Использование «экологически чистой» энергии, получаемой от природных процессов, позволяет значительно уменьшить затраты на коммунальные услуги. Например, если вы установите солнечное отопление для своего загородного дома, то сможете использовать фактически бесплатное тепло для низкотемпературных радиаторов и систем подогрева пола. Согласитесь, это уже приятно сказывается на бюджете.
Вы сможете узнать много нового о «зеленых технологиях» из нашей статьи. Мы поможем вам разобраться в различных типах солнечных установок, их конструктивных особенностях, а также в нюансах их эксплуатации. Вы наверняка заинтересуетесь одним из популярных решений, которые активно применяются в зарубежных странах, хоть и не так распространены у нас.
В данном обзоре мы рассмотрим конструктивные аспекты систем, подробно изложим схемы подключения. Также будет приведён пример расчета солнечного отопительного контурa, что поможет вам оценить практическую сторону его устройства. В дополнение к этому мы подготовили фото-галереи и видео для тех, кто хочет разобраться своими руками.
Краткое содержание статьи
«Зеленые» технологии получения тепла
Среднее количество солнечной энергии, которое получает 1 м² земли, составляет 161 Вт в час. Разумеется, на экваторе эти показатели значительно выше, чем в северных широтах. Кроме того, уровень солнечной радиации меняется в зависимости от времени года.
В Подмосковье интенсивность солнечного излучения в декабре-январе может быть более чем впятеро ниже, чем в мае-июле. Тем не менее, современные установки достаточно эффективны, чтобы функционировать практически в любых условиях на планете.
Современные гелиосистемы способны работать даже в облачную погоду и при температурах до -30°C.
Реализация задачи по извлечению энергии солнечного света с максимальной эффективностью достигается двумя основными способами: прямым нагревом в тепловых коллекторах и солнечными фотоэлектрическими панелями. Солнечные панели сначала преобразуют световую энергию в электрическую, после чего передают полученное электричество потребителям, например, электрокотлам.
Тепловые коллекторы, нагреваемые солнечными лучами, обеспечивают теплоноситель для систем отопления и горячего водоснабжения.
Галерея изображений
Солнечные коллекторы являются основными источниками подготовленного теплоносителя для отопительных систем загородных домов.
Коллектор состоит из трубок, открытых или закрытых, окрашенных в тёмный цвет, что усиливает поглощение солнечной энергии.
Внутренние поверхности трубок открытых солнечных коллекторов покрыты специальными составами, которые усиливают поглощение солнечных лучей.
Трубчатые коллекторы используются для нагрева различных теплоносителей, применяемых в системах отопления.
На наших широтах тепло, полученное с помощью солнечных коллекторов, часто оказывается недостаточным для полноценного отопления. Улучшить эффективность можно за счет концентрической формы и больших размеров.
Модернизированные солнечные коллекторы, которые максимально ловят солнечные лучи, изготавливаются в виде вогнутых концентраторов с зеркальными отражателями.
Некоторые модели, используемые для масштабного получения солнечной энергии, дополнительно оснащаются системами, отслеживающими движение солнца.
Эффективность системы также можно повысить, изменяя форму и используя движущиеся механизмы. Однако в основном эффективность повышается за счет увеличения площади поглощения.
Солнечный коллектор на крыше дома
Прибор с поглощающей поверхностью
Открытый вакуумный солнечный коллектор
Для воздушного и парового отопления
Линза для повышения производительности прибора
Коллектор-концентратор с отражателем
Промышленная модель с устройством слежения
Мощная группа коллекторов-концентраторов
Существует несколько видов тепловых коллекторов, включая открытые и закрытые системы, плоские и сферические конструкции, полусферические концентраторы и другие варианты. Полученная с солнечных коллекторов энергия может быть использована для нагрева горячей воды или теплоносителя в системе отопления.
Промышленность предлагает широкий ассортимент коллекторных систем для подключения к независимым отопительным сетям. Однако простейший вариант для дачи можно легко изготовить собственноручно:
Галерея изображений
Солнечные коллекторы — один из самых доступных и простых вариантов для самостоятельного создания устройств.
Коллектор состоит из змеевика, который подключается к теплообменным контурам и баку для накопления подготовленного теплоносителя.
При самостоятельном производстве коллекторов обычно используются медные трубки и змеевики от холодильников.
Для повышения эффективности теплообменника в солнечном отоплении меняют форму конструкции и увеличивают площадь поглощения.
