Настало время новых источников энергии! Чем хорош солнечный коллектор для отопления

Если развести столовую ложку сахара в литровой банке воды, то сладость будет ощущаться, однако практического применения такой раствор не получит. Его надо сделать более насыщенным. Солнечное излучение падающее на поверхность Земли, как раз напоминает такой же раствор – теплота и свет ощущаются, но практического применения они не находят. Солнечный концентратор именно такое устройство, которое помогает получить «сироп солнечной энергии».

Солнечный коллектор для отопления

У поверхности этого прибора низкая отражающая способность, за счет чего поглощается тепло. Для обогрева помещения этот механизм использует свет солнца и его инфракрасное излучение.

Чтобы нагреть воду и отопить жилище хватит мощности простого солнечного коллектора. Это зависит от конструкции агрегата. Человек может самостоятельно сделать монтаж оборудования. Для этого не нужно использовать дорогие инструменты и материалы.

Справка. Коэффициент полезного действия профессиональных устройств составляет 80—85%. Самодельные обходятся намного дешевле, но их КПД не более 60—65%.

Строение оборудования простое. Прибор представляет собой прямоугольную пластину, состоящую из нескольких слоев:

• покрышка из антибликового закаленного стекла с обрамлением;
• поглотитель;
• нижняя изоляция;
• боковая изоляция;
• трубопровод;
• стеклянная завеса;
• алюминиевый атмосферостойкий корпус;
• соединительные штуцеры.

Система включает в себя 1—2 коллектора, накопительную емкость и аванкамеру. Конструкция организована замкнуто, поэтому солнечные лучи попадают только в нее и превращаются в тепло.

Основа функционирования установки — термосифонная. Теплоноситель внутри оборудования циркулирует самостоятельно, что поможет отказаться от использования насоса.

Нагретая вода стремится вверх, оттесняя тем самым холодную и переправляя ее к тепловому источнику.

Коллектор представляет собой трубчатый радиатор, который вмонтирован в древесный короб, одна плоскость которого сделана из стекла. Трубы при изготовлении агрегата используются стальные. Отведение и подведение выполняются трубами, применяемыми в устройстве водопровода.

Конструкция работает так:

1. Коллектор преобразует солнечную энергию в тепло.
2. Жидкость поступает в бак-накопитель через подающую магистраль.
3. Циркуляция теплоносителя происходит самостоятельно либо с помощью электронасоса. Жидкость в установке должна отвечать нескольким требованиям: не испарятся при высоких температурах, быть нетоксичной, морозоустойчивой. Обычно берут воду дистиллированную, смешанную с гликолем в пропорции 6:4.

Что такое селективное покрытие

Данное покрытие не только непонятно, это – важнейший элемент коллектора. Покрытие вбирает в себя солнечную энергию и превращает ее в тепловую (последняя аккумулируется и транспортируется). Эта «губка» черного цвета называется селективной (англ. Select – выбирать, избирать), потому что излучает в несколько раз меньше тепла, чем поглощает.

Обратите внимание! Избирательное покрытие прозрачно для инфракрасных лучей (оно свободно их пропускает и поглощает), но является своего рода отражателем для теплового излучения. Другими словами, оно «запирает» тепло внутри конструкции.

Интересно то, что подобное покрытие можно запросто купить (оно продается в жестяных банках) и нанести на любой материал за исключением алюминия. Сплошной слой площадью в 1 м² этого вещества стоит примерно 1800 рублей. И если добавить к этому стоимость аккумулятора, то становится очевидным, что гелиосистема – это не настолько дорогостоящее удовольствие, каковым его преподносят неосведомленным покупателям.

Солнечный концентратор

Прибор для аккумулирования энергии лучей солнца, имеет функцию теплоносителя. Служит для фокусирования энергии на приемнике излучателя внутри изделия.

Существуют следующие виды:

• параболоцилиндрические концентраторы;
• концентраторы на плоских линзах (линзы Френеля);
• на сферических линзах;
• параболические концентраторы;
• солнечные башни.

