل بعناية. من الضروري حل العديد من المشاكل المتعلقة بالأنابيب ، ووضع خزان ، وتركيب مضخة ، وتعديل المنحدرات. سيتعين حل الكثير من مشاكل التثبيت إذا لم يتم تحويل المبنى إلى الجنوب بأكثر الطرق نجاحًا.

بشكل عام ، المشروع أنظمة الطاقة الشمسيةسوف تختلف التدفئة عن الآخرين بدرجات متفاوتة. فقط المبادئ الأساسية للنظام ستبقى على حالها. لذلك ، من المستحيل تقديم قائمة دقيقة بالأجزاء الضرورية للتثبيت الكامل للنظام بأكمله ، حيث قد يكون من الضروري استخدام أثناء عملية التثبيت عناصر إضافيةوالمواد.

أنظمة تسخين بالسائل

في الأنظمة التي تعمل على أساس حامل حرارة سائل ، يتم استخدام الماء العادي كوسيط تخزين. يحدث امتصاص الطاقة في مجمعات الطاقة الشمسية تصميم شقة. يتم تخزين الطاقة في صهريج تخزين واستخدامها حسب الحاجة.

لنقل الطاقة من جهاز التخزين إلى المبنى ، يتم استخدام مبادل حراري من الماء إلى الماء أو الماء إلى الهواء. تم تجهيز نظام إمداد الماء الساخن بخزان إضافي يسمى خزان التسخين المسبق. يتم تسخين الماء فيه بسبب الإشعاع الشمسي ثم يدخل في سخان المياه التقليدي.

نظام تسخين الهواء

يستخدم هذا النظام الهواء كحامل حرارة. يتم تسخين المبرد في مجمّع شمسي مسطح ، ومن ثم يدخل الهواء الساخن إلى الغرفة المسخنة أو في جهاز تخزين خاص ، حيث يتم تخزين الطاقة الممتصة في فوهة خاصة يتم تسخينها بواسطة الهواء الساخن الوارد. بفضل هذه الميزة ، يستمر النظام في إمداد المنزل بالحرارة حتى في الليل عندما لا يتوفر الإشعاع الشمسي.

أنظمة ذات دوران قسري وطبيعي

أساس عمل الأنظمة ذات الدورة الدموية الطبيعية هو الحركة المستقلة لسائل التبريد. تحت تأثير ارتفاع درجة الحرارة ، فإنه يفقد الكثافة وبالتالي يميل إلى الجزء العلويالأجهزة. الفرق الناتج في الضغط يجعل الجهاز يعمل.

الحصة الرئيسية من تكاليف الصيانة منزل خاصتمثلت في تكاليف التدفئة. لماذا لا تستخدم الطاقة المجانية من المصادر الطبيعية ، مثل الشمس ، لتدفئة المبنى؟ بعد كل شيء ، التكنولوجيا الحديثة تجعل ذلك ممكنًا!

لتجميع طاقة ضوء الشمس ، يتم استخدام الألواح الشمسية الخاصة المثبتة على سطح المنزل. بعد الاستلام ، تتحول هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية ، ثم تتباعد عبر الشبكة الرئيسية وتستخدم ، كما في حالتنا ، في أجهزة التدفئة.

مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى - القياسية والمستقلة والبديلة - فإن مزايا الألواح الشمسية واضحة:

عمليًا مجاني للاستخدام ؛
الاستقلال عن شركات تزويد الطاقة ؛
يتم تنظيم كمية الطاقة المستلمة بسهولة عن طريق تغيير عدد الألواح الشمسية في النظام ؛
عمر خدمة طويل (حوالي 25 سنة) من الخلايا الشمسية ؛
عدم وجود صيانة منهجية.

بالطبع هذه التكنولوجيا لها عيوبها:

الاعتماد على الأحوال الجوية ؛
وجود معدات إضافية ، بما في ذلك البطاريات الضخمة ؛
تكلفة عالية إلى حد ما ، مما يزيد من فترة الاسترداد ؛
يتطلب تزامن جهد البطارية مع جهد المحطة الفرعية المحلية تركيب معدات خاصة.

تطبيق الألواح الشمسية

يتم تركيب البطاريات التي تحول الطاقة الشمسية مباشرة على سطح سطح المنزل عن طريق توصيلها ببعضها البعض لتشكيل نظام للطاقة المطلوبة. إذا كان تكوين السقف أو الميزات الهيكلية الأخرى لا يسمح بتثبيتها مباشرة ، يتم تثبيت كتل الإطار على السطح أو حتى على الجدران. كخيار ، يمكن تثبيت النظام على رفوف منفصلة بالقرب من المنزل.

