Применение солнечных коллекторов: классические схемы подключения
Здравствуйте, в этой статье мы постараемся ответить на вопрос: «Применение солнечных коллекторов: классические схемы подключения». Если у Вас нет времени на чтение или статья не полностью решает Вашу проблему, можете получить онлайн консультацию квалифицированного юриста в форме ниже.
Одним из главных факторов, влияющих на уровень производительности гелиосистем, является интенсивность солярной радиации, излучаемой Солнцем на протяжении светового дня. Кроме уровня инсоляции (количество полезного солнечного излучения на единицу площади), на производительность солнечного коллектора влияют и второстепенные факторы: номинальный объем теплоаккумулирующей емкости, материал теплообменника и площадь абсорберов. При выборе солнечного коллектора для дома обращайте внимание на технические характеристики: коэффициенты теплопотерь, параметры оптического КПД, а также апертурную и общую площадь гелиоустановки. Исходя из этих параметров, можно провести анализ эффективности работы и рассчитать максимально допустимую мощность. Если использовать тепловой насос и солнечный коллектор, то можно добиться высокой производительности круглый год.
Производительность солнечного коллектора
Системы горячего водоснабжения на основе солнечных коллекторов
По расчетам ученых солнечная энергия поступающая на землю, в год в 30 000 раз превышает энергопотребление всего населения планеты за год и намного больше всех запасов не возабновляеммых источников энергии на планете (нефть, газ, уголь и. т. д.)
Даже на севере нашей страны количество солнечной инсоляции составляет 550-1200 квт/ч на 1м2 поверхности земли в год. На юге нашей страны плотность солнечной инсоляции составляет 1400-1600 квт/ч на 1м2 в год.
Конечно человечество на протяжении тысяч лет использовало энергию Солнца и для нагрева воды в том числе, но эффективность этих действий была очень низкой. Но с развитием технологий эффективность использования солнечной энергии существенно возросла.
Сегодня использование энергии солнца для горячего водоснабжения и отопления -это не миф, а самая настоящая реальность. Купить солнечный водонагреватель (коллектор) сегодня может абсолютно любой и влюбое удобное время.
Современные системы, которые применяют солнечные коллекторы, дают возможность по разумной стоимости, справиться с решением следующих проблем:
- Обустройство горячего водоснабжения в загородном доме, коттедже, гостиннице, промышленном объекте.
- Осуществить полноценное или частичное отопление частного дома, коттеджа и. т. д.
- Осуществить подогрев бассейна.
- Осуществить подогрев теплиц.
- Использовать горячее водоснабжение для технологических нужд.
Как рассчитать площадь коллектора
Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.
Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.
Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.
Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.
Принцип работы современных гелиосистем
Понятие «солнечные коллекторы» объединяет в себе несколько вариантов конструкций для домашнего пользования, но схема работы принципиально не отличается. Все коллекторы, «питающиеся» от Солнца, оснащены системой трубок, которые в зависимости от конструкции оборудования, могут быть смонтированы в виде змеевика или последовательно подключены к выходной и входной магистрали. В самих трубках циркулирует жидкостный теплоноситель для гелиосистем — вода, масло или антифриз. Поглощение и последующая аккумуляция тепловой энергии от Солнца осуществляются абсорберами. В техническом плане конструкция достаточно проста. Высокая стоимость таких установок обусловлена использованием дорогих материалов.
Для внешней поверхности конструкции применяют износоустойчивые материалы, обладающие отличными светопропускными характеристиками — органическое стекло, полимерные составы и другие. Но поскольку полимерные «синтетики» не выдерживают продолжительного воздействия УФ-лучей (они имеют высокий коэффициент теплового расширения, что приводит к разгерметизации гелиосистемы), то в качестве альтернативного варианта производители используют каленое или органическое стекло. А сами трубки чаще всего изготавливают из боросиликатного стекла, которое характеризуется минимальным коэффициентом теплового расширения (в 8 раз меньше, по сравнению с кварцевым стеклом). Именно поэтому материал не трескается при резких колебаниях температуры.
Как установить вакуумный солнечный водяной коллектор на стене или наклонной крыше дома
Прежде всего важно правильно выбрать место размещения. Оно должно располагаться на южной стороне здания. Перед ним не допускает наличие деревьев или других закрывающих обзор предметов, построек. Трубчатый агрегат монтируется на опорную поверхность в специальной раме. Зачастую она может менять угол наклона, что позволяет более эффективно улавливать излучение. Если речь идёт о моноблоке с встроенным баком, стену или крышу необходимо дополнительно укрепить, так как вес всей конструкции может достигать нескольких сотен килограмм.
