Solarni kolektori za grejanje vode i vazduha – Šta je to? Zašto su oni potrebni?

Solarni kolektor je uređaj za prikupljanje toplotne energije Sunca (solarna elektrana), nošena vidljivom svetlošću i bliskim infracrvenim zračenjem. Za razliku od solarnih panela koji proizvode električnu energiju, solarni kolektor zagreva materijal za prenos toplote.

Obično se koristi za potrebe vodosnabdevanja i zagrevanja prostora Uobičajeno se koristi za potrebe snabdevanja toplom vodom i zagrevanja prostora.

Vrste solarnih kolektora

Ravni solarni kolektor

Ravni kolektor se sastoji od elementa koji apsorbuje sunčevo zračenje (apsorbera), providnog premaza i termoizolacionog sloja. Apsorber je povezan sa sistemom za prenos toplote. Premazan je crnom bojom ili posebnim selektivnim premazom (obično raspršivanjem crnog nikla ili titan oksida) radi povećanja efikasnosti. Prozirni element je obično napravljen od kaljenog stakla sa smanjenim sadržajem metala ili specijalnog valovitog polikarbonata. Zadnja strana panela je prekrivena toplotnoizolacionim materijalom (na primer, poliizocijanurat). Cevi kroz koje se rashladna tečnost distribuira su napravljene od umreženog polietilena ili bakra. Sama ploča je hermetička, za šta su rupe u njoj zatvorene silikonskim zaptivačem.

U odsustvu unosa toplote (stagnacije), ravni kolektori su u stanju da zagreju vodu do 190-210 °C.

Što se više upadne energije prenosi na rashladnu tečnost koja teče u kolektoru, to je veća njegova efikasnost. Može se povećati korišćenjem specijalnih optičkih premaza koji ne emituju toplotu u infracrvenom spektru.

Vakumski solarni kolektor

U režimu ograničenja ekstrakcije toplote moguće je povećati temperaturu rashladne tečnosti do 250-300 °C. Ovo se može postići smanjenjem gubitka toplote kao rezultat upotrebe višeslojnog staklenog premaza, zaptivanja ili stvaranja vakuuma u ​​kolektorima.

U stvari, solarna toplotna cev ima uređaj sličan kućnim termosama. Samo je spoljni deo cevi providan, dok unutrašnja cev ima visoko selektivnu prevlaku koja hvata sunčevu energiju. Između spoljašnje i unutrašnje staklene cevi postoji vakuum. To je vakuumski sloj koji omogućava uštedu oko 95% uhvaćene toplotne energije.

Pored toga, toplotne cevi su našle primenu u vakuumskim solarnim kolektorima, koji deluju kao provodnik toplote. Kada se instalacija ozrači sunčevom svetlošću, tečnost u donjem delu cevi se zagreva i pretvara u paru. Pare se dižu do vrha cevi (kondenzatora), gde se kondenzuju i prenose toplotu kolektoru. Korišćenje ovog kola vam omogućava da postignete veću efikasnost (u poređenju sa ravnim kolektorima) kada radite na niskim temperaturama i slabom osvetljenju.

Savremeni kućni solarni kolektori su u stanju da zagreju vodu do tačke ključanja čak i pri negativnim temperaturama okoline.

Kolektorski uređaj za domaćinstvo

Rashladna tečnost (voda, vazduh, ulje ili antifriz) se zagreva cirkulacijom kroz kolektor, a zatim prenosi toplotnu energiju u rezervoar za skladištenje, koji akumulira toplu vodu za potrošača.

U jednostavnoj varijanti, cirkulacija vode se javlja prirodno zbog temperaturne razlike u kolektoru. Ovo rešenje poboljšava efikasnost solarne instalacije, jer efikasnost solarnog kolektora opada sa povećanjem temperature rashladne tečnosti.

Postoje i solarne instalacije za zagrevanje vode akumulacionog tipa, u kojima ne postoji poseban rezervoar, a zagrejana voda se skladišti direktno u solarnom kolektoru. U ovom slučaju, instalacija je rezervoar blizu pravougaonog oblika.

