Солнечные коллекторы для отопления дома: плоский, трубчатый, вакуумный, воздушный

Солнечные коллекторы — системы сбора тепла, поступающего от солнца. Именно эти устройства удобнее использовать для водяного отопления:  в них нагревается теплоноситель. Затем он может подаваться в систему отопления (лучше — в теплый пол)  или горячего водоснабжения.  

Конструктивно любая установка состоит из самой солнечной панели и резервуара для нагретой воды (баки бывают с теплообменником при использовании в качестве теплоносителя антифриза). В местностях с небольшим количеством солнечных дней в бак для воды может быть установлен резервный нагреватель. Чаще всего это ТЭН. Но нужно помнить, что подключать второй источник нужно не параллельно, а последовательно. Только тогда он будет работать лишь в том случае, если солнечной энергии для нагрева до заданных температур не хватает.  В этом случае система будет экономно расходовать платные источники энергии.

Принципиальная схема отопления дома с солнечными коллекторами

По строению солнечные коллекторы для отопления бывают:

• плоские;
• трубчатые;
• воздушные.

Есть еще коллекторы концентраторы, но это уже системы промышленного типа, состоящие из множества параболических зеркал, установленных на подвижных опорах. Положение зеркал регулируется системой слежения, которая дает команды сервомоторам, изменяющим положение зеркал вслед за движением солнца. Такие системы способны нагревать теплоноситель до 120-250^oC, но крайне сложны и дороги. Для бытового отопления подходят мало.

Плоские коллекторы

Плоские гелиоколлекторы — это металлическая рама, на которой, если смотреть снизу-вверх, закреплены:

Схема плоского коллектора

• пластина корпуса;
• слой термоизоляции;
• светоотражающий слой (присутствует не во всех моделях) ;
• пластина теплосборника (теплопоглотителя или еще называют адсорбирующая пластина), к которой припаяны теплообменные трубки;
• прозрачная светопропускающая крышка (закаленное стекло с 95% коэффициентом пропускания света или не менее прозрачный поликарбонат).

Также на корпусе имеется выпускной и впускной патрубок — через них циркулирует теплоноситель.

Есть модели открытые — без крышки. Единственное их достоинство — низкая цена, но они очень неэффективны и совершенно неработоспособны при отрицательных температурах. Из-за того, что крышки нет, абсорбционное покрытие быстро разрушается, так что служат открытые коллекторы несколько сезонов, а из-за своих особенностей могут использоваться для подогрева воды в бассейне или в душе. Для отопления они бесполезны.

Внешний вид плоского коллектора

Принцип работы плоского солнечного коллектора следующий: солнечные лучи почти полностью проходят через верхнее защитное стекло. От этих лучей нагревается теплопоглотитель. Тепло, понятное дело излучается, но наружу почти не выходит: прозрачное для солнечных лучей стекло, тепло не пропускает (позиция «в» на диаграммах). Получается, что тепловая энергия не рассеивается, а сохраняется внутри панели. От этого тепла нагреваются теплообменные трубки, а от них тепло передается циркулирующему по ним теплоносителю.

Правила расположения плоских коллекторов

Коллекторы этого типа должны располагаться под углом 90^o по отношению к падающим лучам света. Чем точнее выставлен этот угол, тем больше тепла собирает система. Понятно, что на неподвижной крыше постоянно выдерживать этот угол нереально, но расположить панель нужно так, чтобы на нее как можно больше времени падал свет. Есть довольно дорогие устройства, которые изменяют положение панели по отношению к солнцу, поддерживая оптимальный угол падения солнечных лучей. Они называются системами слежения.

Гелиоустановки показывают большую эффективность, если лучи солнца падают под прямым углом

От чего зависит цена

Цена плоского коллектора во многом зависит от использованных материалов. Так корпус может быть алюминиевый или из оцинкованной стали. Корпус из алюминия предпочтительнее, но стоит дороже. Бывают еще корпуса из полимера. Они характеризуются высокой прочностью и надежностью.

Большое влияние на эффективность оказывают  теплообменные трубки и материал пластины-теплосборника. Они бывают алюминиевыми (такие панели стоят дешевле) и медными. Медные более дорогие, но и более долговечные, также они имеют более высокий КПД. Для России, даже для южных ее регионов,  использовать желательно именно их. Так как инсоляция даже на юге редко бывает чрезмерной, скорее ее не всегда хватает для отопления.

Цена на плоский коллектор зависит от материалов, из которых он сделан

Важно также покрытие пластины теплосборника: чем ближе к абсолютному черному цвету оно будет, тем меньше отразится лучей и больше получится в результате тепла. Потому технологи постоянно работают над усовершенствованием этого покрытия. В первых моделях это была обычная черная краска, сегодня же  — напыление черного никеля.

Пластиковые коллекторы

В отдельный вид можно выделить пластиковые солнечные коллекторы. В простейшем варианте это две панели из поликарбоната, которые закреплены на раме из алюминия. Между ними наварены или наплавлены ребра, создающие в панели лабиринт для тока воды. В верхней части панели расположено впускное отверстие, в нижней — выпускное. В верхнее заливается холодная вода, которая, проходя по лабиринту, нагревается и выходит с более высокой температурой через нижнее. Система применяется для нагрева воды в летний период. Из-за малого гидравлического сопротивления очень хорошо функционирует в самотечной системе. Такой вид солнечного водонагревателя — идеальный вариант снабжения горячей водой дачи в огородный сезон.

Пластиковые коллекторы служат для нагрева воды. Отличный вариант для летнего домика или дачи

Но иногда пластиковыми солнечными коллекторами называют полноценные коллекторы для отопления. Просто в них верхняя крышка выполнена не из стекла, а из того же поликарбоната или другого пластика, хорошо пропускающего солнечные лучи. Такие модели меньше подвержены риску: пластики более прочные, чем стекло (даже закаленное).

Трубчатые гелионагреватели

В системах нагрева одна из первостепенных задач — обеспечить сохранность тепла и не допустить его потерь. Для этого используются разные утеплители и среды, предупреждающие рассеивание тепловой энергии. Самый эффективный теплоизолятор — вакуум. Этот принцип и использован в трубчатых или, как их еще называют, вакуумных солнечных коллекторах. Но вакуумные гелиоколлекторы могут быть четырех модификаций. Они имеют разный тип стеклянной трубки и разные тепловые каналы.

Так выглядят трубчатые гелиоустановки

Типы трубок

Сегодня в основном используются два типа трубок: коаксиальная (труба в трубе) или перьевая. Коаксиальная трубка по строению напоминает термос: две колбы герметично спаяны между собой одним из концов, между стенками — разреженное пространство — вакуум. На стенку второй колбы нанесен поглощающий слой. В нем солнечные лучи преобразуются в тепловую энергию. Внутренняя стенка колбы нагревается, от нее нагревается воздух внутри колбы, а от него в свою очередь нагревается теплоноситель, который циркулирует по тепловому каналу. Из-за сложной системы передачи тепла нагреватели с такими трубками имеют не очень высокий КПД.  Но используются они чаще. По тому причине, что работать могут в любое время, даже в сильные морозы и имеют небольшие теплопотери (из-за вакуума), что улучшает их эффективность.

Коаксиальная трубка

Перьевая трубка — это всего одна колба, но с большей толщиной стенки. Внутрь вставляют тепловой канал, который для улучшения теплоотдачи снабжают плоской или чуть извилистой пластиной из адсорбирующего материала.  После чего трубка вакуумируется. Этот тип имеет более высокий КПД, но стоит намного дороже коаксиальных. К тому же более сложная замена при выходе трубки из строя.

Перьевая трубка — внутри пластина, напоминающая перо

Виды тепловых каналов

Сегодня распространены два типа тепловых каналов:

• Heat-pipe
• U-type или прямоточный канал.

Схема работы теплового канала Heat-pipe

Система Heat-pipe — это полая трубка с массивным наконечником на одном конце. Это наконечник изготовлен из материала с хорошей теплоотдачей (чаще всего медь). Наконечники соединяются в единую шину — манифолд (manifold). Их тепло отбирает циркулирующий через манифолд теплоноситель. Причем циркуляция теплоносителя может быть организована по одной или двум трубам.

Внутри трубки находится легко кипящее вещество. Пока температура невысокая, оно находится в жидком состоянии в нижней части теплового канала. По мере нагрева начинается его кипение, часть вещества переходит в газообразное состояние, поднимается вверх. Разогретый газ отдает тепло металлу массивного наконечника, охлаждается, переходит в жидкое состояние и по стенке стекает вниз. Затем он снова нагревается и т.д.

В трубчатых коллекторах с прямоточным каналом используется более привычная схема теплообмена: имеется U-образная трубка, по которой движется теплоноситель. Проходя по ней, он нагревается.

Теплообменники U-типа показывают лучшую производительность, но их главный недостаток — они являются неделимой частью системы. И при повреждении одной трубки в солнечной панели менять придется всю ее полностью.

Теплообменники Heat-pipe типа  менее эффективны, но используются намного чаще из-за того, что система получается модульной и любая поврежденная трубка меняется очень просто. Просто из манифолда достается одна, на ее место ставится другая. Как это происходит, вы можете увидеть в видео. Как ни странно, но так собирается вакуумная трубка для солнечных коллекторов. И противоречия тут нет. Просто использована коаксиальная колба и вакуум находится между ее стенками, а не вокруг теплового канала.

Отдельным видом солнечных трубчатых коллекторов являются установки прямого нагрева. Их еще называют «мокрой трубкой». В этой конструкции между двумя колбами циркулирует вода, она и нагревается от их стенок, затем поступает в резервуар. Эти установки просты и дешевы, но не могут работать под повышенным давлением или при отрицательных температурах (вода замерзает и разрывает колбы). Этот вариант для отопления непригоден, можно использовать для нагрева воды в теплый сезон.

