В останнє десятиліття сонячна енергія, як альтернативне джерело енергії використовується все частіше для опалення та забезпечення будівель гарячою водою. Основна причина - прагнення замінити традиційне паливо доступними, екологічно чистими і заповнювати енергоресурсами.
Перетворення сонячної енергії в теплову відбувається в геліосистемах - конструкція і принцип дії модуля визначає специфіку його застосування.
У цьому матеріалі ми розглянемо різновиди сонячних колекторів та принципи їх функціонування, а також розповімо про популярних моделях сонячних модулів.
Доцільність використання геліосистеми
Геліосистема - комплекс для перетворення сонячної променевої енергії в теплову, яка надалі передається в теплообмінник для нагріву теплоносія системи опалення чи водопостачання.
Ефективність геліотермічної установки залежить від сонячної інсоляції - кількість енергії, що надходить протягом одного світлового дня на 1 кв.м поверхні, розташованої під кутом 90 ° щодо спрямованості сонячних променів. Вимірювальна величина показника - кВт * год / кв.м, значення параметра змінюється в залежності від сезону.
Середній рівень сонячної інсоляції для регіону помірно-континентального клімату - 1000-1200 кВт * год / кв.м (на рік). Кількість сонця - визначальний параметр для розрахунку продуктивності геліосистеми.
Використання альтернативного енергетичного джерела дозволяє опалювати будинок, отримувати гарячу воду без традиційних енерговитрат - виключно за допомогою сонячного випромінювання
Монтаж системи геліотеплоснабженія - дорогий захід. Щоб капітальні витрати виправдали себе, необхідний точний розрахунок системи і дотримання технології установки.
Приклад. Усереднена величина сонячної інсоляції для Тули в середині літа - 4, 67 кВ / кв.м * день за умови установки панелі системи під кутом 50 °. Продуктивність геліоколектора площею 5 кв.м розраховується наступним чином: 4, 67 * 4 = 18, 68 кВт теплоенергії за день. Цього обсягу вистачить для підігріву 500 л води з температури від 17 ° С до 45 ° С.
Як показує практика, при використанні геліоустановки, власники котеджу в літній період можуть повністю перейти з електричного або газового обігріву води на сонячний метод
Говорячи про доцільність впровадження нових технологій, важливо врахувати технічні особливості конкретного геліоколектора. Одні починають працювати при 80 Вт / кв.м сонячної енергії, а іншим достатньо - 20 Вт / кв.м.
Навіть в південному кліматі, застосування колекторної системи виключно для опалення не окупиться. Якщо установка буде задіяна виключно взимку при дефіциті сонця, то вартість устаткування не покриється і за 15-20 років.
Щоб максимально ефективно використовувати геліокомплекс, його необхідно включити в систему гарячого водопостачання. Навіть взимку геліолектор дозволить «урізати» рахунки за енергоносії на підігрів води до 40-50%.
За оцінками експертів, при побутовому використанні гелиосистема окупається приблизно за 5 років. При зростанні цін на електроенергію і газ термін окупності комплексу скоротиться
Крім економічної вигоди «сонячний обігрів» має додаткові плюси:
- Екологічність. Скорочується викид вуглекислого газу. За рік 1 кв.м геліоколектора запобігає надходженню в атмосферу 350-730 кг відпрацювання.
- Естетичність. Простір компактної ванни або кухні вдається позбавити від громіздких бойлерів або газових колонок.
- Довговічність. Виробники запевняють, що при дотриманні технології монтажу, комплекс прослужить близько 25-30 років. Багато компаній надають гарантію до 3-х років.
Аргументи проти використання енергії сонця: яскраво виражена сезонність, залежність від погоди і високі початкові інвестиції.
Загальний пристрій і принцип дії
Розглянемо варіант геліосистеми з колектором в якості основного робочого елемента системи. Зовнішній вигляд агрегату нагадує металевий ящик, лицьова сторона якого виготовлена із загартованого скла. Всередині короба розміщений робочий орган - змійовик з абсорбером.
