Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Гелиосистема и солнечные батареи

Солнечная батарея и солнечный (или гелио-) коллектор -две принципиально разные технологии, предназначенные для решения разных задач. Первые преобразовывают солнечную энергию в электрическую, вторые — в тепловую.

Стоит заметить, что эффективность солнечных батарей пока не очень высока — около 15 %. Одна фотоэлектрическая солнечная батарея занимает немного места -1 х 1,5 м. Однако, чтобы выработать 2 кВт энергии, нужно установить 10 таких панелей.

Солнечный же коллектор — это, по сути, циркулятор низкотемпературного теплоносителя, то есть водонагреватель (по аналогии с радиатором). В него входит холодная вода, а выходит горячая, нагретая Солнцем. Ориентировочный КПД коллекторов составляет порядка 70-85 %. В условиях Украины количество энергии, получаемой с 1 м2 коллектора, составляет около 1000 кВтч/год.

Рис 1.Карта солнечной активности в Украине

Рис 2. Карта солнечной активности в России

Точный расчет мощности, эффективности и времени окупаемости системы достаточно сложен и должен учитывать широту местности, число солнечных дней в году, угол отклонения возможного места установки от южного направления и другие факторы. Поэтому приходится оперировать средним значением интенсивности солнечной радиации в расчете на 1 м2 поверхности для конкретной местности.

Рис 3. Зависимость солнечного излучения от погодных условий

Рис 4. Интенсивность излучения в течение года

Рис 5. Тип излучения

Гелиосистема.

Как можно значительно сократить расход любого топлива (газа, электричества и др.) при нагреве горячей воды для дома, бассейна и обеспечения теплом частного жилища? Эту задачу успешно решакл солнечные системы, которые преобразуют лучистую энергию в тепловую.

Главный элемент системы — коллектор. Он поглощает солнечную энергию и преобразовывает ее в высокую температуру теплоносителя. Другие агрегаты — вспомогательные, но их наличие обязательно. Бак-накопитель служит местом теплообмена между теплоносителем и водой из системы горячего водоснабжения. Гидравлический контур состоит из трубопроводов, клапанов, фильтров, расширительных баков, насосного оборудования. Система авторегулировки управляет процессами теплопередачи. Монтажный комплект — это детали крепления бака, коллектора и остальных элементов системы.

Сколько и каких коллекторов нужно?

Не углубляясь в технологические дебри, отметим, что коллекторы бывают плоскими и трубчатыми.
Первые дешевле и менее капризны в обслуживании, вторые — более производительны и многофункциональны, но требуют большего внимания при эксплуатации.

Размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен коллектор:

  • или плоский, площадью 1-1,5 м2 на человека, то есть 4-6 м2,
  • или трубчатый, площадью 0,6-0,8 м2 на человека, то есть 2,4-3,2 м2.

Поверхность коллекторов, призванных обогревать воду в бассейне, должна составлять:

  • в случае крытого бассейна — около 40 % площади зеркала воды;
  • в случае открытого бассейна -около 70 % площади зеркала воды.

Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева воды, но и для отопления. На самом деле это возможно только для низкотемпературных отопительных систем (например для систем обогрева пола), температура теплоносителя которых не превышает 40 °С. И в данном случае нужны коллекторы значительно большей площади, чем для нагрева воды. Этот вариант достоин внимания, но подходит только людям, готовым к большим затратам. С точки зрения экономичности вложения расходы очень велики по сравнению с прибылью, даже учитывая энергоэффективность.

Отчего зависит эффективность?

Энергозффективность коллекторов напрямую зависит от их типа и правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны коллекторы, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 15 0 в сторону востока или запада — это снизит его эффективность незначительно. Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом имеет неопределенную ориентацию по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера. Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.

Составляющие гелиосистемы.

Составляющие гелиосистемы: а. Коллектор б.Бак-аккумулятор в. Циркуляционный насос г. Контроллер д. Датчики температуры

При естественной циркуляции теплоносителя бак-теплообменник должен быть расположен выше верхней точки солнечного коллектора. Такое размещение вызывает сложности, особенно при монтаже коллекторов на крыше.

В системах с принудительной циркуляцией ее обеспечивает маломощный насос, работой которого управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса небольшая по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой системой.

Используя коллекторы, можно на 10-15 % уменьшить расходы на отопление и до 70 % — на горячее водоснабжение.

Солнечные батареи.

В течение одного часа на Землю попадает столько солнечной энергии, сколько используют все ее жители на протяжении года.

Для обеспечения автономности энергопотребления дома может быть использовано два типа систем:

1. Гибридная или резервная в дополнение к обычной электросети.

2. Замкнутая как образец независимой автономной энергосистемы.

В случае исчезновения напряжения в электросети при применении первой системы обычно используют бензиновые или дизельные генераторы, но по сути это те же неблагоприятные для окружающей среды мини-электростанции, еще и с невысоким КПД преобразования топлива в энергию. В лучшем случае используют альтернативное топливо. Заменой дизелю может служить биогаз, который получают в замкнутой емкости из обычного компоста и отходов животного хозяйства, и древесный газ, который выделятся по принципу пиролиза из древесины и некоторых органических твердых частиц. Эти системы не являются сложными в создании, но, к сожалению, как и остальные достижения альтернативной энергетики, мало распространены.

Как добыть электричество?

Говоря об альтернативном энергообеспечении, рассмотрим полноценную систему, состоящую из источника электроэнергии, контроллера заряда, накопителя и преобразователя (инвертора).

Альтернативные источники энергии — это относительно популярные ветряки и солнечные батареи, далее идут мини-ГЭС, термогенераторы и совсем редко используемые вело-генераторы. Мини-ГЭС мало где можно применить, термогенераторы пока еще дорогие, а велогенераторы вообще серийно не производят.
Контроллером заряда выступает управляющая электронная схема, которая обеспечивает рациональный сбор электроэнергии в накопителе. Последним в 99 % случаев выступает аккумулятор, реже используются ио-нистры, маховики и сжатый воздух, которые редко встречаются из-за сложности конструкции и невысокого КПД сжатого воздуха, хотя эти агрегаты и могут иметь большую цикличность.

Аккумуляторы. В автономных системах популярны кислотные аккумуляторы глубокого разряда, а также их гелевые модификации. Пока аккумуляторы на основе лития являются достаточно дорогими.

Инвертор чаще всего выступает преобразователем постоянного тока аккумулятора или банка соединенных аккумуляторов в переменный ток 220 или 380 В. В основном это -электронные устройства, но очень редко встречаются и механические.

Какая цена солнечных батарей?

Сколько может стоить замкнутая автономная система для гарантированного обеспечения потребностей домика, скажем, площадью в 100 м2? Для такой задачи не стоит выбирать системы мощностью менее 4 кВт. Лучше использовать 6 аккумуляторов на 2 В 1500 А, рассчитанных на 20 лет совместной работы. Такая система сможет давать 20-30 кВт в день в среднем в течение года. В сумме вместе с контроллером заряда и инвертором установка обойдется в 40 000-50 000 долларов… Дорого? Стоп!