Теплоноситель в коллекторах

По внутренним теплообменным трубкам может циркулировать как вода, так и антифриз. Использовать воду можно в регионах, в которых минусовых температур не бывает или предполагается эксплуатация системы исключительно в теплое время года (на дачах, например). Но при сезонном использовании перед консервацией на зиму с панелей необходимо слить всю воду. Во всех остальных случаях и регионах требуется заливка антифриза или его водного раствора (зависит от минимальных температур в регионе).

Нужно помнить, что при использовании антифриза в баке-аккумуляторе будет находиться змеевик, а циркуляция теплоносителя будет обеспечиваться насосом. Такая система называется «замкнутой»: по гелиосистеме движется теплоноситель по замкнутому контуру.

Если через коллектор протекает антифриз, в баке стоит теплообменник

Многих пугает зависимость от наличия электричества. Стоит сказать, что есть модели плоских солнечных коллекторов с естественной циркуляцией. Их КПД ниже из-за меньшей скорости продвижения теплоносителя, но они вполне работоспособны. Правда, для организации полноценного отопления потребуются значительные площади.

Для тех, кого не устраивает снижение эффективности, есть другой выход: обеспечение резервного питания. В самом простом варианте это источник бесперебойного питания с несколькими автомобильными аккумуляторами. Это даст несколько часов работы без электричества в сети. Для  более продолжительной работы потребуется  уже генератор. Есть и третий вариант: насосы, работающие от солнечной энергии. Но они пока редкость. И четвертый способ: поставить солнечную батарею и аккумуляторы, которые и будут резервным источником питания.

При использовании воды в качестве теплоносителя, она из накопительного бака поступает на гелиоколлектор, где нагревается. Нагретая возвращается в резервуар, и затем напрямую идет в систему отопления и горячего водоснабжения. Так как из системы вода расходуется, то она называется «открытой». Вода при такой системе безопасна в бактериальном и биологическом плане: в теплообменных трубках она нагревается до высоких температур, так что погибают все микробы.

Воздушные коллекторы

Не всегда есть возможность или желание устраивать полноценную систему отопления, частью которой являются все гелиосистемы, о которых речь шла выше. Но сэкономить на отоплении помещения можно без устройства системы. И помогут в этом воздушные коллекторы. Полностью заменить традиционное отопление они не в состоянии, но снизить расходы могут.

Принцип отопления воздушными конвекторами

В самом простом случае воздушный солнечный коллектор — это две пластины, между которыми устроен лабиринт, по которому проходит воздух. Наружная пластина имеет отверстия (перфорацию) в которые проходит холодный воздух. Проходя по лабиринту, он нагревается и затем через отверстие в стене дома попадает внутрь. Работать система может с использованием вентилятора (принудительная циркуляция) или без него. Все зависит от конфигурации.

Устанавливается такой солнечный нагреватель воздуха чаще на южной стене (возможна естественная циркуляция за счет восходящих потоков теплого воздуха), но можно сделать и на крыше (с вентилятором).

Еще один вариант отопления с использованием воздушного гелиоколлектора

Сильного нагрева вы в таких устройствах не получите: КПД у них совсем небольшой, но до 30-45^oCв прохладные дни или до 50^oC в жаркие дни воздух нагреть можно. Только для получения хорошего эффекта воздушные коллекторы должны иметь более чем приличные размеры. Для увеличения КПД вторую стенку делают из теплопоглощающего материала, который используется в плоских коллекторах. Также заднюю стенку утепляют, предупреждая рассеивание тепла. Но эффективность все равно остается низкой: воздух в 4000 раз менее теплоемкий по сравнению с водой.

Какой лучше

Плоские коллекторы применимы в областях с большим количеством солнечных дней и небольшими перепадами ночных температур. Они малоэффективны в облачную или ветреную погоду: велики потери тепла с большой поверхности. Хоть современные плоские гелиоколлекторы и стараются делать герметичными, а некоторые даже вакуумируют, но при отрицательных температурах все равно более эффективными остаются трубчатые солнечные нагреватели.

Самые популярные трубки в разрезе выглядят так

Трубчатые установки имеют более низкую производительность. Но потери тепла при этом небольшие. Плюсом является также их способности улавливать рассеянный солнечный свет, а даже некоторые другие части спектра солнечного света: они немного греются даже ночью. В результате для северных регионов они оказываются более эффективными. Ведь греют даже ночью, не говоря уже о пасмурном дне. Потому однозначно: для центральных, и, тем более, северных регионов, солнечные коллекторы для отопления дома выбирайте только трубчатые. А вот которые — это решайте сами.

Самые эффективные солнечные коллекторы для отопления дома — с перьевой трубкой и U-образным тепловым каналом. Но они — самые дорогие, и ремонту не подлежат. Меняется только вся панель целиком.

Эта трубка более эффективна, но если хоть одна в панели повреждена, приходится менять всю панель

Чуть хуже по эффективности те же перьевые трубки, но  с системой Heat-pipe. Но они все еще дороги, и при выходе из строя нагревателя придется менять трубку целиком, а это недешево.

Итоги

Самые популярные коаксиальные трубки теплообменником Heat-pipe: они стоят меньше, просто меняются, да еще и могут быть отремонтированы. Если повредился теплообменник, его просто достают, устанавливают новый, и трубка после сборки (пара движение) снова готова к работе. Аналогично поступают при повреждении колбы: меняют только ее. В общем, хоть и не самая производительная система (все другие типы имеют большие КПД), но самая ремонтопригодная.

Типы солнечных коллекторов | Atmosfera™. Альтернативные источники энергии. Солнце. Ветер. Вода. Земля.

Плоские солнечные коллекторы

Основным элементом плоского солнечного коллектора является абсорбер — металлическая пластина со специальным поглощающим покрытием и напаянным на нее проточным трубопроводом. Абсорбер заключен в специальный корпус, у которого лицевая стенка прозрачная (через нее в коллектор проникает солнечное излучение), а тыльная утеплена минераловатной плитой либо слоем другого утеплителя.

Внутренний трубопровод, по которому циркулирует теплоноситель, на абсорбере может располагаться по-разному. Выделяют 2 основных типа расположения: “меандр” и “арфа”. Компания Атмосфера предлагает плоские солнечные коллекторы типа «арфа».

Для повышения эффективности коллектора на абсорбер может быть нанесено специальное селективное покрытие. Наличие селективного покрытия значительно увеличивает производительность плоского коллектора, но, в то же время, увеличивает его стоимость.

Для уменьшения теплопотерь в холодное время года корпус плоского коллектора делают максимально герметичным. Таким образом теплоизоляция абсорбера достигается за счет слоя воздуха или инертного газа со стороны прозрачной передней стенки, и слоя утеплителя со стороны задней стенки.

Плоские коллекторы являются более эффективными в теплое время года, однако в зимнее время их эффективность значительно снижается по причине достаточно высоких теплопотерь.

Существуют также еще один вид плоских солнечных коллекторов — вакуумный плоский коллектор. В вакуумном плоском коллекторе теплоизоляция абсорбера от окружающей среды достигается не за счет слоя теплоизоляции, а за счет создания внутри короба глубокого вакуума, предотвращающего теплопотери. Такие коллекторы обладают максимальной продуктивностью среди плоских коллекторов, однако, являются более сложными в монтаже и эксплуатации, и, что существенно, очень дорогими.

Неоспоримыми преимуществами плоских солнечных коллекторов являются их невысокая цена при высокой эффективности в теплое время года. К недостаткам можно отнести низкую производительность в зимний период, а также сравнительное неудобство их монтажа на труднодоступные кровли. Плоский коллектор являются цельной неразборной конструкцией, из-за чего поднимать и устанавливать на крышу его приходится целиком.

 

Плоский солнечный коллектор, выбор и сравнение

Солнечные коллекторы являются экологическим способом обеспечить наличие отопления и горячей воды в доме. В отличие от солнечных аккумуляторов коллекторы не накапливают энергию, а сразу нагревают воду для отопления.

Плоский солнечный коллектор

Плоские коллекторы

Основной деталью плоского солнечного коллектора является абсорбер. Это элемент, который отвечает за сбор энергии из солнечных лучей. Для этого применяют селективное покрытие или просто черную краску. Обычно в роди селектора выступает напиленный оксид титана или чёрный никель.

Сверху абсорбер для защиты от погодных условий закрывают прозрачным защитным покрытием. Его делают из прочного рифленого поликарбоната или закалённого стекла.

Заднюю часть обязательно нужно термоизолировать, чтобы собранное тепло не уходило в окружающее пространство. Для этого всю заднюю панель покрывают теплоизолирующим материалом. Главное, не забыть обработать все щели герметиком, ведь панель должна быть воздухонепроницаемой.

От абсорбера в бак тепло подается с помощью трубок. Иногда в них находится теплоноситель, который просто передает тепло для отопления, например, газ, воздух, специальные жидкости. А в некоторых случаях – это та вода, которую и требуется нагреть в результате.

Плоские солнечные коллекторы

Если бак планируется разместить в доме, то нужно установить также насос, который будет обеспечивать циркуляцию в трубах. Но есть и другой вариант – бак можно поставить выше абсорбирующей панели. Тогда вода будет испаряться, а пар подниматься вверх и конденсироваться в бак.

В моменты, когда нет потерь тепла, плоские солнечные коллекторы могут нагреть воду до 190–210 градусов. Чем больше тепла впитывается из солнечных лучей, тем выше эффективность работы устройства. Поэтому существуют специальные оптические покрытия, которые не отдают тепло в рамках инфракрасного спектра. Благодаря этому сохранение тепла достигает 95% от максимально возможного.

Также очень часто в качестве материала для абсорбера используют листовую медь, ведь у нее высокие показатели теплопроводности. Результаты похуже дает алюминий. Для улучшения КПД применяют паянное соединение, так теплопроводность увеличивается.

Как выбрать плоский коллектор

Каждый плоский солнечный коллектор имеет два основных параметра – цену и качество. При покупке обязательно учитывают оба параметра. Но нужно знать, на что именно обратить внимание.

