Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления
Многих из нас беспокоят постоянно растущие цены на отопление и горячее водоснабжение и заставляют задуматься о том, как можно сократить расходы на электроэнергию либо свести их к нулю. Но есть ли способ снижения затрат на электроэнергию, который также будет экологически безопасным? Использование солнечных коллекторов – это ответ.
Такие коллекторы, называемые также гелиосистемами, способны аккумулировать солнечную энергию для нагрева воды. Установка такой системы позволяет дополнительно поддерживать тепло в доме весной и летом. Отмечается, что обладатели таких систем получают горячую воду и тепло абсолютно бесплатно.
Устройство и принцип работы солнечных коллекторов
Миниатюрная теплица – вот что представляет собой простейший солнечный коллектор. Он состоит из металлических пластин черного цвета, заключенных в стеклянный или пластиковый корпус и устанавливается на крыши зданий. Солнечный коллектор эффективно накапливает солнечную энергию и перенаправляет ее на трубы, скрытые под пластиной, в которых циркулирует вода. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его производительность.
Хотя принцип работы для всех видов солнечных коллекторов одинаковый, их конструкция во многом отличается, зависящая от типа коллектора и области применения.
Неиспользованная вода из резервуара опускается вниз, освобождая место для нагретой воды из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и затем возвращается в резервуар. Таким образом, вода в накопительной емкости всегда остается горячей, а ее температура в ясные солнечные дни может достигать 70 °C.
Бытовые коллекторы для нагрева воды и отопления: типы и характеристики
Хотя принцип работы коллектора для нагрева воды или отопления на солнечной энергии легко описать, на деле системы гораздо более сложны. Существует несколько типов бытовых солнечных коллекторов, имеющих свои особенности конструкции.
Высокоселективный плоский коллектор является одним из наиболее распространенных типов, который отличается невысокой ценой, но в то же время не имеет такой эффективности теплосбережения, как другие модели. Он состоит из нескольких элементов, таких как плоскостной поглотитель, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции на обратной стороне и рамы, которая обычно изготавливается из алюминия или стали. Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темный цвет металлический лист, связанный с трубками, которые отвечают за передачу теплоты. В то время как поглотитель поглощает солнечную энергию, он накапливает и трансформирует ее в тепловую. Далее, жидкость-теплоноситель (обычно состоящая из воды и гликоля) передает это тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от внешних воздействий и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Также для этой цели используется теплоизоляция, которая обычно изготавливается из минерального волокна.Солнечные коллекторы вакуумного типа представляют собой стеклянные трубки, внутри которых расположены устройства, способные поглощать солнечный свет. Они находят свое применение благодаря тому, что вакуумный слой, который окружает коллекторы, является идеальным теплоизолятором, что позволяет минимизировать теплопотери устройства. Вакуумные коллекторы бывают двух видов - с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый тип предпочтительнее использовать в условиях, когда коллекторы работают круглый год, а второй - в период с апреля по сентябрь, когда наружная температура достаточно высока.
В этой статье мы рассмотрим технические характеристики концентрационных солнечных коллекторов. Их эффективность зависит от угла падения солнечных лучей, который весной, летом и осенью превышает 120 градусов. Для повышения эксплуатационных температур до 120-250 градусов Цельсия используют концентраторы, которые могут быть применены с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Эти концентраторы концентрируют солнечные лучи, позволяя получить более высокую температуру на панели. Однако для эффективной работы требуется устройство слежения за солнцем, что возможно только в промышленных целях из-за достаточно высокой стоимости.
Воздушные солнечные коллекторы – это системы, используемые для нагрева воздуха. Они представляют собой плоские коллекторы, которые могут использоваться для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. В результате естественной конвекции или под воздействием вентиляторов воздух проходит через поглотитель. Стоит отметить, что в случае использования вентилятора, часть энергии будет расходоваться на его работу.
