Использование энергии от природы позволяет существенно снизить коммунальные расходы. Например, установив солнечное отопление в частном доме, вы будете обеспечивать фактически бесплатным теплоносителем низкотемпературные радиаторы и системы теплых полов. Это уже экономия.
В статье рассказано о «зеленых технологиях». Вы сможете разобраться в типах солнечных установок, их конструкции и особенностях работы. Возможно, вас заинтересует один из популярных видов, широко используемый в мире, но пока не очень распространенный у нас.
В этом обзоре представлены конструктивные особенности систем, подробные схемы подключения. Приводится расчет солнечного отопительного контура для оценки реальности его создания. Самостоятельным мастерам предлагаются фото-подборки и видеоматериалы.
«Зеленые» технологии получения тепла
В среднем 1 м2 Поверхности Земли поступает 161 ватт солнечной энергии в час. На экваторе эта величина значительно выше, чем в Заполярье. Также плотность солнечного излучения изменяется в течение года.
В Московской области солнечное излучение в зимний период значительно слабее, чем летом. Тем не менее, современные технологии позволяют осуществлять работу почти в любой точке мира.
Задача использования энергии солнечной радиации Для достижения максимальной энергоэффективности применяются два способа: прямой нагрев в тепловых коллекторах и солнечные фотоэлектрические батареи. Батареи сначала преобразуют энергию солнечных лучей в электричество, а затем по специальной системе передают его потребителям, например электрокотлу.
Под воздействием солнечных лучей нагреваются тепловые коллекторы, а это приводит к повышению температуры теплоносителя в системах отопления и горячего водоснабжения.
Существуют разные типы тепловых коллекторов: открытые и закрытые, плоские и сферические, полусферические концентраторы и другие. С помощью солнечного тепла, получаемого от этих коллекторов, нагревают воду или теплоноситель для систем отопления.
Производители предлагают широкий выбор коллекторных систем для автономной отопительной сети. Для загородного дома такой вариант можно изготовить самостоятельно.
Развитие способов получения, накопления и применения солнечного тепла продвинулось заметно, но имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
Эффективное использование энергии солнца
Солнечной энергии можно пользоваться благодаря ее доступности всем. Ее можно собирать и использовать даже в пасмурную погоду.
Второй плюс — отсутствие выбросов. Это наиболее экологичный и природный вид энергии. Солнечные батареи Коллекторы тихие и монтируются на крышах построек, сохраняя свободное пространство участка.
Использование энергии солнца имеет свои минусы: солнечный свет не всегда доступен, ночью сбор энергии прекращается. Проблема усугубляется тем, что пик отопительного сезона совпадает с самыми короткими световыми днями. Важно следить за чистотой панелей, даже небольшое загрязнение может значительно снизить эффективность работы.
Использование солнечной энергии не всегда безвозмездно, так как необходимо учитывать расходы на обслуживание оборудования, функционирование циркуляционного насоса и работу системы управления.
Открытые солнечные коллекторы
Открытый солнечный коллектор — это система труб, не защищенных от окружающей среды, по которым движется теплоноситель, нагретый солнечным светом.
В качестве теплоносителя используют воду, газ, воздух, антифриз. Трубки крепят на несущей панели зигзагообразно или подсоединяют параллельными рядами к выходному патрубку.
Открытые коллекторы обычно лишены изоляции. Простая конструкция обуславливает низкую стоимость и возможность самостоятельного изготовления.
Из-за недостатка изоляции почти не удерживают солнечную энергию, имеют низкую эффективность. Их используют преимущественно летом для нагрева воды в бассейнах и летних душах.
Работают эффективно в жарких, светлых местах с малой разницей температур наружного воздуха и нагретой воды.
Трубчатые коллекторные разновидности
Трубчатые солнечные коллекторы состоят из отдельных трубок, где циркулирует вода, газ или пар. Это вид гелиосистем открытого типа. Но теплоноситель защищён от внешних воздействий лучше. Особенно в вакуумных установках по типу термосов.
Каждая труба соединяется с системой независимо, параллельно остальным. Неисправность одной трубы легко устранима заменой на новую. Постройка может выполняться непосредственно на крыше строения, упрощая установку.
Преимущества трубчатых солнечных коллекторов состоят в их цилиндрической форме, которая позволяет получать солнечное излучение в течение всего светового дня без использования дорогих систем отслеживания движения солнца.
Солнечные коллекторы бывают перьевыми и коаксиальными, что определяется конструкцией трубок.
Коаксиальная трубка — это сосуд, подобный термосу, известный как Дьаюра. Сделана из двух колб, между которыми откачан воздух. Внутренняя поверхность внутренней колбы имеет высокоселективное покрытие, эффективно поглощающее солнечную энергию.
Внутренний селективный слой передает тепловую энергию через тепловую трубку или внутренний теплообменник из алюминиевых пластин, но это приводит к нежелательным теплопотерям.