Плоские солнечные коллекторы, установленные на крышу жилого дома

В первую очередь производители стараются снизить цену на свои изделия, но не в ущерб качеству. Иногда у них это не совсем получается и потенциальным клиентам приходится искать способ исправить ситуацию своими руками.

Цена на коллекторы, как и на любой товар, складывается из ряда составляющих: цены материалов, стоимости рекламы, оплаты сотрудникам, транспортных расходов и многого другого. Ни один производитель не будет сознательно делать хуже качество своей продукции, но иногда небольшие допущения немного ухудшают результат.

Именно поэтому есть разные линейки солнечных коллекторов со своими техническими данными и разной стоимостью. Нужно знать некоторые нюансы, чтобы купить более эффективный прибор, возможно, за ту же цену. Стоит проверять все своими руками.

Заметная разница

Например, нужно смотреть не на площадь поглощающей панели, а на площадь абсорбера. В некоторых случаях габариты панели могут быть больше, чем площадь теплопоглощающего покрытия. Это снижает уровень ожидаемой эффективности от прибора, то есть температуру отопления, например.

Определение площадей плоского солнечного коллектора

Та же проблема со способом сварки. При применении ультразвуковой сварки время создания одного изделия гораздо меньше, что уменьшает и затраты. Но количество передаваемого от поглощателя к теплоносителю тепла зависит от способа соединения. Если трубки прикреплены к полотну абсорбера ультразвуковым способом, то ухудшается уровень передачи тепла для отопления. Гораздо лучше показывает себя паянное соединение.

В некоторых случаях ультразвуковая сварка даже может повреждать материалы, что снижает срок работы прибора, уровень отопления и вообще повышает его амортизацию (в местах такой сварки пропадает селективное покрытие).

Также для ускорения работы прозрачное защитное покрытие могут сделать несъемным, то есть просто приклеить герметиком. Но лучше, если для стекла или поликарбоната будут применяться специальные крепления, которые позволят легко заменить его своими руками в случае повреждения.

Для того чтобы в поглощающей панели сохранялось тепло, теплоизоляцией нужно покрывать не только заднюю стенку, но и боковые. Но это требует ручной работы, что сильно повышает затраты. Поэтому очень часто инструкцией пренебрегают, что повышает отдачу тепла в окружающее пространство.

Стыки теплоотражающего слоя солнечной батареи

Иногда теплоизоляцию не прокладывают только в углах коробки, но это все равно ухудшает КПД прибора. Конечно, в некоторых случаях это можно исправить своими руками.

Некоторые производители, чтобы не тратиться на создание цельной поглощающей пластины, делают перьевой абсорбер. То есть отдельно берутся куски трубки с напаянными пластинками и размещаются внутри короба.

Они не соединяются между собой, что не только уменьшает полезное пространство абсорбера, но и создает пустое пространство, куда зря выходит тепло. Кроме того, на такие перья часто не наносят селективное покрытие, обходятся материалами подешевле. Нужно заметить, что это обычно делают только на маленьких предприятиях.

Мелкие детали

Есть и такие нюансы, которые нельзя заметить, для этого придется провести тщательную проверку.

Например, полотно абсорбера можно делать из разных материалов. Чем выше теплопроводность материала и чем толще полотно, тем больше эффективность работы прибора. Например, у алюминия теплопроводность в два раза меньше, чем у меди.

Также большое значение имеют трубки. Чем ближе они расположены друг к другу, тем лучше теплопроводность.

Типы трубок в абсорберах

Очень важно, чтобы трубки по всей своей длине были приварены к полотну абсорбера, таким образом повышается сохранение тепла для отопления. Также нужно обратить внимание на диаметр трубок и их толщину. Чем больше диаметр, тем труднее теплоносителю прогреваться до нужной температуры. Зато толщина стенок трубок должна быть побольше.

А еще есть показатели толщины и плотности теплоизоляции. Плотность должна быть не очень высокой, зато нужна большая толщина. Тогда теплопотери будут минимальными, больше энергии пойдет для отопления. Некоторые производства «забывают» пропитывать теплоизоляцию влагоотталкивающей жидкостью, но это уже не допущение, а преступная халатность.

Толщина прозрачного защитного покрытия все зависимости от того, стекло это или поликарбонат, очень важна. Именно от нее зависит, насколько защищенной будет панель. Возможны разные погодные условия, включая град, также нельзя исключать других ударных воздействий, например, во время грозы. Лучшей толщиной считается 4 мм.

Все вместе эти данные и составляют техническую характеристику изделия.

Плоский солнечный коллектор MFK 001

То есть на эффективность работы плоского солнечного коллектора влияют площадь теплопоглощающего покрытия, толщина теплоизоляции, площадь соединения абсорбера с теплоносителем, герметичность и многое другое.

Кроме того, есть и внешние условия – климат, температура воздуха, окружающая среда (тень или солнечное место) и тому подобное.

Именно поэтому иногда стоит выбрать коллектор подороже, который со временем окупит все затраты. А более дешевые варианты могут быстро испортиться или просто не будут правильно выполнять свои функции.

Как заметить неладное?

Есть некоторые признаки, которые помогут выявить повреждения абсорбера на глаз. В таком случае селективное покрытие не будет работать на полную мощность.

1. Если на медном абсорбере заметны красно-коричневые полосы, то селективное покрытие в этом месте отсутствует, значит, это ультразвуковая сварка.
2. Если есть некоторая выгнутость полотна, то соединения были сделаны с помощью пайки. Зато это поможет заметить, как расположены трубки.
3. Если на алюминиевом абсорбере есть белые полосы, то они указывают на повреждения от ультразвуковой сварки.
4. Если видны только небольшие светлые точки (алюминиевое полотно), то была применена сварка лазером. Это также разрушило покрытие.

Такие мелочи помогут на глаз понять кое-что из того, что обычному человеку не увидеть без демонтажа прибора.

Вакуумные и плоские солнечные коллекторы

Вакуумные и плоские солнечные коллекторы

Нужно сравнить этих вечных соперников, чтобы сделать правильный выбор. Каждый из них обладает своими недостатками и преимуществами.

Например, плоские коллекторы нет нужды зимой очищать от снега. Кроме вполне очевидных преимуществ от формы, они помогают снегу таять самостоятельно. Вакуумные трубки слишком теплоизолированы для этого. А под снегом коллектор никак не может собирать солнечный свет.

Такой же эффект будет, если трубки в вакуумном варианте потускнеют. Тогда на этом месте вакуумного коллектора снег будет таять, ведь испорченные трубки начнут отдавать тепло вместо того, чтобы забирать.

Плоские солнечные коллекторы хорошо защищены от погодных условий, в частности, от града и других повреждений. Вакуумные модели более подвержены разрушению.

Также плоский вариант гораздо удобнее во время монтажа, демонтажа и ремонта агрегата.

Вакуумный солнечный коллектор Meibes MVK 001

Вакуумные коллекторы требуют определенного наклона для успешной работы, а плоские можно спокойно устанавливать под любым удобным углом или даже менять угол в процессе эксплуатации для более успешного сбора энергии.

Можно сказать, что вакуумные варианты более приспособлены для сбора света зимой, чем плоские. У них высокие показатели сохранения тепла даже при низких температурах. А плоские варианты намного эффективнее собирают тепло при плюсовых температурах и нагревают воду до высоких показателей. Жаль только, что зимой снег закрывает полотно абсорбера и это сводит к нулю его КПД.

Некоторые, отчаявшись найти подходящую модель коллектора, стараются сделать его своими руками. Это сделать очень сложно, ведь создание некоторых деталей требует специальных знаний. Неправильное поведение с материалами может нанести непоправимый вред здоровью. Например, сделать селективное покрытие для абсорбера своими руками практически невозможно.

Плоский солнечный коллектор, сделанный своими руками

Кроме того, даже если постараться и создать действующую модель, то она будет в лучшем случае покрывать не больше, чем 30% потребностей среднего дома в отоплении и горячей воде. Если дом большой, постоянно высокий расход воды или погодные условия не позволяют, то этот показатель будет значительно меньше. Поэтому большинство выбирает проверенные временем модели от уважаемых производителей – они обходятся дешевле, включая содержание, просты в обслуживании и имеют гарантию качества.

Конечно, непросто сделать выбор солнечного коллектора, каждый вариант обладает своими преимуществами. Главное, выбрать качественную модель, которая будет обеспечивать отопление долгие годы.

Автор: П. Морозов

энергия для обогрева от солнца, отопление частного дома с помощью солнечных батарей своими руками

Содержание:

В большинстве регионов России на обогрев жилых домов тратятся огромные суммы. Это заставляет домовладельцев искать дополнительные возможности в этой сфере. Энергия солнечного излучения – это экологически чистое и бесплатное тепло. Применяя современные технологии, можно использовать солнечную энергию для обогрева помещений в регионах средней и южной части России.

Возможности современных технологий

Поверхность земли получает различное количество солнечной энергии, все зависит от расположения территории относительно экватора и времени года. К примеру, в Заполярье солнца намного меньше, чем в экваториальной части. Кроме того летом солнечное излучение интенсивнее, чем в зимний период. При расчетах средних значений специалисты определили, что за один час квадратный метр поверхности земли получает около 160 Вт солнечной энергии. Современные системы отличаются высокой продуктивностью, благодаря чему появилась возможность использовать энергию солнечного излучения практически в любом месте.

Для получения максимального КПД при использовании солнечной энергии применяются два способа:

• Прямое нагревание тепловых коллекторов. Прямые солнечные лучи нагревают тепловые коллекторы, они в свою очередь передают тепло жидкости в отопительном контуре и системе горячего водоснабжения. Тепловые коллекторы могут быть открытого и закрытого типа, могут иметь плоскую или сферическую форму. Тепловую энергию, получаемую с коллекторов можно использовать для нагревания рабочей среды в системе водоснабжения и теплоносителя в отопительной системе.
• Применение солнечных батарей. В этом случае происходит преобразование солнечной энергии в электричество, которое в последствие передается потребителю через специальную систему.

