Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Практически с каждым днем солнечная энергия набирает популярность в плане обогрева строений и обеспечения их горячим водоснабжением. Это связано с тем, что человечество стремится заменить традиционные виды топлива более дешевым, экологичным и практически неисчерпаемым энергоресурсом.

Солнечный свет преобразуется в тепловую энергию за счет гелиосистем, конструкция и принцип работы которых предопределяет специфику их использования. В данной статье будут рассмотрены виды солнечных коллекторов, их устройство и принципы работы, а также мы немного поговорим о популярных моделях.

Целесообразность использования гелиосистемы

Гелиосистема – это целый комплекс оборудования, преобразующий световую энергию в тепловую, направляемую в последующем в теплообменник, где с ее помощью нагревается вода системы отопления или ГВС.

Мощность гелиотермической установки зависит от количества света, падающего за один день на 1м² приемной панели, расположенной перпендикулярно (под ∠90°) падающим на нее солнечным лучам. Измеряется данный параметр в кВт*ч/м², причем он регулярно меняется после очередной смены сезона года.

Средняя мощность гелиосистемы при использовании в умеренно-континентальных климатических зонах составляет – 1000-1200 кВт*ч/ м² (за 1 год). Объем энергии, получаемой с 1 м² – это определяющий показатель в расчете общей мощности гелиосистемы.

Монтаж гелиотеплоснабжения – это дорогостоящее дело. Чтобы финансовые вложения окупились, нужно точно рассчитать систему и соблюсти все требования, предъявляемые к ее монтажу.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Разберем на примере общую мощность системы. Средняя величина солнечной энергии в городе Тула летом составляет около 4,67 кВ/м² в сути при условии монтажа панелей под ∠50°. Соответственно рассчитывается производительность коллектора площадью 5 м² так: 4,67х5=23,35 кВт в день. Данной энергии достаточно для нагрева 500 л воды до 45°С.

Разбирая целесообразность использования передовых технологий, нужно учитывать технические особенности каждого гелиоколлектора. Некоторые из них работают только при 80 Вт/м² солнечной энергии, а другим хватает – 20 Вт/м².

Причем даже в южных климатических зонах использование данной системы только для обогрева здания не оправдывает финансовые затраты. Если она будет работать исключительно в зимний период, когда солнца мало, то расходы на оборудования не окупятся за 15-20 лет.

Чтобы предельно эффективно работал гелиокомплекс, его нужно обязательно включать в систему ГВС. Это позволит даже в зимний период уменьшить счета за горячую воду на 50-60%.

Также «солнечное отопление» позволяет:

  1. Уменьшить выброс в атмосферу углекислого газа. За календарный год с помощью 1 м² гелиоколлектора удается предотвратить выброс в атмосферу планеты 350-730 кг CO₂.
  2. Эффективно использовать пространство помещения. Эта технология позволяет избавить небольшое помещение от громоздкого оборудования.
  3. Повысить сроки службы отопительной техники. Производители убеждены, что при соблюдении всех норм монтажа, данное высокотехнологичное оборудование проработает безупречно 25-30 лет. При этом многие из них предоставляют на свою продукцию официальную гарантию сроком до 3-х лет.

Доводы против применения энергии солнца в обогреве зданий сводятся к зависимости от сезонности, погодных явлений и большим капиталовложениям.

Устройство и принцип работы

Разберем гелиосистему с коллектором. Внешнее данный агрегат похож на железный ящик, который с лицевой стороны герметично закрывается высокопрочным стеклом. В этом коробе размещается основной элемент – змеевик с абсорбером.

Теплогенерирующий элемент нагревает теплоноситель с помощью солнечней энергии, в последующем он отдает тепло трубам и радиаторам отопления или ГВС.

Гелиоколлектор должен функционировать совместно с аккумулирующим баком, так как теплоноситель в нем сильно нагревается (до 90-130°С). Соответственно его нельзя сразу направлять в ГВС или радиаторы отопления. В накопительную емкость часто дополнительно устанавливают электрический водонагреватель.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Схема работы:

  1. Солнечные лучи нагревает коллектор.
  2. Полученное тепло поглощает абсорбер, который заполнен теплоносителем.
  3. Циркулирующий по змеевику теплоноситель разогревается.
  4. Насосы, блок управления и система контроля позволяют отводить теплоноситель к змеевику накопительного резервуара.
  5. Тепло передается от теплоносителя холодной воде с помощью бойлера.
  6. Остывший теплоноситель направляется назад в коллектор, после чего он опять нагревается и начинается следующий цикл теплообмена.

Нагретая за счет гелиосистемы вода направляется в ГВС или отопление.