На этом этапе 90 % заинтересованных лиц отсеиваются. Они сразу начинают считать, когда такая система окупится. Но ведь покупая новый автомобиль, мало кто считает потенциальную выгоду. Люди расценивают эту покупку как критерий удобства и комфорта, который по финансовым меркам никогда не окупится. А разве с альтернативной энергетикой не так? Так! Но только для экологически сознательных людей.

Доступная цена солнечных батарей.

Сознательным людям свойственно экономить и постоянно искать альтернативу. Например, стоит полностью отказаться от электронагревательных приборов. Тогда потребности в электроэнергии сразу уменьшатся вдвое, а то и втрое. Лучше использовать светодиодные лампы — качественные варианты как минимум вдвое эффективнее ртутных энергосберегающих ламп и как минимум в десять раз эффективнее ламп накаливания. Энергоэффективна техника классов «А+» и «А++». Желательно отказаться от использования климатической техники. Если придерживаться данных советов и использовать альтернативу вышеописанным системам, то можно заметить, что в действительности потребности в электроэнергии совсем мизерные. Так, на дом может хватить 500 Вт от солнечных батарей и 300 Вт от ветряка вместе с двумя-тремя аккумуляторами на 12 В 200 А. Общая стоимость систем составит порядка 3000 у. е. .

Чтобы понять, что такое альтернативная электроэнергия, можно начать с приобретения солнечной батареи хотя бы на 30 Вт и стартерного аккумулятора с дешевым киловаттным инвертором. Можно даже обойтись без контроллера заряда и уложиться в 300 у. е. Получится система, которая сможет обеспечить работу всех мультимедийных бытовых электроприборов и всего малого и среднего электроинструмента.

Дешевые батареи предлагает Китай, изделия украинских производителей считаются более качественными, но только в плане соответствия паспортных характеристик стандартам. В принципе любые системы будут долго и надежно работать, поскольку они статичные, водо- и пылезащищенные и не требуют обслуживания. Также можно попытаться найти по выгодной цене самодельные варианты батарей, которые производят небольшие предприятия.

Распространены батареи на монокристаллах, далее идут поликристаллические с несколько меньшим КПД и пленочные из аморфного кремния с еще более низким КПД и сомнительным преимуществом в цене при больших габаритах.

Составляющие.

В роли аккумуляторов не стоит использовать стартерные батареи, хотя для пробной системы их можно приобрести, учитывая малую стоимость. Лучше всего выбирать из кислотных батарей глубокого разряда, которые имеют больший запас свинца в пластинах, что позволяет им длительное время не разрушаться даже в разряженном состоянии. Гелевые батареи состоят из желеобразного электролита, который еще больше улучшает их свойства. Оптимальным является аккумулятор на 300 А, цена которого составляет от 400 у. е. Возможно, хватит и одной штуки. При больших потребностях составляют целые банки аккумуляторов из 10 или 20 штук на стеллажах. Для больших масштабов используют промышленные гелевые аккумуляторы с напряжением 2 В и емкостью 1500 А и более. Для максимально больших систем применяют индустриальные воздушно-цинковые батареи, которые служат до 50 лет и выдерживают десятки тысяч циклов заряда/разряда. В последнее время они ежегодно дешевеют и, возможно, через 10 лет станут доступны для широкого использования в гражданском строительстве.

Начальная стоимость контроллера заряда — 25 у. е. в зависимости от модели. Далее цена пропорциональна.

Инверторы делятся на синусоидальные и с модифицированной синусоидой. Первые приблизительно вдвое дороже и позволяют запускать абсолютно всю технику в соответствии со своей мощностью. Установки с модифицированной синусоидой будут успешно работать с мультимедийной техникой и большинством электроинструмента.

Что касается выбора инвертора, то дешевая (около 20 у. е) модель на 100 Вт дает возможность использовать ноугбук, заряжать мобильные телефоны и пользоваться мультимедийной техникой. Цена за 1kВт несинусоидального инвертора колеблется от 70 у. е., но он уже дает возможность использовать около 70 % электроприборов. Хотя, к сожалению, он не запустит такие мощные приборы, как холодильник и некоторые насосы.

Сложив все составляющие, получим недорогую, экологичную и автономную систему.

Гелиосистема для нагрева воды, что это такое, своими руками и для отопления дома

В современном мире, когда запасы традиционных источников энергии (газ, нефть, уголь) уменьшаются с большой скоростью, а их использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, то все большее количество людей и государств в целом, обращают свое внимание на альтернативные виды энергии.

Одним из видов альтернативной энергии является энергия солнца. Для преобразования солнечной энергии в другие ее виды, которые человек использует в повседневной жизни, служат гелиосистемы различного вида.

Что это такое

Гелиосистема – это комплекс технических устройств, посредством которого энергия солнца в виде солнечных лучей, преобразуется в тепловую или электрическую энергию, используемые человеком для своих нужд.

В состав гелиосистемы входят следующие составные элементы:

  • Приемное устройство (солнечная батарея, солнечный коллектор и т.д.) – является элементом гелиосистемы, в котором энергия солнца преобразуется в другие виды энергии;
  • Устройства, обеспечивающие режим работы системы – инвертор, контроллер, аккумуляторная батарея (при получении электрической энергии) и теплообменник, система трубопроводов, технические устройствами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя (насосы) — при получении тепловой энергии.

В зависимости от назначения, режима работы и технического устройства, гелиосистемы подразделяются на несколько видов, это:

  1. По типу получаемой энергии:
  • Электрические – в результате работы комплекта оборудования на выходе получается электрическая энергия.
  • Тепловые – путем преобразования в устройствах, входящих в состав данной группы гелиосистем, получается тепловая энергия.
  1. По назначению (для тепловых гелиоустановок):
  • Для отопления;
  • Для горячего водоснабжения;
  • Комбинированного типа (для отопления и горячего водоснабжения).
  • По виду теплоносителя (для тепловых гелиосистем):
  • С использованием жидкого теплоносителя (вода, антифриз и т.д.);
  • С использованием воздуха.
  1. По режиму работы:
  • Постоянного действия;
  • Периодического действия (сезонный или циклический характер работы).
  1. По типу использования:
  • В качестве основного источника получаемой энергии;
  • В качестве резервного источника, обеспечивающего покрытие части требуемой мощности (при получении электрической энергии) и частичное – при отоплении или получении горячей воды, при тепловом типе гелиосистем.
  1. По техническому оснащению и устройству:
  • Параметры напряжения на выходе гелиоустановки – при преобразовании солнечной энергии в электрическую;
  • Количество контуров, обеспечивающих получение и преобразование энергии солнца в тепловую энергию – одно-, двух- и многоконтурные.

Принцип действия

Принципы действия гелиосистем различаются в зависимости от типа получаемой энергии и их можно сформулировать следующим образом:

  1. Для солнечных электрических станций – работа основана на физических свойствах полупроводниковых материалов, в которых под воздействием солнечных лучей происходит образование разности потенциалов между разными слоями фотоэлемента. Фотоэлемент изготавливается на основе кремния, в основу работы которого, заложено образование «p-n» перехода между его слоями, характеризуемого «p-n» проводимостью полупроводников.
  2. При получении тепловой энергии – солнечные лучи нагревают теплоноситель, который циркулирует в солнечном коллекторе, с последующей передачей полученного тепла в систему отопления или горячего водоснабжения.