Разработка решений по сбору, аккумулированию и применению энергии солнечных лучей довольно быстро прогрессирует. Однако в этой области есть много положительных и отрицательных сторон.

Преимущества и недостатки использования солнечных коллекторов и батарей

Основным преимуществом в использовании солнечных систем отопления является общедоступность. На втором месте стоит отсутствие выбросов. Солнечная энергия считается самым экологичным и естественным видом энергии.

Кроме того работа солнечных батарей и коллекторов отличается бесшумностью, а расположение на крыше здания позволяет сэкономить полезную площадь.

Основное неудобство при использовании солнечной энергии для дома потребители испытывают от непостоянного освещения. Например, в ночное время отсутствует возможность сбора энергии, а в зимнее время, когда требуется большое количество тепла, световой день довольно короткий.

Кроме этого необходимо постоянно следить за чистотой панелей, чтобы не снижать коэффициент полезного действия. Также следует учесть, что амортизация оборудования, работа циркуляционного насоса и управляющей электроники требует постоянных расходов.

Солнечные коллекторы открытого типа

Конструкция открытых солнечных коллекторов выполнена в виде системы трубок, незащищенных от внешних воздействий. Внутри этой системы циркулирует теплоноситель, который нагревается непосредственно от солнечных лучей. Трубки фиксируются на несущей панели в виде змейки или с параллельной укладкой рядов и выходят к патрубку. Трубки могут заполняться водой, газом, воздухом или антифризом.

Простая конструкция и отсутствие изоляции делает открытые коллекторы доступными по цене практически для всех потребителей. Кроме того домашние мастера имеют возможность сделать своими руками солнечное отопление частного дома.

Отсутствие изоляции на трубках системы не позволяет сохранять полученную солнечную энергию, поэтому такие системы имеют очень низкий КПД. Их основное использование приходится на нагревание воды в бассейнах и душах в летнее время. Чаще всего коллекторами открытого типа пользуются жители теплых и солнечных регионов, где температура воздуха и нагреваемой воды не имеет существенных перепадов. Наибольшая эффективность работы была отмечена в солнечную погоду при отсутствии ветра.

Солнечные коллекторы трубчатого типа

Для сборки трубчатого солнечного коллектора используются отдельные трубки, заполненные водой, газом или паром. Такая конструкция является одним из видов открытых гелиосистем, но с более теплоносителем, более защищенным от негативного воздействия внешних факторов. Сюда относятся вакуумные установки, устроенные по принципу термоса.

В трубчатом солнечном коллекторе трубки расположены параллельно с индивидуальным подключением к общей системе. Это позволяет заменять вышедшую из строя трубку новым элементом без ущерба для работы всей конструкции. Кроме того систему можно собирать непосредственно на крыше здания, что во многом упрощает монтажный процесс.

Главным преимуществом трубчатого солнечного коллектора является цилиндрическая форма основных элементов. Благодаря этому солнечная энергия собирается на протяжении всего светового дня, причем для этого не требуется установка дополнительных устройств, которые следят за передвижение солнца.

В зависимости от конструктивных особенностей солнечные коллекторы делятся на два вида: перьевые и коаксиальные.

Трубки коаксиального типа имеют некоторое сходство с обычным термосом. Их конструкция представляет собой две колбы с откачанным между ними воздухом. Поверхность внутри первой колбы покрыта высокоселективным веществом, которое способно максимально поглощать солнечную энергию.  Именно этот слой служит своеобразным проводником тепловой энергии к внутреннему теплообменнику, состоящему из алюминиевых пластинок. Однако этот этап характеризуется большим количеством нежелательных потерь тепла.

Трубки перьевого типа выполнены из стекла и имеют цилиндрическую форму, внутри стеклянного цилиндра располагается перьевой абсорбер. Отсутствие воздуха внутри трубки существенно повышает теплоизоляционные характеристики. Количество передаваемого от абсорбера тепла практически не снижается, следовательно, коэффициент полезного действия таких коллекторов значительно выше.

Передача тепла осуществляется прямоточной системой и посредством термотрубки.

Термотрубка – это запаянная емкость, внутрь которой залита легкоиспаряющаяся жидкость, в качестве которой чаще всего используется вода под низким давлением. Нагреваясь от внутренних стенок емкости или перьевого абсорбера, жидкость закипает, и ее пары поднимаются вверх. После передачи тепловой энергии теплоносителю отопительной системы или горячего водоснабжения происходит конденсация пара в жидкость, которая по стенкам стекает вниз.

Прямоточная система представляет собой U-образную трубку с циркулирующим внутри теплоносителем.

В одной половине трубки располагается холодный теплоноситель, посредством второй части отводится нагретая жидкость. При повышении температуры происходит расширение теплоносителя, и он поступает в накопительный бачок для обеспечения естественной циркуляции.

Главным условием расположения термотрубки и прямоточной системы является создание определенного угла наклона, который не должен быть меньше 20 градусов.

Наибольшей эффективностью характеризуются системы прямоточного типа, так как в них непосредственно нагревается теплоноситель.

Преимущества и недостатки систем отопления

Как и любая система, трубчатые солнечные коллекторы имеют свои положительные и отрицательные стороны. Из достоинств системы можно выделить следующее:

• Незначительные потери тепла.
• Возможность использования при достаточно низкой температуре воздуха, до -30 градусов.
• Высокий коэффициент полезного действия на протяжении всего светового дня.
• Высокие показатели работоспособности в регионах с холодным и умеренным климатом.
• Невысокая парусность, которая объясняется тем, что трубчатые системы пропускают через себя основное количество воздушных масс.
• Способность нагревать теплоноситель до высокой температуры.
• Долгий эксплуатационный срок.

Из недостатков системы особое внимание привлекает следующее:

• Система не способна самостоятельно очищать снег, лед и иней.
• Высокий ценовой уровень.

Что касается высокой стоимости, то здесь следует отметить, что трубчатые коллекторы окупаются за достаточно короткое время.

Плоские солнечные коллекторы закрытого типа

Конструкция плоского коллектора представляет собой алюминиевый каркас со специальным поглощающим слоем и прозрачным покрытием. Также сюда входит трубопровод и утеплитель.

В качестве абсорбирующего слоя используется зачерненная листовая медь с отличной теплопроводностью, идеально подходящей для создания гелиосистем. Абсорбер поглощает энергию солнечного излучения и передает ее теплоносителю, который циркулирует по примыкающему трубопроводу.

Наружная часть панели имеет защиту в виде прозрачного покрытия, для изготовления которого использовалось закаленное стекло, устойчивое к механическим повреждениям. Это позволяет создать надежную защиту от града. Полоса пропускания такого стекла составляет 0,4-1,8 мкм, что достаточно для максимально солнечного излучения. Внутренняя сторона панели имеет хороший теплоизоляционный слой.

Закрытые плоские панели имеет ряд неоспоримых преимуществ:

• Простая конструкция.
• Высокая эффективность при использовании в теплых регионах.
• Наличие приспособления для изменения угла наклона панели, позволяющее выбрать оптимальное расположение конструкции.
• Самостоятельная очистка от инея и снега.
• Приемлемая стоимость.
• Долгий срок эксплуатации, качественные изделия могут прослужить до полувека.

Если использование системы было включено в проект здания, то в этом случае можно получить большую выгоду.

Из недостатков внимание привлекает следующее:

• Высокие потери тепла.
• Достаточно большая масса конструкции.
• Высокая парусность наклонно расположенных панелей.
• Низкая производительность при температурных изменениях до 40 градусов.

Область использования плоских закрытых панелей для отопления дома с помощью солнечных батарей достаточно широкая:

• Летом системы полностью удовлетворяют потребности в горячей воде.
• Между отопительными сезонами они способны заменить газовые приборы отопления и электрические обогреватели.

Сравнительные характеристики некоторых видов солнечных коллекторов

Основной характеристикой любого солнечного коллектора является его производительность. В зависимости от конструктивных особенностей и разности температур определяется КПД системы. при этом стоит учесть, что стоимость плоских коллекторов значительно ниже, чем аналогичный показатель трубчатых систем.

Выбирая солнечный коллектор, следует внимательно изучить параметры, от которых зависит эффективность солнечного водяного отопления и мощность конструкции.

Солнечные коллекторы имеют ряд достаточно важных характеристик:

• По коэффициенту адсорбции можно определить отношение общей и поглощенной энергии солнечного излучения.
• По коэффициенту эмиссии определяется отношение количества переданного тепла и поглощенной энергии.
• Соотношение общей и апертурной площади.
• Коэффициент полезного действия.

Под апертурной площадью следует понимать рабочую площадь коллектора. Системы плоского типа характеризуются максимальными значениями этого показателя. Апертурная площадь соответствует площади абсорбирующего слоя.

Способы подключения к отопительной системе

Одним из недостатков солнечных коллекторов является невозможность постоянного снабжения энергией. Следовательно, при подключении важно подобрать систему, которая способна работать в ограниченном режиме.

В регионах средней части России солнечные коллекторы используются в качестве дополнительного источника тепла, так как не гарантируют постоянного потока энергии. Подключение солнечных коллекторов и батарей к функционирующей системе отопления и горячего водоснабжения имеет некоторые отличия, которые обязательно следует учитывать.

Подключение тепловых коллекторов

Схема подключения определяется прямым назначением конструкции, чаще всего применяется два варианта:

• Для нагревания воды в летнее время.
• Для нагревания теплоносителя зимой в системах отопления и горячего водоснабжения.

Первый вариант отличается своей простотой, его работа основана на естественном перемещении теплоносителя. Следовательно, такая схема использования солнечной энергии для частного дома может использоваться без циркуляционного насоса. Принцип работы выглядит следующим образом: при нагревании солнечными лучами вода в коллекторе расширяется и поступает в накопительный бачок. На место уходящей воды засасывается холодная жидкость.