Распространенным и доступным вариантом для самодельных коллекторов служат стальные трубы и тройники от демонтированных водопроводов, а также их пластиковые аналоги.
В производстве активно используются пластиковые бутылки с отрезанным дном и горлышком, которые служат в качестве светопроводящих оболочек для металлических приемников, помещённых внутрь.
Интересным решением становится использование алюминиевых банок, ранее использовавшихся для соков и газированных напитков.
Следует заметить, что при самостоятельном изготовлении солнечных отопительных приборов часто применяются полимерные трубы как гибкие (из ПНД или ПВХ), так и жесткие (из ПП и ПВХ).
Самодельный закрытый солнечный коллектор
Простейшая конструкция
Змеевик коллектора из медных трубок
Методы повышения эффективности
Использование жестких водопроводных труб и фитингов
Пластиковые бутылки в изготовлении коллекторов
Воздушный солнечный коллектор из металлических банок
Полимерные трубы в самостоятельном производстве
Несмотря на ощутимый прогресс в разработке технологий для сбора, хранения и использования солнечной энергии, у них есть как преимущества, так и недостатки.
Эффективное использование энергии солнца
Явным плюсом использования солнечной энергии является её доступность. Даже в самые облачные дни солнечную энергию можно собирать и применять.
Следующим преимуществом является отсутствие выбросов. Это именно тот тип энергии, который считается наипервейшим и экологически чистым. Солнечные батареи и коллекторы работают бесшумно и зачастую устанавливаются на крыши, не занимая полезную площадь на участке.
Однако эффективность солнечного отопления в наших широтах бывает довольно низкой из-за нехватки солнечных дней для его полноценной эксплуатации.
Недостатки, связанные с использованием солнечной энергии, обусловлены непостоянством освещенности. В ночное время энергии не хватает, а проблема усугубляется тем, что для отопления бывают самые короткие световые дни. Очень важно следить за чистотой панелей, так как даже незначительные загрязнения могут резко снизить их эффективность.
Кроме этого, эксплуатировать такие системы не получится абсолютно бесплатно: существуют регулярные затраты на амортизацию оборудования, работу циркуляционного насоса и электроники управления.
Серьезным недостатком солнечных коллекторов является отсутствие возможности хранения тепловой энергии. В системе предусмотрен лишь расширительный бак.
Открытые солнечные коллекторы
Открытый солнечный коллектор представляет собой систему трубок, открытых для внешней среды, по которым циркулирует теплоноситель, нагреваемый непосредственно солнечными лучами.
В качестве теплоносителей могут использоваться вода, газ, воздух или антифриз. Трубки могут быть соединены с несущей панелью в форме змеевика или расположены параллельно, соединяясь с выходным патрубком.
Однако открытые солнечные коллекторы не способны обеспечить отопление частного дома из-за отсутствия изоляции — теплоноситель быстро остывает. Обычно их используют летом для подогрева воды в душевых или бассейнах.
Открытые коллекторы, как правило, лишены изоляции. Их конструкция проста, что делает их недорогими и доступными для самодельного изготовления.
Из-за отсутствия изоляции они не могут удерживать нагретую солнечным светом энергию, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия. Их, как правило, используют в летние дни для подогрева воды в бассейнах или летних душах.
Они эффективно работают в солнечных и теплых климатах, при небольших колебаниях температуры между окружающей средой и подогреваемой водой. Их эффективность заметно возрастает в солнечные, безветренные дни.
Простой солнечный коллектор с теплоприемником, изготовленным из бухты полимерных труб, обеспечит дачу подогретой водой для полива и бытовых нужд.
Трубчатые коллекторы
Трубчатые солнечные коллекторы состоят из отдельных трубок, по которым циркулируют вода, газ или пар. Это одна из форм гелиосистем открытого типа, но теплоноситель обеспечен лучшей защитой от внешних воздействий, особенно в вакуумных установках, которые функционируют по принципу термоса.
Каждая трубка подключается отдельно к системе, параллельно другим, что облегчает замену неисправной трубки. Сооружение может быть собрано непосредственно на крыше, что упрощает монтаж.
Тромбливый коллектор обладает модульной структурой, а его основным элементом является вакуумная трубка. Количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подбирать мощность системы.
Ключевым преимуществом трубчатых солнечных коллекторов является их цилиндрическая форма, которая позволяет максимизировать сбор солнечного излучения в течение всего светового дня без необходимости установки дорогих систем отслеживания солнца.
