Princíp termosifónového systému v hre.Za vhodnú technológiu sa považuje termosifónovanie , známe tiež ako termosifónovanie . Tento proces využíva prírodné, obnoviteľné zdroje a základné zákony termodynamiky na vytvorenie pohybu ohriateho prívodu vzduchu alebo vody. Zdrojom energie pre tento proces je slnečné žiarenie (alebo akýkoľvek iný zdroj tepla). Slnečná energia sa zachytáva v solárnom zbernom zariadení a prenáša sa buď do vzduchu alebo do vody vedením. Celý proces možno vysvetliť termosifónovým efektom : keď sa ohrieva vzduch alebo voda, získava kinetickú energiu zo zdroja ohrevu a dochádza k excitácii. V dôsledku toho sa voda stáva menej hustou, expanduje a tým stúpa. Naproti tomu, keď sa voda alebo vzduch ochladí, energia sa z molekúl odoberie a voda sa stane menej aktívnou, hustejšou a má tendenciu „klesať“. Termosifón využíva prirodzené rozdiely v hustote medzi studenými a horúcimi tekutinami a riadi ich v systéme, ktorý vytvára prirodzený pohyb tekutín. V súčasnosti je dostupných niekoľko systémov založených na tejto technológii, o ktorých si možno podrobnejšie prečítať v nasledujúcom texte.
Princíp termosifónového systému spočíva v tom, že studená voda má vyššiu špecifickú hmotnosť (hustotu) ako teplá voda, a preto, že je ťažšia, klesá. Preto je kolektor vždy namontovaný pod zásobníkom vody, takže studená voda zo zásobníka sa dostane do kolektora klesajúcim vodovodným potrubím. Ak kolektor ohrieva vodu, voda opäť stúpa a stúpa do nádrže stúpajúcim vodným potrubím na hornom konci kolektora. Cyklus zásobník → vodovodná rúra → kolektor zabezpečuje ohrievanie vody, kým nedosiahne rovnovážnu teplotu. Spotrebiteľ potom môže využívať horúcu vodu z hornej časti zásobníka, pričom akákoľvek použitá voda je nahradená studenou vodou v spodnej časti. Kolektor potom opäť ohrieva studenú vodu. V dôsledku vyšších teplotných rozdielov pri vyššom slnečnom žiarení stúpa teplá voda rýchlejšie ako pri nižšom žiarení. Cirkulácia vody sa preto takmer dokonale prispôsobuje úrovni slnečného žiarenia. Zásobná nádrž termosifónového systému musí byť umiestnená vysoko nad kolektorom, inak sa cyklus môže v noci spustiť dozadu a všetka voda sa ochladí. Okrem toho cyklus nefunguje správne pri veľmi malých výškových rozdieloch. V regiónoch s vysokým slnečným žiarením a architektúrou plochých striech sú akumulačné nádrže zvyčajne inštalované na streche.
Termosyfónové systémy fungujú veľmi hospodárne ako systémy na ohrev vody pre domácnosť. Princíp je jednoduchý, nepotrebuje čerpadlo ani ovládanie. Termosyfónové systémy však zvyčajne nie sú vhodné pre veľké systémy, to znamená systémy s viac ako 10 m² plochy kolektora. Ďalej je ťažké umiestniť nádrž nad kolektor v budovách so šikmou strechou a jednookruhové termosifónové systémy sú vhodné len pre oblasti bez mrazu.
Obsah
Základná fyzika
Termodynamika je veda o energii .
- Prvý zákon termodynamiky – hovorí, že energia sa môže meniť z jednej formy na druhú, ale nemôže byť vytvorená ani zničená. Energia sa vždy šetrí.
Tento zákon možno aplikovať na pohyb vody v termosifónovom systéme: Energia zo slnka je smerovaná a prenášaná (kondukciou a konvekciou) buď do vody, vzduchu alebo iného média podľa výberu. Tento prirodzený proces vykurovania eliminuje potrebu externých zdrojov energie, ako sú fosílne palivá alebo elektrina.