Схема гелиосистемы

Плюсы и минусы

Использование гелиоустановок, как в прочем и любого технического устройства, имеет свои достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

  1. Достоинства применения гелиосистем, как источника энергии:
  • Солнце, это источник бесплатной энергии, количество которой несоизмеримо больше, чем потребности человека на текущий момент времени.
  • Это возобновляемый ресурс, процесс воспроизводства которого, не зависит от процессов его потребления и переработки.
  • Экологическая безопасность процесса получения и преобразования энергии.
  • Возможность создания автономных систем энергоснабжения, вне зависимости от вида энергии получаемого в процессе преобразования.
  • Осуществление работы в автоматическом режиме, без постоянного контроля пользователя установок подобного типа.
  1. Недостатки, свойственные гелиоустановкам:
  • Зависимость от погодных условий, времени года и географического месторасположения.
  • Низкий КПД – для гелиосистем, использующих солнечные батареи (электрические системы) и большие габаритные размеры, для получения большой мощности, как при производстве тепловой, так и электрической энергий.
Читайте также:  Зафиксировать подкладочный материал

Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения жилого дома

Как уже было указано выше, одним из направлений использования гелиосистем, является преобразование солнечной энергии в тепловую, используемую для отопления жилых домов, прочих зданий и сооружений, а также для обеспечения таких потребителей горячей водой.

Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения жилого дома

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В зависимости от площади отопления и предназначения, конфигурация таких систем может различаться. Ниже рассмотрены некоторые варианты устройства подобных гелиосистем.

Гелиосистема для отопления дома площадью 100 м 2

Для того, чтобы выбрать оборудование для комплектации гелиосистемы, определиться с его количеством, способом и местом установки, нужно решить несколько организационных вопросов, это:

  • Узнать, какова солнечная активность в месте предполагаемого монтажа оборудования.
  • Определить потребность дома, заявленной площади, в тепловой энергии.
  • Решить, в каком качестве будет выступать установка, в системе теплоснабжения дома (автономная система или в качестве дополнения к прочим системам отопления).

Сразу нужно отметить, что создание полностью автономной системы отопления на основе солнечной установки, достаточно сложное, с технической стороны, задание. Это обусловлено циклическим характером работы гелиосистемы, когда в темное время суток процесс получения энергии от внешнего источника (солнца) прекращается, что требует установки дополнительных резервуаров-накопителей тепловой энергии и прочих энергосберегающих устройств.

В состав гелиосистемы для отопления дома входят:

  • Солнечный коллектор – бывают различные типы устройств, отличающиеся по конструкции и геометрическим размерам.
  • Насосная станция, оснащенная контроллером — регулирует работу системы в автоматическом режиме.
  • Бойлер – бак-накопитель, аккумулятор тепла.
  • Расширительный бак – обеспечивает работу системы отопления в нормальном режиме, вне зависимости от температуры теплоносителя циркулирующего в системе отопления.
  • Приборы автоматики (датчики давления и температуры).
  • Трубопроводы горячей и холодной воды (теплоносителя) с запорными элементами.

Схематично система отопления дома, на основе гелиоустановки, выглядит следующим образом:

система отопления дома

Как правило, применение солнечных коллекторов позволяет снизить затраты на использование прочих источников получения тепла в весенне-осенний период времени, когда солнце уже активно, а потребность в отоплении дома еще остается.

Тем не менее, для дома, общей площадью до 100,0 м 2 , возможно создать полностью автономную систему отопления, но для этого нужно правильно подобрать оборудование, в соответствии с расчетом, который следует выполнить перед началом работ.

Для расчета гелиосистемы, служащей для отопления дома, необходимо знать:

  1. Общую площадь дома (этажность) с учетом высоты помещений и их параметров (назначение – жилые комнаты, технические и иные помещения).
  2. Количество солнечных дней в году (солнечная активность) по данным метеослужб или приведенных в специальной литературе.
  3. Параметры теплоносителя, используемого в системе отопления (температура, вязкость, теплопроводность).

Стоимость комплекта оборудования зависит от мощности и типа коллектора, а также компании их выпускающей. Разброс цен достаточно большой и составляет от нескольких десятков тысяч рублей (25000,00 – 80000,00), до сотен тысяч (110000,00 – 180000,00).

Стоимость монтажа, который предлагают выполнить организации, специализирующиеся на подобных работах, также различна, в среднем подобные работы стоят от 50000,00 до 100000,00 рублей, в зависимости от типа коллектора и его мощности.

Использование гелиосистем для создания автономных систем теплоснабжения возможно в южных регионах, но т.к. это достаточно затратное мероприятие, то на практике, подобные установки используются в этом качестве достаточно редко.

Сезонность использования систем отопления, также определяет мощность подобных установок. Если в зимний период, когда солнечная активность ниже, чем летом, потребность в отоплении дома максимальна, и мощности коллекторов не хватает, чтобы обеспечить теплом всю имеющуюся потребность, то летом все наоборот. Излишки тепла, вырабатываемого коллекторами, нужно использовать, что позволяют сделать двух- и многоконтурные системы, позволяющие использовать получаемое тепло в системах горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, полива растений и отопления в теплицах.

Гелиосистема для отопления дома площадью 200 м 2

Для жилых домов площадью 200 м 2 и более, гелиосистемы могут использоваться исключительно как дополнительные, к прочим системам отопления, работающим на традиционных источниках энергии.

Комплектация таких систем аналогична рассмотренной выше, отличие заключается в том, что в такой системе, бак-накопитель тепловой энергии связан с другим источником тепла.

Таким источником, как на приведенной ниже схеме, может служить нагревательный котел, использующий различный виды топлива (уголь, газ, жидкое топливо) индивидуального использования, или централизованная система отопления, подключаемая к внутреннему контуру обогреваемого дома.

Гелиосистема для отопления дома площадью 200 м2

В среднем, в весенний и осенний периоды, использование гелиоустановок, в качестве дополнительного источника тепловой энергии, позволяет снизить нагрузку на основные энергоресурсы, идущие на теплоснабжения дома, на 30-40 % от общего количества потребляемого тепла.

Гелиосистема для нагрева воды

При использовании солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и сетях подогрева воды в бассейнах, конфигурация сети, аналогична сетям отопления, с той лишь разницей, что это может быть полностью отдельная система или являющаяся частью общей системы отопления дома.

Гелиосистема для нагрева воды

В каком качестве работает гелиосистема, зависит от количества контуров, смонтированных при ее разработке. На схеме, приведенной выше, рассмотрен вариант устройства системы горячего водоснабжения в общей системе отопления дома площадью 200 м 2 и более, когда гелиосистема является дополнительным источником получения тепла.

Гелиосистема своими руками

При наличии навыков работы с различным ручным инструментом, начальными знаниями физических свойств различных веществ, а также наличии свободного времени, можно сделать гелиосистему своими руками.

Самодельная гелиосистема

Здесь может быть несколько вариантов создания и построения подобной установки, это и сборка конвектора из заводских комплектующих или его изготовление полностью из подручных средств или создание простых установок, работающих на свойствах жидкостей и атмосферного воздуха.

К таким относятся ниже рассмотренные варианты конструкции.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонная гелиоустановка, это простейшая система, работающая на свойствах жидкости (воздуха) циркулировать в системе без установки специального оборудования (насоса), что обусловлено их естественной конвекцией. Данную систему можно использовать в системах горячего водоснабжения и системах подогрева воды в бассейне.