Специальное многослойное покрытие служит своего рода ловушкой для солнечных лучей. На схемах показана внешняя часть вакуумной колбы, отражающая свет на стенки внутренней колбы.
Существует два основных типа солнечных коллекторов, отличающихся конструкцией трубок: перьевые и коаксиальные.
Коаксиальные трубки можно сравнить с термосом или сосудом Дьёра. Они состоят из двух колб, между которыми осуществляется вакуумирование. На внутренней поверхности внутренней колбы расположено высокоселективное покрытие, которое эффективно улавливает солнечное тепло.
Цилиндрическая форма трубки позволяет солнечным лучам попадать на поверхность под прямым углом.
Тепло от селективного слоя передаётся на теплообменник, сделанный из алюминиевых пластин или на тепловую трубку. В этом процессе могут возникнуть нежелательные потери тепла.
Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр, внутри которого находится перьевой абсорбер.
Название этой системы связано с перьевым абсорбером, который плотно окружает тепловой канал, выполненный из металла с высокими теплопроводными свойствами.
Для достижения хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух, что позволяет передавать тепло от абсорбера без потерь, благодаря чему эффективность перьевых трубок выше.
Существует два метода передачи тепла: прямоточный и с использованием термотрубки (heat pipe). Термотрубка представляет собой герметичную ёмкость с жидкостью, которая хорошо испаряется.
Так как быстро испаряющаяся жидкость естественным образом стекает к дну термотрубки, минимальный угол наклона должен составлять 20°.
Внутри термотрубки эта жидкость поглощает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под воздействием высокой температуры жидкость превращается в пар, который поднимается вверх. После передачи тепла в систему отопления или горячего водоснабжения пар конденсируется и снова превращается в жидкость, стекать обратно вниз.
Часто в качестве рабочей жидкости используется вода при низком давлении. В прямоточном варианте применяется U-образная трубка, по которой циркулирует теплоноситель.
Одна сторона U-образной трубки отвечает за холодный теплоноситель, а другая за отвод нагретого. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, что позволяет обеспечить естественную циркуляцию. Минимальный угол наклона в данном случае также должен быть не меньше 20°.
При прямоточном подключении давление в системе не должно быть высоком, поскольку внутри колбы создается технический вакуум.
Прямоточные системы работают более эффективно, так как сразу нагревают теплоноситель. Если солнечные коллекторы планируется использовать в течение всего года, в них добавляются специальные антифризы.
Солнечные трубчатые коллектора имеют свои плюсы и минусы. Их конструкция состоит из одинаковых компонентов, которые легко заменять.
- Минимальные теплопотери;
- Работа при температурах до -30°С;
- Эффективное функционирование в течение всего светового дня;
- Высокая работоспособность в регионах с холодным и умеренным климатом;
- Низкая парусность, обусловленная способностью труб таких систем пропускать воздушные потоки;
- Способность производить теплоноситель высокой температуры.
Однако конструкция трубчатых коллекторов имеет ограниченную площадь для сбора солнечного света.
Среди недостатков можно отметить:
- Неэффективность в самоочистке от снега, льда и инея;
- Высокую стоимость.
Несмотря на изначально высокую цену, трубчатые коллекторы быстро оправдывают свои расходы и обладают длительным сроком службы.
Эти коллекторы относятся к солнечным системам открытого типа, что делает их непригодными для круглогодичного использования в отопительных системах.
Плоские закрытые системы
Плоские коллекторы состоят из алюминиевого каркаса, абсорбера с специальным слоем поглощения, защитного прозрачного покрытия, трубопровода и утеплителя.
В качестве абсорбера используется зачерненная медь, обладающая отличными теплопроводными характеристиками для гелиосистем. При поглощении солнечного излучения абсорбер передает полученное тепло теплоносителю, который циркулирует по трубкам, расположенным рядом с ним.
С наружной стороны закрытая панель защищена прозрачным покрытием из противоударного закаленного стекла с диапазоном пропускания 0,4-1,8 мкм, который соответствует наиболее интенсивному солнечному излучению. Это стекло обеспечивает надежную защиту от града. С обратной стороны панель горячо утеплена.
Плоские солнечные коллекторы выделяются высокой производительностью и простой конструкцией. Их эффективность возрастает благодаря использованию абсорбера, что делает их способными улавливать как рассеянное, так и прямое солнечное излучение.
