Moderné spôsoby využívania slnečnej (solárnej) energie 1. diel – spôsoby zapojenia solárnych kolektorov

Dátum: 16.11.2015
1. diel - spôsoby zapojenia solárnych kolektorov

V článku nižšie sa dočítate o spôsoboch zapojenia solárnych kolektorov a vlastnostiach jednotlivých zapojení. Dôvodov prečo využívať slnečnú energiu na vykurovanie a ohrev teplej vody je niekoľko. Jeden z dôvodov je, že sa jedná o obnoviteľný zdroj energie bez uhlíkovej stopy a preto je taktiež podporovaný štátnymi dotačnými programami, ako je v Českej republike napríklad Nová zelená úsporám, Kotlíkové dotácie a na Slovensku Zelená domácnostiam. Tieto dotačné programy umožňujú výraznú úsporu investičných nákladov a tým výrazne skracujú návratnosť investície do solárnej sústavy. Výhodné je doplnenie solárnej sústavy tepelným čerpadlom, pretože tepelné čerpadlo dodáva tepelnú energiu do objektu a pripravuje teplú vodu bez ohľadu na intenzitu slnečného žiarenia resp. na okamžitom množstve slnečnej energie, ktorá je k dispozícii. Veľmi jednoducho je možné systém nastaviť tak, že sa tepelné čerpadlo uvedie  samo do prevádzky len v prípade, keď solárny systém nedokáže dodávať do vykurovacej sústavy dostatok energie pre udržanie tepelnej pohody v pobytových priestoroch a nedokáže pripraviť dostatočné množstvo teplej vody so správnou teplotou. V neposlednej rade kombinácia solárnej sústavy a tepelného čerpadla je veľmi priaznivý variant pre minimalizáciu spotreby primárne neobnoviteľnej energie pre vykurovanie a prípravu teplej vody. V prípade záujmu sa prosím pozrite na http://www.ivarsk.sk/sk/produkty-ivar-tt

 

 

1. KOMPONENTY SOLÁRNYCH SYSTÉMOV

Solárne kolektory využívajú slnečnú tepelnú energiu a odovzdávajú ju teplonosnej látke (nemrznúcej kvapaline), ktorá tepelnú energiu ďalej transportuje do častí sústavy, kde dochádza k odovzdávaniu tepla do vykurovacej vody alebo do teplej vody.

Základné rozdelenie solárnych sústav je:

  • sústavy pre podporu vykurovania
  • sústavy pre ohrev teplej vody (TV)
  • sústavy pre ohrev bazénovej vody
  • sústavy kombinované

Základnými prvkami solárnej sústavy sú:

  • kolektor plochý rámový (obr. č. 1) alebo vákuový trubicový (obr. č. 2)
  • akumulačná nádrž zodpovedajúceho objemu a s adekvátnou plochou výmenníku (obr. č. 3)
  • ďalšie komponenty pre prepojenie, zabezpečenie cirkulácie teplonosnej látky a riadenie chodu solárnej sústavy

Obr. č. 1

Obr. č. 2

Obr. č. 3

CU POTRUBIE: Najčastejšie je pre rozvody solárnej sústavy používané medené potrubie. Tak ako pri všetkých vykurovacích sústavách musí byť potrubný rozvod správne dimenzovaný pre zachovanie potrebného prietoku a nesmú byť prekročené optimálne tlakové straty v potrubných rozvodoch.

IVAR.SOLAR INOX: Ako montážne výhodná alternatíva je predizolované rýchlomontážne pružné potrubie s vlnitým profilom (obr. č. 4), jeho prednosťou je už integrovaný solárny kábel pre čidlo kolektoru. Materiál izolácie je kaučuk odolný proti UV žiareniu. Izolácia je chránená na povrchu polyuretánovou fóliou. Nevýhodou vlnitého potrubia je vyššia tlaková strata a náročnejšie odvzdušňovanie sústavy.

Obr. č. 4

Najčastejšie je montáž vykonávaná tak, že na dlhé priame potrubné úseky je použité medené potrubie, ktoré je dodatočne izolované, a na komplikované úseky s veľa ohybmi a v zle dostupných miestach je použité potrubie IVAR.SOLAR INOX.