Теплопоглинальних блок забезпечує нагрів теплоносія - циркулює рідина, передає сгенерированное тепло в контур водопостачання.
Основні вузли геліосистеми: 1 - коллекторное поле, 2 - відведення повітря, 3 - розподільна станція, 4 - резервуар скидання надлишкового тиску, 5 - контролер, 6 - бак-водонагрівач, 7, 8 - тен і теплообмінник, 9 - клапан термосмесітельний, 10 - витрата гарячої води, 11 - надходження холодної води, 12 - слив, Т1 / Т2 - температурні датчики
Геліоколектор обов'язково працює в тандемі з акумулює баком. Оскільки теплоносій нагрівається до температури 90-130 ° С, його не можна подавати безпосередньо в крани гарячого водопостачання або опалювальні радіатори. Теплоносій надходить в теплообмінник бойлера. Накопичувальний бак часто доповнюється електричним нагрівачем.
Схема роботи:
- Сонце нагріває поверхню колектора.
- Теплове випромінювання передається вбирного елементу (абсорберу), в якому міститься робоча рідина.
- Циркулює по трубках змійовика теплоносій нагрівається.
- Насосне обладнання, блок управління і контролю забезпечують відведення теплоносія по трубопроводу до змійовика накопичувального бака.
- Здійснюється передача тепла воді в бойлері.
- Охолоджений теплоносій надходить назад в колектор і цикл повторюється.
Нагріта вода від водонагрівача подається в контур опалення або до водозабірних точок.
При облаштуванні опалювальної системи або цілорічного гарячого водопостачання, система комплектується джерелом додаткового підігріву (котел, електричний ТЕН). Це необхідна умова для підтримки заданої температури
Різновиди сонячних колекторів
Незалежно від призначення, геліосистема комплектується плоским сферичними трубчастим геліоколекторами. Кожен з варіантів має ряд відмінних рис у плані технічних характеристик і ефективності експлуатації.
Вакуумний - для холодного і помірного клімату
Конструктивно вакуумний геліоколектор нагадує термос - вузькі трубки з теплоносієм розміщені в колбах більшого діаметра. Між судинами утворюється вакуумна прошарок, що відповідає за теплоізоляцію (збереження тепла - до 95%). Трубчаста форма найбільш оптимальна для утримання вакууму і «окупації» сонячних променів.
Базові елементи трубчастої геліотермічної установки: опорна рама, корпус теплообмінника, вакуумні скляні трубки, оброблені високоселективним покриттям для інтенсивного «поглинання» сонячної енергії
Внутрішня (теплова) трубка наповнена сольовим розчином з низькою температурою кипіння (24-25 ° С). При нагріванні рідина випаровується - випаровування піднімаються вгору колби і нагрівають теплоносій, циркулює в корпусі колектора.
В процесі конденсації краплі води стікають в наконечник трубки і процес повторюється.
Завдяки наявності вакуумної прошарку рідина всередині теплової колби здатна закипати і випаровуватися при мінусовій вуличній температурі (до -35 ° С).
Характеристики сонячних модулів залежать від таких критеріїв:
- конструкція трубки - пір'яна, коаксіальна;
- пристрій теплового каналу - «Heat pipe», прямоточная циркуляція.
Пір'яна колба - скляна трубка, в якій укладено пластинчастий абсорбер і теплової канал. Вакуумна прошарок проходить через всю довжину теплового каналу.
Коаксиальная трубка - подвійна колба з вакуумної «вставкою» між стінками двох резервуарів. Передача тепла здійснюється від внутрішньої поверхні трубки. Наконечник термотрубкі оснащений індикатором вакууму.
Ефективність пір'яних трубок (1) вище в порівнянні з коаксіальними моделями (2). Однак перші дорожче і складніше в установці. Крім того, в разі поломки, пером колбу доведеться міняти цілком
Канал «Heat pipe» - найбільш поширений варіант передачі тепла в геліоколектори.