Концентраторы отражают излучение с большой плоскости на маленькую, что помогает достичь высоких температур. Жидкость вбирает тепло и перемещает к объекту обогрева.

Цена приборов — недешевая, а такжеони требуют постоянного квалифицированного обслуживания. Используется такое оборудование в гибридных системах, чаще всего в промышленных масштабах и позволяет увеличить производительность коллектора.

Примечания

1. ↑ 123Екатерина Зубкова.Дорогой коллектор для бесплатной энергии..Energyland.info(19.07.12). Проверено 1 августа 2012. Архивировано 6 августа 2012 года.
2. German Aerospace Centre (DLR), 2007, «Aqua-CSP:Concentrating Solar Power for Seawater Desalination».
3. В.А. Бутузов.Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности. журнал Энергосовет № 5 (18) (2011). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 5 ноября 2012 года.
4. The other kind of solar power
5. SkyFuel’s Parabolic Troughs Are 73 % Efficient 31 Август 2010
6. «Установлен новый рекорд эффективности»
7. Кремний для солнечной энергетики и электроники
8. Ucilia WangThe Rise of Concentrating Solar Thermal Power 6 Июнь 2011 г.
9. Solar thermal industry: worldwide 2011 (англ.). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 5 ноября 2012 года.

Виды коллекторов, работающих от энергии солнца

В настоящее время существует несколько разновидностей солнечных отопительных коллекторов.

Этот прибор состоит из панели, в которую вмонтирована пластина абсорбера. Этот вид устройств самый распространенный. Себестоимость агрегатов демократичная и зависит от вида покрытия, фирмы производителя, мощности и площади обогрева. Цены на оборудование такого типа — от 12 тыс. рублей.

Фото 1. Пять солнечных коллекторов плоского типа, установленных на крыше частного дома. Приборы находятся под наклоном.

Подобные коллекторы чаще устанавливаются в частных домах для отопления комнат и снабжения помещения горячей водой. Приборы справляются с тем, чтобы подогреть вод для летнего душа на даче. Эксплуатировать их уместно в теплую и солнечную погоду.

Внимание! Поверхность коллекторов нельзя затемнять другими постройками, деревьями и домами. Это негативно отражается на производительности. Монтируется оборудование на крыше либо фасаде здания, а также на любой подходящей поверхности.

Состав прибора:

• защитное стекло;
• медные трубки;
• теплоизоляция;
• поглощающая поверхность с высокой степенью абсорбции;
• алюминиевая рама.

Коллектор, у которого присутствует трубчатый змеевик, является классическим вариантом. Как альтернативу в самодельных конструкциях применяют: полипропиленовый материал, алюминиевые банки из-под напитков, резиновые садовые шланги.

Дно и грани системы обязательно нужно теплоизолировать. Если абсорбер соприкасается с корпусом, то возможны потери тепла. Внешняя часть устройства защищена закаленным стеклом с особыми свойствами. В качестве теплоносителя берётся антифриз.

Жидкость нагревается и поступает в накопительную емкость, из которой в охлажденном виде перемещается в коллектор. Конструкция представлена в двух вариантах: одноконтурная и двухконтурная. В первом случае жидкость сразу идет в бак, во втором — проходит по тонкой трубке через воду в емкости, прогревая объем помещения. По мере движения она охлаждается и перемещается обратно в коллектор.

Фото 2. Схема и принцип работы солнечного коллектора плоского типа. Стрелками указаны части прибора.

Агрегаты подобного типа отличаются следующими достоинствами:

• высокой производительностью;
• низкой себестоимостью;
• длительной эксплуатацией;
• надежностью;
• возможностью самодельного монтажа и обслуживания.

Плоские коллекторы подходят для работы в южных областях с теплым климатом. Их минусом является высокая парусность из-за большой поверхности, поэтому сильный ветер может сорвать конструкцию. Производительность падает в холодную зимнюю погоду. Устанавливать агрегат в идеале следует на южной стороне участка или дома.