Виды солнечных коллекторов

Вне зависимости от предназначения, гелиосистема укомплектовывается плоским или сферическими трубчатым коллектором. Каждый из которых обладает своими техническими параметрами.

Вакуумный – оптимален для холодных и умеренных климатических зон

По конструкции гелиоколлектор данного типа похож на термос, так как в нем узкие трубки с теплоносителем располагаются в больших колбах. При этом между ними создается вакуумный слой, который обеспечивает их качественной термоизоляцией (позволяет сократить пори тепла – до 5%). Трубчатая конструкция лучше удерживает вакуум и абсорбирует энергию света.

Тепловая трубка заполнена солевым раствором, который отличается небольшой температурой кипения (24-25 °С). После нагревания жидкость переходит в пар, который поднимается к верху колбы, где он отдает тепло теплоносителю коллектора.

После остывания пар переходит в воду, которая стекает в наконечник трубки и процедура теплообмена возобновляется.

С помощью вакуумного слоя жидкость в колбах доходит до кипения и испаряться даже при отрицательно температуре на улице (до -35 °С).

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Параметры солнечных тепловых генераторов зависят от:

  • конструкций трубки – перьевая или коаксиальная;
  • конструкции теплового канала – «Heat pipe» или прямоточная циркуляция.

Перьевая колба представляет собой стеклянную трубку с пластинчатообразным абсорбером и тепловым каналом.

Коаксиальная трубка представляет собой двойную колбу с вакуумной прослойкой, которая размещается между двух емкостей. Тепло передается от внутренней поверхности трубки. Наконечник термотрубки оборудуется индикатором вакуума.

Канал «Heat pipe» – это самый распространенный способ передачи тепла в коллекторах поглощающих солнечную энергию.

В этом случае в железных трубках размещается легкоиспаряющаяся жидкость.

Прямоточный канал – в этом случае в стеклянной колбе параллельно друг другу размещаются U-образные железные трубки.

Теплоноситель во время протекания по каналу разогревается, после чего направляется к коллектору.

Коаксиальные и перьевые трубки часто совмещаются с тепловыми каналами.

Первая комбинация. Коаксиальная колба и «Heat pipe» – это самая популярная комбинация. В такой системе протекает многократная теплоотдача, но КПД такой системы составляет всего 65%.

Вторая комбинация. Коаксиальная колба с прямоточной циркуляцией, еще называют U-образным коллектором. С помощью такой конструкции удается уменьшить потри тепла. В такой установке тепло от алюминия отдается теплоносителю.

Данный вид коллектора наряду с большим КПД (до 75%) обладает несколькими минусами:

  • сложно монтировать – колбы представляют собой единю систему с корпусом коллектора, поэтому монтируется целиком;
  • невозможно заменить единичную трубку.

К тому же, U-образный аппарат очень чувствителен к качеству теплоносителя и стоит больше моделей с «Heat pipe».

Третья комбинация. Перьевая трубка с «Heat pipe». Данный коллектор отличается следующим:

  • большим КПД – 77%;
  • плоским абсорбером, напрямую отдающим тепло теплоносителю;
  • благодаря применению одного слоя стекла удается уменьшить отражение солнечных лучей;

Позволяет заменить поломанный элемент без слива теплоносителя из системы.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Четвертая комбинация. Перьевая колба прямоточного действия – довольно мощное решение для нагрева холодной воды и обогрева жилых и нежилых зданий. Отличается высоким КПД – 80%. Минус данной системы – трудность обслуживания и ремонта.

Вне зависимо от назначения трубчатым коллекторам характерны такие преимущества:

  • работают даже при низких уличных температурах;
  • небольшие теплопотери;
  • больше работают в течение дня;
  • способны сильно нагревать теплоноситель;
  • небольшая парусность;
  • просто монтировать.

Основным минусом вакуумных систем является невозможность самоочищения от снега. Вакуумная прослойка не проводит тепло наружу установки, поэтому снега на ней не тает. В результате чего снежный покров препятствует падению солнечных лучей на коллекторное поле. Также их минусами являются: высокая стоимость и рабочий угол наклона колб не менее 20°.

Вакуумные коллекторные системы, можно использовать для подогрева холодной воды, если в них используется накопительный бак.

Водяной – идеальный вариант для теплых климатических зон

Плоский гелиоколлектор представляет собой прямоугольную панель из алюминия, закрываемую сверху крышкой из пластика или стекла. В данном коробе размещается абсорбционное поле, железный змеевик и надежная термоизоляция. При этом по площади коллектора проходит трубопровод с текущим в нем теплоносителем.

Теплопоглощение такой панели составляет 90%. Проточный железный трубопровод размещается между поглотителем солнечной энергией и термоизоляцией. Причем трубки могут укладываться по двум схемам: «арфа» или «меандр».