Механізм дії заснований на розміщенні в герметичних металевих трубках легкоиспаряющихся рідини.
Популярність «Heat pipe» обумовлена доступною вартістю, невибагливістю обслуговування і ремонтопридатністю. З огляду на складності теплообмінного процесу максимальний рівень ККД - 65%
Прямоточний канал - через скляну колбу проходять паралельні, з'єднані в U-подібну дугу металеві трубки
Теплоносій, протікаючи через канал, нагрівається і подається до корпусу колектора.
Варіанти конструкцій вакуумного геліоколектора: 1 - модифікація з нагрівальної центральною трубкою «Heat pipe», 2 - геліоустановка з прямоточною циркуляцією теплоносія
Коаксіальні і пір'яні трубки можуть по-різному комбінуватися з тепловими каналами.
Варіант 1. Коаксиальная колба з «Heat pipe» - найбільш популярне рішення. У колекторі відбувається багаторазова передача тепла від стінок скляної трубки до внутрішньої колбі, а потім до теплоносія. Ступінь оптичного ККД досягає 65%.
Схема пристрою коаксіальної трубки «Heat pipe»: 1-оболонках зі скла, 2 - селективне покриття, 3 - металеве ребра, 4 - вакуум, 5 - теплова колба з легкозакіпающім речовиною, 6 - внутрішня трубка зі скла
Варіант 2. Коаксиальная колба з прямоточною циркуляцією відома як, U-подібний колектор. Завдяки конструкції зменшуються тепловтрати - теплова енергія від алюмінію передається трубках з циркулюючим теплоносієм.
Поряд з високим ККД (до 75%) модель має недоліки:
- складність монтажу - колби є єдиним цілим з двотрубних корпусом колектора (mainfold) і встановлюються цілком;
- виключена заміна одиночних трубок.
Крім того, U-подібний агрегат вимогливий до теплоносія і дорожче «Heat pipe» моделей.
Пристрій U-образного геліоколектора: 1 - скляний «циліндр», 2 - поглинає покриття, 3 - алюмінієвий «чохол», 4 - колба з теплоносієм, 5 - вакуум, 6 - внутрішня трубка зі скла
Варіант 3. Пір'яна трубка з принципом дії «Heat pipe». Відмінні риси колектора:
- високі оптичні характеристики - ККД близько 77%;
- плоский абсорбер безпосередньо передає енергію тепла трубці з теплоносієм;
- за рахунок використання одного шару скла знижено відображення сонячного випромінювання;
Можлива заміна пошкодженого елемента без зливу теплоносія з геліосистеми.
Варіант 4. Пір'яна колба прямоточного дії - найбільш ефективний інструмент використання сонячної енергії, як альтернативного джерела енергії для нагріву води або опалення житла. Високопродуктивний колектор працює з ККД - 80%. Недолік системи - труднощі ремонту.
Схеми пристрою пір'яних сонячних колекторів: 1 - геліосистема з «Heat pipe» каналом, 2 - двотрубний корпус геліоколектора з прямоточним рухом теплоносія
Незалежно від виконання трубчастим колекторам притаманні такі переваги:
- працездатність при низькій температурі;
- низькі теплові втрати;
- тривалість функціонування протягом доби;
- здатність розігрівати теплоносій до високих температур;
- невисока парусність;
- простота установки.
Основний недолік вакуумних моделей - неможливість самоочищення від снігового покриву. Вакуумна прошарок не пропускає тепло назовні, тому шар снігу не тане і перекриває доступ сонця до колекторного полю. Додаткові мінуси: висока ціна і необхідність дотримання робочого кута нахилу колб не менш 20 °.
Більш докладно про принцип роботи вакуумного сонячного колектора з трубками читайте далі.