Прибор состоит из отдельных трубок, объединенных вверху и составляющих единую панель. По сути, каждая из трубок является самостоятельным коллектором. Это эффективный современный вид, пригодный к использованию даже в холода. Вакуумные устройства более сложные по отношению к плоским, поэтому стоят дороже.

Фото 3. Солнечный коллектор вакуумного типа. Прибор состоит из множества трубок, закрепленных в одной конструкции.

Применяются для горячего водоснабжения и обогрева больших посещений. Чаще используются на дачах и в частных домовладениях. Монтируются на фасадах зданий, скатных или плоских крышах, специальных опорных конструкциях. Функционируют в холодном климате и при коротком световом дне, не снижая при этом эффективности. Из-за высокой действенности применяются также на сельскохозяйственных угодьях, промышленных предприятиях. Этот тип распространен в государствах Европы.

В состав устройства входит:

• тепловой накопитель (бак с водой);
• контур для циркуляции теплообменника;
• сам коллектор;
• датчики;
• приемник.

Конструкция агрегата представляет собой ряд трубчатых профилей, установленных параллельно. Приёмник и вакуумные трубки сделаны из меди. Блок стеклянных трубок отделен от внешнего контура, благодаря чему деятельность коллектора не прекращается при выходе из строя 1—2 трубок. Изоляция из полиуретана применяется в качестве дополнительной защиты.

Справка. Отличительной чертой коллектора является состав сплава, из которого изготовлены трубы. Это покрытая алюминием и защищенная полиуретаном медь.

Работа конструкции основана на нулевой теплопроводности вакуума. Промеж трубок образуется безвоздушное пространство, которое надежно сохраняет тепло, образуемое от лучей солнца.

Вакуумный коллектор работает так:

• энергия солнца принимается трубой внутри вакуумной колбы;
• нагретая жидкость испаряется и поднимается в область конденсации трубы;
• теплоноситель стекает вниз от зоны конденсации;
• цикл повторяется заново.

Благодаря такой работе намного выше уровень теплоотдачи, а теплопотери низкие. Энергию удается сохранить за счет вакуумной прослойки, которая эффективно улавливает тепло.

Фото 4. Схема устройства вакуумного солнечного коллектора. Составные части прибора указаны стрелками.

Преимущества устройств этого типа:

• долговечность;
• устойчивость в эксплуатации;
• доступный ремонт, возможно заменить только один элемент, вышедший из строя, а не всю конструкцию;
• низкая парусность, способность противостоять порывам ветра;
• максимальное поглощение солнечной энергии.

Оборудование дорогое, окупить которое получится только через несколько лет после использования. Цена комплектующих также высока, при их замене может потребоваться помощь профессионала. Система не способна самоочищаться ото льда, снега, инея.

Изделия бывают двух видов: с косвенной и прямой тепловой подачей. Функционирование конструкций с косвенной подачей осуществляется от давления в трубах.

В устройствах с прямой тепловой подачей емкость-теплоноситель и стеклянные вакуумные приспособления монтируются к каркасу под определенным углом, через соединительное кольцо из резины.

Оборудование подключается к линиям водопровода через клапан запора, а контролирует уровень воды в емкости фиксирующий клапан.

Вода намного более теплоемка, чем воздух. Однако ее использование сопряжено с рядом бытовых проблем при эксплуатации (коррозия труб, контроль давления, смена агрегатного состояния). Воздушные коллекторы не так прихотливы, имеют простую конструкцию. Приборы нельзя считать полноценной заменой остальным видам, но снизить коммунальные расходы они в состоянии.

Оборудование такого типа используется в воздушном обогреве домов, осушительных системах и для рекуперации (обработки) воздуха. Применяется для просушки сельскохозяйственной продукции.

Состоит из:

• адсорбера, поглощающей тепло панели внутри корпуса;
• внешней изоляции из закаленного стекла;
• тепловой изоляции между стенкой корпуса и поглотителем;
• герметичного корпуса.