Плотность тепловой и холодной воды различается, что определяет ее перемещение в замкнутом пространстве – горячая вода поднимается вверх, холодная опускается вниз. Схема работы термосифонной системы приведена на ниже следующей схеме:

Термосифонная гелиосистема

Для самостоятельного изготовления подобной системы, понадобятся:

  • Две емкости (бочки), одна из которых служит накопителем холодной воды и располагается несколько выше конвектора и второй емкости, служащей распределителем нагретой воды.
  • Система труб, обеспечивающих соединение всех элементов конструкции в единое целое.
  • Конвектор, который собирается из подручных средств.

Для изготовления конвектора можно использовать пластиковые бутылки, из которых собирается батарея. Подобных батарей может быть несколько, и они между собой соединяются последовательно (как на схеме, приведенной выше).

Собранные батареи из бутылок можно поместить в отдельный корпус, в который для большего поглощения солнечного тепла, помещается утеплитель, хотя можно сделать и без него.

Соединение бутылок должно быть герметичным, чтобы исключить протекание воды в местах их соединения.

Кроме пластиковых бутылок можно использовать водопроводный шланг, укладываемый змейкой в смонтированном корпусе или иные подручные материалы, которые способны нагреваться под воздействием солнечных лучей, и которые можно герметично соединить между собой.

Корпус конвектора изготавливается из имеющихся материалов (дерево, пластик, металлический или иной профиль), после чего собранная конструкция размещается на максимально освещенном участке и все ее элементы, соединяются в единое целое.

В емкость накопитель наливается холодная вода и по истечении определенного времени, из емкости распределителя, можно осуществлять разбор нагретой воды.

Воздушная гелиосистема

Одной из простых конструкций, которую можно также изготовить самостоятельно, является воздушная гелиосистема. Данная установка может быть использована для частичного обогрева в южных регионах страны, где воздух прогревается значительно, а потребность в обогреве жилья – невелика.

Принцип действия воздушного коллектора, аналогичен принципу действия термосифонной системы, рассмотренной ранее. Отличительная особенность лишь в теплоносителе, что отражается на устройстве коллектора.

Для того, чтобы изготовить самостоятельно воздушный коллектор можно использовать подручные материалы, это: водопроводные трубы или жестяные банки, профилированный металлический лист или иной материал имеющий профильное сечение.

Схема работы воздушного коллектора приведена на схеме:

Схема работы воздушного коллектора

Из имеющихся в наличии материалов, как и в случае с термосифонной системой, изготавливается корпус коллектора. При помощи металлического профиля, жестяных банок или путем использования водопроводных труб, создаются ребра, разделяющие воздушный поток на отдельные составные части.

Внутри корпуса укладывается утеплитель, а с наружной стороны, корпус закрывается стеклом, служащим теплоизолятором внутреннего воздуха от наружной среды.

При использовании металлического профиля или иной конструкции, как на приведенной схеме, ребра, разделяющие потоки воздуха могут быть совмещены с панелью, являющейся приемником солнечного тепла. При использовании жестяных банок и водопроводных труб, эту функции выполняют они сами.

С торцов корпуса предусматриваются места крепления коллекторов друг с другом (если их несколько) и для крепления с воздуховодами, обеспечивающими подачу холодного и отвод теплого воздуха.

Где купить

Гелиосистемы в целом и их составные элементы, являются специфическим товаром, для приобретения который лучше всего обратиться в организацию, которая специализируется на реализации товаров в этой отрасли энергетики.

Оптимальный вариант, в этом случае, это найти дилера компании, производящей гелиосистемы, и заключить договор поставки.

При невозможности сделать это, и при желании снизить затраты на приобретение оборудования, можно обратиться к сети интернет, где присутствует достаточно большое количество предложений о продаже гелиоустановок, как полной комплектации, так и их отдельных элементов.

Использование в Крыму

Крым, это регион нашей страны, расположенный в зоне активного солнечного излучения, поэтому использованию гелиосистем здесь всегда уделялось особое внимание.

Использование в Крыму

В промышленных масштабах, гелиоэнергетика Крыма развивалась как энергетическая система, обеспечивающая электрической энергией промышленные предприятия и бытовых потребителей. На полуострове запущены и успешно работают 13 солнечных электростанций общей установленной мощностью более 280,0 МВт.

Получение тепловой энергии за счет использования гелиосистем, также широко применяется, как на отдельных промышленных предприятиях, так и в частном секторе, где с их использованием осуществляется отопление и горячее водоснабжение.

Принцип работы солнечного коллектора, как выбрать для дома

Солнечный коллектор, или гелиосистема, оборудование, предназначенное для использования в качестве альтернативных источников энергии. Такие системы давно используют во многих странах в промышленных масштабах, но в последнее время они стали популярны и в частном секторе для подогрева горячей воды, отопления домов и подогрева бассейнов.

Востребованы ли гелиосистемы

Уже сейчас установлено более 160 млн.м2 этих панелей во всем мире. Лидируют Китай и Япония. Не отстают и некоторые европейские страны, где выработка тепла такими системами составляет около 5% от всей необходимой.

Пройдет не много лет и многие страны откажутся от газа и угля совсем. К примеру, в Украине, где тарифы достаточно высокие, такие системы устанавливают в больших количествах. Единоразовое вложение денег позволит получить энергонезависимость, пусть даже и частичную. И дело не только в экономии, такие установки экологически чисты и не загрязняют окружающую среду.

Преимущества этих систем

Альтернативных источников энергии сейчас много, это и солнечные панели, ветрогенераторы, тепловые насосы и тд. Однако именно солнечные коллекторы набирают все большую популярность, этому есть ряд причин:

  • Стоимость системы самая низкая из всех альтернативных источников, это обусловлено несложной технологией изготовления и монтажа.
  • Несложный монтаж, который можно сделать даже самому, обладая определенными знаниями и навыками.
  • Легкость в эксплуатации, не нужно никаких особых навыков чтобы следить за ними.
  • Низкая стоимость ремонта, все детали системы недорогие. Нет крупных узлов, требующих замены целиком. Ремонт можно выполнить самостоятельно, предварительно немного изучив устройство.
  • Универсальность. Гелиосистему можно использовать для нагрева воды и отопления, без дополнительных циклов преобразования энергии. Подобрать количество панелей можно исходя их конкретной необходимости.

Немного о недостатках

У любой системы есть недостатки и солнечные коллекторы здесь не исключение. Они занимают значительную площадь, одна панель занимает в среднем 2-3 м2. Эффективность их работы зависит от климатической зоны где они используются.

Также они очень климатически зависимые, зимой их КПД минимально, при этом расходы энергии на обогрев максимально. Это делает солнечные коллекторы не очень эффективными для отопления. Как заявляют многие производители, они способны покрыть до 30% расходов на отопление.

Однако, это все относительно. Большее количество панелей и аккумулирующие баки большей емкости увеличат этот %. Но, дополнительное оборудование увеличит и стоимость системы.

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор в целом. Все система состоит из следующих элементов:

  • сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
  • контроллер управления (включая датчики),
  • насосная группа,
  • накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
  • монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Все компании, которые занимаются изготовлением этих систем, дают примерно одинаковые цифры:

  • Эффективность для нагрева воды (гвс) — 50-90%.
  • Эффективность для отопления дома — до 30%.