К преимуществам закрытых плоских панелей относятся:
- Простота конструкции;
- Отличная производительность в тёплых регионах;
- Гибкость установки под различными углами при наличии соответствующих механизмов;
- Способность самоочищаться от снега и инея;
- Низкая стоимость.
Эти коллекторы особенно экономически выгодны, если их применение запланировано на этапе проектирования. Срок службы качественных изделий может достигать 50 лет.
К недостаткам можно отнести:
- Высокие теплопотери;
- Большой вес;
- Высокая парусность при угловом размещении панелей;
- Потеря производительности при перепадах температуры более 40°С.
Сфера применения закрытых коллекторов гораздо шире, чем у открытых гелиоустановок. В летнее время они могут полностью обеспечить потребность в горячей воде, а в холодные дни, не входящие в отопительный сезон, успешно заменяют газовые и электрообогреватели.
Тем, кто хочет изготовить солнечный коллектор самостоятельно для обогрева дачи, предлагаем изучить проверенные схемы и пошаговые инструкции по его сборке.
Сравнение характеристик солнечных коллекторов
Основным параметром солнечного коллектора является его КПД. Эффективная производительность различных типов солнечных коллекторов стимуляция зависит от разницы температур. Следует отметить, что плоские коллекторы стоят значительно дешевле трубчатых.
Коэффициенты КПД зависят от качества изготовления каждого конкретного солнечного коллектора. График предназначен для иллюстрации эффективности различных систем в зависимости от температурного дифференциала.
При выборе солнечного коллектора необходимо обратить внимание на ряд показателей, отражающих его эффективность и мощность.
Среди важных характеристик солнечных коллекторов можно выделить:
- Коэффициент адсорбции – определяет соотношение поглощенной энергии к общей;
- Коэффициент эмиссии – указывает на соотношение переданной энергии к поглощенной;
- Общая и апертурная поверхности;
- КПД.
Апертура – это рабочая площадь солнечного коллектора. У плоского коллектора апертурная площадь максимальна и равна площади абсорбера.
Способы подключения к системе отопления
Поскольку солнечные устройства не могут обеспечить стабильное и круглосуточное энергоснабжение, требуется создание системы, которая могла бы компенсировать эти недостатки.
В средней полосе России солнечные установки не могут гарантировать постоянный приток энергии, поэтому они часто используются как дополнительные системы. Интеграция солнечных коллекторов в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается от интеграции солнечных батарей.
Схема с водяным коллектором
В зависимости от назначения теплового коллектора применяются разные схемы подключения. Основные варианты можно выделить следующие:
- Летний вариант для горячего водоснабжения;
- Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения.
Летний вариант является самым простым и не требует циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.
Вода нагревается в солнечном коллекторе, и за счёт теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. В процессе происходит естественная циркуляция: когда горячая вода уходит из бака, на её место поступает холодная.
Зимой, при отрицательных температурах, прямой нагрев воды невозможен. В этом случае по замкнутому контуру циркулирует специальный антифриз, который переносит тепло от коллектора к теплообменнику в баке.
Как и любая система, основанная на естественной циркуляции, такая схема может работать не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумуляторный бак должен находиться выше солнечного коллектора. Чтобы горячая вода сохранялась как можно дольше, бак нужно хорошо утеплить.
Если вы хотите добиться максимальной эффективности от солнечного коллектора, необходимо усложнить схему подключения.
Чтобы ночью коллектор не охлаждался из-за потока воды, циркуляцию нужно останавливать принудительно.
Согласно этой системе, в коллекторе циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительная циркуляция осуществляется насосом под управлением контроллера.
Контроллер управляет работой циркуляционного насоса, основываясь на показаниях как минимум двух датчиков температуры. Первый датчик фиксирует температуру в накопительном баке, второй – на выходе горячего теплоносителя из солнечного коллектора.
Как только температура в баке превышает температуру теплоносителя на выходе, контроллер отключает насос, прекращая циркуляцию системы. При снижения температуры в накопительном баке ниже заданного значения включается отопительный котел.
Новой и эффективной альтернативой солнечным коллекторам с теплоносителем стали системы, использующие вакуумные трубки. Мы предлагаем ознакомиться с принципами их работы и устройством.
