СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Солнечный коллектор – это основной элемент солнечных систем горячего водоснабжения (ГВС) и отопления.
Солнечные коллекторы (гелиоколлекторы) предназначены для поглощения радиации от Солнца и преобразования ее в тепловую энергию, используемую далее для нагрева бытовой воды.
От совершенства конструкции солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Все конструктивные особенности солнечного коллектора сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и минимальным тепловым потерям. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор, чем быстрее преобразует ее в тепловую энергию и чем меньше потеряет по пути к теплоаккумулирующему баку, тем эффективнее будет работать гелиосистема отопления или ГВС.
Гелиоколлектор является основным элементом системы солнечного теплоснабжения, но для надежного функционирования всей системы необходим правильный подбор и расчет других элементов системы, таких как теплоаккумулирующий и расширительный баки, теплоизоляция и трубопроводы, блок автоматики и прочие комплектующие. Количество солнечных коллекторов, их способ соединения и размеры, сконструированные для конкретной системы, также значительно влияют на эффективность, надёжность и бесперебойную работу солнечных коллекторов и гелиосистемы в целом.
Солнечные коллекторы бывают разных видов. Наиболее популярными в настоящее время и наиболее доступными являются плоские и вакуумные солнечные коллекторы.
Плоский солнечный коллектор состоит из абсорбера (элемента, который эффективно поглощает солнечное излучение), прозрачного покрытия и теплоизолирующего слоя. В принципе работы плоских солнечных коллекторов заложен парниковый эффект. Он заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность гелиоколлектора, практически полностью пропускается стеклом. Таким образом, происходит накопление тепловой энергии внутри солнечного коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется с помощью конструктивных элементов, как правило, выполненных из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем – водой или незамерзающей жидкостью.
Чем больше солнечной энергии передается теплоносителю, проходящему через гелиоколлектор, тем выше его эффективность. Одной из важнейших технических характеристик гелиоколлектора является количество горячей воды, произведенной с одного квадратного метра его поверхности. При отсутствии теплового разбора плоские коллекторы способны нагреть теплоноситель до 190 – 200 градусов Цельсия.
Итак, как Вы можете видеть, плоский солнечный коллектор устроен относительно просто. Самым высокотехнологичным элементом в его конструкции является специальное поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы необходимо, чтобы это покрытие могло поглощать максимально большую часть тепловой энергии от падающих на поверхность гелиоколлектора солнечных лучей, а при нагреве излучало минимальную долю поглощенной энергии в инфракрасном спектре.
При всем том, что плоские коллекторы являются, на сегодняшний день, наиболее распространенным типом солнечных коллекторов, у них уже есть предел оптимальных показателей по эффективности, срокам эксплуатации и стоимости. К их недостатку относится, в первую очередь, более низкий КПД по сравнению с вакуумными коллекторами в холодное время года и во время понижения солнечной активности в теплый и переходный периоды года.
При производстве вакуумного солнечного коллектора используются современные материалы, созданные на основе нанотехнологий. В вакуумном солнечном коллекторе объем, где находится черная поверхность (она абсорбирует солнечное излучение), отделен от окружающей среды пространством, в котором создан вакуум. Так образом, практически полностью устраняются потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. Солнечный вакуумный коллектор собирает солнечное излучение видимого и невидимого глазу спектра и преобразует её в тепловую энергию. Очевидно, что эффективность работы солнечного коллектора зависит от интенсивности солнечного излучения, а не от температуры окружающей среды. Солнечный вакуумный коллектор эффективно собирает излучение от солнца в любую погоду, вне зависимости от наружной температуры воздуха. Преимущество вакуумных солнечных коллекторов перед плоскими коллекторами начинает проявляться при температуре воздуха ниже 15 градусов Цельсия – при отрицательных температурах воздуха вакуумным гелиоколлекторам просто нет альтернативы!
В различных моделях вакуумных солнечных коллекторов применяются теплонакопители в виде трубок. Эти трубки чем-то похожи на термос: одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Вакуум между ними обеспечивает совершенную теплоизоляцию. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи падают на их поверхность перпендикулярно к оси трубки. Это приводит к получению большей энергии с единицы теплоприемной поверхности, даже если солнце и светит под «неправильным» углом, например, во время захода и восхода.