Процедура сборки поглощающих свет коллекторов, работающих с жидкостными теплоносителями состоит из следующих этапов работ:

  1. Первый этап: Сборка каркаса под коллекторную группу
  2. Второй этап: Подготовка коллектора к монтажу трубок
  3. Третий этап: Монтаж трубок
  4. Четвертый этап: Термоизоляция трубопровода
  5. Пятый этап: Регулировка каркаса по углу наклона
  6. Шестой этап: Монтаж автоматического воздухоотводчика
  7. Седьмой этап: Подсоединение коллектора к отоплению и ГВС
  8. Восьмой этап: Подключение коллектора к блоку управления

Если система отопления будет совмещена с линией, подающей горячую техническую воду в здание, то желательно устанавливать совместно с коллектором теплоаккумулятор. Простым выбором будет бак с термоизоляцией, который будет поддерживать температуру горячей воды. При этом ставить его нужно на специальную эстакаду.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Трубчатый тип коллектора с жидкостным теплоносителем работает по принципу теплицы – лучи солнца проходят сквозь стекло, после чего они нагревают трубопровод. С помощью хорошей герметичности и термоизоляции поступившее в панель тепло остается в ней.

Прочность коллектора в основном характеризуется материалом изготовления крышки:

  • Простое стекло – это очень хрупкий материал;
  • Закаленное высокопрочное стекло – хорошо рассеивает свет, при этом переносит большие нагрузки;
  • Антирефлексное стекло – обладает высоким поглощением света (95%), так как на нем имеется слой, элиминирующий отражение лучей солнца;
  • Самоочищающееся стекло с диоксидом титана – обычные загрязнения на нем со временем выгорают за счет воздействия жаркого солнца, а их остатки смываются дождевой водой.

Лучше всего держит нагрузки стекло из поликарбоната, поэтому его используют в дорогостоящих моделях.

Эксплуатационные и функциональные особенности панельных моделей гелиоустановок:

  • в системах с принудительным током теплоносителя предусматривается функция оттаивания, поэтому установка самоочищается от снега;
  • призматическое стекло хорошо улавливает солнечные лучи, так как оно воспринимает их под многими углами – летом КПД такой установки составляет 78-80%;
  • такому коллектору нестрашен перегрев – при переизбытке тепла предусмотрено принудительное охлаждение теплоносителя;
  • высокая ударопрочность в отличие от трубчатых моделей;
  • можно монтировать под любым углом;
  • доступные по цене.

Данные системы имеют и недостатки. В холодное время года при дефиците солнечного тепла, по мере роста разницы температур, КПД установки существенно снижается из-за слабой термоизоляции. Поэтому панельные установки оправдывают себя только летом или в жарких климатических зонах.

Конструкции гелиосистем и особенности их эксплуатации

Гелиосистемы можно разделить по: способу использования энергии света, методу циркуляции теплоносителя, числу контуров и сезонности работы.

Активный и пассивный комплекс

Во всех солнечных установках энергия света преобразуется в тепловую за счет гелиоприемника. По способу использования ими тепла, они бывают пассивными и активными.

Пассивные – это системы, в которых теплопоглощающими частями являются основные конструкционные элементы строения, а гелиоприемной поверхностью является кровля, стены-коллекторы или окна.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

В Евросоюзе пассивные системы используют в строительстве энергосберегающих домов. Причем светоприемные панели чаше всего маскируют под окна.

Теплоаккумуляторами в этом случае являются стены и перекрытия, которые изолированы полистиролом.

В активных системах используются самостоятельные устройства, которые не относятся к строению.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Термосифонные и циркуляционные модификации

Гелиотермические установки с естественной циркуляцией теплоносителя по схеме коллектор-аккумулятор-коллектор работают за счет конвекции – нагретый теплоноситель с небольшой плотностью поднимается вверх, а остывший – стекает вниз.

В термосифонных установка накопительный бак устанавливается выше коллектора, чтобы теплоноситель самопроизвольно циркулировал в ней.

У безнапорной система много минусов:

  • в облачную погоду производительность системы снижается, так как для циркуляции теплоносителя требуется значительная разница температур;
  • значительные потери тепла, что связанно с небольшой интенсивностью течения жидкости;
  • риск перегрева бака в связи с неуправляемостью процесса нагрева;
  • нестабильно работают;
  • сложность монтажа емкости-аккумулятора, так как в случае монтажа на крыше увеличиваются потери тепла, коррозийные процессы, а также возможно перемерзание патрубков.

Достоинствами поглощающей энергию солнца системы являются: простая конструкция и небольшая цена.

