Солнечные коллекторы для автономного отопления

Современное общество является свидетелем очередного глобального перехода на новые энергоносители, который начался приблизительно в начале 90-х годов прошлого века.

Определяющей характеристикой текущего этапа является его экологическая направленность, стремление избавиться от зависимости от ископаемых ресурсов, добыча и использование которых истощает и загрязняет природу.

Считается, что разработка источников альтернативной энергии все еще дело завтрашнего дня, на самом деле по отдельным направлениям в технической практике уже произошла тихая революция.

Одним из успешных направлений стала гелиоэнергетика.

Одним из ключевых направлений гелиоэнергетики является производство и эксплуатация солнечных коллекторов. 

С помощью солнечных коллекторов можно обогревать помещения даже при минусовых температурах. 

Коллекторы активно применяются во многих странах, отечественные потребители также начинают присматриваться к аккумулирующим солнечную радиацию установкам.

Научиться использовать солнечную энергию для получения тепловой энергии люди пытались с древних времен.

Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи.

Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 м.

Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был обычный деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода в нем нагревалась солнцем до 88°С.

В 1774г. великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Солнечный коллектор - один из самых простых способов использования энергии солнца, который не требует больших вложений, высоких технологий и большого уровня знаний.

Системы теплоснабжения на базе солнечных коллекторов совершенствуются во всем мире, чтобы сделать их объектом массового спроса.

Солнечный коллектор является одним из основных устройств для преобразования  солнечной энергии в тепло.

Коллекторы - это экологически безопасные обогреватели, которые производят тепловую энергию без каких-либо вредных выбросов в атмосферу.

Они просты в эксплуатации и обеспечивают высокий уровень энегоэффективности.

Коэффициент поглощения солнечной энергии коллекторами достаточно высок и достигает 90%.

На базе коллектора может быть сформирована мини-котельных, которая  применяется для горячего водоснабжения и отопления административных, общественных и производственных зданий со строительным объемом 7 - 10 тыс. м3.

Система имеет многоступенчатую автоматизированную систему линейных догревателей, которые располагаются по отопительной линии.

Также коллектор может быть соединен с централизованным электрическим котлом, работающим от установленных температурных датчиков.

Среднегодовая производительность для средней полосы России составляет 4,5 КВт/ч в сутки с 1м2 поверхности.

Это значит, что  отопить дом на 100% в зимнее время не получится, однако можно снизить затраты на отопление до 40% и всегда иметь в доме горячую воду.

Солнечные коллекторы нагревают жидкость-теплоноситель. 

Затем нагретая жидкость используется  в системе обогрева помещения.

Такие обогреватели применяются как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения.

Существуют два вида систем солнечных коллекторов.

Система с естественной циркуляцией  

В такой системе жидкость циркулирует без каких-либо дополнительных приспособлений. 

Система с принудительной циркуляцией  

В таких системах циркуляция нагретой жидкости обеспечивается электрическим насосом.

При использовании системы с принудительной циркуляцией воды, конструкция немного усложняется, полная автономная работа системы не возможна.

При автоматизации системы, использование электрической энергии минимально. Современные насосы и блоки автоматического управления поглощают минимум электроэнергии.

Система отопления на базе солнечного коллектора состоит из двух основных элементов.

Это наружный блок,  который устанавливается на крыше дома или в другом хорошо освещенном солнцем месте, и внутренней блок, который состоит из резервуара теплообменника и системы управления.

Солнечный коллектор обеспечивает аккумуляцию солнечного излучения в любую погоду.

В отопительных системах используются солнечные коллекторы  разных конструкций, теплоносителем в устройстве может являться как вода, так и масло.

Как правило, эти системы состоят из трубчатого радиатора, наполненного жидкостью.

Радиатор изготовливается из материалов темного цвета или находится под темной пластинкой.

Вся система сверху покрыта стеклом.

Солнечное излучение, проникая сквозь стекло, нагревает жидкость, поступающую далее в специальную теплоизолирующую емкость.

С другой стороны в радиатор закачивается холодная вода чтобы нагревшись, повторить тот же путь.

Гораздо эффективнее действует вакуумный коллектор - он может подогреть жидкость до 300°С.

Такая температура достигается за счет того, что вся система работает в вакууме, то есть, в безвоздушном пространстве. Нет воздуха - значит некому красть тепло из обогревателя.

Имеется множество типов обогревателей, работающих по принципу фокусировки солнечных лучей в небольшом пространстве. В них достигаются самые высокие температуры.

Системы зеркал или увеличительных стекол концентрируют солнечное излучение на вакуумном трубчатом радиаторе, заполненном жидкостью. Жидкость очень быстро нагревается и поступает в общую отопительную систему здания.