Вакуумные трубки не упускают и рассеянный свет солнца, закрытого облаками. В любое время дня под прямым солнечным излучением постоянно находится часть абсорбирующего вещества вакуумной трубки; это как бы плоский коллектор, поворачивающийся за солнцем. При наличии специальных отражателей эффективная площадь такого вакуумного коллектора может быть в несколько раз больше аналогичной площади плоского коллектора.
Обычно вакуумная трубка солнечного коллектора изготавливается из боросиликатного стекла с пониженным содержанием металлов. Она ударопрочная и способна выдержать град размером до 35мм. Стенки трубки двойные, фактически одна трубка находится внутри другой, а между ними – вакуум. Вакуум между стенками трубки создается при ее производстве. За счет вакуума между трубками потери тепла минимальны, так как вакуум – самый эффективный теплоизолятор. Это делает вакуумный трубчатый коллектор на 45% эффективнее плоского коллектора. Поверхность внутренней трубки имеет специальное покрытие, очень чувствительное ко всему спектру солнечного излучения. Современные трубки имеют тройное напыление, при этом каждый слой выполняет свою функцию. Т.о., слои отвечают за поглощение энергии, преобразование ее в тепло, минимизацию отражения. Кроме того, стеклянная трубка со специальным покрытием, по сути, являются подобием увеличительного стекла, которое усиливает (концентрирует) попадающее на него излучение внутрь трубки.
Вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде является одной из разновидностей вакуумных коллекторов. Вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком. Из него вода из контура теплообменника затекает прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. К преимуществам этой системы относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Существуют также коллекторы такого типа без накопительного бака.
Вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником обладает всеми преимуществами предыдущей модели. Отличие его в том, что в нем имеется встроенный в бак эффективный теплообменник, что позволяет подсоединить коллектор с баком к системе горячего водоснабжения. Водонагревательный контур можно заполнить незамерзающей жидкостью и пользоваться коллектором при температуре до минус 5 – 10 градусов. В коллекторе не откладываются соли и другие загрязнения, так как теплоноситель работает по замкнутому контуру, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.
Вакуумные солнечные коллекторы с тепловыми трубками – наиболее совершенные и поэтому самые дорогостоящие гелиоколлекторы. Обычно тепловая трубка представляет собой закрытую медную трубу, которая устанавливается под наклоном, с легкокипящей жидкостью. Концентрированное, как линзой, солнечное излучение, воздействуя на медную трубку, разогревает ее, жидкость внутри сердечника закипает, тем самым еще выше поднимая температуру медной трубки, разогретой концентрированными лучами. При закипании легкокипящая жидкость превращается в пар, температура которого выше, чем была температура перегретой жидкости. Пар отдает тепло и конденсируется, превращаясь в жидкость, в верхней части расширенной медной трубки. Эта расширенная часть – конденсатор, в котором пар легкокипящей жидкости снова превращается в жидкость. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Так солнечная энергия в вакуумном гелиоколлекторе с тепловыми трубками преобразуется в тепловую энергию.
Передача тепла происходит через медную гильзу приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при каком-либо повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Для замены трубки нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника. Гелиоколлектор с тепловыми трубками работает при внешних температурах до минус 35 градусов Цельсия (полностью стеклянные коллекторы с тепловыми трубками) или даже до минус 50 (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).
Таким образом, вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками эффективен при температурах до -35С и способен преобразовать в тепло до 98% солнечного излучения, достигающего его поверхности. Температура теплоносителя вакуумного коллектора, в режиме ограничения отбора тепла, может составлять 250—300 °C .
Солнечные вакуумные коллекторы отлично зарекомендовали себя в регионах, где не редки шквальные ветра и даже ураганы. Панель гелиоколлектора имеет большую прочность и небольшую парусность. По сравнению с другими видами солнечных коллекторов, вакуумный коллектор быстрее возвращается в рабочее состояние, избавляясь от снега, льда или инея, что немаловажно, так как чаще всего он установлен на крыше. Это объясняется тем, что стеклянная поверхность трубок вакуумного коллектора имеет очень небольшую толщину, благодаря чему тепловая инерция устройства сводится к минимуму.
При помощи теплосборника, находящегося в верхней части коллектора, медный сердечник отдает тепло теплоносителю, который циркулирует по контуру: солнечный коллектор – теплообменник бака-аккумулятора.
За циркуляцию теплоносителя отвечает циркуляционный насос.