Однако следует учитывать, что для большей эффективности работы системы с естественной циркуляцией необходимо создать определенный угол наклона. Кроме того важно расположить накопительный бак на более высоком уровне, чем солнечный коллектор.

Для поддержания высокой температуры теплоносителя аккумулирующий бак требует дополнительной теплоизоляции.

Максимально эффективная работа солнечного коллектора требует использования более сложной схемы подключения.

В систему заливают незамерзающий теплоноситель и врезают циркуляционный насос. Для управления его работой устанавливают контроллер и температурные датчики. Первый датчик показывает значения температуры воды в аккумулирующем бачке, второй датчик устанавливают на трубе, подающей горячий теплоноситель от солнечного коллектора. Такая схема работает по следующему принципу: при нагревании воды в баке выше заданных параметров происходит отключение циркуляционного насоса, и движение теплоносителя прекращается. Когда температура понижается до контрольных значений, контроллер включает котел отопления.

Как подключаются солнечные батареи

Схема подключения солнечного коллектора, при которой происходит накопление энергии солнечного излучения, не может использоваться для подключения солнечных батарей. В этом случае придется дополнительно устанавливать дорогостоящий блок аккумуляторов. Следовательно, необходимо воспользоваться другим вариантом.

Энергия с солнечных батарей передается контроллеру заряда, который предназначен для постоянной подачи энергии аккумуляторам и стабилизации напряжения. При поступлении электричества на инвертор постоянный ток преобразуется в переменный однофазный ток 220 В.

Получение универсального вида энергии для отопления дома от солнца делает солнечные батареи более выгодными, но не стоит забывать о меньшей эффективности этой системы. Также следует учесть, что солнечный коллектор не может накапливать энергию, как это делают солнечные батареи.

Расчет мощности

Чтобы выгодно использовать солнечные коллекторы, важно учитывать следующие рекомендации производителей:

• Система должна обеспечивать горячее водоснабжение лишь на 70%.
• В отопительную систему от солнечных коллекторов может поступать не больше 30% энергии.

Только в этом случае можно добиться экономии расходов на отопление и горячее водоснабжение почти на 40%.

При расчетах мощности коллектора для отопления дома солнечной энергией также следует учитывать расположение системы, угол наклона панелей и среднегодовую температуру в регионе.

Как правильно выбрать солнечный коллектор. Инфографика | Блог SolarSoul

Если вы решились на приобретение и установку у себя гелиосистемы, то перед вами неизбежно встанет дилемма как выбрать самый главный элемент солнечной установки — солнечный коллектор.

На сегодняшний день  на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов от множества производителей различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант может стать не простой задачей. В данной статье мы постараемся разобраться в особенностях подбора солнечных коллекторов для гелиосистем, это позволит вам сделать правильный выбор и  ощутить все преимущества использования солнечной энергии.

Солнечный коллектор: сфера применения

Во-первых, следует определиться,  для каких целей вам нужен солнечный коллектор. Обычно, гелиосистема применяется в бытовом секторе для:

• горячее водоснабжение
• поддержка отопления
• подогрев воды в бассейне

Каждый вариант может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, а так же все вместе. Однако в комбинированных системах, должна быть одна приоритетная цель, на которую и следует ориентироваться подбирая солнечный коллектор.

Основные типы солнечных коллекторов

После того как цели использования определены можно приступать к подбору типа солнечного коллектора. Уверен, что многие из вас слышали об извечном споре – вакуумный или плоский солнечный коллектор. На самом деле явного победителя в этом споре нет. Всё зависит от целей применения солнечной системы, что для каждого конкретного случая более подходящим может быть тот или иной вариант. Кроме того, мы пойдем дальше и расширим спектр выбора.

Как известно, существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов, которые так же значительно отличаются между собой, поэтому будет более корректно рассматривать каждый тип отдельно.

Для сравнения были выбраны четыре основных типа вакуумных трубчатых коллекторов и один плоский высокоэффективный:

• Вакуумный трубчатый коллектор с перьевым абсорбером и прямоточным тепловым каналом
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с перьевым абсорбером с тепловой трубкой “heat pipe”
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”
• Плоский высокоэффективный солнечный коллектор

Большинство аргументов за или против того или иного типа коллектора сводятся к весьма абстрактным показателям, таким как: «лучшее восприятия солнечных лучей», «отсутствие теплопотерь», и т.д. Но поскольку у каждого солнечного коллектора есть абсолютно конкретные параметры эффективности, следует доверять именно этим данным для расчета производительности солнечного коллектора в каждом выбранном случае.

Подробнее об этих параметрах и принципе расчета: эффективность солнечного коллектора.

На графике показана зависимость коэффициента полезного действия от разницы температуры между окружающим воздухом и теплоносителем в солнечном коллекторе при условии солнечного излучения равного 1000 Вт/м². Для анализа воспользуемся средними параметрами для каждого выбранного типа солнечного коллектора указанными на изображении.

Первая зона с минимальной разницей температуры характерна для режима работы солнечного коллектора для нагрева воды в бассейне. Режим работы гелиосистемы во второй зоне является оптимальным для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме. Третья зона соответствует режиму работы солнечных коллекторов для нужд отопления, поскольку температура окружающего воздуха в отопительный период самая низкая. Четвертая зона используется для получения высоких температур используемых в технологических нуждах. В бытовом секторе такой температурный режим работы встречается крайне редко.

Из графика мы видим, что чем меньше ∆t (фактически это означает — чем ниже температура подачи теплоносителя) тем выше КПД солнечного коллектора. Именно поэтому для гелиосистемы оптимальным является применение низкотемпературных систем отопления таких как «теплые полы».

Плоский коллектор и вакуумные трубчатые коллекторы с плоским перьевым абсорбером имеют более высокую производительность при работе на нагрев бассейна и ГВС за счет оптических свойств, способствующих лучшему поглощению солнечного света. В свою очередь вакуумный солнечный коллектор с коаксиальной колбой лучше работает в отопительный период благодаря лучшей теплоизоляции.

 Производительность солнечных коллекторов

Следующая диаграмма позволяет оценить среднюю производительность коллекторов за год и за отопительный период (нижняя часть столбца).

 

Данные о количестве выработанной энергии получены при помощи расчета, в программе позволяющей смоделировать работу солнечной системы за год. В расчетах используются усредненные данные по солнечному излучению и погоде для города Днепропетровска. Расчеты приведены к 1 м² апертурной площади каждого типа коллектора.

Диаграмма позволяет оценить максимальную эффективность при непрерывной работе солнечной системы во время всего года. На практике такие условия практически невозможны и не всегда отображают реальную картину производительности солнечного коллектора.

Для расчета реальной производительности воспользуемся примером. Смоделируем предполагаемый случай применения гелиосистемы для нужд горячего водоснабжения в круглогодичном режиме и поддержки системы отопления теплыми полами со следующими параметрами:

• площадь отопления – 200 м²;
• теплопотери – современная постройка с высоким уровнем теплоизоляции 50 Вт/м² площади;
• место расположения – Киев;
• ГВС – 200 л в сутки;
• апертурная площадь коллекторов – 30 м² ;

На графике видно, что при используя солнечный коллектор для отопления более важным является низкие тепловые потери. При этом хорошие оптические характеристики дают прирост выработки тепла в межсезонье, когда средняя температура воздуха выше, но всё еще необходимо отопление.

В итоге получаем реальную производительность гелиосистемы за год.

Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла

Стоимость солнечных коллекторов может значительно варьироваться и зависит от множества факторов: качество сборки, материал абсорбера и корпуса, толщина и способ укладки изоляции, толщина стекла и т.д. Чтобы оценить стоимость полученной тепловой энергии от солнечных коллекторов зададимся средней стоимостью одного метра квадратного каждого типа солнечного коллектора. Так же взяв за основу срок эксплуатации 25 лет и условия эксплуатации описанные в примере, можем получить значение стоимости полученного 1 кВт*ч энергии.

Как видим из графика, тепло полученное от прямоточного вакуумного коллектора с перьевым абсорбером является наиболее дорогим. А тепло полученное от плоского солнечного коллектора самое дешевое, соответственно плоские коллекторы  имеют минимальный срок окупаемости.

Однако цена солнечного коллектора не всегда является основополагающим фактором. Более дорогие коллекторы могут иметь больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы, связанные с возможными поломками. В связи с этим, можно рассматривать установку как дорогой брендовой техники, так и бюджетных вариантов при определенном уровне начальных капиталовложений.

Выбирая солнечный коллектор, обратите внимание на техническую информацию

Очень важным фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. Наиболее интересные для нас будут значения параметров оптического КПД (ŋ₀), коэффициенты тепловых потерь a₁ (k₁) и а₂ (k₂) и площадь солнечного коллектора (апертурная и общая).  Именно эти параметры позволяют оценить эффективность и рассчитать прогнозируемую производительность солнечного коллектора.

Если производитель или продавец по каким-то причинам не предоставляет эти данные, то в итоге мы получаем “кота в мешке” и не сможем оценить энергетический вклад гелиосистемы, поэтому лучше воздержатся от покупки такого изделия. Наличие международного сертификата (например, от швейцарской лаборатории SPF или Solar Keymark) приветствуется, однако не всегда нам продают коллектор именно с заданными в данном документе параметрами. Особенно этим грешат азиатские производители, тут уж мы ничего не сможем проверить,  остаётся только надеяться на порядочность компании производителя или поставщика.

В заключении, предлагаем вашему вниманию полную инфографику «как правильно выбрать солнечный коллектор». (Кликните для увеличения изображения).

 

 

Поделиться «Как выбрать солнечный коллектор: Инфографика»

Рекомендуемые статьи

Солнечные коллекторы. Какие они бывают?