Схема с солнечной батареей
Интересно было бы применить аналогичную схему подключения солнечной панели к электросети, как это делается в системах солнечных коллекторов, для сохранения энергии, аккумулируемой в течение дня. Однако, для частного домостроения создание аккумуляторного блока с нужной мощностью оказывается весьма затратным. Поэтому схема функционирования выглядит следующим образом.
Когда мощность тока от солнечной панели снижается, блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей электросети.
Электрический заряд, поступающий с солнечных панелей, направляется к контроллеру заряда, который выполняет несколько задач: он осуществляет постоянный процесс подзарядки аккумуляторов и обеспечивает стабилизацию напряжения. Затем энергия подается на инвертор, где осуществляется преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.
К сожалению, наши электрические сети не предусмотрены для получения энергии и функционируют только в одном направлении — от источника к потребителю. Поэтому вы не сможете продавать полученную электроэнергию или заставить счетчик функционировать в обратном режиме.
Солнечные панели выгодны тем, что предоставляют более универсальный тип энергии, однако их эффективность ниже по сравнению с солнечными коллекторами. В то же время последние не имеют функции накопления энергии, как солнечные фотоэлектрические батареи.
Галерея изображений
Основная рабочая часть солнечных панелей состоит из последовательно соединенных кремниевых пластин.
Несмотря на то, что внешне солнечные батареи могут напоминать плоские закрытые коллектора, их принцип работы значительно различается.
Батареи с фотоэлектрическими элементами генерируют электричество, которое можно использовать для нагрева теплоносителей или для питания электрических обогревателей.
Для изготовления солнечной панели недостаточно лишь подручных материалов. Обязательно понадобятся кремниевые пластины, которые необходимо приобретать.
Солнечные электростанции в системе отопления дома
Процесс установки солнечных панелей на крыше
Самостоятельный монтаж устройства на крыше гаража
Изготовление самодельного электроприбора для солнечного обогрева
Подробности о возможностях организации отопления частного дома с помощью солнечных батарей представлены в данной статье.
Пример расчета необходимой мощности
При расчете требуемой мощности солнечного коллектора часто допускаются ошибки, основывающиеся на значениях солнечной энергии в самые холодные месяцы.
Дело в том, что в остальные месяцы система будет постоянно перегреваться. Температура теплоносителя летом может достигать 200°C для пара или газа, 120°C для антифриза и 150°C для воды. Если теплоноситель закипит, часть его испарится, и его необходимо будет заменить.
Производители рекомендуют учитывать следующие данные:
- Обеспечение горячего водоснабжения – не более 70%;
- Обеспечение отопления – не более 30%.
Остальная нужная теплота должна быть обеспечена обычным отопительным оборудованием. Тем не менее, соблюдая эти параметры, можно сэкономить в среднем до 40% на горячем водоснабжении и отоплении в год.
Выработка энергии одной трубкой вакуумной системы зависит от места установки. Параметр солнечной энергии, падающий на 1 м² в год, называется инсоляцией.
Зная длину и диаметр трубки, можно рассчитать апертуру – эффективную площадь поглощения. Остается применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления ежегодной мощности одной трубки.
Стандартная длина трубки составляет 1800 мм, эффективная – 1600 мм, а диаметр равен 58 мм. Апертура — это затенённый участок, создаваемый трубкой. Таким образом, площадь прямоугольника тени будет:
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 м².
КПД средней трубки составляет 80%, а солнечная инсоляция для Москвы — около 1170 кВт·ч/м² в год. Соответственно, одна трубка за год вырабатывает:
W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 кВт·ч.
Стоит отметить, что это лишь приблизительные расчеты. Количество произведенной энергии зависит от расположения установки, угла наклона, средней годовой температуры и других факторов.
С различными типами альтернативных источников энергии и способами их применения вы можете ознакомитесь в этой статье.
Выводы и полезное видео по теме
Видео #1. Демонстрация работы солнечного коллектора в зимний период:
Видео #2. Сравнение различных моделей солнечных коллекторов:
На протяжении всей истории человечества мы с каждым годом потребляем всё больше энергии. Попытки использовать бесплатное солнечное излучение проводились давно, но только в последние годы стала возможна эффективная эксплуатация солнечной энергии в наших широтах. Несомненно, что за солнечными системами будущее.
Хотите поделиться интересными особенностями организации солнечного отопления загородного дома или дачи? Пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже. Здесь вы также можете задавать вопросы, прикреплять фотографии с процессом сборки системы и делиться полезной информацией.