Для обогрева отдельных домов или групп зданий используются солнечные коллекторы трех типов: вакуумные, плоские и концентраторы.

Плоский коллектор

Устройство состоит из абсорбента, поглощающего  солнечное излучение, прозрачного покрытия  и термоизолирующего слоя.  В коллекторах обычно используется закаленное стекло с низким содержанием металлов.

При отсутствии быстрого разбора тепла плоские коллекторы способны нагревать воду до 190-200 oC.

Чем больше солнечной энергии передается теплоносителю, тем выше его  эффективность.

В гелиосистемах применяют специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре, как правило, это листовая медь, но бывают и другие покрытия, к примеру, селективные.

Благодаря этому солнечная энергия эффективно используется в системах нагрева воды и отопления, а не излучается с поверхности коллектора.

Получается "солнечная ловушка" с высокими показателями эффективности даже в условиях низких температур и малой солнечной активности.  

Качественный плоский коллектор имеет медный диффузионно-сварной абсорбер с селективным покрытием. Стекло должно быть с низким содержанием железа, желательно, с покрытием из диоксида индия.

Вакуумный коллектор

Второй тип коллектора - это плоскость, состоящая из вакуумных трубок, теплоизолированный трубопровод до бака, и сам теплоизолированный бак.

Вакуумные трубки представляют собой двойную колбу (колба в колбе) внутренняя черная, в ней теплоноситель, внешняя прозрачная, между ними вакуум.

Солнечные лучи беспрепятственно проходят через внешнюю колбу, через вакуум, попадают на черную поверхность внутренней, преобразуются в тепло.

Нагретый теплоноситель через коллектор циркулирует до бака - теплоаккумулятора, через змеевик теплообменник отдает тепло воде и по замкнутому контуру возвращается в колбу.

КПД плоского солнечного коллектора 30-50%, рабочая температура до 100 oC, КПД вакуумного коллектора 40-60%, рабочая температура до 300 oC.

Коллекторы-концентраторы

Такие установки способны повышать эксплуатационные температуры до 120-250 oC с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами.

Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются  устройства слежения за солнцем; интеллектуальная начинка, как правило, дорогая поэтому в локальных проектах концентраторы используются редко.

Коллеторы-концентраторы, оснащенные интеллектуальной системой слежения за ходом солнца, широко используются в промышленном производстве электроэнергии из солнечного света.

В системах с принудительной циркуляцией теплоносителя, где дополнительно используется электронасос,  можно попробовать привод этого насоса соединить с ветряком на вертикальной оси.

Тогда для отопления даже с принудительной циркуляцией будет не нужна электроэнергия традиционного производства.

Существует мнение, что для индивидуальных проектных решений идеально подходят воздушные системы солнечных коллекторов.

Они выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей, к тому же они недорогие.

В солнечных коллекторах отсутствует опасность протечек и замерзания теплоносителя, изготовление таких коллекторов и связанных с ними систем сравнительно просто, поэтому подходит при индивидуальных проектах застройки.

Технические характеристики плоского коллектора, производимого в Узбекистане

1. Рабочая площадь солнечного теплоприемника - коллектора - 1,94 м2

2. Рабочая площадь группы коллекторов - 39,8 м2

3. Максимальная производительность системы - 70 тыс. ккал / час

3. Объем бака-аккумулятора - 1800 л

4. Габаритные размеры солнечного теплоприемника - коллектора - 1307х1607х90 мм

5. Масса солнечного теплоприемника (без заправки незамерзающей жидкостью) -  79 кг

Комплект поставки

1. Коллектор солнечный в сборе - 20 шт

2. Бак-аккумулятор в сборе с теплообменником, теплоэлектронагревателями и расширительным баком - 1 шт

3. Скоростные догреватели с датчиками температуры - 10 шт

4. Циркуляционные насосы - 3 шт

5. Пульт управления системой в сборе - 1 шт

6. Соединительные кабели, запорно-регулирующая арматура, водомеры - комплект

7. Незамерзающая жидкость - 260 л

Эксперты подсчитали, что используя солнечные коллекторы можно уменьшить затраты на нагрев горячей воды на две трети, затраты на отопление - на 30% в год.

Типовой комплект для жилого коттеджа состоит из четырёх панелей солнечных коллекторов, бойлера и температурного термостата стоит около $2,5 тыс.

О выгоде от использования бесплатной солнечной энергии свидетельствует работающий на протяжении 4 лет самый крупный из действующих комплектов солнечных коллекторов в Польше поверхностью 80 м2.

Установка с солнечными коллекторами обеспечивает горячей водой шестиэтажный курортный пансионат в г. Закопане.