Перьевая трубка — это стеклянный цилиндр, внутри которого помещён перьевой абсорбер.
Для эффективной теплоизоляции из труб удаляют воздух. Теплоотдача от абсорбера осуществляется без потерь, благодаря чему коэффициент полезного действия перьевых трубок больше.
Существуют два способа передачи тепла: прямоточное и с термотрубкой. Термотрубка – герметичная емкость, наполненная быстро испаряющейся жидкостью.
Легкоиспаряющаяся жидкость внутри термотрубки нагревается от внутренней стенки колбы или перьевого абсорбера. Под воздействием температуры жидкость кипит и превращается в пар, поднимающийся вверх. Отдав тепло теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.
При низком давлении в качестве легкоиспаряющейся жидкости применяют воду. В прямоточном контуре функционирует U-образная трубка с водой или теплоносителем системы отопления.
Одна сторона U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, другая — для отвода нагретого. При нагревании теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и при системах с термотрубкой, минимальный угол наклона должен быть не менее 20⁰.
Потомственные системы работают эффективнее, потому что сразу нагревают теплоноситель. При проектировании систем солнечных коллекторов для круглогодичного использования применяют специальные антифризы.
Трубастые солнечные коллекторы обладают как преимуществами, так и недостатками. Состав их конструкции представлен одинаковыми элементами, замену которых можно осуществить просто.
Достоинства:
- низкие теплопотери;
- способность работать при температуре до -30⁰С;
- Высокая работоспособность в течение всех светлых часов.
- Хорошо работает в регионах с мягким и прохладным климатом.
- Низкая парусность обусловлена возможностью трубчатых систем пропускать воздух.
- Преобразование теплоносителя в высокотемпературный агент.
Конструкция трубы обладает малой площадью проёма.
Обладает следующими недостатками:
- Не очищается самостоятельно от снега, льда и инея.
- высокая стоимость.
Несмотря на высокую начальную цену, трубчатые коллекторы быстро оправдывают затраты и служат долгое время.
Плоские закрытые системы
Плоский коллектор включает в себя алюминиевый каркас, слой поглощения (абсорбер), прозрачное покрытие, трубу и теплоизоляцию.
Для поглощения тепла используют зачерненную листовую медь, обладающую высокой теплопроводностью, подходящей для гелиосистем. Поглощённое солнечное излучение передаётся теплоносителю через систему трубопроводов, примыкающих к абсорберу.
Снаружи панель прикрыта прозрачным покрытием из закаленного противоударного стекла с полосой пропускания 0,4-1,8 мкм. В этот диапазон приходится наибольшая часть солнечного излучения. Такое стекло эффективно защищает от града. С внутренней стороны вся панель хорошо изолирована.
Преимущества закрытых плоских панелей заключаются в:
- простота конструкции;
- Высокая эффективность функционирования в районах с благоприятными температурными условиями.
- Подвижность по оси наклона доступна с использованием специальных механизмов.
- способность самоочищаться от снега и инея;
- низкая цена.
Плоские солнечные коллекторы эффективнее всего использовать при планировании здания. Качественные модели служат полвека.
К недостаткам можно отнести:
- высокие теплопотери;
- большой вес;
- Эффективная площадь солнечных панелей увеличена за счет наклона их к горизонту.
- Работа устройства может снижаться при колебаниях температуры более чем на 40 градусов Цельсия.
Закрытые коллекторы можно применять гораздо шире, чем гелиоустановки открытого типа. Летом они полностью покрывают потребность в горячей воде. В прохладные дни, когда коммунальные службы не включают отопление, могут заменить газовые и электрические обогреватели.
Желающим сделать солнечный коллектор Для обогрева дачи своими руками рекомендуем изучить испытанные схемы и пошаговые инструкции монтажа систем отопления.
Сравнение характеристик солнечных коллекторов
Эффективность солнечного коллектора определяют показатели его КПД. Производительность различных типов солнечных коллекторов варьируется в зависимости от разницы температур. Плоские коллекторы обходятся дешевле, чем трубчатые.
При подборе солнечного коллектора обратите внимание на параметры, свидетельствующие об эффективности и мощности устройства.
Важные характеристики у солнечных коллекторов многочисленные.
- Коэффициент адсорбции выражает соотношение поглощенной энергии к общему количеству энергии.
- Коэффициент эмиссии отражает соотношение передаваемой энергии и поглощённой.
- общая и апертурная площадь;
- КПД.
Рабочая площадь солнечного коллектора называется апертурной площадью. У плоского коллектора апертурная площадь наибольшая. Апертурная площадь равна площади абсорбера.
Способы подключения к системе отопления
Солнечные устройства не обеспечивают постоянной подачи электроэнергии, поэтому нужна надежная система компенсации этого ограничения.
В средней полосе России солнечные установки не обеспечивают постоянного энергопотока, поэтому применяются как вспомогательная система.