Классический солнечный коллектор представляет собой металлические пластины черного цвета, установленные на крыше дома. Цвет и положение коллектора предполагает максимальное поглощение и накапливание солнечной энергии. Эти металлические пластины помещаются в корпус, изготовленный из стекла или пластмассы. Наклон к южной стороне, при установке позволит увеличить количество поглощаемой радиации. Проще говоря, солнечный коллектор – это миниатюрная теплица, которая накапливает солнечную энергию под стеклянной панелью. Солнечная радиация распределяется по поверхности равномерно, по этому, чем больше площадь коллектора, тем больше энергии будет поглощено.

На сегодняшний день солнечная энергетика развита достаточно обширно, это дает возможность устанавливать солнечные панели различных комплектаций и размеров. Этот аспект позволяет солнечным коллекторам обеспечивать хозяйственные нужды человека, такие как отопление и снабжение горячей водой.

К примеру, существует несколько отдельных видов солнечных коллекторов, которые различаются, в зависимости от температуры, до которой они способны достигать:

• Коллекторы низких температур. Такие коллекторы дают достаточно низкие температуры – не выше 50 С. Такие коллекторы, широко применяются для подогрева воды в бассейнах, и в других случаях, когда не требуется слишком высокая температура воды.
• Коллекторы средних температур. Такой тип коллекторов способен нагревать воду от 50 до 80 С. Зачастую, такой коллектор представляет собой плоскую остекленную пластину, в которой с помощью жидкости происходит теплопередача или же это коллекторы-концентраторы. В последних тепло концентрируется и может использоваться для нагрева воды в жилых секторах.Представлен коллектор-концентратор, в большинстве случаев, вакуумированным трубчатым коллектором
• Коллектор высоких температур. Зачастую имеют форму параболических тарелок. Такое устройство, в большинстве случаев используется большими предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей

Интегрированный коллектор

Накопительный интегрированный коллектор

На данный момент одним из самых простых видов солнечных коллектором является емкостной коллектор, который еще называются термосифонным коллектором. Такое название, данный генератор получил за счет того, что он одновременно может и аккумулировать тепло и хранить определенное, уже нагретое, количество воды. Такие коллекторы, зачастую используются для начального нагрева воды, которая впоследствии нагревается до необходимой температуры стандартными установками (газовыми, электрическими колонками и т.д.). Такой метод позволяет экономить на потреблении электричества, за счет того, что в бак котла поступает уже подогретая вода.

Рассмотрим основные плюсы такого вида коллекторов. Первое – это, конечно же, экономия на электричестве. Второе – это возможность использовать достаточно дешевую альтернативу солнечной водонагревательной системе. Третьим плюсом стоит отметить простоту использования коллектора – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего).

Такие коллекторы бывают также «Integrated Collector and Storage», или, проще говоря, интегрированными коллекторами-накопителями. Такой вид коллектора, зачастую представлен одним или несколькими баками, которые заполнены водой. Эти баки помещаются в теплоизоляционный ящик и накрываются стеклянной крышкой. Порою, в этот же ящик помещаются прибор-рефлектор, который позволяет увеличивать солнечное излучение. Принцип действия данного устройства достаточно прост – солнечный свет, проходя через стекло, нагревает воду. Такая простота функционирования обуславливает достаточно не большую цену самого устройства. Однако стоит помнить, что в холодное время года, воду стоит защищать от замерзания, или же сливать.

Плоские коллекторы

Такие коллекторы, пожалуй, самые популярные для использования в бытовых условиях, для нагрева воды и в отопительных системах. Внешне, такое устройство выглядит как обычный металлический ящик. Однако внутри него находиться черная платина, которая поглощает солнечный свет. Крышка у этого ящика должна быть в обязательном порядке, стеклянной или пластмассовой, дабы лучше пропускать солнечную энергию.

Остекление плоского солнечного коллектора может быть прозрачным или матовым. Зачастую, все же, отдается предпочтение матовому остеклению, поскольку такое стекло позволяет пропускать только свет. А также, содержание железа в стекле должно быть очень низким, что бы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор. Принцип действия заключается в том, что солнечный свет, попадая на пластину, тепловоспринимающую пластину, которая и вырабатывает тепло. Стекло служит теплоизоляцией, а для повышения КПД коллектора, его стенки прокладывают теплоизолятором. Такая конструкция, позволяет снизить тепловые потери до минимума.

Пластина абсорбента, или же пластина, поглощающая солнечный свет, зачастую окрашена в черный цвет, дабы увеличить количество поглощаемой солнечной энергии, ведь тот факт, то темные тела притягивают ее больше – ни для кого не секрет. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, чтобы продолжить процесс, полученное тепло передается тепловому носителю. Тепловым носителем может выступать воздух или жидкость, которые циркулируют в трубах. К сожалению, даже полностью черные поверхности, способны отражать около 10% солнечной радиации, падающей на нее. Дабы избежать этого, абсорбирующие пластины покрываются дополнительно специальным покрытием, которое призвано удерживать солнечный свет попадающие на пластину. Такое покрытие служит дольше обычной краски и позволяет повысить КПД коллектора. В состав такого селективного покрытия входит слой аморфного полупроводника, который наноситься на металлическое основание пластины.

Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло. Высокий уровень теплопроводности металла позволит уменьшить теплопотери при передаче переработанной энергии теплоносителю. К списку таких металлов можно причислить медь и алюминий. Разница между ними заключается в том, что медная пластина способна лучше проводить тепло, и более устойчива к коррозиям, в отличии от алюминиевой пластины.

Плоские солнечные коллекторы бывают жидкостными или воздушными. А в зависимости от наличия остекления, и тот и другой вид бывает как остекленным, так и не остекленным.

Жидкостные коллекторы

В солнечных коллекторах этого типа, теплоносителем выступает жидкость. Солнечная энергия, перерабатывается в поглощающей пластине в тепло, и передается жидкости, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине. Эти трубы могут идти параллельно друг другу, но на каждой, в обязательном порядке должно быть входное и выходное отверстие. Существует возможность расположение труб в виде змеевика. Такое положение уменьшает количество соединительных отверстий, что, в свою очередь, снижает вероятность протекания. Таким образом, змеевидное расположение обеспечивает более равномерный поток жидкости-теплоносителя. Однако, могут возникать сложности при спуске жидкости перед похолоданием, поскольку в изгибах трубы может остаться жидкость.

Простые системы жидкостных солнечных коллекторов предполагают использование обычной воды, которая сразу же, нагреваясь в коллекторе, поступает пользователю. Такие модели называют «разомкнутыми» или «прямыми» системами. Однако применение таких коллекторов неудобно в регионах с низким температурным режимом. Поскольку, при снижении температуры ниже точки замерзания – необходимо сливать воду. В этот период систему использовать невозможно. Альтернативой является использование незамерзающих жидкостей вместо воды. Этот вид системы жидкостных солнечных коллекторов использует жидкие теплоноситель, который, поглощая тепло, направляется в теплообменник. Зачастую теплообменником является водяной бак, конструкция которого предполагает передачу тепла воде. Такую систему называют «замкнутой» или «непрямой».

Остекление жидкостных коллекторов позволяет нагревать воду для бытовых нужд, и для отопления дома, поскольку их КПД выше, чем у неостекленных аналогов. Неостекленные коллекторы, зачастую используют для нагрева воды в бассейнах. В последних приборах не требуется нагревать температуру до высоких температур. Это позволяет использовать менее дорогие материалы, такие как пластмасса и резина.

Воздушные коллекторы

Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а он не замерзает и не кипит, в отличие от воды. Этот факт позволяет избежать проблем, которым подвержены жидкостные коллекторы. К тому же, утечка в системе воздушных коллекторов приносит намного меньше трудностей, хотя, конечно же, обнаружить ее достаточно сложно. Стоит помнить, что перед материалами, используемыми в воздушных солнечных коллекторах, не стоят особо сложные эксплуатационные задачи. По этому, в воздушных системах возможно использование более дешевых материалов.

Конструкция воздушных коллекторов, представляет собой сочетание плоских коллекторов. Такой прибор используется в основном для просушки сельскохозяйственной продукции, или же для отопления помещений. Металлические панели и многослойные неметаллические экраны могут послужить поглощающими пластинами в конструкции воздушных коллекторов. Теплоноситель проходит через стенки поглотителя с помощью естественной конвекции, или с помощью специального вентилятора.

Теплопроводимость воздуха, на порядок хуже, чем проводимость тепла, жидкостью. По этому, поглотитель получает значительно меньше тепла от воздуха, чем от жидкости. Вентилятор, присоединенный к поглощающей пластине, позволяет увеличить поток воздуха, таким образом, улучшая теплоотдачу. Однако и в этой конструкции есть свои недостатки. Для работы вентиляторов, необходимо дополнительно использовать электроэнергию, а это, в свою очередь увеличивает затраты на работу системы. В условиях холодного климата, необходимо направлять воздух между поглощающей пластиной и утепленной стенкой коллектора, это позволяет избежать потерь тепла. Но не стоит применять такою циркуляцию, если, все же, воздух в помещении, нагревается на 17 С больше, чем воздух на улице. В этом случае, воздух может спокойно циркулировать без потерь эффективности.

Поговорим о достоинствах воздушных коллекторов. В первую очередь – это простота и надежность. Воздушные коллекторы имеют достаточно простое устройство, благодаря этому снижается уровень необходимости технического обслуживания, при этом увеличивая их безусловную надежность. При достойных условиях эксплуатации, срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. За счет того, что теплоносителем выступает воздух, исключается необходимость использования теплообменника и термоизоляции в холодное время года.