Prednosti i mane ravnih i vakuumskih kolektora

Vakuumski cevasti	Stan visoko selektivan
Prednosti	Prednosti
Mali gubitak toplote	Sposobnost čišćenja snega i mraza
Efikasnost u hladnoj sezoni do -30C	Visoke performanse leti
Sposobnost stvaranja visokih temperatura	Odličan odnos cene i performansi za južne geografske širine i toplu klimu
Dugi period rada tokom dana	Može se instalirati pod bilo kojim uglom
Jednostavnost instalacije	Niži početni trošak
Lov vindage
Odličan odnos cena/performanse za umerene geografske širine i hladne klime
Nedostatke	Nedostatke
Nemogućnost samočišćenja snega	Veliki gubitak toplote
Relativno visoka početna cena projekta	Loše performanse tokom hladne sezone
Radni ugao nagiba ne manji od 20°	Složenost ugradnje povezana je sa potrebom da se montirani kolektor isporuči na krov
	High vindage

Solarni kolektori-koncentratori

Povećanje radnih temperatura do 120–250 °C moguće je uvođenjem koncentratora u solarne kolektore pomoću paraboličkih korita reflektora postavljenih ispod upijajućih elemenata. Za postizanje viših radnih temperatura potrebni su solarni uređaji za praćenje.

Solarni kolektori vazduha

Solarni kolektori vazduha su uređaji koji rade na solarnu energiju i zagrevaju vazduh. Solarni vazdušni kolektori se najčešće koriste za zagrevanje prostora, sušenje poljoprivrednih proizvoda. Vazduh prolazi kroz apsorber zbog prirodne konvekcije ili pod uticajem ventilatora.

U nekim solarnim grejačima vazduha, ventilatori su pričvršćeni za ploču apsorbera da bi se poboljšao prenos toplote. Nedostatak ovog dizajna je što troši energiju za rad ventilatora, čime se povećavaju operativni troškovi sistema. U hladnim klimatskim uslovima, vazduh se usmerava u otvor između ploče apsorbera i izolovanog zadnjeg zida kolektora: na taj način se izbegava gubitak toplote kroz zastakljivanje. Međutim, ako se vazduh zagreje ne više od 17°C iznad temperature spoljašnjeg vazduha, medij za prenos toplote može da cirkuliše na obe strane ploče apsorbera bez većeg gubitka efikasnosti.

Glavne prednosti vazdušnih kolektora su njihova jednostavnost i pouzdanost. Uz odgovarajuću negu, kvalitetan kolektor može da traje 10-30 godina i veoma je lak za upravljanje. Nije potreban izmenjivač toplote jer se vazduh ne smrzava.

Aplikacija

Solarni kolektori se koriste za zagrevanje industrijskih i kućnih prostorija, za snabdevanje toplom vodom proizvodnih procesa i kućnih potreba. Najveći broj proizvodnih procesa koji koriste toplu i toplu vodu (30-90 °C) odvija se u prehrambenoj i tekstilnoj industriji, koje stoga imaju najveći potencijal za upotrebu solarnih kolektora.

U Evropi je 2000. godine ukupna površina solarnih kolektora iznosila 14,89 miliona m², a širom sveta – 71,341 miliona m².

Solarni kolektori – koncentratori mogu proizvoditi električnu energiju pomoću fotonaponskih ćelija ili Stirlingovog motora.

Solarni kolektori se mogu koristiti u postrojenjima za desalinizaciju morske vode. Prema nemačkom vazduhoplovnom centru (DLR), do 2030. cena desalinizovane vode će pasti na 40 evrocenti po kubnom metru vode.

U Rusiji

Prema istraživanju JIHT RAS, tokom toplog perioda (od marta-aprila do septembra), u većem delu Rusije, prosečna dnevna količina sunčevog zračenja je 4,0-5,0 kVh/m² (na jugu Španije – 5,5-6,0 kVh/ m², na jugu Nemačke – do 5 kVh / m²). Ovo omogućava zagrevanje oko 100 litara vode za kućne potrebe pomoću solarnog kolektora od 2 m² sa verovatnoćom do 80%, odnosno skoro svakodnevno. Po prosečnom godišnjem prilivu sunčevog zračenja, lideri su Transbaikalija, Primorje i jug Sibira. Sledi jug evropskog dela (do približno 50º N) i značajan deo Sibira.