- Druhý zákon termodynamiky – hovorí, že pri všetkých výmenách energie, ak žiadna energia nevstúpi do systému ani ho neopustí, potenciálna energia stavu bude vždy menšia ako energia počiatočného stavu. Čistý výnos systému je vždy nižší ako ten, ktorý bol pôvodne vložený.
Energia sa vždy šetrí, avšak energia (alebo v tomto prípade teplo) sa môže často stratiť v danom systéme (termosifónovanie) ako teplo. Pridanie izolácie s vhodnými hodnotami R do systému a jeho inštalácie môže výrazne znížiť tepelné straty, a tým zvýšiť účinnosť.
- Planckov zákon - Vlnová dĺžka žiarenia vyžarovaného z povrchu je úmerná teplote povrchu. Energia prenášaná v dôsledku teplotných rozdielov medzi dvoma objektmi. Tmavé predmety absorbujú teplo, zatiaľ čo svetlé sa odrážajú.
Tmavo sfarbené zberné platne v solárnom kolektore pomôžu zvýšiť absorpciu slnka, čím sa zvýši množstvo tepla dostupného na ohrev vody alebo vzduchu pri termosifóne. Na rozdiel od toho by sa malo použiť reflexné alebo svetlo sfarbené potrubie a zásobníky, pretože svetlé farby pomôžu znížiť vyžarovanie tepla zo systému.
Pasívny ohrev vody
Pasívne termosifónovanie vody je proces ohrevu a pohybu vody v systéme bez potreby alebo použitia elektriny. Tento proces funguje s využitím prírodných javov, ako je slnečná energia, gravitácia a dostupný zdroj vody. Slnečný kolektor , potrubie a nádrž na vodu sú materiály potrebné pre proces ohrevu. Prúd vody je distribuovaný do, vo vnútri a von zo solárneho kolektora. Studená voda vstupuje do spodnej časti solárneho kolektora, kde sa potom ohrieva konvekciou slnečným žiarením. Keď sa voda ohrieva, stáva sa menej hustá ako chladnejšia voda, expanduje a potom stúpa ( tečie ) potrubím. Ohriata voda prirodzene opúšťa hornú časť solárneho kolektora. Chladnejšia a hustejšia voda klesá a zostáva v solárnom kolektore, kým sa neohreje. Keď sa studená voda ohrieva, expanduje, stúpa a je vytláčaná z hornej časti solárneho kolektora, čo umožňuje prúdenie studenej vody do solárneho kolektora. Tento proces prirodzene pokračuje, kým teplota vody nedosiahne rovnováhu so vstupom slnečného žiarenia.
V súčasnosti sú k dispozícii dva typy termosifónových systémov výmeny vody: systém tesnej väzby a systém gravitačného napájania.
Systém tesnej väzby
.jpg)
SchémySystémy s tesnou väzbou fungujú na rovnakých princípoch pasívneho termosifónu, ako je uvedené vyššie. Zásobník týchto systémov musí byť umiestnený nad solárnym kolektorom, aby sa využila cirkulácia vody poháňaná procesom pasívneho termosifónu.
Materiály
- Solárna energia
- Slnečný kolektor
- Potrubie
- Izolácia
- Voda
- Zásobná nádrž
- Silná strecha alebo iný nosný systém
náklady
- Výskum z roku 2007 naznačuje, že pasívne termosifónové ohrievače vody sa môžu pohybovať od 500 do 6 500 USD. Ceny sa môžu líšiť v závislosti od veľkosti nádrže, slnečného žiarenia a geografickej polohy
- Mnoho krajín, štátov a verejnoprospešných služieb poskytuje stimuly pre účasť na obnoviteľnej energii
Pros
- Neznečisťujúce
- Úspora energie - Na pasívne termosifónovanie nie je potrebná žiadna elektrina
- Nákladovo efektívne
- Úspora miesta - (tj v interiéri)
Zápory
- Vystavenie nádrže vonkajším podmienkam prostredia môže znížiť účinnosť v závislosti od geografickej polohy
- Estetika – môže byť považovaná za vizuálne nepríjemnú
- Potrebná pevná nosná konštrukcia (napr. strecha)
- Nevhodné pre extrémne chladné podnebie
- Umiestnenie - musí byť umiestnené v oblasti s vhodnou slnečnou expozíciou (tj južná strana požadovanej oblasti)
Systém gravitačného podávania
.jpg)
SchémySystémy gravitačného napájania využívajú rovnaké princípy pasívneho termosifónu ako systém s tesnou väzbou, avšak umiestnenie nádrže sa líši. Nádrže sú inštalované horizontálne do strechy, ktorá je často umiestnená priamo nad solárnym kolektorom. Akonáhle je to potrebné, ohriata voda v akumulačnej nádrži prejde cestou najmenšieho odporu a pohybuje sa gravitáciou dole na požadované miesto. Systémy s gravitačným prívodom vyžadujú viac potrubí/inštalatérskych prác na distribúciu ohriatej vody a tento faktor je potrebné vziať do úvahy pri inštalácii alebo kúpe termosifónového systému.