Однако не все так красочно, в сфере солнечных воздухонагревателей. Все дело в том, что применение таких установок распространено исключительно для отопления помещений и просушки сельскохозяйственной продукции, причем, в основном, в развивающих странах. Причиной этому стало то, что существуют некоторые ограничения, для использования в промышленных условиях. Начнем с того, что по сравнению с жидкостными, воздушные коллекторы занимают достаточно большую площадь, за счет низкого уровня удельной теплоемкости. К тому же, требуется оборудовать длинный воздуховод для эффективной работы коллектора. И самая главная трудность – это необходимость использования электроэнергии для прогонки воздуха через функциональные части коллектора. Еще иногда встречаются сложности с аккумулированием самой теплоты. Все эти проблемы, даже в регионах с достаточным количеством солнечных дней, приводит к значительному увеличению стоимости на эксплуатацию и установку воздушных коллекторов.

Принцип действия солнечных коллекторов

Элементарный воздушный коллектор

Воздушные солнечные коллекторы делятся на две группы, в зависимости от способа циркуляции воздуха. В самом простейшем случае, поток теплоносителя (воздуха) в коллекторе проходит как раз под поглотителем. Таким образом, данный коллектор позволяет повысить температуру воздуха, не больше чем на 3-5 С. Причиной такого низкого КПД является потери тепла на конвекцию и излучение.

Любой прозрачный материал, с низкой проводимостью инфракрасного излучения, позволяет снижать уровень теплопотерь, при накрывании им поглотителя. Все дело в том, что поток воздуха, образовывается или под поглотителем, или между поглотителем и данным прозрачным покрытием. Прозрачная крышка (из особого стекла или пластмассы) позволяет не на много снижать уровень излучения тепла с поглотителя. Однако, это снижение конвективных тепловых потерь, может позволить увеличить температуру до 20-50 С. Но и этот параметр будет зависеть от интенсивности солнечной энергии попадающей в коллектор и качества воздушного потока. Как плюс к этому всему, наблюдается, также снижение тепловых потерь на излучение, за счет снижения температуры поглотителя. Но стоит помнит, что при этом происходит еще и снижение возможности абсорбента поглощать энергию, за счет его запыления, в том случае, если поток воздуха проходит с обеих сторон.

Накрытый поглотитель в воздушном коллекторе

Отказ от остекления металлического ящика и теплоизоляции, в некоторых случаях, позволяет существенно снижать затраты. Дело в том, что изготовляется такой коллектор из перфорированного металла черно цвета. Такой материал позволяет улучшать качество теплообмена. Принцип этого процесса заключается в том, что этот металл нагревается достаточно быстро, а вмонтированный вентилятор втягивает теплый воздух, через отверстия в металлических листах. Коллекторы такого типа, достаточно часто используются в жилых домах. Зачастую размеры такого прибора составляют 2,4 м?0,8 м, при этом скорость нагрева воздуха составляет 0,002 м3/с. Даже в солнечный зимний день, температура воздуха, который нагревается в коллекторе, может достигать разницы в 28 ?С по сравнению с наружным. К тому же, стоит учесть, что в значительной мере улучшается качество воздуха, поскольку нагревается непосредственно воздух, поступающий снаружи.

Одним из главных плюсов подобных коллекторов, является тот факт, что они достаточно эффективны. КПД некоторых промышленных моделей может достигать 70%. А их стоимость снижается, за счет уменьшается количество используемых материалов.

Вакуумированный солнечный коллектор

Плоские солнечные коллекторы, изначально создавались для использования в местах с большим количеством солнечной энергии. При плохой погоде, их эффективность достаточно не значительна. Холодная, ветреная, пасмурная погода – не позволяют работать таким коллекторам в полную мощь. Но и это не все – повышенная влажность в значительной мере неблагоприятно сказывается на состоянии внутренних деталей такого коллектора. А это влечет за собой уменьшение срока службы коллектора, а также ухудшение эффективности его работы. Дабы устранить такие недостатки были созданы вакуумированные солнечные коллекторы.

Современные вакуумированные солнечные коллекторы способны нагревать воду, для обеспечения хозяйственных нужд. Принцип действия такого прибора заключается в следующем: солнечная энергия, проходя через наружную трубку, попадает в поглощающую трубку, где и происходит превращение солнечной энергии в тепло. А далее, переработанное тепло передается теплоносителю (жидкости). Сам коллектор представляет собой сочетание определенного количества параллельных рядов стеклянных трубок. К каждой из этих трубок прикрепляется трубчатый поглотитель с селективным покрытием (аналог пластины-поглатителя в вышеописанных плоских коллекторах). Нагретая в коллекторе жидкость поступает в бак накопитель, и уже там отдает все полученное тепло воде.

Трубки в вакуумированном коллекторе можно менять. Добавлять или даже убирать, в зависимости от необходимости. Это позволяет называть такие коллекторы модульными. Но стоит помнить, что между трубками коллектора должен быть вакуум, что бы уменьшить потери тепла в процессе конвекции. Однако, радиационная потеря тепла остается. Уточним, что радиационная потеря тепла – это то тепло, которое идет на нагревание поверхностей рабочих частей коллектора. Но не стоит думать, что эти потери существенно повлияют на эффективность работы коллектора. Радиационная потеря достаточно мала, по этому можно уверенно считать, что рабочие характеристики вакуумированного коллектора достаточно велики.

На данный момент, создано большое количество вакуумированных коллекторов, которые имеют различные комплектации, а, следовательно, и разные эксплуатационные характеристики и особенности.

Создание вакуумированного коллектора – это достаточно сложный и трудоемкий процесс. Особенные трудности вызывает запайка оболочки коллектора. Проблема заключается в том, что по сей день не найдено достаточно эффективного метода создания эффективной высоковакуумной системы, при не больших затратах.

Стоит помнить, что такие вакуумированные коллекторы достаточно эффективны, по сравнению с обычными плоскими коллекторами. Все дело в том, что эффективность работы вакуумированного коллектора не зависит от качества радиации, т.е. как в условиях прямой, так и рассеянной радиации, данный коллектор работает одинаково эффективно. К тому же, вакуумное строение коллектора позволяет свести к минимуму потери тепла. Помимо всего вышесказанного, такие приборы достаточно долго и качественно служат, полностью обеспечивая все хозяйственные нужды человека.

Концентраторы

Фокусирующий солнечный коллектор

Концентраторы или же коллекторы отличаются от предыдущих описанных коллекторов тем, что их принцип действия заключается в концентрации солнечных лучей. Делается это за счет зеркальных поверхностей, которые направляют солнечную энергию конкретно на поглотители. Температура, которая обеспечивается концентраторами значительно выше, чем максимальная температура плоских коллекторов. Но стоит помнить, что концентраторы могут воспринимать исключительно прямую солнечную радиацию, по этому. В пасмурную погоду их использование не возможно. Такой тип коллекторов-концентраторов, особенно эффективен в регионах близких к экватору и в пустынных районах с большим количеством солнечных дней.

Для более эффективной работы концентратора, используется специальный прибор, который отслеживает направление солнечных лучей и поворачивает прибор к солнцу. В зависимости от оси, по которой может вращаться, такой коллектор различают одноосные и двуосные следящие устройства. Первые предполагают вращение устройства с востока на запад, а вторые, предполагают поворот устройства во все четыре стороны света, для того что бы точно отслеживать направление солнца в течение всего года. Данные коллекторы-концентраторы, в основном используются в промышленных условиях. Причиной этому стала достаточно большая стоимость этого устройства, а также необходимость постоянного технического обслуживания. Для бытового применения, они просто не приемлемы.

Солнечные печи и дистилляторы.

Солнечная печь

Помимо всех вышеописанных приборов, существуют также приборы, которые имеют достаточно простую структуру, и узкую сферу применения. К примеру, такие приборы могут выступать в роли солнечной печи, для приготовления пищи, или солнечного дистиллятора – прибора достаточно дешево очищающего воду любого состояния.

Поговорим про солнечные печи. Они достаточно просты, как при эксплуатации, таки при изготовлении. Солнечные печи представляют собой достаточно хорошо теплоизолированную коробку, которая покрыта материалом, отражающим свет (фольгой, например). Эта коробка накрывается стеклом и оборудована внешним отражателем. Кастрюля черного цвета послужит поглотителем, поскольку может намного быстрее нагреваться. Такие печи, можно использовать для стерилизации воды, при кипении.

Что касается солнечных дистилляторов, то они могут в результате своей работы предоставлять дистиллированную воду достаточно дешево, притом, что брать воду, можно практически из любого источника. Принцип работы солнечного дистиллятора лежит в основе процесса испарения, а сам прибор использует солнечную энергию, с целью ускорить этот процесс. За день работы, небольшой солнечный дистиллятор может произвести около 10 литров идеально чистой воды.

На данный момент солнечная энергия используется достаточно обширно. Одним из самых эффективных примеров его использования является метод нагрева воды солнечной энергией. Несколько миллионов жителей нашей планеты, уже достаточно долго и давно используют солнечные коллекторы для обеспечения своих нужд. Такие приборы достаточно эффективны, не требуют особых затрат на эксплуатацию, к тому же не приносят вреда окружающей среде.

Ориентация солнечных коллекторов в пространстве, сравнение эффективности конструкций

Содержание страницы

1. Ориентация и угол наклона плоских солнечных коллекторов

Источником энергии работы солнечных тепловых коллекторов является Солнце. Если рассматривать плоские стационарные СК любого типа, то они жестко закреплены либо на склонах крыш, либо на плоской крыше, либо на поверхности земли. Солнце светит на поверхность земли под углом, зависящим от времени суток и времени года. Диапазоны изменения этих углов очень значительные и зависят от широты и долготы места размещения объекта. Для Москвы, минимальная продолжительность светового дня 7 часов, а максимальная – 17 часов 30 минут. С учетом того, что за час Солнце перемещается по горизонту на 15 градусов, суммарное угловое перемещение летом может достигать 265 градусов, в то время, как зимой, 105 градусов. По склонению над горизонтом, Солнце также изменяет свое положение в большом диапазоне от 11 до 57 градусов. В других точках расположения объектов, углы изменения направления солнечного света, другие.