Upotreba solarnih kolektora u Rusiji je 0,2 m² / 1000 ljudi.U Nemačkoj se koristi 140 m² / 1000 ljudi, u Austriji 450 m² / 1000 ljudi, na Kipru oko 800 m² / 1000 ljudi.

U letnjem periodu većina regiona Rusije do 65º N.S. karakterišu visoke vrednosti prosečnog dnevnog zračenja. Zimi se količina dolazne solarne energije smanjuje nekoliko puta u zavisnosti od geografske širine lokacije instalacije.

Za upotrebu tokom cele sezone, jedinice moraju imati veliku površinu, dva kola protiv smrzavanja i dodatne izmenjivače toplote. U ovom slučaju se koriste evakuisani kolektori ili ravni kolektori sa visoko selektivnim premazom, pošto je temperaturna razlika između zagrejane rashladne tečnosti i spoljašnjeg vazduha veća. Međutim, ovaj dizajn je skuplji.

Izgradnja kolektora se trenutno odvija uglavnom u Krasnodarskoj teritoriji, Burjatiji, Primorskoj i Habarovskoj teritoriji.

Solarni tornjevi

Po prvi put, ideju o stvaranju solarne elektrane industrijskog tipa izneo je sovjetski inženjer N. V. Linicki 1930-ih. Istovremeno je predložio šemu za solarnu stanicu sa centralnim prijemnikom na tornju. U njemu se sistem za hvatanje sunčevih zraka sastojao od polja heliostata – ravnih reflektora kontrolisanih u dve koordinate. Svaki heliostat reflektuje sunčeve zrake na površinu centralnog prijemnika, koji je podignut iznad polja heliostata da bi se eliminisao uticaj međusobnog senčenja. Po svojim dimenzijama i parametrima, prijemnik je sličan konvencionalnom parnom kotlu.

Ekonomske procene su pokazale izvodljivost upotrebe velikih turbogeneratora od 100 MWatt na ovakvim stanicama. Za njih su tipični parametri temperatura od 500 °C i pritisak od 15 MPa. Uzimajući u obzir gubitke, za obezbeđivanje ovakvih parametara bila je potrebna koncentracija od oko 1000. Takva koncentracija je postignuta kontrolom heliostata u dve koordinate. Stanice su morale da imaju akumulatore toplote da bi obezbedile rad toplotnog motora u odsustvu sunčevog zračenja.

Od 1982. godine u Sjedinjenim Državama izgrađeno je nekoliko elektrana tipa tornjeva sa kapacitetom od 10 do 100 MWatt. Detaljna ekonomska analiza sistema ovog tipa pokazala je da, uzimajući u obzir sve troškove izgradnje, 1 kWatt instalisane snage košta oko 1150 dolara. Jedan kWh električne energije koštao je oko 0,15 dolara.

Parabolični koncentratori

Parabolično-cilindrični koncentratori imaju oblik parabole ispružene duž prave linije.

Frank Šuman je 1913. godine izgradio pumpnu stanicu u Egiptu od paraboličkih koncentratora. Stanica se sastojala od pet čvorišta dužine po 62 metra. Reflektujuće površine su napravljene od običnih ogledala. Stanica je proizvodila paru, kojom je pumpala oko 22.500 litara vode u minuti.

Parabolično-cilindrični koncentrator ogledala fokusira sunčevo zračenje u liniju i može da obezbedi njegovu stostruku koncentraciju. U fokus parabole je postavljena cev sa rashladnom tečnošću (uljem) ili fotonaponska ćelija. Ulje se zagreva u cevi do temperature od 300-390 °C. U avgustu 2010. NREL je testirao SkiFuel instalaciju. Tokom testova, pokazalo se da je termička efikasnost paraboličkih koncentratora 73% pri temperaturi zagrevanja rashladne tečnosti od 350 °C.

Parabolična cilindrična ogledala se prave dužine do 50 metara. Ogledala su orijentisana duž ose sever-jug, i raspoređena u redove na svakih nekoliko metara. Rashladna tečnost ulazi u akumulator toplote za dalju proizvodnju električne energije pomoću generatora parne turbine.

