Typy solárnych systémov teplej vody

Pasívny systém s uzavretou slučkou v Parras de la Fuente, Coahuila, Mexiko

Solárne systémy na prípravu teplej vody sú navrhnuté tak, aby prenášali slnečnú energiu zo slnka na vodu . Nájsť najefektívnejší a najefektívnejší solárny systém teplej vody pre danú situáciu môže byť náročná úloha. Pri výbere najvhodnejšej konfigurácie systému je potrebné zvážiť množstvo kľúčových faktorov. Medzi tieto faktory patrí do značnej miery množstvo slnečného žiarenia, klíma, náklady na výstavbu, inštaláciu a materiál, umiestnenie a dostupnosť systému, množstvo vody na ohrev, frekvencia spotreby teplej vody, dostupnosť elektriny, dostupnosť materiálov, a úroveň zručností v stavebníctve.

Nasledujúce klasifikácie systémov sú v troch skupinách po dvoch a jednej skupine po jednom unikátnom systéme. Tieto štyri hlavné skupiny sú:

1. Otvorená slučka vs uzavretá slučka .
2. Aktívny vs pasívny .
3. Používa výmenník tepla vs Nepoužíva výmenník tepla .
4. Dávkový systém .

Každý daný systém používa jednu charakteristiku z každej skupiny. Systém môže byť napríklad aktívny systém s otvorenou slučkou, ktorý nepoužíva výmenník tepla. Ďalším príkladom môže byť pasívny systém s uzavretou slučkou, ktorý využíva výmenník tepla. Niektoré systémy sa vyrábajú oveľa jednoduchšie ako iné a ľudia so základnými znalosťami nástrojov a konštrukcie môžu ľahko vytvoriť funkčný systém. Ak si niekto praje vytvoriť svoj vlastný systém, táto variabilita zložitosti by ovplyvnila, aký typ systému sa zvolí.

Cena je ďalším faktorom a každá konfigurácia systému prináša množstvo rôznych nákladov a výhod. Náklady na akýkoľvek špecifický systém sa môžu v jednotlivých krajinách a regiónoch značne líšiť. Niektoré konfigurácie využívajúce určité typy zariadení sú v špecifických situáciách efektívnejšie ako iné. Nasledujúce informácie poskytujú podrobný pohľad na tieto rôzne spôsoby konštrukcie teplovodných solárnych kolektorov.

Rôzne typy kolektorov sú tiež zobrazené na konci tejto stránky, ako aj príklady rôznych bežných solárnych systémov na prípravu teplej vody.

Táto stránka popisuje rôzne systémy, ktoré sa používajú na ohrev vody slnkom. Pre všeobecnejší popis solárnej teplej vody navštívte stránku Solárna teplá voda .

Systémy s otvorenou slučkou

Otvorená slučka znamená, že voda, ktorá vyžaduje ohrev, prúdi priamo cez samotný teplovodný solárny kolektor. Neexistuje žiadna sprostredkujúca tekutina. Pozrite si nadpis Uzavretá slučka nižšie, kde nájdete jednu výnimku z tejto definície, kde voda v systéme s uzavretou slučkou prúdi priamo cez solárny kolektor. Systémy s otvorenou slučkou nepoužívajú výmenníky tepla.

Výhody

Systémy s otvorenou slučkou sa navrhujú a konštruujú najjednoduchšie. Vo všeobecnosti vyžadujú najmenšie množstvo konštrukcie a majú potenciál vydržať dlhšie bez vážnej údržby kvôli ich obmedzenému počtu pohyblivých častí.

Nevýhody

Systémy Open Loop nie sú ideálne v oblastiach, kde môžu teploty klesnúť pod bod mrazu. Potrubie môže zamrznúť, čo spôsobí, že sa tekutá voda rozšíri na ľad, ktorý pretrhne potrubie. Pred akýmkoľvek mrazom musí byť systém vypustený, aby sa zachovalo potrubie. V oblastiach, kde teploty klesajú pod bod mrazu, sa odporúča použiť systém s uzavretou slučkou s výmenníkom tepla alebo implementovať jednu alebo viacero z rôznych techník na zabránenie zamrznutiu potrubia. Preventívne opatrenia môžu prísť vo forme odtokov systému, buď manuálneho alebo ovládaného termostatom, alebo čerpadla, ktoré počas chladného počasia tlačí konvenčne ohrievanú vodu cez systém. Systém môže byť navrhnutý aj tak, aby voda odtekala z kolektora samospádom, keď obehové čerpadlo nepracuje.

