Акрукс – принципы работы солнечных коллекторов для нагрева воды и отопления

Солнечный коллектор  устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видим

Принцип действия

Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.

Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.

Что такое

Гелиоустановка — это современный экологичный способ получения и последующего применения тепловой энергии от солнца. Во многих странах установки уже давно используют в частном секторе и промышленных масштабах. Системы подходят для нагрева воды или отопления. Преимущества для владельца:

  • Владелец установки бесплатно получает солнечную энергию, которую может потом распределить по дому.
  • Процесс получения и преобразования энергии экологичен и не наносит вреда планете.
  •  Энергия солнце неиссякаема, поэтому владелец установки всегда может быть уверен в ее получении.
  • По сравнению с другими установками альтернативного получения энергии, стоимость коллектора невысокая.

Как и у любой установки, у солнечного коллектора есть и свои минусы —  результат работы зависит от погоды.

В нашей стране использование гелиосистем не так распространено, как в Европе и Америке, по причине низкой эффективности, связанной с погодными условиями. Лидеры по установке гелиоколлекторов сегодня Япония и Китай.

Из чего состоит и как работает солнечный коллектор

Каждый солнечный коллектор включает в себя следующие элементы:

  • коллектор для сбора энергии;
  •  насосы для циркуляции;
  • трубопровод, где происходит циркуляция теплоносителя;
  • система управления за установкой;
  • теплоноситель;
  • бойлер.

Гелиоустановка совместима с водонагревателями и газовыми котлами. Дополнительно монтируют теплосчетчик, который помогает вычислить выработанную энергию и подсчитать реальную экономию киловатт.

1.Солнечный коллектор. 2. Буферный бак. 3. Горячая вода. 4. Холодная вода. 5. Котроллер. 6. Теплообменник. 7. Помпа. 8. Горячий поток. 9. Холодный поток.

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 м², 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[3]

В России

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. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 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, 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.[4]

Правильно оборудуем жилье

Для сохранения тепла в доме следует уделить внимание выбору межкомнатных дверей.Где же купить межкомнатные двери, чтобы ни на минуту не пожалеть о совершенной покупке? Как обезопасить себя от возможных подделок и недобросовестных производителей? Что предпринять, если вы готовы вложить достаточную сумму средств, чтобы купить межкомнатные двери, но не склонны доверять специалистам, обладающим низкой квалификацией?
Вывод в данном случае прост — обратиться к услугам интернет- магазина, реализующего широкий спектр моделей межкомнатных дверей, представленных различными конструктивными решениями и производителями. Наш ассортимент постоянно расширяется и обновляется, а высокая квалификация персонала не подлежит сомнению.

В нашем магазине вы всегда сможете подобрать межкомнатные двери, решенные в
ключе основных тенденций традиционной классики или же соответствующие одному из многочисленных направлений современного интерьерного дизайна. Каждое изделие не только оснащено надежной, функциональной и эффектной фурнитурой, но и имеет сертификат соответствия качества основным существующим стандартам. Приобретая межкомнатные двери у нас, вы тем самым отдаете предпочтение абсолютно безвредной продукции, изготовленной из экологически чистого сырья.

Разновидности

Все устройства можно поделить на 2 категории: по принципу нагрева и способу хранения теплоносителя. При выборе гелиоустановки всегда необходимо выбирать исходя из параметров использования. В зависимости от конструкции, отличается способ эксплуатации и обслуживания оборудования.

Коллекторы с встроенным баком

Моноблочные установки предназначены для работы в период весна-осень. В зимние месяцы их отключают. Модели со встроенным баком легкие в монтаже и использовании. Все что необходимо — подключить его к системе водоснабжения.

Принцип работы:

  1. солнечные лучи попадают на поглощающую панель (абсорберум);
  2. полученная энергия передается в змеевик, который расположен в баке;
  3. тепловая энергия передается от теплоносителя к воде.

В хороший солнечный день, такой коллектор может нагреть до 200 литров воды. Коллекторы с встроенным баком работают без давления, поэтому монтаж производят в наивысшей точке — крыша дома. Делается этого чтобы обеспечить необходимый напор воды.

