Солнечные коллекторы. Обогрев при помощи энергии солнца

Человек использует тепло солнца с незапамятных времён. Летом оно обогревает наши здания напрямую, а зимой мы используем аккумулированное тепло, используя древесину, уголь, газ для обогрева жилища и приготовления горячей воды. Промышленность и наука стремится создавать машины и механизмы менее энергоёмкими и с более высоким КПД. Это позволяет правильнее распоряжаться имеющимися ресурсами. Но наиболее целесообразным в данный момент является использование технологий связанных с возобновляемыми энергоресурсами. Из них Солнце — самый доступный и неисчерпаемый из всех источников энергии, которые природа дарит человеку. Возможности использования экологически чистой, повсеместно доступной возобновляемой солнечной энергии сегодня привлекают все большее внимание. Рациональным результатом такой политики является использование энергии солнца непосредственно коллекторами. Ведь использование солнечных коллекторов в существующих системах – это уже не будущее, а реальное настоящее. Учитывая, что цены на другие виды топлива и электроэнергию будут увеличиваться, установка системы солнечных коллекторов - это подлинные инвестиции в будущее.
      В Европе, Америке, Австралии и других регионах солнечные коллекторы как инженерные системы дома стали обычным атрибутом инженерных систем здания.
      Распространенным заблуждением является мнение о нецелесообразности использования на Украине солнечных водонагревателей, с которыми у нас устойчиво ассоциируется выкрашенный в темный цвет бак на крыше душевой кабины. Эффективность данной системы нагрева воды крайне невысока и использование ограничено теплым временем года.
Но современные технологии позволяют использовать солнечную энергию даже зимой.
      Каждый солнечный день принесет в Ваш дом теплую воду и сэкономит Ваши деньги.
Солнечные водонагревательные системы идеальны для частных коттеджей, гостиниц, офисов, автономных коммерческих магазинов, АЗС, производств и.т.п.
Инженерные системы, использующие солнечные коллекторы, позволяют за приемлемую цену, при европейском качестве решить вопросы:

автономного горячего водоснабжения;
подогрева воды в бассейнах;
частичного или полного отопления (системы отопления);
обогрев теплиц;
использования горячей воды в технологических целях.

Задача солнечных коллекторов — аккумуляция солнечной энергии с максимально возможной эффективностью. При проектировании солнечного коллектора использовалось несколько хорошо известных принципов. Так, например, для самого нагревателя — «парниковый эффект», то есть свойство солнечных лучей беспрепятственно проходить сквозь прозрачную среду в замкнутое пространство и превращаться в тепловую энергию, уже не способную преодолеть обратно прозрачную «крышу» установки. А в гидравлической системе служит термосифонный эффект, то есть свойство жидкости при нагревании подниматься вверх, вытесняя при этом более холодную воду и заставляя ее перемещаться к месту нагрева. Следует также отметить, что при разработке солнечного коллектора учитывался и эффект накопления и сохранения тепловой энергии: в установке «уловленная» солнечная энергия, преобразованная в тепловую, аккумулируется и сохраняется длительное время. Существуют различные типы солнечных коллекторов, отличающихся внешней формой наружных поверхностей, устройством поглощающих поверхностей и аккумулирующих средств.

Плоский солнечный коллектор

Плоский солнечный коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот солнечный коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских солнечных коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки солнечного коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде

Вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком. Из него вода контура теплообменника течёт прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. К преимуществам этой системы относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках солнечного коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом обеспечивается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с солнечным коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы. Этот вид солнечных коллекторов имеет минимальное гидравлическое сопротивление. Система обязательно должна быть безнапорной (с открытым расширительным баком), чтобы на трубки не могло действовать давление. Минусом можно считать несколько больший объем воды контура теплообменника (60-200 литров). Если трубка солнечного коллектора разобьется, происходит утечка воды. Но основным преимуществом остается низкая стоимость со всеми выгодами солнечного коллектора с вакуумными трубками.

Вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником

Такой солнечный коллектор имеет все преимущества и особенности предыдущего типа коллекторов. Отличием является наличие встроенного в бак эффективного теплообменника, что позволяет подсоединить солнечный коллектор с баком к напорной сети водоснабжения. При этом в трубках солнечного колектора по-прежнему практически нет давления. Одним из преимуществ также является возможность заполнения водонагревательного контура незамерзающей жидкостью, что позволяет использовать его и при небольших минусовых температурах (до минус 5-10 градусов). Другим преимуществом этого типа солнечных коллекторов является то, что в нихне откладываются соли жесткости и другие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.

Вакуумный солнечный коллектор с термотрубками

Это более сложный и более дорогой тип солнечного коллектора. Термотрубка – это закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть – головку, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с полиуретановой изоляцией, закрыт нержавеющим листом. Передача тепла происходит через медную „гильзу“ приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, при повреждении одной трубки солнечный коллектор продолжает работать. Процедура замены трубок солнечного коллектора очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника.
Другим важным преимуществом солнечных коллекторов с тепловыми трубками является их способность работать при температурах до -35°С (полностью стеклянные солнечные коллекторы с тепловыми трубками) или даже до -50°С (солнечные коллекторы с металлическими тепловыми трубками).
Обычно испарение начинается при температуре трубки более 30°С, таким образом при низких температурах трубка как бы "запирается" и не происходит потерь тепла через солнечный коллектор (например, ночью или в пасмурную погоду).
При этом солнечный коллектор помещается снаружи помещения, а все остальное оборудование - внутри дома, что способствует минимизации теплопотерь.
За счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в доме в летнее время. В осенне-весенний период от солнца можно получить до 30% требуемой энергии на отопление и до 60% от потребностей на горячее водоснабжение.

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м2. Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок (в частности солнечного коллектора), состоит в том, чтобы наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах. Более сложными являются устройства с вакуумными солнечными коллекторами. В солнечные летние дни разница в работе хороших плоских и вакуумных солнечных коллекторов практически незаметна. Однако при низкой температуре окружающей среды преимущества вакуумных коллекторов становятся очевидны. Также, даже в летнее время есть разница между максимальными температурами нагрева воды в солнечных коллекторах. Если для плоских солнечных коллекторов максимальная температура не превышает 80-90 градусов, то в вакуумных солнечных коллекторах температура теплоносителя может превышать 100 С. С одной стороны, это требует постоянного отвода тепла от вакуумного солнечного коллектора, чтобы он не закипел. Однако с другой стороны, в системах с плоскими солнечными коллекторами существует проблема размножения бактерий и других микроорганизмов (там тепло и влажно), которой нет в системах с вакуумными солнечными коллекторами.
Наша фирма сделала ставку на более технологичные вакуумные солнечные коллекторы и системы на их основе.

Принцип работы водонагревательной установки

с использованием солнечного коллектора

Обычно системы с плоскими солнечными коллекторами используют сезонно, с весны по осень. В зимнее время производительность систем с плоскими солнечными коллекторами падает за счет теплопотерь в окружающую среду. В круглогодичных солнечных водонагревательных установках обычно используются вакуумные солнечные коллекторы, хотя возможно использование и плоских солнечных коллекторов с хорошей теплоизоляцией. В любом случае необходимо уделять пристальное внимание теплоизоляции труб, идущих к коллектору и от него.
Солнечная водонагревательная установка СВУ состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и донагревает воду до заданной температуры.
Солнечные установки сезонного действия с использованием солнечных коллекторов могут непосредственно нагревать воду в баке-аккумуляторе.
Существуют несколько схем для подогрева воды:

Одноконтурные, для использования сезонно или в местностях, где нет отрицательных температур в течение всего года. Вода должна быть нежесткой и чистой.
Двухконтурные, для круглогодичного использования, а также в местностях с жесткой и/или загрязненной механическими примесями водой

Каждая из систем отопления солнечными коллекторами может иметь естественную и принудительную циркуляцию теплоносителя. Поэтому система теплоснабжения может быть:

c пассивной циркуляцией
с активной циркуляцией

При естественной циркуляции теплоносителя в системе (термосифонная система) горячий теплоноситель поднимается вверх, поэтому бак-накопитель должен располагаться выше солнечного коллектора. Если такое расположение невозможно или нецелесообразно, должна применяться система с активной циркуляцией теплоносителя.
Наиболее дешевой будет одноконтурная система термосифонного типа. Наиболее дорогой будет двухконтурная система с активной циркуляцией и одним или двумя теплообменниками.