Другими словами, эта система может полностью обеспечить дом горячей водой. Отопление дома может покрыть и больше заявленного процента, все зависит от самой системы и количества панелей, а также правильности их установки.

Читайте также:  4 вида фибры для бетона — как и для чего используют материал?

Абсорбер, самая важная часть системы

Часть солнечного коллектора, которая принимает, аккумулирует и передает тепло теплоносителю называется абсорбером. Именно от этого элемента зависит КПД всей системы.

Изготавливают этот элемент из меди, алюминия или стекла, с последующим покрытием. Как раз от покрытия больше зависит эффективность работы абсорбера, чем от материала, из которого он изготовлен. Ниже, на фото, вы можете посмотреть какие покрытия бывают и как эффективно они могут поглощать тепло.

В описании системы указано максимально возможное поглощение солнечной энергии попадающей на абсорбер. «α» — это максимально возможный процент поглощения. «ε» — это процент отражающегося тепла.

По типу строения

Абсорберы отличаются и по типу устройства, сейчас их всего два вида:

Перьевые — устроены следующим образом. Пластины соединяют между собой трубки с теплоносителем. Сами трубки могут быть соединены между собой в одну систему несколькими способами. Это простой тип абсорбера, который можно сделать своими руками.

Цилиндрические — в этом случае покрытие наносится на стеклянную поверхность колбы и применяется в вакуумных коллекторах. Благодаря этому устройству тепла концентрируется больше как раз в центре трубки где расположен тепло съемник, или стержень. Работает эта система с более высоким КПД, нежели перьевая.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

Достоинства

Недостатки

Низкая стоимость панелей

Низкой КПД, примерно на 20% ниже вакуумных

Большой количество теплопотерь через корпус

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Вакуумные

Эти системы работают немного по другому, это обусловлено их конструкцией. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка играет защитную роль. Они изготовлена из высокопрочного стекла. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло.

Далее это тепло передается тепло съемниками или стержням, изготовленным из меди (они бывают нескольких видов и имеют разный КПД, рассмотрим их чуть позже). Тепло съемники передают тепло с помощью теплоносителя, в аккумулирующий бак.

Между трубками вакуум, что сводит к нулю тепло потери и повышает эффективность системы.

Достоинства

Недостатки

Более высокая цена относительно плоских

Минимум тепло потерь

Невозможность ремонта самих трубок

Легкость в ремонте, трубки можно менять по одной единице

Большой выбор видов

Виды тепло съемных элементов (абсорберов), из всего 5
  • Перьевой абсорбер с прямоточным тепловым каналом.
  • Перьевой абсорбер с тепловой трубкой “heat pipe”.
  • U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем.
  • Система с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”.
  • Пятая система это плоские коллекторы.

Давайте рассмотрим эффективность работы разных абсорберов, а также сравним их с плоскими коллекторами. Расчеты даны на 1 м2 панели.

В этой формуле используются следующие значения:

  • η- коэффициент полезного действия коллектора, который мы рассчитываем;
  • η₀- оптический коэффициент полезного действия;
  • k₁ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К);
  • k₂ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К²);
  • ∆Т- разница температур между коллектором и воздухом К;
  • Е – суммарная интенсивность солнечного излучения.

По этой формуле, используя данные, приведенные выше, вы можете сами провести расчеты.

Если не вникать в переменные, говоря проще, КПД зависит от количества тепла, которое поглощают медные теплосъемники и количества потерь системой.

Но, это только теоретические расчеты “на стенде”. Конечный результат зависит от многих факторов: климатической зоны, правильного выбора места для установки и тд.

Системы с проточными нагревателями или термосифонные

По своему строению они могут быть как плоские так и вакуумные. Используют такие же принципы работы. Однако они имеют одно значительное отличие в техническом устройстве.

Эта система может работать без дополнительного резервного аккумулирующего бака и насосной группы.

Принцип работы следующий. Нагретый теплоноситель аккумулируется в базовом баке, который расположен в верхней части системы, как правило на 300 литров. Через него проходит змеевик, по которому циркулирует вода от давления самой водопроводной системы дома. Она прогревается и поступает потребителю.

Достоинства

Недостатки

Низкая стоимость за счет отсутствия части оборудования.

Низкий КПД системы в зимний сезон и ночное время

Простота монтажа, требуется минимум усилий, так как система укомплектована всем необходимым

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

  • Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
  • Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
  • Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет. Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Как установить солнечный коллектор

Установить эту систему можно и самостоятельно. Для этого необходимо понимать главный принцип установки — максимум солнечного света.

  1. Выбираем место. Оно должно быть с солнечной стороны. Для этого достаточно понаблюдать несколько дней какой место на участке солнце освещает максимально долго (нужно избегать попадания тени от деревьев или построек). Выбрать начальную точку и конечную, солнечный коллектор направить по центру этих точек. Так мы получим максимальный охват теплового излучения.
  2. Угол наклона. Это важный этап установки, от которого зависит ее эффективность. Как правило такие данные дает производитель систем, но, в среднем это 45 градусов. Нельзя устанавливать под большим или меньшим углом, так как тогда снизится поглощающая площадь.
  3. Подключаем остальное оборудование. Это насосная группа с контроллером, накопительный бак и соединительные трубки. Это все подключается согласно инструкции. Ничего сложно здесь нет, так как принцип устройства достаточно простой.
Подробное видео установки

Немного из использование систем на практике

Решил добавить этот раздел так как появились данные реального использования. Мой хороший знакомый установил ее 3 года назад (Украина, Киевская область).

Используется гелиосистема для отопления дома 100 кв м и горячей воды на 6 человек. Расходы на газ составляли для отопления и горячей воды 33 400 грн в год. Было принято решение приобрести солнечный коллектор.

В комплекте собраны 6 плоских коллекторов и накопительный бак на 1000 литров. Результат:

  • 100% в течение 6 «теплых» месяцев по нагрузке на ГВС (температура 55 градусов),
  • 50% в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на ГВС,
  • 25% в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на отопление в поддерживающем режиме.

Итоговая сумма экономии за год составила 11 300 грн (в пересчете на рубли сумму нужно умножить на 2.2).

Вся система стояла 94000 грн. При такой стоимости газа она окупится за 8.4 года. Производители дают гарантию 15 лет, так что 7 лет минимум будет идти чистая прибыль.

Эффективность системы можно было значительно увеличить, купив вакуумные модели. Также, низкотемпературные системы отопления, такие как теплые полы, которые работают на температуре 30-40 градусов, будут более производительные.

Как работают солнечные коллекторы

солнечные коллекторы

Солнечная энергия – это хороший альтернативный источник энергии для бытовых и хозяйственных нужд. Ее пользу сложно переоценить, ведь использовать энергию Солнца можно не только для получения электроэнергии, но и тепла. Именно для этого существуют солнечные коллекторы.

Что такое солнечный коллектор

Солнечные коллекторы – это устройства, которые преобразуют энергию Солнца в тепло и предназначены для нагрева циркулирующего в них теплоносителя (антифриз, вода) с последующей передачей накопленного тепла потребителям. Их используют для нагрева воды в системах горячего водоснабжения, для отопления, для устройства теплых домов, подогрева воды в бассейнах. Солнечные коллекторы оснащают специальными селективными материалами (покрытием), которые способствуют лучшему поглощению и накоплению гелиоэнергии, а затем преобразуют ее в тепловую, чтобы направить потребителю.