Контроллер солнечного коллектора осуществляет интеллектуальный контроль и обеспечивает автоматическую работу системы. Контроллер гелиосистемы может иметь следующие функции:
часы, таймер;
индикацию температуры воды;
индикацию уровня воды;
автоматический режим управления работой системы;
принудительный набор воды, командой с пульта контроллера;
набор воды по времени;
автоматическую подпитку воды до запрограммированного уровня;
увеличение гидравлического давления в системе во время отбора воды;
принудительное включение электроподогрева;
включение подогрева по расписанию (по таймеу);
включение циркуляции горячей воды;
отключение – блокировка линии горячей воды;
защиту от недостаточного давления воды на входе;
защиту трубок солнечного коллектора от перегревания;
защиту информации при сбоях электропитания и т.п.
Т.о., с помощью контроллера появляется возможность оптимально настроить систему для эксплуатации в разных условиях, а также гибко управлять системой при эксплуатации.
Причем, если контроллер, получающий информацию от датчиков температуры, обнаружит, что температура теплоносителя такова, что он не обеспечит нагрев воды в баке, то он даст команду и остановит работу циркуляционного насоса – предотвратит потерю тепла, т.о. не даст нагретой воде подогревать теплоноситель. Это происходит в основном ночью, при низких температурах окружающей среды. При недостаточной температуре теплоносителя контроллер может включить ТЭН или включить циркуляцию теплоносителя по второму теплообменнику от альтернативной системы подогрева воды, например, от твердотопливного или газового котла. Утром теплоноситель контура солнечного коллектора вновь прогреется, и циркуляционный насос снова включится для циркуляции теплоносителя от коллектора к теплообменнику в баке и обратно.
Внутри бака-аккумулятора, по спирали, расположен теплообменник, выполненный из меди. Теплоноситель отдает тепло воде через теплообменник внутри бака и, циркулируя, принимает новое тепло от теплосборника солнечного коллектора. Фактически гидроаккумулятор солнечного коллектора – это обычный бак-бойлер, который может эксплуатироваться и без солнечного коллектора. На фотографии – внутренний бак, который всегда изготавливается из нержавеющей стали. Наружный бак – наружные стенки, могут быть как из обычной – окрашенной стали, так и из нержавеющей. Между наружными и внутренними стенками находится термоизолятор (утеплитель) из пенополиуретана. Этот термоизолятор минимизирует потери тепла уже нагретой воды. Потери тепла водой обычно не превышают 2 – 4 градуса Цельсия в сутки.
ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ
Изменение климата на нашей планете в последнее время – повышение общей температуры, увеличение интенсивности солнечной радиации способствуют увеличению популярности солнечных коллекторов, солнечных батарей и других устройств альтернативной энергетики. Использование солнечной энергии при помощи устройств гелиотехнологии позволяет сократить затраты на энерго- и теплоснабжение за счет эффективного энергосбережения. Такое оборудование как солнечные коллекторы поможет существенно снизить текущие расходы на отопление и нагрев горячей воды. Солнечный коллектор является одним из самых популярных в мире устройств альтернативной энергетики.
С помощью солнечных коллекторов потребитель получает тепло и горячую воду по нулевому тарифу. При постоянном росте тарифов на энергоносители решение вопроса горячего водо- и теплоснабжения практически любых объектов, за счет преобразования энергии излучения солнца, становится всё более актуальным.
Производство установок для улавливания и использования энергии солнца за последние годы увеличилось в несколько раз. Специалисты прогнозируют, что к 2020 г. за счет солнечной энергии будут удовлетворяться до 15–20% потребностей людей в электро – и теплоэнергии. На сегодняшний день вводится в эксплуатацию более 3 млн. гелиосистем в год. Статистика получена не только за счет стран с теплым климатом. Опыт показывает, что свою эффективность гелиоколлекторы доказали и в климатических условиях Севера. Системы солнечных коллекторов имеют различные конструкции и подходят для всех типов климата. Современные системы подогрева воды на солнечных коллекторах имеют в своём составе контроллеры, которые автоматически поддерживают оптимальные параметры циркуляции теплоносителя, имеют режим антизамерзания и обеспечивают, например, заданную температуру в помещении или температуру воды для бытовых нужд. При отсутствии достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.
Производительность системы подогрева воды на солнечных коллекторах зависит от параметров солнечного излучения в конкретном регионе. Технико-экономические расчеты, основанные на опыте эксплуатации солнечных коллекторов, то есть по уже действующим системам на солнечных коллекторах, показывают, что при существующих ценах на органическое топливо срок окупаемости гелиоустановок на солнечных коллекторах, с учетом эксплуатационных затрат, составляет от 2 до 5 лет при сроке службы 25-30 лет и более. Таким образом, после срока окупаемости, результат применения солнечных коллекторов – это 20 – 25 лет бесплатной, вырабатываемой солнечной установкой энергии. Кроме экономического эффекта можно отметить тот факт, что гелиоустановки являются экологически чистыми источниками энергии.