Materiály
- Solárna energia
- Slnečný kolektor
- Potrubie
- Izolácia
- Voda
- Zásobná nádrž
- Silná strecha alebo iný nosný systém
náklady
- Systémy gravitačného napájania sú zvyčajne najlacnejšie pasívne termosifónové ohrievače vody
- Výskum z roku 2007 naznačuje, že náklady sa môžu pohybovať od 400 do 5 500 USD (bez prípadných nákladov na inštaláciu). Ceny sa môžu líšiť v závislosti od veľkosti nádrže, slnečného žiarenia a geografickej polohy
- Mnoho krajín, štátov a verejnoprospešných služieb poskytuje stimuly pre účasť na obnoviteľnej energii
Pros
- Neznečisťujúce
- Úspora energie - Na pasívne termosifónovanie nie je potrebná žiadna elektrina
- Nákladovo efektívne
- Úspora miesta - (tj v interiéri)
- Estetika - (horizontálne umiestnenie nádrže)
Zápory
- Inštalatérske práce a potrubia zvyšujú náklady systému
- Estetika – môže byť považovaná za vizuálne nepríjemnú
- Potrebná pevná nosná konštrukcia (napr. strecha)
- Nevhodné pre extrémne chladné podnebie
- Umiestnenie - musí byť umiestnené v oblasti s vhodnou slnečnou expozíciou (tj južná strana požadovanej oblasti)
Aktívny ohrev vody
.jpg)
SchémyAktívne solárne vykurovacie systémy, tiež známe ako čerpadlové systémy alebo delené systémy , fungujú na rovnakom základe termosifónového efektu , avšak aktívne systémy využívajú na podporu procesu iný zdroj energie ako solárnu energiu. Tento systém inštaluje iba solárny kolektor na strechu, zatiaľ čo zásobník je inštalovaný na zemi alebo kdekoľvek inde pod ním. Tieto aktívne jednotky na ohrev vody vyžadujú určitú vonkajšiu formu energie na prečerpávanie vody do celého systému. Využitím dodatočnej energie sú tieto aktívne systémy menej nákladovo efektívne ako pasívne systémy.
Materiály
- Solárna energia
- Slnečný kolektor
- Elektrická energia
- Elektrické čerpadlo
- Dodatočné potrubie
- Izolácia
- Voda
- Zásobná nádrž
náklady
- Výskum z roku 2007 naznačuje, že aktívne termosifónové ohrievače vody sa môžu pohybovať od 1 200 do 10 500 USD. Ceny sa môžu líšiť v závislosti od veľkosti nádrže, požiadaviek na vnútorné potrubie, slnečného žiarenia a geografickej polohy
- Mnoho krajín, štátov a verejnoprospešných služieb poskytuje stimuly pre účasť na obnoviteľnej energii
Pros
- Úspora peňazí
- Nákladovo efektívne
- Estetika - Zásobník nie je umiestnený na streche
- Zníženie emisií skleníkových plynov – Ak je správne izolovaný, má potenciál znečisťovať rovnako málo ako pasívne systémy.