Стоимость плоского солнечного коллектора площадью 2 м2 турецкого производства составляет ориентировочно $220.

Турецкий водонагреватель на 75 л воды (комплект коллектора и бойлера) стоит примерно $550.

Коллекторы китайского производства стоят в 1,5 раза дешевле, европейские - дороже 3 раза.

К китайской продукции стоит присматриваться более тщательно, так как цена и качество здесь взаимосвязаны.

Конструкция плоского солнечного коллектора  и водонагревателя в целом достаточно примитивна, поэтому отдавать предпочтение дорогостоящим изделиям особого смысла нет, считают некоторые специалисты.

Установлено, что плоский коллектор может служить до 20 лет, за это время он окупит себя несколько раз.

Вакуумные коллекторы в 2-3 раза дороже плоских, однако, они и более эффективны, особенно в странах с холодными зимами и ярким солнцем, к примеру, в Монголии, Казахстане, в южной части России.

В зимнее время вакуумные солнечные коллекторы могут нагревать воду до + 40 градусов.

Они достойно зарекомендовали себя в климатических условиях Аляски (США).

Компании производители стремятся повысить качество и простоту эксплуатации солнечных коллекторов.

В частности, отечественные предприятия ставят цель разработать солнечную систему теплоснабжения с КПД до 80%, упростить монтажные работы.

Иностранные компании ставят перед собой примерно те же задачи: главной целью является повышение автономности систем, высокий уровень теплоотдачи при низких температурах, снижение стоимости комплектующих.

Системы солнечных коллекторов могут не обеспечивать высоких температур, однако возможность уловить даже долю даровой энергии солнца дает экономический эффект.

Ключевым аргументом за развитие технологии солнечных коллекторов является экологически чистое производство тепловой энергии.

Идея применять солнечные коллекторы очень популярна в Австрии, Германии, Словении.

Солнечной энергией пользуются также скандинавские страны, где использовать солнечную энергию для отопления менее выгодным.

В Швеции больше всего применяются солнечные коллекторы, их поверхность составляет 7, 5 тыс. м2; шведский город Ныквар полностью снабжается горячей водой подогреваемой солнечной энергией.

Солнечные теплоустановки активно применяются в Китае (59% от суммарной остекленной площади коллекторов, которая примерно составляет 85,2 млн м2  по данным за 2003г), Европе (14%), Турции (8%) и Японии (8%), Израиле (5%) и других странах, в том числе и в России. 

Для российских регионов характерно различное среднегодовое поступление солнечной энергии на горизонтальную поверхность - от 2,5 тыс. до 4 тыс. Вт ч/м2 в сутки.  

С апреля по сентябрь показатели, естественно, оказываются выше и лежат в диапазоне 3 тыс.-6,5тыс.  Вт ч/м2 в сутки.

Наибольшие значения отмечаются в южных частях страны - на Северном Кавказе, в Приморье и на юге Сибири. Однако и в других регионах ресурсы солнечной энергии достаточно велики.

Для Москвы эти значения составляют 4,5тыс. -5 тыс. Вт ч/м2 в день. В Московской области гелиоустановка позволяет получать теплую воду в течение примерно 70 % летних дней и может найти применение на дачных участках, в частных домах, пансионатах и т. д.

В северных районах России использование гелиоустановок также оправдано, поскольку городские котельные летом производят масштабные ремонтные работы. Это не позволяет подавать горячую воду потребителям.

На севере страны поступление солнечной энергии летом составляет 3,5 тыс.-4 тыс. Вт ч/м2 в сутки, а количество летних дней, в которые можно получать теплую воду, составляет 40 % и более.

Во избежание затрат можно использовать сезонные гелиоустановки.

Конструкция их достаточно проста.

К тому  же, летом поступление солнечной энергии на поверхность земли существенно выше, чем зимой, а это значит, что площадь коллекторов для нагрева того же количества воды может быть уменьшена.

В итоге стоимость гелиоустановки снижается, и ее конкурентоспособность по отношению к другим источникам возрастает.

Самого высокого коэффициента энергоотдачи гелиоустановки за год можно добиться, расположив ее в южном направлении с определенным для каждого района углом наклона к горизонтали.

Однако даже при значительных отклонениях от этих условий (от юго-запада до юго-востока) монтаж гелиоустановки целесообразен.

www.esco-ecosys.narod.ru/2002_1/2002_1.pdf

avsline.kz/index.php?..

rc.nsu.ru/text/ecodom/index.html

www.priroda.su/item/821/.../21

1kz.biz/battery/artiklsos1.htm

Копирайтер: Прохорова Оксана