Отметим, что солнечные коллекторы могут служить довольно долго – от 15 до 30 лет, в зависимости от производителя и типа конструкции. Однако, стоит учитывать, что продукция азиатских производителей может быть менее надежной, чем коллекторы от лучших немецких компаний, которые, в свою очередь, способны прослужить и дольше названного срока.
Высокая эффективность солнечных коллекторов для дома зависит от правильного расчета мощности. При этом важно знать несколько параметров, таких как площадь поглощения, величину инсоляции в вашей местности и КПД самого коллектора.
Предположим, что вам нужен коллектор площадью примерно 1 кв. м, который состоит из 7 трубок. Каждая трубка имеет площадь поглощения в размере 0,15 кв. м. Для того, чтобы рассчитать получаемую мощность за 1 день, необходимо использовать следующую формулу: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт•час/кв. м.
Если предположить, что в доме есть вакуумные трубки теплового коллектора, то в среднем за сутки одна трубка вырабатывает 0,325 кВт•час. Однако, в наиболее солнечные месяцы (летние) выпуск тепла возрастает и может достигать 0,545 кВт•час.
Интересный факт заключается в том, что, согласно данным статистики, для одного человека в домашнем хозяйстве, нужно потратить от 2 до 4 кВт тепловой энергии на использование горячей воды ежедневно.
Распространенность использования солнечных коллекторов по всему миру по меньшей мере уже несколько десятилетий не вызывает сомнений. Однако в России эта технология все еще остается новинкой. Несмотря на то, что настоящий бум солнечных коллекторов случился в 1970-е годы, во время нефтяного кризиса, их начали применять во многих странах, от США до Японии. Например, в настоящее время в Израиле более 85% населения используют солнечные коллекторы. С мощностью более 200 гигаватт тепловой энергии общей мощности мира, это число теперь продолжает расти.
В других странах, таких как Германия, использование солнечных коллекторов оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. Однако в России данный показатель остается крайне низким - всего 0,2 кв. м/1000 чел.
Многие могут спросить, целесообразно ли использование солнечных коллекторов в России, где климат не такой теплый и солнечных дней гораздо меньше, чем в южных широтах? Однако расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода не может помешать эффективной эксплуатации коллекторов. В зоне среднего климата России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади, а максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, установка солнечного коллектора площадью 2 кв. м будет прогревать воду в баке емкостью 100 л до температуры свыше 37 C. А в теплые месяцы коллектор будет работать даже более эффективно.
Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, а также для обеспечения энергией теплиц. Их легко интегрировать в любую сеть водо- или теплоснабжения и установить. Используя солнечные коллекторы, можно существенно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать даже бесплатную горячую воду. Надежность производителей солнечных коллекторов достигается благодаря таким компаниям, как FUTUS-NUKLEON (Австрия, Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), а также немецким компаниям Wolf и Vaillant. Эти бренды предлагают надежную продукцию, которая постоянно совершенствуется и дополняется новыми технологиями.
Гелиоустановки могут стать серьезным шагом на пути к экономической выгоде и экологической чистоте. Коллекторы могут быть разных типов, с разными уровнями сложности системы, мощности и производительности, и всё это сказывается на их стоимости. Если говорить о небольших установках для частных домов, то их стоимость начинается от 160 000 рублей за базовую комплектацию, предназначенную для нагрева воды и с мощностью около 2 кВт•ч. В свою очередь, более мощные системы с несколькими коллекторами (общей мощностью около 6 кВт•ч), которые предназначены для отопления дома, могут обойтись в 270 000 рублей. Естественно, к этим расходам нужно добавить стоимость монтажа и наладки.
Однако, стоит заметить, что окупаемость гелиоустановки напрямую зависит от режима эксплуатации. В отопительный период она в среднем на 25% поддерживает отопление помещения и на 80-90% в летние месяцы обеспечивает горячую воду. Срок окупаемости гелиоустановки может варьироваться от 2 до 8 лет в зависимости от расходов на тепло и горячую воду. Эти цифры свидетельствуют о том, что использование технологии в России становится всё более целесообразным и перспективным с экономической точки зрения.
Фото: freepik.com