Водяний - оптимальний варіант для південних широт
Плоский (панельний) геліоколектор - прямокутна алюмінієва пластина, закрита зверху пластиковій або скляній кришкою. Всередині короба розташоване абсорбційну поле, металевий змійовик і шар теплоізоляції. Площа колектора заповнена проточним трубопроводом, по якому рухається теплоносій.
Базові складові плоского геліоколектора: корпус, абсорбер, захисне покриття, прошарок теплоізоляції і кріпильні деталі. При складанні використовується матове скло з показником пропускання спектрального діапазону 0, 4-1, 8 мкм
Теплопоглинання високоселективного абсорбуючої покриття досягає 90%. Проточний металевий трубопровід розміщений між «поглиначем» і теплоізоляцією. Застосовується дві схеми укладання трубок: «арфа» і «меандр».
Трубчастий колектор з рідким теплоносієм діє, як «тепличний» ефект - сонячні промені проникають через скло і прогрівають трубопровід. Завдяки герметичності та теплоізоляції тепло утримується всередині панелі.
Міцність сонячного модуля багато в чому визначається матеріалом захисної кришки:
- звичайне скло - найдешевше і крихке покриття;
- загартоване скло - висока ступінь розсіювання світла і підвищена міцність;
- антирефлексне скло - відрізняється максимальною поглинанням (95%) за рахунок наявності шару, елімінується відображення променів сонця;
- самоочищаються (полярне) скло з діоксид титаном - органічні забруднення вигоряють на сонці, а залишки сміття змиваються дощем.
Найбільш стійко переносить удари полікарбонатні скло. Матеріал встановлюється в дорогих моделях.
Відображати сонячні промені і поглинає здатність: 1 - антирефлексне покриття, 2 - загартоване ударостійке скло. Оптимальна товщина захисної зовнішньої оболонки - 4 мм
Експлуатаційно-функціональні особливості панельних геліоустановок:
- в системах примусової циркуляції передбачена функція відтавання, що дозволяє швидко позбутися від снігового покриву на Гелиополе;
- призматичне роздільне скло вловлює широкий діапазон променів під різним кутом - в літній період ККД установки досягає 78-80%;
- колектор не боїться перегріву - при надлишку теплової енергії можливе примусове охолодження теплоносія;
- підвищена ударостійкість в порівнянні з трубчастими побратимами;
- можливість монтажу під будь-яким кутом;
- доступна цінова політика.
Системи не позбавлені недоліків. В період дефіциту сонячного випромінювання, у міру збільшення різниці температур, ККД плоского геліоколектора значно падає через недостатній теплоізоляції. Тому панельний модуль виправдовує себе в літній час або в регіонах з теплим кліматом.
Геліосистеми: особливості конструкції і експлуатації
Різноманіття геліосистем можна класифікувати за такими параметрами: метод використання сонячної радіації, спосіб циркуляції теплоносія, кількість контурів і сезонність експлуатації.
Активний і пасивний комплекс
У будь-який сонячній системі перетворення енергії передбачений геліоприймача. Виходячи зі способу використання отриманого тепла розрізняють два типи геліокомплексов: пасивні та активні.
Перший різновид - система сонячного опалення, де теплопоглинальних елементом сонячного випромінювання виступають конструктивні елементи будівлі. Як геліопріемной поверхні виступають покрівля, стіна-колектор або вікна.
Схема низькотемпературної пасивної геліосистеми зі стіною-колектором: 1 - промені сонця, 2 - напівпрозорий екран, 3 - повітряний бар'єр, 4 - розігріте повітря, 5 відпрацьовані повітряні потоки, 6 - теплове випромінювання від стіни, 7 - Теплопоглинаюча поверхню стіни-колектора, 8 - декоративні жалюзі
В європейських країнах пасивні технології використовуються при зведенні енергозберігаючих будівель. Геліопріемние поверхні декорують під фальш-вікна. За скляним покриттям розміщується цегляна зачорнена стіна зі светопроемами.