IVAR.C-STEEL: Ako alternatíva vyššie zmienených možností je uhlíková oceľ pozinkovaná na vonkajšom povrchu (obr. č. 5). Pre montáž je nutné použiť výhradne O-krúžok IVAR.IVO.FPM odolný až do teploty 170 °C (obr. č. 6). Oceľové potrubie je nutné starostlivo tepelne izolovať proti prenikaniu vzdušnej vlhkosti k povrchu potrubia.

                                                                                              

Obr. č. 5

 Obr. č. 6

IVAR.INOX: Poslednú alternatívu materiálu pre potrubné rozvody solárnych sústav predstavuje nerezová oceľ. Taktiež tu platí, že pre montáž je nutné použiť výhradne O-krúžok IVAR.IVO.FPM.

 

1.1 TEPLONOSNÁ LÁTKA – NEMRZNÚCA KVAPALINA

GEL LONG LIFE 500: Nemrznúca kvapalina na báze propylenglykolu (obr. č. 7). Pretože je dodávaná v koncentrovanej forme, je nutné finálnu teplonosnú látku namiešať zriedením koncentrátu vodou na požadovaný bod tuhnutia podľa návodu výrobcu.

IVAR.THERMOL: Na rozdiel od predchádzajúceho prípadu sa jedná o už namiešanú teplonosnú látku s definovanou tvrdosťou, pH a bodu tuhnutia -32°C. Výhodou je dlhá životnosť a to, že sa už nemusí pridávať žiadne aditíva.

Obr. č. 7

 Obr. č. 8

     

1.2 ČERPADLOVÁ SKUPINA, REGULÁCIA SYSTÉMU

Dostupné čerpadlové skupiny sa líšia vybavenosťou a počtom trubiek dodaných v skupine.

IVAR.SOLAR K1: Jedno-trubková čerpadlová skupina (obr. č. 9) s jednoduchou inštaláciou do spätného potrubia. Je vybavená spätnou klapkou, teplomerom, prietokomerom, poistnou armatúrou a čerpadlom.

IVAR.SOLAR K2: Dvoj-trubková čerpadlová skupina (obr. č. 10) s inštaláciou do prívodného a spätného potrubia je vybavená spätnou klapkou, teplomerom, prietokomerom, poistnou armatúrou, odvzdušňovacím ventilom a čerpadlom.

Obr. č. 9

 Obr. č. 10

 

 

2. SPÔSOBY HYDRAULICKÉHO PRIPOJENIA A PREPOJENIE SOLÁRNYCH KOLEKTOROV (PANELOV, RESP. KOLEKTOROVÝCH POLÍ)  

2.1 KONŠTRUKČNÉ RIEŠENIE SOLÁRNYCH KOLEKTOROV A SPÔSOB USPORIADANIA ICH TRUBIEK DELIA KOLEKTORY DO DVOCH HLAVNÝCH SKUPÍN:

  • sériové (meandrovité)
  • paralelné

Obe skupiny majú svoje výhody i nevýhody, špecifiká a parametre. Zásadný rozdiel spočíva v prietočnej charakteristike a s tým spojenej tlakovej strate. Preto je dôležité dbať na ich správne hydraulické pripojenie k sústave a v prípade použitia viac ako jedného kolektoru (kolektorové skupiny, kolektorového poľa) i na ich správne prepojenie.

Pripojenie kolektorov s meandrovitým resp. sériovým (obr. č. 11), paralelným (obr. č. 12)
a trubicovým (obr. č. 13) usporiadaním.    