Systémy s uzavretou slučkou

Systémy s uzavretou slučkou sú zložitejšie na výrobu a implementáciu ako systémy s otvorenou slučkou, pretože sa dajú použiť v širšom spektre podnebí. Systém s uzavretou slučkou používa nejaký druh kvapaliny, ktorá má oveľa nižší bod tuhnutia ako voda, ale ľahko absorbuje a uvoľňuje teplo. Dobrým príkladom je nemrznúca zmes používaná v automobilových chladičoch. Táto kvapalina prechádza cez solárny kolektor, ohrieva sa a prechádza do nejakého typu výmenníka tepla. Pozri Systémy výmenníkov tepla nižšie. Vzhľadom na povahu systémov s uzavretou slučkou sú výmenníky tepla potrebné na prenos tepla z kolektora do vody. Systémy s uzavretou slučkou možno použiť aj v sálavých podlahových alebo nástenných radiátoroch na vykurovanie priestoru, a nie vody.

Výhody

Na rozdiel od väčšiny systémov s otvorenou slučkou je možné systémy s uzavretou slučkou použiť v oblastiach, kde sú teploty pod bodom mrazu. Kvôli jedinečným vlastnostiam vody môže potrubie pri zamrznutí prasknúť. Zabráni sa tomu použitím tekutiny, ktorá má oveľa nižší bod tuhnutia ako voda.

Nevýhody

Systémy s uzavretou slučkou vyžadujú použitie výmenníka tepla. To pridáva do systému neefektívnosť, ktorá sa musí brať do úvahy počas fázy návrhu a dimenzovania systému. Dodatočné materiály pre výmenník tepla môžu tiež zvýšiť náklady na systém.

Aktívne systémy

Aktívne systémy sú tie, ktoré na svoje fungovanie vyžadujú externú energiu. Vo všeobecnosti táto energia prichádza vo forme elektrického čerpadla, ktoré tlačí kvapalinu cez kolektor. Nie je nezvyčajné nájsť solárne čerpadlá ako externý vstup. Solárne čerpanie je vhodné za mnohých okolností, pretože voda sa iba ohrieva, a teda ju treba čerpať len vtedy, keď svieti slnko.

Výhody

Vzhľadom na povahu hydrológie a termodynamiky nahrádza čerpanie vody cez kolektory potrebu skladovať ohriatu vodu nad kolektormi, čo môže byť náročné a obmedzujúce pri návrhu ( ďalšie vysvetlenie nájdete v častiPasívne systémy).

Nevýhody

Použitie čerpadla si vyžaduje nákup čerpadla, ako aj potrebu zdroja energie, pravdepodobne elektriny , na napájanie čerpadla.

Pasívne systémy

Tiež známy ako termosifónový systém, pasívne solárne systémy sú tie, ktoré nepoužívajú vonkajší zdroj energie. Pasívne solárne je termín, ktorý sa vzťahuje na oveľa viac než len solárnu teplú vodu. Napríklad natrieť bazén na čierno, aby absorboval viac energie, alebo umiestniť okná na južnú stranu domu (na severnej pologuli), aby prepustili viac slnečnej energie, sa považujú za pasívne solárne.

Pasívny solárny ohrievač vody musí brať do úvahy fyziku obklopujúcu hydrológiu a termodynamiku. Tento typ systému používa termosifón. Termosifón využíva energiu slnka na pohyb vody alebo inej kolektorovej tekutiny vo vertikálnom smere. K tomu dochádza, keď má kvapalina rôznu teplotu, a teda rozdiely v hustote. Pretože najteplejšia voda sa bude vždy pohybovať smerom nahor, čím vytlačí studenšiu vodu nadol, zásobník teplej vody alebo výmenník tepla musí byť nad solárnym kolektorom.

Výhody

Na pohyb kvapaliny systémom nie je potrebná žiadna vonkajšia energia. Menej pohyblivých častí rovná sa menej vecí na rozbitie.

Nevýhody

Ak sa používa zásobník teplej vody alebo výmenník tepla, musí byť umiestnený nad solárnym kolektorom, aby mohol prúdiť termosifón. To môže spôsobiť problémy, keďže väčšina solárnych systémov je na strechách domov. Teraz je k dispozícii veľa konštrukčných možností, ktoré uľahčujú skladovanie teplej vody nad systémom.