ВОПРОСЫ и ОТВЕТЫ

Из чего состоит солнечный коллектор?

Система может включать в себя бак, насос, контроллер и панель с вакуумными трубками.
Каков срок службы солнечных коллекторов?

Солнечные коллекторы торговой марки "RUCELF" имеют срок службы 15 лет.
За сколько времени окупается солнечный коллектор?

Окупаемость солнечных коллекторов торговой марки "RUCELF" от 2 до 5 лет, в зависимости от системы проектирования и требований.
Могут ли солнечные коллекторы обеспечить 100% потребности в горячем водоснабжении и отоплении для жилья?

К сожалению, нет. Из-за недостатка солнечного света вечером и при неблагоприятных погодных условиях, солнечные коллекторы обеспечивают, в среднем, не более 60-75% объема от ваших семейных годовых потребностей в горячей воде.В летний период возможно перепрозводство тепла.
Могут ли солнечные коллекторы использоваться в зимнее время?

Солнечные коллекторы с тепловыми трубками могут быть использованы даже при очень низких температурах, таких как -30 ° C. Эффективность коллектора может уменьшиться, но он будет по-прежнему обладать хорошей тепловой мощностью.
Могут ли солнечные коллекторы производить тепло в ненастный или просто облачный день?

Да, коллекторы могут поглощать солнечную энергию через облака. Вместе с тем, чем облачнее день, тем больше других ваших энергоресурсов (электричества или газа) будет использовано для поддержания нормальной температуры бака с водой. В системе возможно автоматическое переключение на другие источники энергии, когда это необходимо.
Можно ли использовать солнечные коллекторы для больших объемов воды, которые используются в многоквартирных жилых домах, школах, гостиницах, бассейнах и для отопления их?

Да, солнечные коллекторы в сплит-системах могут быть подключены параллельно для удовлетворения дополнительных потребностей в горячей воде.
Может ли солнечный коллектор нагреть воду до достаточно высокой температуры?

В идеальных условиях, солнечные коллекторы могут довести воду до кипения.
Вакуумные солнечные коллекторы более эффективны, чем плоские коллекторы?

Вакуумные солнечные коллекторы имеют гораздо более высокую эффективность и рентабельность. Для коммерческих целей, как правило, используются именно они.
Что такое боросиликатное стекло?

Боросиликатное стекло является менее плотным, чем обычное стекло. Оно более устойчиво к тепловому шоку (трещины в результате быстрого изменения температуры), чем другие виды стекла. Боросиликатное стекло, как правило, разбивается на крупные куски. Боросиликатное стекло начинает плавиться при температуре около 821 ° C (1510 ° F).
Что такое поглотитель или абсорбер?

Поглотитель или абсорбер это часть коллектора, которая активно поглощает солнечные лучи.
Нуждаются ли солнечные коллекторы в периодическом техобслуживании?

Нет. При правильной установке и при нормальных условиях эксплуатации коллекторов НЕ ТРЕБУЕТСЯ никакого обслуживания.
Уязвимы ли солнечные коллекторы для осадков (например, града)?

Вакуумные трубки гарантированно выдерживают удары града до 40мм.
Как зависит мощность системы от загрязненности поверхности (например, пыль или снег)?

Мощность системы может снижаться на 5-7% в зависимости от степени загрязненности. Но на практике такая загрязненность скапливается не менее чем за 3-4 года. Проблема решается периодическим протиранием трубок. Снег на коллекторах оттаивает плохо, необходимы чистка или установка дополнительных систем оттаивания снега.