Zápory
- Spotrebuje viac energie ako pasívny systém
- Vyžaduje viac údržby ako pasívny systém
- Tepelné straty - pri prestupe zo solárneho kolektora do nižšie položeného zásobníka
- Znečisťuje niektoré - z elektrickej energie
- Umiestnenie - musí byť umiestnené v oblasti s vhodnou slnečnou expozíciou (tj južná strana požadovanej oblasti)
Pasívna výmena vzduchu
_(3).jpg)
SchémyPríkladom metódy pasívneho solárneho tepelného systému je termosifónová výmena tepla . Je založená na princípe prirodzenej konvekcie , pri ktorej vzduch alebo voda cirkuluje vo vertikálnom uzavretom okruhu bez použitia čerpadla. Chladný vzduch v interiéri prechádza ventilačným otvorom a smeruje do otvoru v spodnej časti solárneho kolektora. Vzduch obsiahnutý v solárnom kolektore je potom ohrievaný slnkom prostredníctvom slnečného žiarenia . Studený vzduch je hustý a bude klesať, zatiaľ čo teplý vzduch je menej hustý a bude stúpať. Keď sa vzduch v solárnom kolektore ohrieva, stáva sa menej hustým ako chladnejší vzduch a stúpa. Teplý vzduch stúpa z prieduchu v hornom otvore solárneho kolektora, presúva sa do požadovanej oblasti (tj v interiéri) a je nahradený chladnejším vzduchom. Tento proces výmeny vzduchu bude pokračovať dovtedy, kým teplota vnútorného vzduchu nedosiahne rovnováhu s teplotou vonku.
Materiály
- Solárny kolektor – Čím väčší solárny kolektor, tým lepšie.
- Rám
- 6 vertikálnych dosiek 2 x 6 palcov - Príborníky
- Dosky 2x6 a 2x8 - horný parapet
- Pozdĺžne skrutky - Odporúčané, ale nie potrebné na pripevnenie
- Glazúra
- Vlnité polykarbonátové dosky
- 10 panelov - 26 palcov na šírku a 8 stôp na výšku
- Páry panelov sa prekrývajú cez vertikálny drevený pásik 1 x 1 palca - Vytvára 4 stopy široké panely pre každé pole
- Povlak odolný voči ultrafialovému žiareniu - Naneste na stranu otočenú k slnku, aby ste predĺžili životnosť
- Solárna absorpčná doska
- 2-vrstvová čierna kovová okenná sieť - Pripevnená cez hornú a spodnú časť priehradiek
- Prieduchy
- Otvory prerezané cez obklad budovy - Plastové klapky zabránia spätnému prúdeniu vzduchu cez horné vetracie otvory v noci.
náklady
- Výskum z roku 2007 naznačuje, že pasívne výmenníky tepla sa môžu pohybovať od 55,00 do 400 USD. Ceny sa môžu líšiť v závislosti od veľkosti kolektorov, izolácie vyhrievanej plochy, vystavenia slnečnému žiareniu a geografickej polohy.
- Mnoho krajín, štátov a verejnoprospešných služieb poskytuje stimuly pre účasť na obnoviteľnej energii
Pros
- Nízke náklady
- Šetrič energie
- Zníženie znečistenia
- Možno použiť na chladenie elektroniky
Zápory
- Zvýšená údržba - (tj zakrytie v čase slabého slnečného žiarenia)
- Geografická poloha môže zmeniť účinnosť
- Vyžaduje manuálne zatváranie klapiek spätného ťahu v noci
- Uprednostňujeme splátky orientované na juh
Súvisiace projekty
Referencie
- Dynamické mapy, údaje GIS a analytické nástroje Národného laboratória pre obnoviteľnú energiu (NREL) – solárne mapy (2007) Dostupné: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. "Termosifóny - lepší prístup k chladeniu CPU?" Overclockery. 5. augusta 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. Správy Matky Zeme „Postavte si jednoduchý solárny ohrievač“. Január 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Časť 2: Prehliadka aplikácií obnoviteľnej energie." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "Uvoľňovanie tepla počas kondenzácie pár v termosifóne." Journal of Engineering Physics 43 (3), str. 970-974, 1982.
- Dizajn a výkon kompaktného termosifónu. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. Woodruff School of Mechanical Engineering. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
