Работа солнечного коллектора

Плоский или вакуумный?

Солнце — самый крупный энергетический источник на Земле. Количество тепла, поступающего от него на 1 м2 поверхности Земли в год, оценивается в 3,16×109 кДж. Общее количество солнечной энергии в 20 000 раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством. Применяя систему солнечного отопления для любых регионов России, можно получить до 50-60% горячей воды, необходимой в течение года для отопления и бытовых нужд. А в летнее время солнце полностью обеспечит дом горячей водой. Можно и более эффективно осваивать солнечную энергию, если найти способ использовать воду, нагретую солнцем, для работы стиральных и посудомоечных машин.

солнечного коллектора

Одним из универсальных видов альтернативной энергетики в мире являются гелиосистемы, с помощью которых потребитель получает тепло и горячую воду практически по нулевому тарифу.

Установка такой системы может быть запланирована ещё на стадии строительства дома или другого комплекса, а также выполнена дополнительно путём подсоединения к существующей системе теплоснабжения. Внутри здания устанавливается бойлер гелиосистемы, на крыше — солнечный коллектор. Отопление зданий системой тёплых полов оптимально в сочетании с солнечными водонагревателями, так как в этом случае требуемая температура теплоносителя значительно ниже. Гелиосистема подходит для обогрева плавательных бассейнов, при этом экономично расходуется утилизированная тепловая энергия. Особую эффективность утилизации энергии окружающей среды демонстрируют комбинированные системы, использующие солнечные коллекторы вместе с тепловыми насосами, газовыми и твердотопливными котлами и другими источниками теплоснабжения.

Гелиосистема на крыше

Сердце системы — это коллектор, который представляет собой устройство, позволяющее эффективно использовать энергию солнечного излучения для нагрева теплоносителя.

Солнечные коллекторы бывают плоские (плоскопанельные) и вакуумные. Различия в их работе отражает таблица.

Различия солнечных коллекторов плоских и вакуумных
Плоский коллекторВакуумный коллектор с тепловыми трубами
Коллектор помещают в корпус с защитным стеклом для снижения тепло­вых потерь. Воздушный зазор между стеклом и поглощающей панелью допускает значительные тепловые потери, особенно в холодные и ветре­ные дни (до 80% от суммарного падающего теплового потока).Каждая медная тепловая трубка с запаянной в ней легкокипящей жидко­стью размещается внутри стеклянной вакуумной колбы с целью мини­мизации тепловых потерь (эффект термоса), что позволяет значительно повысить тепловую эффективность коллектора по сравнению с плоским коллектором, особенно в зимний период.
Коллектор обладает высоким гидравлическим сопротивлением, так как теплоноситель циркулирует по разветвлённой длинной системе трубо­проводов малого диаметра. Это требует большей мощности насоса и приводит к повышенному энергопотреблению системы.В верхней части коллектора находится общая тепловая труба — устрой­ство, обладающее «сверхпроводимостью», в которую эффективно пе­редаётся тепло, преобразованное из солнечной энергии поглощающей поверхностью вакуумных трубок, что позволяет в 3-10 раз снизить ги­дравлическое сопротивление солнечного контура коллектора, соответ­ственно, снизить мощность и энергопотребление насоса.
Работающий без контроллера коллектор может отбирать накопленную теплоту (т.е. саморазряжаться), если его температура окажется ниже температуры воды в баке-аккумуляторе.Тепловая труба функционирует по принципу теплового диода. Тепловой поток передаётся только в одном направлении от коллектора к теплоно­сителю и никогда — в обратном направлении, даже без контроллера.
Коллектор при установке требует точной ориентации на юг, а также опре­делённого угла наклона относительно поверхности (например, крыши дома).Вакуумный коллектор менее требователен к выбору места установки, а также допускает определённую эстетическую и архитектурную свободу при установке.
При разрушении стекла резко падает эффективность работы коллекто­ра. Требуются немедленный демонтаж коллектора и замена стекла по всей плоскости коллектора в условиях оснащённой мастерской.Разрушение одной или нескольких стеклянных труб не приводит к суще­ственному падению эффективности работы коллектора. Его демонтаж не требуется, так как замена стеклянных или тепловых труб проводится на месте.
Сложность транспортировки и монтажа. Панель должна целиком транс­портироваться и подниматься для установки на крышу.Удобство транспортировки и монтажа. Коллектор можно транспортиро­вать в виде отдельных элементов в заводской упаковке, что обеспечи­вает удобство при перевозке и его лучшую сохранность. Лёгкие отдель­ные трубки коллектора собираются в систему непосредственно на месте установки.