По сути, солнечный коллектор выполняет функцию водонагревателя, поэтому их широко применяют в домах в качестве основного или дополнительного источника энергии для нагрева воды (системы горячего водоснабжения) и/или отопления. Они особенно востребованы вне зоны городов, например, в частных домовладениях, на дачах – там, где не всегда есть доступ к централизованным тепловым коммуникациям, а установка электрического или газового котла требует большого вложения средств.

Если говорить совсем простым языком, солнечный коллектор – это устройство, которое, нагреваясь от солнечных лучей и пропуская через себя воду, нагревает ее. Примитивные примеры коллекторов встречаются и в повседневной жизни: именно так отдает тепло воде пластиковая бутыль или водопроводный шланг, лежащие на солнцепеке, а также нагретый металлический бак за счет высокой теплопроводности металла. Кстати, если выкрасить емкость в черный цвет, то вода нагреется еще сильнее и быстрее, ведь черная краска лучше всего поглощает солнечные лучи и практически не отражает их – это свойство черного цвета с успехом используется сегодня и в солнечных коллекторах.

Принцип работы солнечных коллекторов

Схема работы солнечного коллектора

Схема работы солнечного коллектора

Несмотря на существование различных видов солнечных коллекторов, принцип их работы идентичен. В основе – элементарные законы физики, которые изучают еще в школе. А именно – при нагревании воды ее плотность уменьшается, и поэтому при равном уровне горячая вода весит меньше холодной. Таким образом, жидкость с меньшей плотностью (то есть горячая вода) вытесняется жидкостью с более высокой плотностью (холодной водой).

Поэтому циркулирующая по трубам холодная вода будет вытеснять (гонять) нагретую, а за счет этого процесса и происходит нагрев воды и/или обогрев дома. Единственное и основное отличие от привычных тепловых коммуникаций – источник получения тепла, которым вместо газового или электрического котла является Солнце. Для поддержания стабильности системы в течение суток и круглогодичной бесперебойной работы используется циркуляционный насос и другое дополнительное оборудование.

Мощность солнечного коллектора рассчитывается на основе данных о КПД коллектора, коэффициентов тепловых потерь, площади коллектора и предполагаемого обогрева и/или объема воды, которую надо нагреть, значения инсоляции системы, погодных и климатических условий конкретного региона.

Как делают солнечные коллекторы и как они работают – детали устройства

Световые лучи падают на поверхность коллектора и нагревают теплоноситель, который находится внутри него. Затем по системе специальных тонких трубок теплоноситель поступает в накопительный бак, заполненный водой. Чтобы прогреть всю находящуюся в нем жидкость равномерно, трубки проходят через весь объем бака. По мере протекания через бак теплоноситель понемногу остывает, а затем попадает назад в коллектор уже охлажденный и опять здесь нагревается. Так происходит постоянная естественная циркуляция горячего теплоносителя воды в баке, откуда жидкость может подаваться в радиаторы отопления или в системы горячего водоснабжения дома. Если вдруг вода в баке охладится ниже заданного минимума, включается резервный подогрев – чаще всего это электрический или газовый котел. Эта температура регулируется специальными датчиками, установленными в системе управления коллектором.

Фактически, конструкция коллектора представляет собой достаточно сложное устройство и включает в себя:

  1. поверхность для поглощения солнечных лучей (плоская панель или специальные трубки);
  2. система тонких трубок (змеевик), по которому циркулирует теплоноситель;
  3. накопительный или расширительный бак для теплоносителя, где он доводится для нужной температуры; для большей эффективности бак желательно утеплить минеральной ватой или другим теплозащитным слоем (утеплителем);
  4. теплообменный контур, через который теплоноситель обогревает бак с водой;
  5. станция управления – автоматика для контроля подачи и циркуляции воды (контроллер, датчики температуры и давления, насос и запорные элементы);
  6. электронагревательный элемент на случай подогрева воды при недостаточной интенсивности солнечной энергии.

Нужно понимать, что солнечный коллектор – это полностью автономное и независимое устройство, производящее экологически чистую энергию и позволяющее экономить средства при правильном его устройстве и функционировании. Устанавливать его предпочтительно в самом высоком месте, например, на крыше. Это позволит обеспечить надлежащую циркуляцию теплоносителя, не прибегая к помощи насоса.

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Два принципа, которые влияют на солнечные тепловые коллекторы

Первый, всякий нагретый объект в итоге теряет тепло и передает его обратно в окружающее пространство. КПД солнечного коллектора непосредственно связано с потерями тепла, главным образом, из-за конвекции и излучения. Используется серьезная теплоизоляция, чтобы замедлить потерю тепла от горячего тела в среду.

Второй, потери тепла являются более быстрыми, если большая разность температур между горячим объектом и окружающей его средой, в данном случае между температурой поверхности коллектора и температурой окружающей среды. Но то же самое происходит при передаче тепла от коллектора к жидкости, чем больше разница между коллектором и жидкостью, тем больше теплопередача.

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Классический коллектор – плоская панель (абсорбер) большой площади, чтобы максимизировать воздействие солнца, имеет систему тонких трубок внутри. Жидкость проходит через трубки, собирая тепло из абсорбера.

Задняя и боковые поверхности хорошо изолированы, и стекло сверху тоже является изоляцией. Все очень просто, но есть некоторые технические особенности. Одна из них это покрытие абсорбера, который специально разработан, чтобы поглотить, как можно больше тепла, в тоже время необходимо минимизировать его излучение обратно. Другим фактором является стекло, которое имеет высокое содержание железа и специальные покрытие, чтобы как можно больше световой энергии прошло через него, насколько это возможно, предотвратить его потери.

Читайте также:  Интерьер спальни с рабочим кабинетом в белом цвете

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Другой известный тип коллектора с вакуумными трубками, который содержит длинный, тонкий абсорбер внутри. Из трубок откачивают воздух (создают вакуум), что создает существенную изоляцию, как в классическом термосе.
Основными компонентами системы отопления дома солнечной энергией являются:

  • Коллекционеры, чтобы получить тепло от солнца и передать его в жидкость.
  • Жидкий теплоноситель, который принимает тепло от коллектора для использования или хранения.
  • Теплообменники для передачи тепла от жидкости коллектора к внутренним системам отопления и горячего водоснабжения.
  • Насосы для перемещения жидкости через коллектор и / или теплообменник.

Контроллеры для управления насосами и системой клапанов и приводов.

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

В общем, есть несколько причин, чтобы использовать солнечную энергию.

Энергетическая независимость. Использование солнечной энергии может снизить зависимость от топливных компаний. Это помогает уменьшить зависимость страны от иностранных источников энергии.

Солнце является надежным (условно бесплатным) источником энергии, т.е. пока светит солнце, у нас есть энергия. Независимость является элементом свободы.

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Нет воздействия на окружающую среду от сжигания ископаемого топлива. Это приводит к широкому кругу экологических проблем, включая изменение климата, кислотные дожди с последствиями для здоровья.

