Typy solárních teplovodních systémů

Uzavřený pasivní systém v Parras de la Fuente, Coahuila, Mexiko

Solární systémy teplé vody jsou navrženy tak, aby převáděly sluneční energii na vodu . Najít nejúčinnější a nejefektivnější solární systém ohřevu vody pro danou situaci může být náročný úkol. Existuje řada klíčových faktorů, které je třeba vzít v úvahu při výběru nejvhodnější konfigurace systému. Mezi tyto faktory patří do značné míry množství slunečního záření, klima, náklady na výstavbu, instalaci a materiál, umístění a dostupnost systému, množství vody potřebné k ohřevu, frekvence používání teplé vody, dostupnost elektřiny, dostupnost materiálů, a úroveň dovedností ve stavebnictví.

Následující klasifikace systémů jsou ve třech skupinách po dvou a jedné skupině po jednom jedinečném systému. Tyto čtyři hlavní skupiny jsou:

1. Otevřená smyčka vs uzavřená smyčka .
2. Aktivní vs pasivní .
3. Používá výměník tepla vs Nepoužívá výměník tepla .
4. Dávkový systém .

Každý daný systém používá jednu charakteristiku z každé skupiny. Systém může být například aktivní systém s otevřenou smyčkou, který nepoužívá výměník tepla. Nebo dalším příkladem může být systém pasivní systém s uzavřenou smyčkou, který používá výměník tepla. Některé systémy se vyrábějí mnohem snadněji než jiné a lidé se základními znalostmi nástrojů a konstrukce mohou snadno vytvořit funkční systém. Pokud si někdo přeje vytvořit svůj vlastní systém, tato variabilita ve složitosti by ovlivnila, jaký typ systému se zvolí.

Cena je dalším faktorem a každá konfigurace systému přináší řadu různých nákladů a výhod. Náklady na jakýkoli konkrétní systém se mohou v jednotlivých zemích a regionech značně lišit. Některé konfigurace využívající určité typy zařízení jsou ve specifických situacích účinnější než jiné. Následující informace poskytují podrobný pohled na tyto různé způsoby konstrukce teplovodních solárních kolektorů.

Na konci této stránky jsou také uvedeny různé typy kolektorů a příklady různých běžných solárních systémů pro ohřev vody.

Tato stránka popisuje různé systémy, které se používají k ohřevu vody sluncem. Pro obecnější popis solární teplé vody navštivte stránku Solární ohřev vody .

Systémy s otevřenou smyčkou

Otevřená smyčka znamená, že voda, která vyžaduje ohřev, protéká přímo samotným teplovodním solárním kolektorem. Neexistuje žádná zprostředkující tekutina. Viz část Uzavřená smyčka níže, kde je uvedena jediná výjimka z této definice, kdy voda v systému s uzavřenou smyčkou protéká přímo solárním kolektorem. Systémy s otevřenou smyčkou nepoužívají výměníky tepla.

Výhody

Systémy s otevřenou smyčkou jsou nejjednodušší na navrhování a konstrukci. Obecně vyžadují nejmenší množství konstrukce a mají potenciál vydržet déle bez vážné údržby kvůli jejich omezenému počtu pohyblivých částí.

Nevýhody

Systémy Open Loop nejsou ideální v oblastech, kde mohou teploty klesnout pod bod mrazu. Potrubí může zamrznout, což způsobí, že se kapalná voda roztáhne na led, který potrubí roztrhne. Před mrazem je nutné systém vypustit, aby se zachovalo potrubí. V oblastech, kde teploty klesají pod bod mrazu, se doporučuje použít systém s uzavřenou smyčkou s výměníkem tepla nebo implementovat jednu nebo více z různých technik, aby se zabránilo zamrznutí potrubí. Preventivní opatření mohou mít podobu vypouštění systému, buď ručního nebo řízeného termostatem, nebo čerpadla, které během chladného počasí tlačí konvenčně ohřátou vodu systémem. Systém může být také navržen tak, aby voda odtékala z kolektoru samospádem, když oběhové čerpadlo neběží.

Systémy s uzavřenou smyčkou

Systémy s uzavřenou smyčkou jsou složitější na výrobu a implementaci než systémy s otevřenou smyčkou, protože je lze použít v širší škále podnebí. Systém s uzavřenou smyčkou používá nějaký druh kapaliny, která má mnohem nižší bod tuhnutí než voda, přesto snadno absorbuje a uvolňuje teplo. Dobrým příkladem je nemrznoucí směs používaná v automobilových chladičích. Tato tekutina prochází solárním kolektorem, ohřívá se a pohybuje se do nějakého typu výměníku tepla. Viz Systémy výměníků tepla níže. Vzhledem k povaze systémů s uzavřenou smyčkou jsou tepelné výměníky potřebné k přenosu tepla z kolektoru do vody. Systémy s uzavřenou smyčkou lze také použít v aplikacích sálavých podlah nebo nástěnných radiátorů k ohřevu prostoru spíše než vody.