Подробнее о вакуумных коллекторах

При производстве вакуумного солнечного коллектора используют наилучший теплоизолятор — вакуум. Общие потери тепла в коллекторе минимальны, так как в вакууме не происходит потерь на теплопроводность и конвекцию. Поэтому КПД вакуумного коллектора сохраняется стабильно высоким даже при неблагоприятных погодных условиях — температуре воздуха до -45°С и рассеянном солнечном свете, а производительность агрегата до 40% выше, чем у других видов коллекторов.

Вакуумная трубка с трёхслойным абсорбирующим покрытием

Рис 1. Вакуумная трубка с трёхслойным абсорбирующим покрытием

Компактный солнечный водонагреватель под давлением (трубка и бак в разрезе)

Рис 2. Компактный солнечный водонагреватель под давлением (трубка и бак в разрезе)

Вакуумная трубка для круглогодичных солнечных коллекторов

Рис 3. Вакуумная трубка для круглогодичных солнечных коллекторов

Важной деталью конструкции вакуумного солнечного коллектора является абсорбирующий слой, который нанесён на наружную поверхность внутренней колбы вакуумной трубки (где находится вакуум). Сама трубка с поглощающим покрытием имеет форму цилиндра (рис. I), что позволяет максимально эффективно использовать для преобразования каждый солнечный луч — от восхода и до заката. Благодаря этому вакуумный коллектор гораздо эффективнее и способен улавливать рассеянную энергию солнца — в отличие от плоских коллекторов — и может произвести до 40% тепловой энергии больше, чем другие системы с аналогичной площадью абсорбера.

Вакуумный солнечный коллектор включает в себя комплект вакуумных трубок, бак для воды, подпорную раму и контроллер. Трубки коллектора выполняются из особого ударопрочного (боросиликатного) стекла, которому не страшны даже градины диаметром до 35 мм. Вакуумные коллекторы хорошо зарекомендовали себя в регионах с суровым климатом, где нередки шквальные ветры и даже ураганы (за счёт промежутков между трубками парусность минимальна). Замена вакуумных трубок в случае их повреждения не вызывает особого затруднения, так как не требует полной остановки и слива всей системы, и вовсе не является дорогостоящей. Бак для воды двухслойный, а межслойный современный эффективный утеплитель пенополиуретан превращает бойлер в термос.

Вакуумные солнечные коллекторы работают как системы под давлением и без давления. Системы без давления устанавливаются выше точки (точек) разбора воды, поэтому вода самотёком поступает в кран или душ. В этих системах не требуется использование насоса для того, чтобы подать воду для потребления. Заполнение бака водой происходит по сигналу контроллера: в баке установлен датчик температуры и уровня воды, с которого информация поступает на контроллер. При снижении уровня воды в баке контроллер открывает электромагнитный клапан на входе холодной воды, и из магистрального трубопровода вода поступает в бак. Таким образом, заполнение системы водой производится с помощью интеллектуального управления контроллера — современного монокристалического компьютера.

В системе под давлением бак заполняется водой благодаря давлению подающего магистрального водопровода по принципу замещения: сколько горячей воды выливается в точках разбора (кранах, душе и т.д.), столько холодной воды и поступает в бак (рис. 2).

Вакуумные солнечные коллекторы бывают:

  • сезонные, в которых бак и коллектор расположены на улице и представляют собой единую ёмкость (термосифонные системы без давления, где трубки заполнены водой);
  • круглогодичные, в вакуумных трубках которых установлены медные тепловые вставки (рис. 3), и в силу отсутствия здесь воды нет опасности размораживания самих колб. В таких системах бак находится в помещении, коллекторы — на улице. Для круглогодичной эксплуатации также применяют компактные солнечные водонагреватели под давлением, которые внешне схожи с системами без давления, но в них используются вакуумные трубки — такие же, как в сплит-системах.
  • предназначенные только для подогрева воды (системы без давления и компактные водонагреватели под давлением);
  • используемые для подогрева воды и предварительного нагрева системы отопления (сплит-системы).

Если солнце не справляется

Когда наступает вечер и энергии солнца не хватает, чтобы и обогреть дом, и обеспечить его достаточным количеством горячей воды, то приходится прибегать к привычному нам источнику энергоснабжения. Причём самим, что называется, ловить момент, нет никакой необходимости, так как все гелиосистемы снабжены собственным мозгом — контроллером. Благодаря использованию контроллеров современные гелиосистемы автоматически поддерживают оптимальные параметры циркуляции, поглощения и передачи солнечной энергии для производства тепла, имеют режим антизамерзания, обеспечивают комфортную заданную температуру. Специальные контроллеры, разработанные для каждого вида гелиосистем, позволяют осуществлять интеллектуальное управление их работой.