 Obr. č. 11

 Obr. č. 12  

Obr. č. 13

2.2 POROVNANIE TLAKOVÝCH STRÁT KOLEKTOROV S MEANDROVITÝM (SÉRIOVÝM) A PARALELNÝM USPORIADANÍM TRUBIEK V KOLEKTOROCH (obr. č. 14)

Obr. č. 14

    

2.3 SÉRIOVÉ PREPOJENIE KOLEKTOROV

Pri sériovom zapojení viacerých kolektorov (obr. č. 15) preteká každým kolektorom celkový prietok, pretože sú jednotlivé kolektory zapojené za sebou. Všeobecným pravidlom je, že tlaková strata, pri zvyšujúcom sa prietoku, rastie s druhou mocninou rýchlosti prúdenia. To znamená, že pri sériovom zapojení je nutné dbať na to, aby nebola prekročená maximálna dovolená tlaková strata ako pri kolektore, tak celej kolektorovej skupiny. Tlakové straty jednotlivých kolektorov sú sčítané a výsledná hodnota je celková tlaková strata sériovo zapojenej kolektorové skupiny.

V prípade meandrovitého typu kolektoru je výsledná tlaková strata vysoká, preto je zvyčajne maximálny dovolený počet za sebou zapojených meandrovitých kolektorov 3‐4 kusy.

V prípade paralelného vnútorného usporiadania kolektorov spojených navzájom do série je možné navýšiť počet kusov na 6.

Sériové zapojenie je doporučené použiť v tzv. nízkoprietokových solárnych sústavách.

Obr. č. 15


V případě meandrovitého typu kolektoru je výsledná tlaková ztráta vysoká, proto je obvykle maximální dovolený počet za sebou zapojených meandrovitých kolektorů 3‐4 kusy.

V případě paralelního vnitřního uspořádání kolektorů spojených navzájem do série lze navýšit počet kusů na 6.

Sériové zapojení je doporučeno použít v tzv. nízkoprůtokových solárních soustavách.

 

2.4 PARALELNÉ ZAPOJENIE KOLEKTOROV

Pri paralelnom zapojení viacerých kolektorov je cieľom celkový prietok rozdeliť rovnomerne do jednotlivých kolektorov. Tým je rýchlosť prúdenia v jednotlivých kolektoroch omnoho menšia ako pri sériovom zapojení. Samozrejme platí rovnaké pravidlo (tlaková strata pri zvyšujúcom sa prietoku rastie s druhou mocninou rýchlosti prúdenia), ničmenej rýchlosť je vďaka paralelnému zapojeniu do tej miery nízka, že tlaková strata kolektoru je taktiež nízka. Teplonosná látka preteká cestou najmenšieho odporu, a preto je dôležité zabezpečiť rovnaký prietok resp. tlakovú stratu všetkých kolektorov kolektorovej skupiny. To je možné docieliť najlepšie samoregulačným spôsobom – zapojenie podľa Tichelmanna. Najjednoduchšie je uvedené zapojenie uskutočniť tak, že kolektory rovnakého tepelného výkonu budú prepojené medzi sebou tzv. kolmým spôsobom pomocou vnútorného zberného potrubia (obr. č. 16).

Obr. č. 16

 

2.5 KOLEKTOROVÉ POLE ZAPOJENÉ PODĽA TICHELMANNA

Pokiaľ potrebujeme inštalovať veľké tepelné výkony solárnych sústav (to je viac ako 10 kolektorov v jednej sústave), hovoríme o tzv. kolektorových poliach. Kolektorové pole sa snažíme vytvoriť tak, aby jednotlivé sekcie kolektorov (samostatné kolektorové pole) mali rovnaký počet. V Tichelmannovom zapojení má každý kolektor resp. každé samostatné kolektorové pole rovnakú dĺžku a dimenziu pripojovacieho potrubia a podobnú geometriu pripojovacieho potrubia k solárnej sústave. Rovnaká tlaková strata na každom kolektore resp. samostatnom kolektorovom poli vzniká len pri použití kolektorov s rovnakým tepelným výkonom. Dimenzia pripojovacieho potrubia musí zodpovedať doporučenej rýchlosti prúdenia pre jednotlivé časti potrubných rozvodov.

Obr. č. 17

 

 

V ďalšom diele sa budeme venovať jednotlivým systémom podľa aplikácií, ilustráciám funkčných schém, spôsobom a detailom montáže, spôsobom vyregulovania z produktov IVAR SOLAR.

 

Matusek Ján
Technický manažér

solary_konecny-sk.pdf (PDF  657 kB)