Як теплоаккумуляторов виступають елементи споруди - стіни і перекриття, ізольовані полістиролом ззовні.
Активні системи мають на увазі використання самостійних пристроїв, що не відносяться до спорудження.
У цю категорію відносяться вищерозглянуті комплекси з трубчастими, плоскими колекторами - геліотермічні установки, як правило, розміщуються на даху будівлі
Термосифонні і циркуляційні системи
Геліотермічні обладнання з природним рухом теплоносія по контуру колектор-акумулятор-колектор здійснюється за рахунок конвекції - тепла рідина з малої щільністю піднімається вгору, охолоджена - стікає вниз.
У термосифонних системах накопичувальний бак розміщується вище колектора, забезпечуючи мимовільно циркуляцію теплоносія.
Схема роботи властива одноконтурним сезонним системам. Термосифонний комплекс не рекомендується використовувати для колекторів, площею понад 12 кв.м
Безнапірна гелиосистема має широкий перелік недоліків:
- в хмарні дні продуктивність комплексу падає - для руху теплоносія потрібна велика різниця температур;
- теплові втрати, зумовлені повільним пересуванням рідини;
- ризик перегріву бака через некерованості нагрівального процесу;
- нестабільність роботи колектора;
- складність розміщення бака-акумулятора - при монтажі на даху зростають тепловтрати, прискорюються корозійні процеси, з'являється ризик замерзання патрубків.
Плюси «гравітаційної» системи: простота конструкції і цінова доступність.
Капітальні витрати на облаштування циркуляційної (примусової) геліосистеми значно вище установки безнапірного комплексу. У контур «врізається» насос, що забезпечує руху теплоносія. Робота насосної станції управляється контролером.
Додаткова теплова потужність, що виробляється в примусовому комплексі, перевищує потужність, споживану насосним обладнанням. Ефективність системи зросте на третину
Такий спосіб циркуляції задіяний в цілорічних двоконтурних геліотермічних установках.
Плюси повнофункціонального комплексу:
- необмежений вибір місця розташування акумулює бака;
- працездатність поза сезоном;
- вибір оптимального режиму нагріву;
- безпека - блокування роботи при перегріванні.
Недолік системи - залежність від електроенергії.
Технічне рішення схем: одне - і двоконтурні
В одноконтурних установках циркулює рідина, яка згодом подається до водозабірних точок. У зимовий період воду з системи треба зливати, щоб попередити замерзання і розтріскування труб.
Особливості одноконтурних геліотермічних комплексів:
- рекомендована «заправка» системи очищеної нежорсткій водою - осідання солей на стінках труб призводить до засмічення каналів і поломки колектора;
- корозія через надлишок повітря в воді;
- обмежений термін служби - в межах чотирьох-п'яти років;
- високий ККД влітку.
У двоконтурних геліокомплексах циркулює спеціальний теплоносій (рідина з протівовспенівающіх і антикорозійними добавками), який чи тепло воді через теплообмінник.
Схеми пристрою одноконтурной (1) і двоконтурної (2) геліосистеми. Другий варіант відрізняється підвищеною надійністю, можливістю роботи взимку і тривалістю експлуатації (20-50 років)
Нюанси експлуатації двоконтурного модуля: незначне зниження ККД (на 3-5% менше ніж в одноконтурной системі), необхідність повної заміни теплоносія кожні 7 років.
Умови для роботи і підвищення ефективності
Розрахунок і монтаж геліосистеми краще довірити професіоналам. Потрібно забезпечити умови для установки забезпечить працездатність і отримання заявленої продуктивності. Для поліпшення ефективності та періоду роботи над врахувати деякі нюанси.
Термостатичний клапан. У традиційних системах теплопостачання термостатичний елемент рідко встановлюється, так як за регулювання температури відповідає теплогенератор. Однак при облаштуванні геліосистеми про захисному клапані забувати не можна.