Od 1984. do 1991. godine izgrađeno je devet elektrana iz paraboličkih koncentratora u Kaliforniji ukupnog kapaciteta 354 MWatt. Cena električne energije iznosila je oko 0,12 dolara po kWh.

Nemačka kompanija Solar Millennium AG gradi solarnu elektranu u Unutrašnjoj Mongoliji (Kina). Ukupni kapacitet elektrane će se povećati na 1.000 MWatt do 2020. godine. Kapacitet prve faze biće 50 MWatt.

U junu 2006. godine u Španiji je izgrađena prva termo solarna elektrana snage 50 MWatt. U Španiji će do 2010. godine moći da se izgradi 500 MWatt elektrana sa paraboličnim koritastim koncentratorima.

Svetska banka finansira izgradnju sličnih elektrana u Meksiku, Maroku, Alžiru, Egiptu i Iranu.

Koncentracija sunčevog zračenja omogućava smanjenje veličine fotonaponske ćelije. Ali u isto vreme, njegova efikasnost se smanjuje i potreban je neki sistem hlađenja.

Parabolički koncentratori

Parabolični koncentratori su oblikovani kao paraboloid revolucije. Parabolički reflektor se kontroliše u dve koordinate kada prati sunce. Energija sunca je usmerena na malu površinu. Ogledala odražavaju oko 92% sunčevog zračenja koje pada na njih. U fokusu reflektora, Stirlingov motor, ili fotonaponske ćelije, fiksiran je na nosač. Stirlingov motor je postavljen tako da je grejna površina u fokusu reflektora. Kao radni fluid Stirlingovog motora, po pravilu se koristi vodonik ili helijum.

U februaru 2008. Nacionalna laboratorija Sandia je postigla efikasnost od 31,25% u postavci koja se sastoji od paraboličnog koncentratora i Stirling motora.

Trenutno su u izgradnji postrojenja sa paraboličnim koncentratorima kapaciteta 9–25 kWatt. Razvijaju se kućne instalacije snage 3 kWatt. Efikasnost ovakvih sistema je oko 22-24%, što je više nego kod fotonaponskih ćelija. Kolektori su napravljeni od uobičajenih materijala: čelika, bakra, aluminijuma itd. bez upotrebe silicijuma “solarnog kvaliteta”. U metalurgiji se koristi takozvani “metalurški silicijum” čistoće od 98%. Za proizvodnju fotonaponskih ćelija koristi se silicijum “solarnog kvaliteta” ili “solarnog kvaliteta” čistoće od 99,9999%.

U 2001. godini cena električne energije proizvedene u solarnim kolektorima iznosila je 0,09-0,12 dolara po kWh. Američko ministarstvo energetike predviđa da će se cena električne energije proizvedene u solarnim koncentratorima smanjiti na 0,04-0,05 dolara do 2015-2020.

Stirling Solar Energi razvija solarne kolektore velikih veličina – do 150 kWatt sa Stirling motorima. Kompanija gradi najveću solarnu elektranu na svetu u južnoj Kaliforniji. Do 2010. biće 20.000 paraboličnih kolektora prečnika 11 metara. Ukupni kapacitet elektrane može se povećati do 850 MWatt.

Frenelova sočiva

Frenelova sočiva se koriste za koncentrisanje sunčevog zračenja na površini fotonaponske ćelije ili na cevi za prenos toplote. Koriste se i prstenasta i stručna sočiva. Na engleskom se koristi termin LFR – linearni Fresnel reflektor.

Širenje

U 2010. godini širom sveta radilo je 1.170 MWatt solarnih termoelektrana. Od toga, Španija ima 582 MWatt, a SAD 507 MWatt. Planirana je izgradnja solarnih termoelektrana od 17,54 GWatt. Od toga, u SAD 8670 MWatt, u Španiji 4460 MWatt, u Kini 2500 MWatt. U 2011. bilo je 23 proizvođača i dobavljača ravnih kolektora iz 12 zemalja; 88 proizvođača i dobavljača vakuumskih kolektora iz 21 zemlje.