Основные функции контроллера:

  • установка необходимых параметров работы гелиосистемы по времени с помощью встроенного таймера,
  • самотестирование при включении,
  • настройки верхнего и нижнего пределов нагрева,
  • постоянный нагрев
  • быстрый нагрев,
  • функция Holiday («отпуск»),
  • функция высокотемпературного байпаса (резервного контура, необходимого для того, чтобы не было закипания воды в бойлере),
  • ручное программирование и сброс параметров, индикация значения температуры нагрева и других параметров.

Технические характеристики.

Источник питания: 220 В переменного тока.
Потребляемая мощность: меньше 5 Вт. Точность измерения температуры: ±2°С.
Диапазон измерения температуры: 0-99°С.
Мощность управляемого контроллером электрического нагрева нагревателя: больше 1500-2500 Вт.

Солнечный коллектор

Водяной аккумулятор

Преимущества солнечных установок

  • Существенное уменьшение затрат на обогрев дома, любого другого здания и получение горячей воды. Использование солнечных коллекторов даёт возможность уменьшить затраты на нагрев воды на 60-100%, затраты на отопление — на 30-70% в год!
  • Оптимизация и уменьшение эксплуатационных затрат также при отоплении зданий и обеспечении потребителей горячей водой в случае перебоев в электро- и газоснабжении, т.к. система является автономным источником тепловой энергии.
  • Увеличение срока службы основной или вспомогательной отопительной системы, при использовании гелиосистемы значительно уменьшается нагрузка (до 97%) на основную (уже существующую) систему отопления и подогрева воды (электрический бойлер или газовый котёл).
  • Возможность интегрирования в существующую систему теплоснабжения и горячего водоснабжения.
  • Сохранение природы и экологии в целом, защита здоровья людей за счёт предотвращения загрязнения окружающей среды.

Нюансы установки гелиосистем

Эффективность работы гелиосистем во многом определяется их правильной установкой. И здесь роль играют разные, казалось бы, мелочи.

Во-первых, угол наклона коллектора. От величины угла относительно линии горизонта зависит работа коллектора. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллектора при расположении его плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку на угол инсоляции влияют географическая широта места, время суток и года, ориентацию плоскости коллектора специалисты выполняют в соответствии с высотой солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии. Для европейской части России рекомендуется угол наклона 50-65° (именно под таким углом располагается поддерживающая конструкция для солнечных коллекторов, которая поставляется в комплекте с гелиосистемой).

Общепринятым углом наклона коллектора в месте установки является соответствующее значение широты местности. Не рекомендуется устанавливать коллектор с углом наклона меньше 20°, поскольку тепловые трубки наиболее эффективно работают в диапазоне от 20° до 70°. Приемлемым является угол ±10° от широты, при котором не наблюдается значительного снижения производительности системы. Угол ниже градуса широты на 15° увеличивает теплоотдачу в летнее время, в то время как увеличение угла на 15° приводит к увеличению эффективности системы в зимнее время.

Во-вторых, ориентация установки по сторонам света. Ведь тепловые трубки системы должны ловить наибольшее количество солнечных лучей, а потому чем меньше отклонение плоскости коллектора от направления на юг, тем лучше. В идеале следовало бы учитывать режим потребления тепловой энергии (если больше потребляется утром, то лучше ориентировать на юго-восток и т.д.), но не всегда это чётко понятно. Лицевая сторона коллектора должна располагаться по направлению к экватору, который в северном полушарии находится в направлении географического юга, а в южном — наоборот. Отклонение до 10° от южного или северного направления является допустимым и не окажет значительного влияния на величину теплоотдачи.

В-третьих, отсутствие тени. От солнца коллекторы не должны быть загорожены ни соседними зданиями, ни деревьями, ни линиями электропередач и т.п.

В-четвёртых, рекомендуемая близость к другим объектам. Так, во избежание длинных трубных соединений коллектор следует размещать максимально близко к баку-аккумулятору, который, в свою очередь, следует расположить максимально близко к сливному трубопроводу.

Варианты установки солнечного коллектора:

  • крыша здания,
  • балконы,
  • архитектурные выступы сооружения,
  • земля (кроме системы без давления).

установка солнечного коллектора на земле


ПОДЕЛИТЬСЯ:

Комментариев пока нет

Перейти к разговору

Комментариев пока нет!

Вы должны быть избранным, чтобы начать разговор.

Ваши данные будут в безопасности!Ваш адрес электронной почты не будет опубликован. Также другие данные не будут переданы третьим лицам.