Отдельно стоящий водонагреватель может быть размещён в любом месте дома, обычно в непосредственной близости от котла. Это необходимо для того, чтобы обустроить внутри ёмкости второй контур от него. Таким образом, бойлер сможет подпитываться от двух источников. При необходимости обеспечения принудительной циркуляции в систему врезается насос. Он монтируется на обратной линии, по которой идёт остывшая вода.
Немаловажную роль в организации гелиокомплекса занимают устройства безопасности. В первую очередь его важно защитить от скачков давления. Для этого схема вакуумного солнечного коллектора для нагрева воды дополняется узлом, состоящим из предохранительного и подпиточного клапанов. Первый спускает в канализацию теплоноситель в случае чрезмерного расширения при нагреве. Второй открывает канал для вброса недостающей порции из системы ХВС. Для защиты селективной поверхности от перегрева в систему интегрируется автоматика. При достижении граничной температуры она приводит в действие специальные шторки, закрывающие абсорбирующий элемент оборудования.
Виды солнечных водонагревателей: выбор конструкции для самостоятельного изготовления
В зависимости от температуры, которую развивают гелионагреватели, различают:
- низкотемпературные устройства — рассчитанные на подогрев жидкости до 50 °C;
- среднетемпературные гелиоколлекторы — повышают температуру воды на выходе до 80 °C;
- высокотемпературные установки — нагревают теплоноситель до температуры кипения.
В домашних условиях можно построить солнечный водонагреватель первого или второго типа. Для изготовления коллектора высоких температур понадобится промышленное оборудование, новые технологии и дорогостоящие материалы.
По конструкции все жидкостные гелиоколлекторы разделяются на три вида:
- плоские водонагреватели;
- вакуумные термосифонные устройства;
- гелиоконцентраторы.
Плоский солнечный коллектор представляет собой невысокий теплоизолированный короб. Внутри установлена светопоглощающая пластина и трубчатый контур. Поглощающая панель (абсорбер) имеет повышенную теплопроводность. За счёт этого удаётся достичь максимальной передачи энергии теплоносителю, циркулирующему по контуру водонагревателя. Простота и эффективность плоских установок нашла отражение в многочисленных конструкциях, разработанных народными умельцами.
Принципы и тонкости рабочего процесса
Прежде чем начать изготовление солнечного теплоносителя самостоятельно, необходимо внимательно изучить основные правила его функционирования и составляющие всей конструкции. Как не выглядело бы парадоксальным, но конструкция солнечного коллектора устроена довольно просто – в основу принципа его работы заложены обычные физические законы, в соответствии с которыми жидкость, обладающая более высокой плотностью, вытесняет жидкость с более низкой плотностью.
В принципе, такая же схема работы заложена в функционирование отопительной системы при естественном движении теплоносителя: более тёплая вода поднимается кверху за счёт более прохладной воды. Основным различием между естественным отоплением и солнечным теплоносителем является только способ нагрева воды – при коллекторе вода нагревается за счет солнца.
Бесплатное тепло зимой: миф или реальность?
Вакуумные солнечные системы, обладающие наиболее высоким КПД, позволяют пользоваться горячей водой и теплом круглогодично, не тратя на это семейный бюджет. В холодное время года, если мощности установки недостаточно для полного обеспечения потребности в горячей воде, на помощь такой системе приходит возможность подогревать воду в баках ТЭНами. Однако и в таком случае использование гелиосистемы дает существенную экономию средств. Приобретение качественной установки – отличная инвестиция в собственное будущее. Главное – правильно рассчитать мощность и учитывать особенности при монтаже системы, зная, как работает солнечный коллектор зимой. Установки других типов (к примеру, достаточно распространенные плоские панели), являясь более бюджетными вариантами, не обеспечивают нормальную подачу тепла в холодное время. Особенно обманчиво использование самодельного солнечного коллектора зимой. Его мощности недостаточно для работы в пасмурные дни, не говоря уже об отрицательных температурах. Отсутствие вакуума (в отличие от качественных заводских установок) вызывает значительные теплопотери, снижая эффективность работы такого устройства зимой. При отрицательной температуре вода, используемая в качестве теплоносителя, в самодельных коллекторах замерзает, делая дальнейшее использование установки невозможным. Солнечный коллектор зимой, созданный своими руками, обеспечивает невысокую эффективность и в случае, когда вместо воды используется антифриз. Изучить поведение такой установки в течение определенного времени можно, исследуя солнечный коллектор на видео зимой. Такой инструмент позволяет точно понять, как быстро с гелиосистемы сходит снег, посчитать количество дней в сезон, когда работа коллектора практически невозможна из-за осадков, что в сочетании с исследованием колебания температуры позволит оценить эффективность и возможность использования в холодную пору. Таким образом, эксплуатация гелиоустановки зимой позволяет снизить нагрузку на отопительную систему, уменьшить расход газа, электричества и других источников энергии, дает возможность обогревать помещение и пользоваться горячей водой без значительных затрат на оплату коммунальных платежей. Солнечный коллектор зимой – экономное и экологичное средство отопления!