Плоские солнечные коллекторы были разработаны и эффективно работают в странах с теплым климатом – это страны юга Западной Европы, Азии и т.д. Вакуумные трубчатые коллекторы проектировались для эксплуатации в регионах с умеренным и суровым климатом. То есть наилучшим образом подходят для России. Многие производители разрабатывают и производят вакуумные солнечные коллекторы специально для России.
Вакуумный солнечный коллектор полезен везде, где требуется снабжение горячей водой, отопление, теплоснабжение. Системы горячего водоснабжения, теплоснабжения на вакуумных коллекторах находят все большее распространение во всем мире. Рост популярности обусловлен высокой эффективностью этого коллектора при отрицательных температурах и при отсутствии прямых солнечных лучей.
Применение солнечных коллекторов особенно актуально:
при ограниченном доступе к газу или электричеству;
при недостаточной мощности электроснабжения;
при использовании привозного газа;
при частых сбоях питающих электросетей;
в качестве резервного оборудования для отопления, горячего водоснабжения дома, коттеджа, дачи, бассейна.
Преимущества систем подогрева на солнечных коллекторах:
существенное уменьшение затрат на горячее водоснабжение, обогрев дома или любого другого объекта;
уменьшение годовых затрат на нагрев воды – на 60%, на отопление – на 30% в год;
автономность источника энергии, которая преобразуется в тепло – энергии Солнца;
увеличение срока службы имеющейся отопительной системы – уже имеющегося бойлера или газового котла в 2 раза, за счет уменьшения его нагрузки до 97%;
легкая интеграция в существующую систему теплоснабжения и горячего водоснабжения;
экологичность;
безопасность здоровья людей за счет отсутствия загрязняющих компонентов.
Установка солнечной энергосистемы может быть запланирована еще на стадии строительства дома или другого объекта. Как показывает опыт, это гораздо упрощает монтаж и эксплуатацию солнечных коллекторов. Можно подсоединить систему подогрева на солнечном коллекторе и к уже существующей системе теплоснабжения. В последнем случае вместо традиционного бойлера устанавливается бойлер гелиосистемы – накопительный бак солнечного коллектора, а в качестве источника горячей воды используется теплоноситель, получивший тепло от солнечного коллектора. Система отопления на солнечных коллекторах идеально соответствует системе водяных теплых полов и обогрева плавательных бассейнов. Особенную эффективность утилизации солнечной энергии имеют комбинированные системы, использующие солнечные коллекторы вместе с тепловыми насосами.
Область применения солнечных коллекторов:
производственные комплексы любого направления и масштаба,
дома, коттеджи, дачи,
сельскохозяйственные предприятия,
учреждения здравоохранения: больницы, поликлиники, санатории, профилактории, центры здоровья и др.,
гостинично-туристические комплексы,
спортивно-оздоровительные комплексы:
бассейны открытые и закрытые, стадионы, туристические базы, зоны отдыха,
детские учреждения: детские сады, школы, центры детского творчества, летние лагеря и др.,
торгово-развлекательные комплексы, небольшие автономные магазины,
рестораны, кафе, столовые и другие пункты общественного питания,
мобильные социально ориентированные пункты,
офисы,
объекты железнодорожного и автомобильного транспорта, портов, МЧС и пр.,
автомойки, автозаправочные станции, теплицы и еще многие разнообразные объекты
практически везде, где есть холодная вода и дневной свет.
Итак, Вы уже знаете, что тепловые установки на основе солнечных коллекторов могут применяться как для систем горячеговодоснабжения, так и для систем отопления дома. Системы отопления и горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов просты в монтаже и эксплуатации, надежны, долговечны и эффективны
СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Учёные подсчитали, что ежедневно на землю поступает солнечная энергия, сопоставимая по количеству с энергией, которую человечество расходует в течение года (в пересчёте на ископаемые виды топлива). Это колоссальный, экологически чистый и практически нескончаемый источник энергии, который мы долгое время вообще никак не использовали. Однако, поступающая на землю солнечная энергия нестабильна и зависит от многих факторов, таких как время года и время суток, высота солнца над горизонтом и степень ясности дня, температура воздуха и влажность, плотность облачности и глобальное затемнение атмосферы. Было замечено, что наша атмосфера, в силу колоссальных выбросов и непродуманности расходования человечеством ископаемых видов топлива, постепенно теряет свою прозрачность. Она становится замутнённой. Учитывая эти факторы, солнечные коллекторы систем ГВС почти всегда подключаются к баку-аккумулятору тепловой энергии. Это теплоизолированный бак с бытовой водой, в котором происходит передача тепловой энергии от жидкости теплоносителя к воде. Если нагретая бытовая вода не расходуется на нужды потребителей, то бак выполняет функции теплоаккумулятора и хранит в себе горячую воду.