Затраты на сооружение циркуляционной (с принудительной подачей теплоносителя) гелиосистемы существенно больше монтажа безнапорной системы, так как требуется врезать в систему насос, с помощью которого будет двигаться в ней теплоноситель. Насосом работает автоматически за счет контролера.

Данный способ циркуляции используется в двухконтурных станциях, которые эксплуатируются круглый год.

Достоинствами полнофункциональной системы являются:

  • установка аккумулирующей емкости в любом месте;
  • работоспособность вне зависимости от сезона года;
  • выбор подходящего режима отопления или нагрева воды;
  • безопасность – работа установки блокируется при перегреве.

Минусом данной системы является зависимость от электропитания.

Одно – и двухконтурные схемы

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

В одноконтурных системах жидкость из коллектора подается сразу к точкам водозабора. Зимой воду в них нужно сливать, чтобы она не замерзла и трубы не лопнули.

Особенностями одноконтурных установок являются:

  • необходимость использования нежесткой водой – солей, оседают на трубках, поэтому через некоторое время они засорятся и коллектор поломается;
  • наличие коррозии из-за большого количества кислорода в воде;
  • небольшой срок эксплуатации – около 4-5 лет;
  • большой КПД летом.

В двухконтурных системах используется незамерзающий состав с антикоррозийными добавками, который хорошо передает тепло воде в теплообменнике.

Особенности эксплуатации двухконтурного оборудования:

  • по сравнению с одноконтурными установками у них меньше КПД на 3-5%;
  • с периодичностью 7 лет требуется менять в системе весь теплоноситель.

Требуемые условия для нормальной работы и увеличения эффективности

Рассчитывать и монтировать гелиосистемы должны профессионалы, так как полное соблюдение технологии монтажа позволит добиться заявленной производителями мощности. Для увеличения эффективности и срока эксплуатации нужно учитывать все нюансы работы данного оборудования.

Термостатический клапан. В классических системах отопления его используют редко, потому что регулирует температуру теплогенератор. Но все же во время монтажа гелиосистемы данный клапан лучше поставить.

Оптимально его поставить в 60 см от нагревателя, потому что при меньшем расстоянии он нагреется и заблокирует подачу горячей воды.

Установка бака-аккумулятора. Данный бачок должен размещаться в легкодоступном для людей месте. При монтаже в небольшой комнате нужно уделять внимание высоте потолков.

Монтаж расширительного бачка. Этот бачок позволяет компенсировать расширение теплоносителя в трубопроводе. Монтаж бачка выше насоса приведет к перегреву мембраны, поэтому она преждевременно выйдет из строя.

Подключение гелиоконтура. В процессе подсоединения труб желательно сделать «Термопетлю», что позволит уменьшить протри тепла и воспрепятствует выходу нагретой жидкости.

Обратный клапан. Защитит систему от обратного тока теплоносителя. При нехватке солнца этот клапан не позволит рассеиваться теплу, которое система накопила за день.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Популярные солнечные модули

На территории РФ и ближнего зарубежья популярны российские и импортные гелиосистемы. Отлично зарекомендовала себя продукция НПО Машиностроения (РФ), Гелион (РФ), Ariston (Италия), Альтен (Украина) и т.д.

Гелиосистема «Сокол». В ней используется плоский гелиоколлектор с многослойным покрытием и магнитронным напылением. Небольшое обратное излучение и большая степень поглощения солнечного света увеличивают КПД системы до 80%.

Рабочие параметры:

  • температура – до -21 °С;
  • обратное излучение – 3-5%;
  • наружное покрытие – закаленное высокопрочное стекло (4 мм).

Гелиоколлектор СВК-А (Альтен). Представляет собой вакуумную установку с небольшой площадью абсорбции 0,8-2,41 м² (зависит от конкретной модели). В качестве теплоносителя в ней используется пропиленгликоль, толщина термоизоляции теплообменника 75 мм позволяет практически исключить потери тепла.

Солнечная энергия в качестве альтернативного энергоресурса: виды и особенности гелиосистем

Дополнительные технические характеристики:

  • материал изготовления корпуса установки – анодированный алюминий;
  • диаметр теплообменника – 38 мм;
  • изоляционный материал – влагостойкая минеральная вата;
  • наружное покрытие – боросиликатное стекло толщиной 3,3 мм;
  • Уровень КПД – 98%.

Vitosol 100-F представляет собой плоский коллектор, в котором используется медный абсорбер с арфообразным змеевиком и гелиотитановым покрытием. Уровень светопроводности – 81%.

Выводы

Энергия солнца – это практически неисчерпаемый источник тепла. В связи с постоянным ростом цен на обычные энергоресурсы в длительной перспективе (5-10 лет) использование гелиосистем полностью оправдает ваши затраты при соблюдении технологии монтажа и обслуживания.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...