Где гелиоустановка будет наиболее эффективна
В вопросе замены отопления гелиоустановкой нужно учитывать ряд факторов, влияющих на ее эффективность.
Во-первых, необходимо правильно выбрать тип гелиосистемы. В этом вопросе следует учитывать площадь помещения и его предназначение. Чаще всего это частный дом, в котором проживает семья из 4-5 человек.
Во-вторых, внимательно просчитать потребности в тепле, исходя из максимального потребления в холодное время года. Сопоставить эти цифры с количеством вырабатываемой энергии 1 кв. м гелиоустановки. Останется рассчитать площадь солнечной конструкции, способной справиться с отоплением конкретного помещения.
Полученная величина станет основным фактором при определении места размещения системы. Обычно владельцы домохозяйств предпочитают использовать крышу или стену дома. Редко используют придомовой участок или крышу гаража. Иногда сооружают специальные подставки для монтажа установки.
Метод увеличения производительности
Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.
Самый простой способ – это увеличение количества задействованных модулей, соответственно, привлечение дополнительных площадей для их размещения и покупка более мощного сопутствующего оборудования
Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):
Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.
Как рассчитать площадь коллектора
Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.
Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.
Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.
Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.
Повышаем эффективность работы солнечного коллектора в холодную пору.
Использование простой системы для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время возможно, если в качестве теплоносителя применяется антифриз, а бак-накопитель дополнен вспомогательным обогревательным элементом (например, ТЭНом). При использовании антифриза изменяется конструкция бака – в него монтируется змеевик (чаще всего медный), благодаря которому происходит циркуляции теплоносителя в баке. Хорошая проводимость металла позволяет отдавать тепло антифриза воде в баке.
В конструкцию рекомендуется включить циркуляционный насос и расширительный бак. Иногда для разделения воды, которая используется для отопления (техническая) и личного использования (питьевая) в бак монтируют внутренний резервуар. Он располагается в верхней части бака (где собирается горячая вода) и подключен к системе водоснабжения (с помощью вентиля забирается горячая вода, а резервуар заполняется холодной жидкостью). При этом система отопления подключена к основному баку.
В зависимости от внешней температуры, площади коллектора, географической точки, времени года, типа коллектора, и множества других факторов колеблется и эффективность работы системы (т.е. стабильность вырабатываемого уровня энергии).
Кроме более привычных пользователям устройств, существует и воздушный солнечный коллектор, схема работы которого предполагает, что теплоносителем в системе является воздух, который нагревается от абсорбера и подается в отапливаемое помещение с помощью вентилятора.
Процесс сборки самодельного солнечного коллектора
Начало сборки этого изделия солнечной энергетики стартует с изготовления змеевика. Если вам удалось подобрать готовый змеевик, окончательная сборка займет намного меньше времени. Подобранный змеевик стоит очень тщательно вымыть под струей воды (желательно горячей), чтобы изнутри вымыть все засоры и избавиться от остатков фреона. Если у вас не нашлось подходящих трубок, то нужное количество вы сможете приобрести в магазине. Но в этом случае придется изготовить сам змеевик. Для его изготовления нарежьте трубки на требуемую длину. Далее, используя угловые переходы, проведите их спайку в форме конструкции змеевика. Дальше, чтобы коллектор можно было подключить к системе водоснабжения, на края змеевика напаивайте сантехнические переходы размерами ¾. Существует несколько вариантов формы и конструкции змеевика, например, можно паять трубки в форме «лесенки» (если вы собрались реализовать такой вариант, тогда покупайте не угловые переходы, вам понадобятся тройники).
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.
Классификация по температурному режиму
Солнечное оборудование для дома часто классифицируют по типу теплоносителя. Сегодня на мировом рынке можно встретить жидкостные и воздушные системы. Кроме этого, коллекторы разделяют по температурному режиму работы, то есть применяется классификация по максимальной температуре нагрева рабочих элементов. Выделяют следующие типы систем:
- низкотемпературные — теплоноситель для солнечных коллекторов разогревается до 50℃;
- среднетемпературные — температура циркулирующей жидкости не превышает 80℃;
- высокотемпературные — максимальная температура материала-теплоносителя может подниматься до 300 градусов.
Первые два варианта больше всего пригодны для домашнего использования, тогда как модели коллекторов с высокотемпературным режимом работы чаще применяют в производственной и промышленной отрасли хозяйства. Это обусловлено тем, что в высокотемпературных системах нагрева воды сам процесс трансформации солнечной энергии в тепло достаточно сложный. При этом такие гелиоустановки занимают большие площади. Не каждый собственник «дачной» недвижимости может позволить себе подобную роскошь.