Во второй главе мы рассматривали значения максимального КПД солнечного коллектора, при этом, предполагалось, что лучи Солнца падают на поверхность коллектора перпендикулярно. В реальности, соблюсти это требование невозможно. Даже, если вы выставили направление коллектора строго на юг для точки размещение объекта в момент летнего солнцестояния, то, через несколько дней, максимальные значения будут недостижимы, поскольку угол падения лучей по горизонту изменится за этот период на несколько градусов.

Под оптимальной ориентацией стационарно размещенного солнечного коллектора понимают положение, максимально близкое к положению Солнца в момент астрономического времени 12 часов. Напоминаем, что в каждом месте существует разница директивного и астрономического времени и для Москвы, к примеру, эта разница составляет около 34 минут.

Если вы используете солнечные коллекторы только в летнее время, то рекомендуется устанавливать угол наклона коллекторов градусов на 5 меньше значения угла широты места расположения объекта. Москва расположена на 56 градусе северной широты. Следовательно, оптимальное расположение угла наклона коллектора будет около 50 градусов. Но если вы используете коллекторы круглый год, то угол наклона коллектора к горизонту рекомендуется выбрать на 15 градусов меньше широты. В нашем случае, это примерно 40 градусов. На ориентированном склоне крыш выполнить такие требования очень сложно, поэтому, можно сказать, что уровень максимально возможного мгновенного КПД для стационарного солнечного коллектора практически никогда не достижим.

Если реальная ориентация солнечного коллектора на объекте отличается менее 15 градусов по горизонту от нулевой ориентации на астрономический юг, то потери не столь велики, но если технически невозможно реализовать данные требования, то, эффективность гелиосистем падает и инвестиции в них никогда не окупятся.

Угловая эффективная зона работы плоских и вакуумных трубчатых коллекторов составляет около 45 градусов в каждую сторону от перпендикуляра к поверхности, то есть в сумме около 90 градусов.

Характер изменения эффективности работы коллектора от угла падения солнечных лучей зависит от конкретной конструкции солнечного коллектора и определяется экспериментально. В идеальном варианте, в диапазоне изменения падения лучей –45 –0 + 45 градусов, при абсолютном перпендикуляре падения солнечных лучей в максимальной точке, мощность солнечного коллектора изменяется на 25 %, но в реальности это изменение значительно больше и составляет около 50 %, причем у плоских коллекторов этот показатель еще ниже, поскольку абсорбер, в крайних положениях солнца затеняется боковыми стенками коллектора.

Некоторые производители указывают в характеристиках оборудования угловые коэффициенты.

IAM (Incident Angle Modifier) – угловой коэффициент. Поправочный коэффициент, который помогает учесть конструктивные особенности конкретного коллектора, чтобы откорректировать количество солнечного излучения поступающего при различных углах падения относительно основной плоскости солнечного коллектора (учитывается все отражение, преломление и затенение солнечных лучей).

У открытых солнечных коллекторов данный коэффициент равен 1. Максимальный мгновенный КПД 0,5–0,9.

У закрытых плоских – IAM = 0,85–0,95 в зависимости от толщины воздушного слоя и высоты боковой стенки коллектора над плоскостью абсорбера. Максимальный мгновенный КПД 0,74–0,88. У вакуумных одностенных перьевых трубчатых коллекторов

IAM = 0,9–1,1, максимальный мгновенный КПД 0,65–0,80.

У вакуумных коаксиальных – IAM = 1,1–1,6, максимальный КПД прямого солнечного излучения 0,45–0,75. но вакуумные коаксиальные трубки с цилиндрическим абсорбером могут воспринимать не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. действие которого можно учесть поправочным коэффициентом интенсивности, равным для солнечной погоды 1,15.

В виде графиков корректировка значения мощности солнечного излучения представлена на рис. 25.

Рис. 25. Графики зависимости мощности солнечного излучения от угла падения лучей для разных типов солнечных коллекторов

Из графика видно, что площадь фигуры под графиком мощности трубчатого вакуумного коллектора больше аналогичной фигуры плоского коллектора примерно на 15 %, Поскольку движение Солнца равномерное, можно сказать, что энергия, выработанная коллектором на вакуумных трубках больше плоского коллектора на 15 % при равных габаритах и ориентации на Солнце.

Солнце движется по небосводу по двум координатам. Вводятся два угловых коэффициента Поперечный (IAMT – transversal) и Продольный (IAML – longitudinal). Обычно у плоских гелиоколлекторов оба эти коэффициента одинаковые, поэтому указывается только одно значение. У трубчатых вакуумных гелиоколлекторов может существенно отличается Поперечный коэффициент, а Продольный, примерно такой же, как и плоских коллекторов.

Данные угловых коэффициентов некоторых типов тепловых солнечных коллекторов получены в Институте солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) и представлены на рис. 26.

Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (начало)

Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (окончание)

Среднегодовая выработка тепловой энергии

Солнце в течении дня движется по сложной траектории, которая зависит от времени года, места расположения объекта. Конструкции солнечных коллекторов очень разнообразные, возможно разнообразное расположение коллектора на объекте. Все это очень сильно затрудняет расчет среднегодовой выработки тепловой энергии. Экспериментальные данные по производительности СК очень сильно зависят от погодных условий. Для оценки годовой выработки тепла солнечным коллектором применяются методы математического моделирования. Статистические экспериментальные данные по среднегодовой выработки требуют очень длительного периода времени.

Одной из доступных и наглядных программ является немецкая разработка GeoT*SOL basic 2.0. однако не понятны исходные формулы для математического моделирования, примененные в этой программе и на сколько они соответствуют реальным конструкциям солнечных коллекторов.

В любом случае это сложнейшая задача математического моделирования. В данном учебном пособии можно говорить только о качественном анализе среднегодовой выработки тепловой энергии солнечными коллекторами разных типов.

2. Сравнительный анализ применения солнечных коллекторов различных типов

Поскольку конструкции, место расположение, ориентация, особенности монтажа коллекторов очень разнообразные, то для анализа эффективности рассмотрим качественные характеристики мгновенного КПД различных типов тепловых солнечных коллекторов. На рис. 27 представлены усредненные значения КПД, оптических КПД, коэффициентов теплопотерь для основных типов СК.

Упрощенный расчет КПД коллекторов можно произвести по формуле:

КПД = КПДопт – Ктп·У. (3)

Средние значения оптического КПДопт для позиций на рис. 27, составляют 1 – 0,95; 2 – 0,85; 3 – 0,75; 4 – 0,8; 5 – 0,75.

Средние значения коэффициента теплопотерь Ктп, соответственно, 1 –15; 2 – 7; 3 – 5; 4 – 3,5; 5 – 2 измеряется – Вт/(м2·°С).

У – соотношение разности температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора Т, деленное на интенсивность солнечно излучения, измеряется в м2·°С/Вт.

Рис. 27. Мгновенный КПД солнечных коллекторов в зависимости от интенсивности солнечной радиации и разности температур на входе и выходе коллектора [1]: 1 – абсорбер; 2 –коллектор с однослойным остеклением; 3 –коллектор с двухслойным остеклением; 4 – плоский коллектор с высокоселективным покрытием абсорбера; 5 – трубчатый вакуумный коллектор

Оптический КПД характеризует конструктивную способность СК воспринимать солнечную энергию и зависит только от способности прозрачного защитного слоя пропускать энергию, наличию прослойки воздуха между защитным прозрачным слоем и абсорбером и КПД абсорбера.

Интенсивность солнечного излучения сильно зависит от атмосферных факторов. Напоминаем: 1000 Вт/м2 – ясная солнечная погода летом. 800–600 Вт/м2 – небольшая облачность, летом, 300 Вт/м2 – пасмурно летом, зимой эти показатели ниже примерно в 2 раза.

Также напоминаем, что на рис. 27 указаны значения МГНОВЕННОГО МАКСИМАЛЬНОГО КПД. Реальные средние значения примерно в два раза ниже.

Из рис. 27 видно:

Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15 °С, способны прогреть воду на 15–25 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов.

Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпуса – могут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10 °С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40 °С.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечени перепада температур в коллекторе выше 80 °С.

Относительно возможности использования солнечных коллекторов в системах бытового нагрева воды на дачных участках, систем ГВС, систем отопления и технологических системах, можно представить следующие диапазоны изменения параметра У.

Зона А при У < 0,03 м2·°С/Вт – обогрев воды на дачных участках, летом,

Зона Б при У = 0,03–0,08 м2·°С/Вт – для систем ГВС в летний период.

Зона В при У > 0,08 м2·°С/Вт – системы отопления и ГВС капитальных сооружений.

При значениях У > 0,12, возможно использование систем солнечных коллекторов в многоквартирных домах и технологических промышленных процессах.

Литература:

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммарное количество всей потребляемой энергии человечеством составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых энергия Солнца.

Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, энергосберегающих высокоэффективных технологий и экологически чистых возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.

По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м2.

Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0– 5,5 кВт·ч/м2 в день).

Солнечные тепловые коллекторы успешно применяются для подготовки горячей воды на дачном участке, в системах отопления и горячего водоснабжения индивидуальных и коллективных домов, промышленных системах теплоснабжения.

В настоящее время наибольшее распространение получили:

• солнечные тепловые коллекторы открытого типа;
• плоские закрытые солнечные трубчатые тепловые коллекторы;
• закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы;
• вакуумные трубчатые солнечные коллекторы.

Доля последних составляет более 62 % от всего объема выпускаемых в мире солнечных коллекторов.

С точки зрения эффективности использования различных типов солнечных коллекторов и их применения в хозяйстве, можно рекомендовать.

Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15°С, способны прогреть воду на 15–25°С. Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов. Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпусамогут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10°С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40°С.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечении перепада температур в коллекторе выше 80 °С.

Вопросы работы гелиосистем с использованием солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в следующих частях учебного пособия «Комбинированные тепловые гелиосистемы».

 

Просмотров: 164