Такие установки пользуются широким спросом, из-за простоты использования и легкого монтажа. Чаще всего их используют для летних домов и дачных участков.

Основной принцип работы — циркуляция воды. Теплая вода вверху, холодная снизу. При монтаже важно установить емкость для жидкости выше коллектора.

Гелиосистемы с выносным баком

Такие типы коллекторов могут работать круглый год. Единственное условие, температура не должна падать ниже -50 градусов. Для нагрева воды используется внешний бойлер косвенного нагрева, а в качестве теплоносителя — антифриз.

Принцип работы:

  1. поглощающая панель получает тепло и передает его в теплоноситель;
  2. под давлением, теплоноситель поступает в теплообменник бака накопителя;
  3. когда антифриз проходит по змеевику, он нагревает воду.

Такие гелиосистемы работает с подключением к насосной группе. Управление производится автоматически.

Достоинством солнечного коллектора с выносным баком является возможность получения энергии круглый год, при определенных условиях. Однако такие установки требуют подключения дополнительного оборудования, и работа коллектора зависит от электричества — его отключение может сказаться на работе установки.

Принцип работы солнечного коллектора

Схематично, принцип работы различных видов устройств, можно отразить следующим образом:

  1. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование жидкого теплоносителя: Рисунок номер один
  2. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование воздуха: Рисунок номер два
  3. Вакуумный солнечный коллектор, с жидким теплоносителем: Рисунок номер три

Солнечные башни

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Виды

В соответствии с конструкцией, видом теплоносителя и способу его использования и передачи тепла, солнечные коллекторы бывают:

По типу конструкции:

  • Плоские – представляют из себя конструкцию в виде прямоугольника (коробки), выполняемую из прочного материала и служащую корпусом устройства. Во внутренне пространство корпуса укладывается изоляция, по поверхности которой монтируется абсорбирующая (поглощающая тепло) пластина. В специальные углубления абсорбера, укладываются трубки (как правили изготовленные из меди), в которые, в дальнейшем, подается теплоноситель. С наружной стороны корпус закрывается поглощающей оболочкой и защитным стеклом. По типу конструкции1
  • Вакуумные – в устройстве данного типа, определенное количество вакуумных трубок, объединены в общем корпусе коллектора. В корпусе устроен теплообменник, в котором теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре вакуумных трубок, передает полученную энергию, теплоносителю наружного контура. По типу конструкции2

По типу теплоносителя:

  • Воздушные;
  • Водяные.

По способу использования теплоносителя:

  • Пассивные – солнечный коллектор используется в паре с баком накопителем, и служит для горячего водоснабжения, без устройства дополнительных инженерных элементов сети (циркуляционный насос, элементы защиты и т. д.).
  • Активные – система, кроме монтажа коллектора, комплектуется техническими устройствами (насос, защитные клапана, бак накопитель, дополнительные элементы нагрева теплоносителя), и может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещений.

По способу передачи тепла:

  • Косвенного действия, когда в системе отопления (горячего водоснабжения), присутствует бак-аккумулятор (накопитель), в котором происходит передача тепловой энергии, полученной, наружным контуром, от солнечных лучей, и передаваемой внутреннему контуру, циркулирующему в системах ГВС и отопления.
  • Прямого действия, прямоточные – данный способ используется в системах ГВС, при этом циркуляция воды, в контуре коллектора, осуществляется под воздействием разности температур и путем установки дополнительных элементов (кранов, клапанов и т. д.).

 Принцип работы солнечного коллектора

Принцип работы простой — установка преобразует энергию солнце в тепло. Как это работает: поглощающие пластины притягивают и удерживают солнечные лучи, которые в свою очередь нагревают теплоноситель. Пластины имеют черный цвет, так как он не отражает, а поглощает лучи, попадающие на него. С помощью насоса нагретая жидкость передает тепло в бак. В хорошую солнечную погоду гелиосистема способна обеспечить ежедневную потребность в теплой воде.

На эффективную работу влияет:

  1. продолжительность дня;
  2. уровень облачности;

Чтобы коэффициент эффективности работы коллектора был выше, устанавливают дополнительное оборудование — газовые котлы, тепловые насосы.