الألواح الشمسية هي مولد للطاقة الكهربائية ، والتي يتم إطلاقها في عملية التفاعلات الكهروضوئية. كفاءة منخفضة لعناصر الدائرة بمساحة إجمالية 15-18 قدم مربع م يسمح لك مع ذلك بتدفئة الغرف التي تزيد مساحتها عن 100 متر مربع. م! من الجدير بالذكر أن التقنية الحديثةتتيح هذه المعدات استخدام طاقة الشمس حتى خلال فترات الغيوم المعتدلة.

بالإضافة إلى تركيب الألواح الشمسية ، يتطلب تنفيذ نظام التدفئة تركيب عناصر إضافية:

جهاز لاختيار التيار الكهربائي من البطاريات ؛
محول أساسي
وحدات تحكم الخلايا الشمسية.
البطاريات بوحدة التحكم الخاصة بها ، والتي ستحول النظام تلقائيًا إلى شبكة المحطات الفرعية في حالة النقص الحاد في الشحن ؛
جهاز لتحويل التيار الكهربائي المباشر إلى تيار متردد.

معظم الخيار الأفضلنظام التدفئة عند الاستخدام مصدر بديلطاقة - نظام كهربائي. سيسمح لك ذلك بتسخين الغرف الكبيرة عن طريق تركيب أرضيات موصلة. علاوة على ذلك ، يسمح النظام الكهربائي بمرونة التغيير نظام درجة الحرارةفي المباني السكنية ، كما أنه يلغي الحاجة إلى تركيب مشعات وأنابيب ضخمة تحت النوافذ.

في المثالييجب أن يكون النظام الكهربائي للتدفئة الذي يستخدم الطاقة الشمسية مجهزًا بشكل إضافي بثرموستات وأجهزة تحكم أوتوماتيكية في درجة الحرارة في جميع الغرف.

تطبيق مجمعات الطاقة الشمسية

تسمح لك أنظمة التدفئة التي تعتمد على مجمعات الطاقة الشمسية بتدفئة المباني السكنية والبيوت ، وكذلك المجمعات الفندقية والمرافق الصناعية بأكملها.

هذه المجمعات ، التي يعتمد مبدأها على "تأثير الاحتباس الحراري" ، تعمل على تجميع الطاقة الشمسية لاستخدامها مرة أخرى دون أي خسارة تقريبًا. هذا يسمح لعدد من الاحتمالات:

تزويد المباني السكنية بالتدفئة الكاملة ؛
ضبط وضع مستقل لإمداد الماء الساخن ؛
تنفيذ تسخين المياه في حمامات السباحة والساونا.

يتمثل عمل المجمع الشمسي في تحويل طاقة الإشعاع الشمسي التي تدخل حيزًا مغلقًا إلى طاقة حرارية تتراكم وتخزن لفترة طويلة. لا يسمح تصميم المجمعات للطاقة المخزنة بالهروب من خلال التثبيت الشفاف. يستخدم نظام التسخين الهيدروليكي المركزي تأثير التسخين الحراري ، والذي بسببه يقوم السائل المسخن بإزاحة السائل البارد ، مما يجبر الأخير على الانتقال إلى مكان التسخين.

هناك نوعان من تطبيقات التكنولوجيا الموصوفة:

جامع مسطح
مشعب الفراغ.

الأكثر شيوعًا هو مجمع الطاقة الشمسية المسطح. نظرًا لتصميمها البسيط ، يتم استخدامها بنجاح لتدفئة المساحات في المباني السكنية وأنظمة تسخين المياه المنزلية. يتكون الجهاز من لوح ممتص للطاقة مركب في لوح زجاجي.

النوع الثاني ، المشعب الفراغي المباشر لنقل الحرارة ، عبارة عن خزان مياه به أنابيب مثبتة بزاوية لها ، والتي من خلالها يرتفع الماء الساخن لإفساح المجال للسائل البارد. يتسبب هذا الحمل الحراري الطبيعي في الدوران المستمر لسائل العمل في دائرة المجمع المغلقة وتوزيع الحرارة في جميع أنحاء نظام التدفئة.

تكوين فراغ مشعب آخر مغلق أنابيب النحاسبسائل خاص عند درجة غليان منخفضة. عند تسخينه ، يتبخر هذا السائل ويمتص الحرارة من الأنابيب المعدنية. تتكثف الأبخرة المرتفعة إلى أعلى مع نقل الطاقة الحرارية إلى المبرد - الماء في نظام التدفئة أو العنصر الرئيسي في الدائرة.

عند تنفيذ التدفئة المنزلية من خلال استخدام الطاقة الشمسية ، من الضروري مراعاة إعادة الهيكلة المحتملة لسقف أو جدران المبنى للحصول على أقصى تأثير. يجب أن يأخذ المشروع في الاعتبار جميع العوامل: من موقع وتغميق الهيكل إلى مؤشرات الطقس الجغرافية للمنطقة.