Нагрівання бака до максимальної допустимої температури підвищує продуктивність колектора і дозволяє задіяти сонячне тепло навіть при похмурій погоді
Оптимальне розміщення клапана - 60 см від нагрівача. При близькому розташуванні «термостат» нагрівається і блокує подачу гарячої води.
Розміщення бака-акумулятора. Буферна ємність ГВС повинна встановлюватися в доступному місці. При розміщенні в компактному приміщенні особлива увага приділяється висоті стель.
Мінімальна вільний простір над баком - 60 см. Цей зазор необхідний для обслуговування акумулятора і заміни магнієвого анода
Установка розширювального бака. Елемент компенсує температурне розширення в період стагнації. Установка бака вище насосного обладнання спровокує перегрів мембрани і її передчасний знос.
Оптимальне місце для розширювального бачка - під насосною групою. Температурний вплив при такому монтажі значно скорочується, і мембрана довше зберігає еластичність
Підключення геліоконтура. При підключенні труб рекомендується організувати петлю. «Термопетля» скорочує тепловтрати, перешкоджаючи виходу розігрітій рідини.
Технічно правильний варіант реалізації «петлі» геліоконтура. Нехтування вимогою стає причиною зниження температури в баці-акумуляторі на 1-2 ° С за ніч
Зворотній клапан. Попереджає «перекидання» циркуляції теплоносія. При нестачі сонячної активності зворотний клапан не дає розсіюватися тепла, накопиченого днем.
Популярні моделі «сонячних» модулів
Попитом користуються геліосистеми вітчизняних і зарубіжних компаній. Хорошу репутацію завоювали вироби виробників: НПО машинобудування (Росія), Геліон (Росія), Ariston (Італія), Альтен (Україна), Viessman (Німеччина), Amcor (Ізраїль) та ін.
Гелиосистема «Сокіл». Плоский геліоколектор, оснащений багатошаровим оптичним покриттям з МАГНІТРОН напиленням. Мінімальна здатність випромінювання і високий рівень поглинання забезпечують ККД до 80%.
Експлуатаційні характеристики:
- робоча температура - до -21 ° С;
- зворотне випромінювання тепла - 3-5%;
- верхній шар - загартоване скло (4 мм).
Колектор СВК-А (Альтен). Вакуумна геліоустановка з площею абсорбції 0, 8-2, 41 кв.м (залежно від моделі). Теплоносій - пропіленгліколь, теплоізоляція мідного теплообмінника в 75 мм мінімізує тепловтрати.
Додаткові параметри:
- корпус - анодований алюміній;
- діаметр теплообмінника - 38 мм;
- ізоляція - мінвата з антігігроскопічной обробкою;
- покриття - боросиликатное скло 3, 3 мм;
- ККД - 98%.
Vitosol 100-F - плоский геліоколектор горизонтального або вертикального монтажу. Мідний абсорбер з арфообразним трубчастим змійовиком і геліотітановим покриттям. Пропускання світла - 81%.
Орієнтовний порядок цін на геліосистеми: плоскі геліоколектори - від 400 у.о. / кв.м, трубчасті сонячні колектори - 350 у.о. / 10 вакуумних колб. Повний комплект циркуляційної системи - від 2500 у.о.
Висновки і корисне відео по темі
Принцип дії сонячних колекторів та їх види:
Оцінка працездатності плоского колектора при мінусовій температурі:
Технологія монтажу панельного геліоколектора на прикладі моделі Buderus:
Сонячна енергія - заповнювати джерело отримання тепла. З урахуванням зростання цін на традиційні енергоресурси впровадження геліосистем виправдовує капітальні інвестиції і окупається в найближчі п'ять років при дотриманні техніки монтажу.
Якщо у вас є цінні відомості якими ви хочете поділитися з відвідувачами нашого сайту, будь ласка, залишайте свої коментарі в блоці під статтею. Там же можна задати питання по темі статті або поділитися досвідом використання сонячних колекторів.