Финансовые выгоды. Окупятся первоначальные инвестиции в течение 5 лет, и лишь в отдельных случаях 3 года при частичном участии государства.

Как и в других энергетических технологиях, часто финансовые стимулы более привлекательные, чтобы сделать первоначальные инвестиции. Для солнечной горячей воды они могут включать в себя государственные и федеральные налоговые кредиты и государственные, региональные и коммунальные льготы.

Применение солнечных коллекторов

Устройство, преобразующее энергию солнечного света в тепловую энергию, называют солнечным коллекторам. Солнечный коллектор может применяться как в отопительной системе здания, так и в системе горячего водоснабжения. Согласно расчетным данным, применение данных устройств в системах теплофикации зданий и сооружений дает в среднем от 30% до 60% экономии энергоносителей (газ, электричество) ежегодно, а значит, удешевляет эксплуатацию здания. Расчетная самоокупаемость систем, использующих солнечную энергию, составляет в среднем от двух до пяти лет, в зависимости от цен на энергоносители.

Солнечный коллектор для отопления дома включается в систему теплоснабжения, являясь, по сути, подогревающим теплоноситель элементом, в то время как основные источники теплофикации (газовые или электрические котлы) круглосуточно поддерживают температуру подогретого солнечным коллектором теплоносителя на уровне, необходимом по технологическим или санитарным условиям.КПД систем альтернативного теплоснабжения выше в регионах с высокой солнечной активностью и в светлое время суток. Карта суммарной годовой солнечной радиации приведена на рисунке ниже.

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Реальность отопления энергией Солнца

Самый простой способ подогрева воды, это просто поставить бочку на солнечное место и наполнить ее водой. Солнечное тепло нагреет металлическую бочку и воду внутри. Такой была самая первая система, которая начала работать больше, чем сто лет назад и до сих пор ее можно встретить на дачных участках. Но это «оборудование» не совершенно, т.к. есть большие потери тепла в ночное время и в пасмурную погоду. Изолирование бочки приведет к недогреву воды, что же предлагают новые технологии?

Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает

Классические способы обогрева уходят в прошлое, и на их место приходит «ЭкоДом», целая система мер, элементом которой стали альтернативные источники энергии. Их грамотное использование способно покрыть до 70% годового потребления энергии традиционных источников для отопления дома.

Современная гелиосистема – это высокотехнологическое оборудование, способное полностью автоматизировать процесс отопления. Правильная установка, обслуживание должно выполняться только специалистами, только в этом случае оно будет работать эффективно. Слухи, что зимой такая система не работает, не соответствуют действительности. Ничего в ней не замерзает, и только на пару месяцев незначительно снижается КПД. Не стоит забывать, что система не только обеспечивает дом отоплением, но и круглогодично горячим водоснабжением.

Гелиосистема. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гелиосистема… В наше время этим словом уже похоже никого не удивить. Но не многие до конца понимают что же это такое. Некоторые «специалисты» задают вопрос: «А где же гелий?», другие утверждают, что при проектировании системы мы забыли включить в смету гель, но на самом деле ГЕЛИОСИСТЕМА – это всего лишь установленный комплект оборудования, способный превращать солнечное излучение в полезную для нас энергию.

Со времен появления на рынке Украины преобразователей солнечной энергии за ними крепко закрепились соответствующие названия:

  • Фотоэлектрическая система – установка предназначенная для выработки электрической энергии.
  • Гелиосистема – комплект оборудования, предназначенный для выработки тепловой энергии.

Хотя в корне оба типа систем являются гелиосистемами.

Что такое гелиосистема?

Итак, гелиосистемой в классическом понимании этого слова является комплект оборудования, предназначенный для преобразования солнечной энергии в тепловую.

Как известно солнце дарит нам огромное количество энергии. Задача человечества – правильно собрать эту энергию. Если быть точным, то среднее количество энергии, излучаемое солнцем на земную поверхность на широте Киева в летний период времени ровняется 6кВт∙час/м2 в сутки.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия ниоткуда не берется и никуда не девается бесследно, а всего лишь переходит с одного состояния во другой.

Цена и окупаемость

С финансовой точки зрения солнечные гелиоколлектора необходимо считать инвестициями. Срок окупаемости может быть разным – от нескольких месяцев до нескольких лет. Зависит он от того, когда и сколько раз будет использоваться система.Срок службы солнечных гелиоколлекторов может быть более 30 лет. Но они в любом случае окупятся, учитывая, что они практически не требуют обслуживания.

Работоспособность всей системы полностью зависит от качества каждого элемента и правильности монтажа. Солнечные гелиоколлектора не смогут работать в полную силу, если будет неправильно подобрано остальное оборудование. Установку и проектирование лучше доверить профессионалам.

Назначение гелиосистемы

Прямой задачей гелиосистем является максимально эффективное преобразование энергии солнечного излучения в тепловую.

На сегодня максимальный КПД гелиосистем достигает 95%, что является высочайшим результатом по сравнению с другими технологиями.

Гелиосистемы используются в быту для:

  • нагрева воды (горячего волоснабжения (ГВС)),
  • поддержки системы отопления,
  • подогрева воды в бассейне.

Существует интересная технология, когда с помощью геотермальных тепловых насосов энергия загоняется в землю, а потом зимой оттуда изымается.
Если использовать гелиосистему для горячего водоснабжения, отопления и подогрева бассейна, срок окупаемости становится более короткий, потому что потребляется абсолютно вся энергия. Если применять только для нагрева воды, то нужен очень точный расчет, чтобы не было избытка энергии. Если использовать для отопления и для ГВС, то это на самом деле это не очень эффективно, так как летом будет много избыточной энергии и возникнет проблема её распределения.

Использование гелиосистем для предприятий

Для нагрева воды в больших бассейнах (от 200 м³) гелиосистемы зарекомендовали себя очень хорошо. К примеру, для нагрева воды в бассейне объемом 980 м³ используется 37 коллекторов (1080 трубок).

Также эффективно применять гелиоколлекторы для горячего водоснабжения отелей, ресторанов, где есть постоянный разбор горячей воды и большая тепловая нагрузка. Это хорошо, так как солнечный коллектр всегда рассчитывается на 80% тепловой нагрузки.

Гелиосистема для предприятия

То есть, если хотим применить гелиосистему для дома, где проживает семья из двух человек, то очень сложно рассчитать какая будет тепловая нагрузка: сегодня человек будет применять душ 2 раза, а завтра только раз. Это будет проблемой, так как целая четверть энергии не будет использована.

Поэтому применение гелиосистем для масштабных предприятий более сбалансированно, потому что разбор воды стабильный.

Виды солнечных коллекторов

Наиболее распространёнными считаются плоские и вакуумные гелиоколлекторы.

Вакуумные

Главным элементом вакуумного устройства является тепловая труба. Внешне представляет собой ряд, состоящий из стеклянных трубок, заключённых в алюминиевом каркасе. Каждая трубка состоит из двух трубок разных диаметров, а между ними находится вакуум. Благодаря нему теплоноситель внутри неё намного лучше защищён от воздействия температуры окружающей среды.

Устройство вакуумного солнечного гелиоколлектора

Устройство вакуумного гелиоколлектора

Медная труба с меньшим диаметром содержит внутри себя специальную нетоксичную жидкость. При нагревании она испаряется. Пар поднимается к самому верху трубки – к наконечнику. Там он отдаёт тепло теплоносителю, находящемуся в теплопроводе.