Чем заправляют гелиосистемы

Теплоноситель для гелиосистем заправляют в зависимости от вида и условий эксплуатации. Если коллектор работает круглый год, необходимо заправлять незамерзающим составом, если для сезона весна — осень, то подойдет заправка дистиллированной водой.

если коллектор используется зимой, то для заправки подойдет смесь пропиленгликоля с водой и антикоррозийными веществами. Пропорция раствора зависит от условий, в которых используется система:

  • при температуре ниже 20 градусов пропорция, следующая — на 10 литров теплоносителя добавляют 6 литров пропиленгликоля;
  • при температуре ниже 30 градусов раствор делают в равных пропорциях.

Можно купить сразу готовый антифриз, разведенный в нужных пропорциях.

Важно: нельзя в качестве теплоносителя зимой использовать воду, так как она замерзнет и разорвет трубы. Поэтому в конце сезона воду необходимо слить с установки.

Как работает солнечный коллектор зимой

Возможно, из-за недостоверной информации большой процент населения игнорирует альтернативный способ получения энергии. Самое распространенное ошибочное мнение, что зимой коллектор не может эффективно работать. Но это не совсем так. Основные теории, которые выдвигают противники гелиосистем:

  1. Необходимость чистить зимой установку от снега и наледи, чтобы она могла эффективно работать.
  2. В пасмурные дни установка бесполезна.
  3. При минусовой температуре коллектор не сможет вырабатывать нужное количество энергии.

В данных убеждениях есть доля истины, но не во всем. При выборе коллектор нужно учитывать, где он будет устанавливаться, в какой период времени работать и другие факторы.

К примеру, вакуумные коллекторы продолжают свою работу даже при рассеянном свете. Их эффективность ниже, чем при прямых солнечных лучах, но рабочий процесс не останавливается.

Если панель вакуумного коллектора засыпает снегом, то ее работа снижается на 10-15%, в то время как с плоских гелиоустановок снег сходит самостоятельно.

Появление на коллекторе наледи или инея не мешает процессу, так пропускаемость света остается хорошей.

Обратите внимание: если сравнивать эффективность работы коллектором в зимний и летний период, то эффективность вакуумного падает на 10-15%, а плоского до 40%.

Сколько воды может нагреть солнечный коллектор

Чтобы ответить на этот вопрос нужно учесть несколько факторов: какой сейчас сезон и погодные условия, какой используется способ нагрева. Учитывая все факторов данные могут меняться. На 1 квадратный метр гелиосистемы принято считать следующую возможность нагрева в час:

  • 100 литров на 7 C;
  • 50 литров на 14 C;
  • 25 литров на 28 C;
  • 15 литров на 46 C;
  • 10 литров на 70 C.

Для большего количество воды устанавливают накопительную емкость.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Гелиосистемы работают от энергии солнце, поэтому логично, что их нужно размещать снаружи дома на солнечной стороне участка или крыши. Для монтажа пластин подходят как плоские, так и крыши с наклоном. Коллекторы имеют большой вес, рекомендуется крепить их на несущих балках. В наших широтах рекомендовано устанавливать конструкции на южную сторону. Даже не большое отклонение будет давать меньшую производительность энергии.

Важно установить коллектор под правильным углом, это связано с тем, что солнечные лучи падают на земную поверхность под определенным преломлением. Нужно учитывать следующие факторы:

  1. Место расположения. Для южных регионов угол наклона примерно 30-35 градусов, для северных — 40 градусов.
  2.  Если установка будет использоваться круглый год, то угол примерно равен широте местности. Если только в летнее время — значение увеличивают на 15 градусов, в зимнее — уменьшают на 15 градусов.

Все данные ориентировочные, поэтому лучше делать расчет установки исходя от конкретной местности. В инструкции по эксплуатации будут указаны средние показатели для конкретного коллектора. Нужно выбрать место, чтобы на пластины коллектора не падала тень от деревьев или соседних зданий.

Обратите внимание: лучший вариант — это установки с автоматическим регулированием угла наклона.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Выбор мощности гелиоустановки зависит от эксплуатации — круглогодичная или сезонная, какой необходим объем вырабатываемой энергии и другие факторы.