Для использования солнечной энергии для нагрева бассейнов в летнее время или производства теплой воды специальных технических средств не требуется. Система устраивается таким образом, чтобы на зиму с коллектора и системы можно было слить воду.
СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
Значительную часть используемой в зданиях энергии можно обеспечить с помощью воды с температурой до 70С. При использовании низкотемпературного отопления (полов и стен) при обеспечения энергопотребности жилья солнечная энергия, кроме нагрева теплой воды, может использоваться и в отопительных системах.
При использовании современных теплоизоляционных материалов в строительстве температура отопления уже может понижаться.
Бойлер и специальная система управления позволяют использовать солнечное тепло для подогрева воды в подающей линии отопительного контура. В бойлере для этого предусмотрены два резервуара, один в другом. Внутренний резервуар предназначен для нагрева воды для ГВС, внешний – для поддержки отопления. При увеличении температуры в бойлере выше температуры обратной линии отопления переключается 3-ходовой клапан. В таком положении клапана и при работающем циркуляционном насосе из бойлера отбирается энергия, полученная от солнечного коллектора. Температура обратной линии отопления повышается за счёт более высокой температуры бойлера. От бойлера вода, нагретая солнечными коллекторами, поступает через котёл в отопительную систему. Регулятор котла определяет, хватит ли тепла этой воды для отопления. Если его недостаточно, то она подогревается котлом. Остыв в отопительной сети, вода по обратной линии возвращается через открытый 3-ходовой переключающий клапан в бойлер. Из бойлера вода с более высокой температурой снова поступает в отопительный контур. При достаточном количестве солнечной энергии таким образом можно уменьшить затраты на отопление.
Итак, ко второй половине дня весь бойлер заполнен нагретой от солнца воды и готов к водоразбору. Горячая вода уходит в душ и ванну. При этом поступающая в нижнюю зону холодная вода снова принимает тепло от солнечного коллектора. Бойлер отдаёт тепло в отопительную сеть. Снова вода идёт в душ. Если при этом потребляется больше горячей воды, чем имеется в наличии, то идёт нагрев от котла.
Солнце нагревает абсорбер в коллекторе и циркулирующий в нём теплоноситель (незамерзающую жидкость). Циркуляционный насос подаёт нагретый теплоноситель к нижнему теплообменнику в бойлере и отдаёт там свою тепловую энергию содержимому бойлера (расходной воде). Дифференциальный регулятор температуры включает циркуляционный насос в контуре солнечного коллектора только в том случае, если температура в коллекторе выше, чем температура в нижней зоне бойлера. Разница температур определяет с соответствующими датчиками в коллекторе и бойлере. При слишком низком поступления солнечной радиации бойлер солнечного коллектора может дополнительно нагреваться от традиционного теплогенератора (например, от котла). С помощью верхнего теплообменника в гелиобойлере расходная вода будет нагреваться до температуры, предварительно заданной регулятором. Из-за температурного расслоения в вертикальном бойлере дополнительный нагрев от котла ограничивается верхней частью бойлера, таким образом, он используется мало. Как только достигнута заданная температура, отопительный котёл снова работает на отопление помещений.
Теплоизоляционный слой бака позволяет пользоваться горячей водой даже в тёмное время суток, когда солнечный коллектор не работает. Получаемая в разные дни горячая вода тоже не будет иметь одинаковую температуру. Это зависит от таких факторов, как погодные условия, температура подаваемой холодной воды, количество потребляемой горячей воды, конфигурация системы ГВС и т.д. Поэтому количество нагретой воды и её температура будут разными в разные дни.
Рассчитав потребность потребителей дома в проточной горячей воде и потребность в горячей воде для отопления здания, определяют вид, тип и необходимое количество солнечных коллекторов – Они объединяются в группы и работают как одно целое – как один большой коллектор.