Systémy výmenníkov tepla

Výmenníky tepla sa používajú v oblastiach, kde sú teploty nižšie ako bod mrazu. Samotné výmenníky tepla sú zabudované do systému uzavretej slučky a odovzdávajú teplo zhromaždené v kolektore do zásobovania teplou vodou domu. Existuje množstvo návrhov výmenníkov tepla.

Bežnou konštrukciou je doplnenie bežného ohrievača teplej vody prenosom tepla z kvapaliny solárneho kolektora do zásobníka teplej vody. Medené rúrky sú dobrým materiálom na ľahký prenos tepelnej energie kvapaliny.

Another common style of heat exchanger uses a barrel with two lines of copper paralleling each other. One tube comes from the solar collector, enters the barrel at the top, spirals around the edge of the barrel, comes out of the barrel at the bottom, and completes the closed loop by returning to the solar collector. The other tube that parallels the first is the household hot water supply. It enters the barrel at the bottom, parallels the collector tubing to the top of the barrel, and exits the barrel at the top, with hot water. The heat is transfered from the hot fluid from the collector, through the copper tubing, and into the household water. The barrel can be insulated on the outside to increase efficiency of transfer.

There are a number of different fluids that can be used in the closed loop system. The following are the more widely used and readily available liquids: glycol/water mixtures, hydrocarbon oils, refrigerants/automotive antifreeze, and silicones. Each of these have benefits and disadvantages. Refer to this EERE reference link to find out more.^[1]

Advantages

Heat exchangers are used for a couple main reasons: to protect the system against freezing, and as one option to supplement another source of water heating.

Disadvantages

Heat Exchangers add complexity to a hot water system. There are more aspects of a system that must be designed and planned for when using a Heat Exchanger. There is also a greater chance of things breaking or not functioning properly due to the added components. Caution must also be taken to insure that the collector fluid is either non toxic, or that there is very little chance of the collector fluid contaminating the potable water supply should there be ruptures in the closed loop system.

Non-heat exchanger systems

These are systems where the potable water to be heated flows directly through the solar collector. This type of system is an Open Loop system.

Advantages

See Open Loop System

Disadvantages

See Open Loop System

Batch systems

Also known as Breadbox, or Integral Collector-Storage (ICS) Systems, these include one or more black tanks or tubes in an insulated, glazed box. It could even be as simple as painting a tank black, putting it in a crate, insulating it on all sides except the one that is pointing at the sun, and covering that sun exposed side with glass or plastic. As the sun warms the water it expands and becomes less dense, encouraging the hot water to flow to the top of the collector. From there it is drawn out into the house as needed or into an auxiliary tank for storage. These work best in areas where freezing temperatures are rare. Despite their climate restrictions they work relatively well; in colder climates they can be used seasonally and drained before harsh winter months.

Collectors

Unglazed

Diagram of two ways to plumb an unglazed collectorUnglazed Solar collector in Parras, Coahuila Mexico

Glazed

Diagram of a Glazed CollectorPresklené panely sa používajú v pasívnom systéme

Vákuová trubica

Schéma evakuovanej trubice (od ilijanasova)Zberač evakuovaných rúrok na plechovom dome

Dávkový zberač

Schéma jedného spôsobu nastavenia dávkového kolektorového systému (od EERE)Obrázok šikovného systému dávkového štýlu (od:servamaticsolarsyste m's)

pozri http://commons.wikimedia.org/wiki/File:BatchSolarHeater.JPG

Príklady

Aktívny systém uzavretej slučky

Schéma aktívneho systému s uzavretou slučkou

Aktívny systém s otvorenou slučkou

Jednoduchý diagram aktívneho systému s otvorenou slučkou

Pasívny systém uzavretej slučky

Pasívny systém s uzavretou slučkou v Parras de la Fuente, Coahuila Mexiko - Čierny valec je izolovaný výmenník tepla

Pasívny systém s otvorenou slučkou

Jednoduchá schéma pasívneho systému s otvorenou slučkou

Referencie

http://www.builditsolar.com/Projects/WaterHeating/ISPWH/IPSWH.pdf Stiahnite si knihu „The Integral Passive Solar Water Heater Book“ od Davida Bainbridgea