Если первостепенной задачей установки является нагрев воды, то можно выбирать системы с более низкой мощностью. Если система будет участвовать в отоплении дома, то мощность нужна выше.

Средний показатель: площадь коллектора в 4-6 квадратных метра хватает, чтобы наполовину обеспечить дом горячей водой. Для полного обеспечения дома тепловой энергией понадобится не меньше 12 квадратных метров системы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

Перегрев гелиоколлектора приводит к частичной или полной поломки и последующему ремонту. Чтобы этого избежать нужно соблюдать следующих рекомендаций:

  1. Правильно рассчитать покрываемую пластинами площадь. Недобросовестные продавцы могут посоветовать покупать большее количество пластин для выработки энергии, чем необходимо для потребления. Нужно учитывать, что в летний период скорость нагрева больше, чем в зимний.
  2. При необходимости сброс горячей воды в канализацию. Делается это автоматически, когда температура доходит до предельных показателей.
  3.  Прикрытие коллектора с помощью роллета. Когда температура воды в бойлере достигает нужного нагрева, шторка автоматически опускается и прикрывает пластины. Когда горячая вода снова понадобится, роллет открывается и пластины снова начинают поглощать солнечные лучи.

Придерживаясь небольших рекомендаций, можно защитить гелиосистему от ремонта.

Линзы Френеля

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

Выгодно ли это

Определить, выгодно ли использовать солнечные коллекторы, каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей.
Регион проживания – это важный критерий, при определении эффективности использования устройств, служащих для преобразования энергии солнца в другие виды энергии. Солнечная активность (продолжительность солнечного сияния), в разных регионах нашей страны разная, что видно на приведенной ниже схеме. Схема по России
Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.

При необходимости создать абсолютно автономную систему, от внешних, традиционных поставщиков тепловой энергии, следует помнить, что, установив только коллектор, создать подобную систему не получится, т. к. для создания циркуляции теплоносителя, работы системы автоматики, необходима электрическая энергия. Поэтому, для полной автономии, необходимо проработать вопрос по независимому электроснабжению подключаемого объекта. Следовательно, для того, чтобы сделать абсолютно независимую систему, потребуются дополнительные финансовые затраты, что увеличит срок окупаемости оборудования.

Правила размещения

Для того чтобы солнечный коллектор эффективно обеспечивал дом теплом, в том числе зимой, необходимо при его размещении учесть следующие правила:

  • Рабочая поверхность прибора должна быть обращена на южную часть небосклона, и не отклоняться более, чем на 30 град.

Видео-пример прикладного использования солнечного коллектора для дачного дома:

  • На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
  • При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
  • Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
  • Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.

Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелео-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.

Видео о том, как работает солнечный коллектор в зимнее время:

podogrev-vody-v-basseyne-na-dache-populyarnye-sposoby-i-ustroystva-72268.jpg

См. также

  • Солнечная батарея

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Лидером по использованию солнечных коллекторов в Европе является Германия, Австрия, Греция. Около 15% частного сектора установили гелиосистемы для нагрева воды или отопления дома. Коллекторы используют в школах, магазинах, больницах, на предприятиях.

В некоторых европейских странах при строительстве новых домов, установка гелиоколлектора обязательна.

В России солнечные коллекторы установил небольшой процент населения. В первую очередь это связано с недостатком информации о таком способе добычи энергии. Роль играет их стоимость, поэтому не каждый может купить такую установку.

Вывод

Одна из важнейших проблем связанная с экологией — это проблема с энергоресурсами, влияние на изменение климата. Поэтому использование гелиоустановок — это хороший способ не только экономии, но и вклад в защиту экологии планеты.

Ссылки

  • Solar Heat Worldwide 2011
  • Гигантская солнечная электростанция будет построена Европой в Сахаре.
  • 1% Сахары обеспечит весь мир солнечной энергией
  • Устройство вакуумных трубок для солнечных коллекторов.
  • Сравнительные преймущества вакуумных и плоских коллекторов.

Литература

  • А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
  • Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
  • Солнечный душ\Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 №1, стр 131
  • Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...