Схема с водяным коллектором
Для разных задач тепловых коллекторов используются различные схемы подключения.
- Летний вариант для горячего водоснабжения
- Отопление и горячее водоснабжение зимой
Летом достаточно простого варианта. циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.
Солнечный коллектор нагревает воду, которая из-за расширения при повышении температуры попадает в бак-аккумулятор или бойлер. В результате образуется естественная циркуляция: холодная вода поступает в бак вместо горячей.
Работа систем, основанные на естественной циркуляции, не очень эффективны и требуют соблюдения определённых уклонов. Аккумулирующий бак должен быть расположен выше солнечного коллектора. Для поддержания температуры воды в баке необходимо его хорошо утеплить.
Для достижения наивысшей эффективности работы солнечного коллектора схема подключения потребует более сложного исполнения.
По солнечному коллектору движется незамерзающий теплоноситель, его циркуляция поддерживается насосом по команде контроллера.
Контроллер регулирует работу циркуляционного насоса по данным не менее чем двух термодатчиков: один из которых контролирует температуру в накопительном баке, а другой – температуру горячего теплоносителя на трубе подачи от солнечного коллектора.
При достижении температуры в баке уровня выше, чем у теплоносителя, контроллер в коллекторе отключает насос, останавливая циркуляцию теплоносителя. Если температура в баке снижается до предела ниже заданного значения, включается котел для отопления.
Новыми словами и эффективным вариантом приборов для нагревания водой стали системы… вакуумными трубкамиПредлагаем вам изучить принцип действия и устройство этих устройств.
Схема с солнечной батареей
Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи К электрической сети, как например в системе с солнечным коллектором, поступает накопленная за день энергия. Для частного дома создание блока аккумуляторов необходимой емкости выходит очень затратным. По этой причине схема подключения имеет следующий вид.
Солнечные панели подают заряд на контроллер заряда, выполняющий функции подзарядки аккумуляторов и стабилизации напряжения. Затем электрический ток поступает на инвертор, где постоянный ток 12В или 24В преобразуется в переменный однофазный ток 220В.
Наши электросети рассчитаны на одностороннее движение электричества: от источника к потребителю, поэтому реализовать продажу собственной энергии или запустить счетчик наоборот невозможно.
Солнечные батареи обеспечивают более универсальный тип энергии, но их эффективность ниже, чем у солнечных коллекторов. В то же время, солнечные коллекторы не могут накапливать энергию, как это умеют солнечные фотоэлектрические батареи.
Получите информацию обо всех вариантах использования солнечных батарей для отопления частного дома. в этой статье.
Пример расчета необходимой мощности
При определении мощности солнечных коллекторов расчеты порой выполняются с ошибками, основанные на солнечной энергии, доступной в самые прохладные периоды года.
В оставшееся время года вся система будет постоянно перегреваться. Летом температура теплоносителя на выходе из солнечного коллектора может достигать 200°С при нагреве пара или газа, 120°С антифриза, 150°С воды. При закипании теплоносителя часть его испарится, и его придется заменить.
Производители предлагают руководствоваться следующими показателями.
- обеспечение горячего водоснабжения не более 70%;
- обеспечение отопительной системы не более 30%.
Стандартное отопительное оборудование будет вырабатывать остающееся тепло. При этом, по результатам года получается экономия примерно 40% на отоплении и горячей воде.
Выработка мощности одной трубкой вакуумной системы зависит от местоположения. Количество солнечной энергии, попадающее в год на 1 квадратный метр… 2 земли называется инсоляцией.
Зная длину и диаметр трубки, можно определить апертуру — эффективную площадь поглощения. Затем применяют коэффициенты абсорбции и эмиссии для расчета мощности одной трубки за год.
Пример расчета:
Длина трубы обычно равна 1800 мм, а ее эффективная длина – 1600 мм. Диаметр трубы равен 58 мм. Апертура – это затемненный участок, который труба создает. Поэтому площадь прямоугольника тени будет равной…
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2
Эффективность средней трубки достигает 80 %, а солнечное облучение Москвы приблизительно равно 1170 киловатт-часов на квадратный метр. 2 В течение года одна трубка произведет.
W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч
Этот расчет весьма приблизителен. Производимая энергия зависит от положения установки, угла наклона, средней годовой температуры и других факторов.
С всеми видами альтернативных источников энергии В статье описаны способы применения данных методов.
Выводы и полезное видео по теме
Видео номер один. Продемонстрирован работоспособность солнечного коллектора зимой.
Видео сравнения моделей солнечных коллекторов.
Человечество всё больше и больше расходует энергии с каждым годом своей истории.
Попытки использовать бесплатное солнечное излучение предпринимались давно, но только недавно стало возможным эффективно использовать его в наших краях. За гелиосистемами будущее.
Интересные особенности солнечного отопления загородного дома или дачи? Поделитесь ими в комментариях ниже. Вопросы, фото процесса сборки и полезные сведения тоже приветствуются.