Фото 5. Воздушный солнечный коллектор для обогрева дома. Прибор закреплен вертикально на стене здания.

Прибор располагается близко к объекту обогрева из-за больших теплопотерь в воздушных магистралях.

В отличие от водных коллекторов, воздушные не накапливают тепло, а сразу пускают его в утепление. Солнечный свет попадает на внешнюю часть устройства и нагревает ее, воздух начинает циркулировать в конструкции и отапливает помещение.

Спроектировать воздушный коллектор можно самостоятельно, используя в изготовлении подручные материалы: пивные банки из меди или алюминия, панели ДСП, алюминиевого и металлического листа.

Фото 6. Схема устройства воздушного солнечного коллектора. На чертеже обозначены основные части прибора.

Достоинства:

• дешевизна устройства;
• возможность самостоятельной установки и ремонта;
• простота конструкции.

Из недостатков: ограниченная сфера применения (только обогрев), низкая эффективность. Ночью оборудование будет работать на охлаждение воздуха, если его не закрыть.

Выбор комплекта солнечных коллекторов для отопительной системы

Выбор устройства зависит от целей, на которые будет направлена работа конструкция. Гелиосистема применяется для поддержки воздуха, обеспечения горячего водоснабжения, подогрева воды для бассейна.

Чтобы рассчитать возможную мощность гелиосистемы, следует знать 2 параметра: солнечной инсоляции в определенном регионе в нужное время года и эффективную площадь поглощения коллектора. Эти цифры необходимо перемножить.

Вакуумные устройства справляются с работой в холодном климате. Плоские показывают низкую производительность в морозы и лучше подойдёт для южных областей.

Меньше других для функционирования в холоде подходит воздушная конструкция так, как ночью она не способна нагревать воздух.

Неудобства доставляют сильные осадки, ведь зимой оборудование часто засыпает снегом и требуется регулярная чистка. Морозный воздух отбирает накопленное тепло, а сам коллектор может быть поврежден градом.

В промышленности использование гелиосистем более распространено. Энергию солнца применяют в работе электростанций, парогенераторов, опреснителей воды. Для нагрева воды, обогрева дачи или бани в бытовых условиях чаще устанавливают вакуумные коллекторы, реже — плоские. Воздушные системы помогают снизить стоимость отопления, благодаря обогреву воздуха в дневное время.

Работа вакуумных коллекторов на треть более эффективнее, чем функционирование плоских. За год экономия составляет на 20—25% больше. К подбору и установке трубчатых коллекторов следует отнестись серьезно, поскольку по сравнению с другими они более подвержены разрушительному действию осадков.

При покупке коллекторов обращают внимание на условия эксплуатации. Наиболее важными параметрами будут общая площадь отопления, активная площадь, показатели теплопотерь, угловой коэффициент, параметры КПД.

Знание этих данных позволит рассчитать производительность работы конкретного агрегата. Покупатель имеет право потребовать у продавцов соответствующие расчеты и имеющиеся сертификаты.

Применение

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта. Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн , а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[2]

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[3]

Отопление с помощью солнечных батарей

В странах, где две трети дней преимущественно ясные, устанавливают солнечные батареи. Эти устройства работают на основе фотоэффекта и переводят энергию солнца в тепло.

Это оборудование делится на автономное и функционирующее от сети электропитания. Первые накапливают энергию в аккумулирующих устройствах, что позволяет продолжать обогрев в отсутствие света. Приборы второй категории через специальный инвертор подсоединяются к электросети. Это оборудование довольно надежное, но приостанавливает работу в случае отсутствия электроэнергии.

Использование солнечных батарей помогает обеспечить бесперебойную работу систем пожарного оповещения, охранного слежения и конструкции отопления.

Они экологичны, износоустойчивы и функционируют бесшумно.

К недостаткам относят низкую производительность, особенно в умеренном и прохладном климате. Первоначально оборудование требует больших вложений, окупается долго, необходимо большое количество вспомогательной техники и квалифицированное обслуживание.