Výhody

Na rozdíl od většiny systémů s otevřenou smyčkou lze systémy s uzavřenou smyčkou používat v oblastech s teplotami pod bodem mrazu. Kvůli jedinečným vlastnostem vody může při zamrznutí vody prasknout potrubí. Tomu se zabrání použitím tekutiny, která má mnohem nižší bod tuhnutí než voda.

Nevýhody

Systémy s uzavřenou smyčkou vyžadují použití výměníku tepla. To přidává neefektivnosti systému, které je třeba vzít v úvahu ve fázi návrhu a dimenzování systému. Další materiály pro výměník tepla mohou také zvýšit náklady na systém.

Aktivní systémy

Aktivní systémy jsou takové, které ke svému fungování vyžadují vnější energii. Obecně tato energie přichází ve formě elektrického čerpadla, které tlačí tekutinu přes kolektor. Není neobvyklé najít solární čerpadla jako externí vstup. Solární čerpání je vhodné v mnoha případech z toho důvodu, že voda se pouze ohřívá, a proto je třeba ji čerpat pouze tehdy, když svítí slunce.

Výhody

Vzhledem k povaze hydrologie a termodynamiky nahrazuje čerpání vody přes kolektory potřebu ukládat ohřátou vodu nad kolektory, což může být náročné a omezující pro návrh ( další vysvětleníviz Pasivní systémy).

Nevýhody

Použití čerpadla vyžaduje jak nákup čerpadla, tak i potřebu zdroje energie, pravděpodobně elektřiny , pro napájení čerpadla.

Pasivní systémy

Pasivní solární systémy, známé také jako termosifonový systém, jsou ty, které nepoužívají vnější zdroj energie. Pasivní solární energie je termín, který se vztahuje na mnohem více než jen solární ohřev vody. Například natření bazénu na černo, aby absorboval více energie, nebo umístění oken na jižní stranu domu (na severní polokouli), aby se dovnitř dostalo více sluneční energie, jsou považovány za pasivní solární.

Pasivní solární ohřívač vody musí brát v úvahu fyziku obklopující hydrologii a termodynamiku. Tento typ systému používá termosifon. Termosifon využívá energii slunce k pohybu vody nebo jiné sběrné kapaliny ve vertikálním směru. K tomu dochází, když má kapalina proměnlivou teplotu, a tím i rozdíly v hustotě. Protože nejteplejší voda se bude vždy pohybovat směrem nahoru, a tím vytlačit studenější vodu směrem dolů, musí být zásobník teplé vody nebo výměník tepla nad solárním kolektorem.

Výhody

K pohybu kapaliny systémem není potřeba žádná vnější energie. Méně pohyblivých částí rovná se méně věcí k rozbití.

Nevýhody

Pokud je použit zásobník teplé vody nebo výměník tepla, musí být umístěn nad solárním kolektorem, aby termosifon mohl proudit. To může způsobit problémy, protože většina solárních systémů je na střechách domů. Nyní je k dispozici mnoho konstrukčních možností, které usnadňují akumulaci teplé vody nad systémem.

Systémy výměníků tepla

Výměníky tepla se používají v oblastech, kde jsou teploty nižší než bod mrazu. Samotné tepelné výměníky jsou zabudovány do systému uzavřené smyčky a přenášejí teplo nashromážděné v kolektoru do zásobování teplou vodou domu. Existuje celá řada provedení výměníků tepla.

Běžnou konstrukcí je doplnění konvenčního ohřívače teplé vody přenosem tepla ze solárního kolektoru do zásobníku teplé vody. Měděné trubky jsou dobrým materiálem pro snadný přenos tepelné energie kapaliny.

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 CollectorProsklené panely se používají v pasivním systému

Vakuovaná trubice

Schéma evakuované trubice (od ilijanasova)Sběrač evakuovaných trubic na plechovém domě

Dávkový sběrač

Schéma jednoho způsobu nastavení dávkového kolektorového systému (od EERE)Obrázek šikovného systému dávkového stylu (od:servamaticsolarsyste m's)

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

Příklady

Aktivní systém s uzavřenou smyčkou

Schéma aktivního systému s uzavřenou smyčkou

Aktivní systém otevřené smyčky

Jednoduchý diagram aktivního systému s otevřenou smyčkou

Pasivní systém s uzavřenou smyčkou

Pasivní systém s uzavřenou smyčkou v Parras de la Fuente, Coahuila Mexiko - Černý válec je izolovaný výměník tepla

Pasivní systém otevřené smyčky

Jednoduché schéma pasivního systému s otevřenou smyčkou

Reference

http://www.builditsolar.com/Projects/WaterHeating/ISPWH/IPSWH.pdf Stáhnout „The Integral Passive Solar Water Heater Book“ od Davida Bainbridge