Читайте также: Рекомендации по эксплуатации котла Buderus Logano S111 – Методы устранения основных неисправностей

Обратите внимание! Нетоксичная жидкость испаряется даже при температуре на улице -30°С, благодаря вакууму между трубками.

Конденсируясь на стенках трубы, жидкость обратно стекает вниз. Далее процесс снова повторяется. Все трубы расположены параллельно. Угол наклона зависит от места монтажа системы и географической широты объекта. Панель должна быть направлена на юг.

Вакуумный гелиоколлектор в водонагревательной системе

Устройство водонагревательной системы с использованием вакуумного гелиоколлектора

Солнечный гелиоколлектор отлично работает даже в пасмурную погоду, так как вакуумные трубки хорошо поглощают инфракрасное излучение, проходящее сквозь тучи. В отличие от плоских устройств на вакуумные оказывает меньшее влияние низкая температура на улице и ветер, благодаря изоляционным свойствам вакуума. Системы с солнечными гелиоколлекторами этого типа могут функционировать до -35°C.

Чтобы внутри трубок как можно дольше сохранялся вакуум, один их конец покрыт толстым слоем бария. Он поглощает различные газы, которые появляются во время эксплуатации и хранения устройства. Также барий является своеобразным индикатором. Если он изменил цвет с серебристого на белый, значит, вакуума в трубке уже нет и её следует заменить на новую.

Чтобы провести замену, не нужно останавливать всю систему. Также, если одна из трубок вышла из строя, то коллекторы всё равно продолжат работать как прежде. В случае необходимости в систему можно добавить трубки или снять лишние.

Преимущества вакуумных гелиоколлекторов:

  • удобный монтаж;
  • простое обслуживание;
  • низкие теплопотери;
  • длительный период работы.

К недостаткам относят невозможность самостоятельной очистки от снежных наносов, а также минимальный угол наклона должен быть не менее 20°.

Вакуумный солнечный коллектор

Плоские

Внешне плоские солнечные гелиоколлектора представляют собой прямоугольную панель. Корпус выполнен из алюминия. Для подачи и вывода теплоносителя имеются 2 патрубка. Боковые стороны и одна стена утеплены теплоизолятором толщиной 3-4 см. Это позволяет значительно сократить теплопотери устройства.

Главная часть всего гелиоколлектора – это абсорбер, соединенный с теплопроводом. Именно он поглощает инфракрасное излучение. Сверху он закрыт закалённым стеклом с низким уровнем металла. Чаще всего поглощающий элемент делается из меди, так как она имеет высокую теплопроводность.

Солнечный гелиоколлектор плоского типа

Устройство плоского солнечного гелиоколлектора

Принцип действия коллектора следующий: солнечные лучи проникают сквозь стекло и попадают на абсорбер. Он нагревается и передаёт тепло теплоносителю. В отличие от вакуумных систем, плоские коллектора могут самостоятельно очиститься от снега. Их монтаж можно провести под любым углом. Но по сравнению с вакуумными устройствами, у них больше теплопотери, и устанавливать их нужно только в полностью собранном виде. Еще один недостаток – в случае повреждения придётся менять всю панель. Но по сравнению с вакуумными, они более надёжные и простые.

Состав гелиосистемы

В стандартный комплект гелиосистемы входят следующие элементы:

  • генератор теплоты (гелиоколлектор любого типа),
  • устройство, переносящее теплоноситель (насос или давление внешней системы водоснабжения),
  • нагреваемый объект (вода системы ГВС, система отопления, бассейн).

Обязательное дополнительное оборудование для гелиосистемы

Преимущества и недостатки использования гелиосистемы

Недостатки:

  • Недостатком же является сезонность. Отопление солнцем зимой, точнее ее эффективность снижается из-за небольшой инсоляции.
  • Высокая стоимость капиталовложений – это первоначальный минус, который быстро переростает в плюс. Потому что гелиосистема окупается очень быстро – на протяжении 7-8 лет.
  • На гелиосистему негативно влияют перепады напряжения. Бывает, что отключают электричество, то гелиосистема закипает. Со временем, если произойдет несколько десятков подобных кипений система может выйти из строя. В таком случае нужно будет проводить сервисное обслуживание, в последствии которого будет перезаправлятьтя (меняться жидкость), для того, чтобы система снова могла работать в нормальном режиме.

Замена трубки солнечного коллектора. Конструкция солнечного коллектора и принцип работы

Преимущества:

  • Неоспоримым преимуществом такой системы является возможность экономии существенной части энергии необходимой для нагрева необходимого тела.
  • При правильном расчете система должна компенсировать до 80% затрат энергии в летний период времени.
  • Длительный срок эксплуатации – 30 лет и больше.
  • Короткий срок окупаемости – 7-8 и меньше лет.
  • В состав гелиосистемы входят элементы изготовлены со стекла и алюминия, а занчит для изготовления комплектующих не используются материалы, которые подвергаются быстрому износу.

Как сделать своими руками

Перед тем как приступить к сборке солнечного коллектора, следует сделать расчёты, чтобы устройство получилось качественным.

Схема сборки гелиоколлектора

Схема сборки

  1. Сначала собирается короб. Для этого используются доски толщиной 3 см и шириной 12 см. Дно делается из фанеры или текстолита. Для прочности устанавливаются ребра жёсткости. Чтобы древесина не гнила, её обрабатывают антисептиком.
  2. На дно укладывается слой теплоизоляции (минваты). После чего её закрывают оцинкованным металлом.
  3. Для создания теплообменника понадобятся 2 трубы с диаметром 1″ и длиной 70 см, 15 труб с диаметром 0,5″, длиной 160 см.
  4. В трубах большего диаметра с шагом до 4,5 см проделываются отверстия для труб меньшего размера.
  5. После чего всю конструкцию сваривают. При этом патрубки для входа и выхода теплоносителя должны находиться диагонально. Для входа внизу, для выхода сверху.
  6. Готовый радиатор монтируют внутрь ранее сделанного короба. Крепится ко дну короба с помощью хомутов или полосок металла. Для максимальной передачи тепла, нужно закрепить его как можно плотнее.
  7. Стыки тщательно заделываются герметиком. Дно короба и трубы окрашивается в чёрный цвет жаростойкой краской, тогда они будут поглощать больше тепла. Внешние детали окрашиваются белым, чтобы было меньше теплопотерь.
  8. После того как краска высохла, короб закрывается стеклом (4 мм), но так, чтобы расстояние между ним и радиатором было не менее 1,2 см. Можно использовать стеклопакет, это повысит эффективность устройства.

Эффективность использования солнечных систем на територии Украины

Гелиосистемы на территории Украины

Вся территория Украины без исключения подходит для применения гелиосистем. То есть, даже северные регионы (например, Черниговская или Сумская области) прекласно подходят для использования на их территории солнечных коллекторов. Там достаточно солнечной инсоляции. К примеру, максимальный показатель инсоляции в Черниговской области — 950 кВт∙час/м², а Херсонской и Одесской областях может достигать 1400 кВт∙час/м². С этого следует, что наиболее эффективно применять гелиосистемы в южных регионах страны.

Ссылка на основную публикацию