Солнечное теплоснабжение. Солнечное отопление: насколько эффективно? Особенности отопления солнечным теплом
Главным критерием уюта в частном коттедже или квартире является тепло. В холодном доме даже самая шикарная обстановка не поможет создать комфортных условий. Но чтобы оптимальная для проживания температура поддерживалась в помещении не только летом, но и зимой понадобится монтаж системы отопления.
Сделать это сегодня можно легко, приобретя в качестве источника тепла газовый, дизельный или электрический котел. Но проблема заключается в том, что топливо для такого оборудования стоит дорого и доступно не во всех населенных пунктах. Что же тогда выбрать? Лучшим решением являются альтернативные источники тепла и в частности солнечное отопление.
Устройство и принцип работы
Что же представляет собой такая система? В первую очередь следует сказать, что есть два варианта солнечного отопления. Они предполагают использование различных как в конструктивном плане, так и по назначению элементов:
- Коллектора;
- Фотоэлектрической панели.
И если оборудование первого типа предназначено сугубо для поддержания в помещении комфортной температуры, то солнечные панели для отопления дома могут применяться для получения электричества и тепла. Их принцип работы основан на преобразовании энергии солнца и накапливании ее в аккумуляторах, чтобы потом использовать для различных нужд.
Смотрим видео, все о данном коллекторе:
Применение коллектора позволяет организовать только солнечное системы отопление для частного дома, при этом используется тепловая энергия. Такое устройство действует следующим образом. Солнечные лучи подогревают воду, которая является теплоносителем и поступает с трубопровод. Эта же система может использоваться и в качестве горячего водоснабжения. В состав входят специальные фотоэлементы.
Устройство коллектора
Но кроме них в комплектацию солнечного отопления включены:
- Специальный бак;
- Аванкамеры;
- Радиатор, выполненный из трубок и заключенный в короб, у которого передняя стенка выполнена из стекла.
Солнечные батареи для отопления дома размещаются на крыше. В нем вода нагреваясь перемещается в аванкамеру где происходит ее замена горячим теплоносителем. Это позволяет поддерживать в системе постоянное динамическое давление.
Виды отопления с использованием альтернативных источников
Самый простой способ преобразования энергии светила в тепло – это использование солнечных батарей для отопления дома. Они все чаще используются в качестве дополнительных источников энергии. Но что же представляют собой эти устройства и действительно ли они эффективны?
Смотрим видео, виды и их особенности работы:
Задача, установленного на крыше коллектора солнечного системы отопления для дома впитать как можно больше солнечного излучения, преобразовав его затем в так необходимую человеку энергию. Но при этом следует учитывать, что оно может быть превращено как в тепловую, так и электрическую энергию. Для получения тепла и подогрева воды используют солнечные системы отопления. Для получения электрического тока используют специальные батареи. Они аккумулируют энергию в дневное время суток и отдают ее ночью. Однако сегодня существуют и комбинированные системы. В них солнечные панели вырабатывают одновременно тепло и электричество.
Что касается солнечных водонагревателей для отопления дома, то они представлены на рынке широкой линейкой. Причем модели могут иметь различное назначение, дизайн, принцип работы, габариты.
Различные варианты
Например, по внешнему виду и конструкции системы отопления частного дома подразделяются на:
- Плоские;
- Трубчатые вакуумные.
По назначению они классифицируются на используемые для:
- Системы отопления и ГВС;
- Для нагрева воды в бассейне.
Есть отличия и принципе работы. Солнечное отопление с применением коллекторов является идеальным выбором для дачных домиков, так как не требуют подключения к электросети. Модели с принудительной циркуляцией подключают к общей системе отопления, в них циркуляция теплоносителя осуществляется при помощи насоса.
Смотрим видео, сравниваем плоский и трубчатый коллектор:
Не все коллекторы пригодны для солнечного отопления загородного дома. Согласно этому критерию они делятся на:
- Сезонные;
- Круглогодичные.
Первые применяются для отопления дачных строений, вторые в частных домовладениях.
Сравниваем с обычными система отопления
Если сравнивать это оборудование с газовым или электрическим, то оно имеет гораздо больше преимуществ. В первую очередь это экономия топлива. Летом солнечное отопление способно полностью обеспечить проживающих в доме людей горячей водой. Осенью и весной, когда ясных дней мало, оборудование можно использовать для снижения нагрузки на стандартный котел. Что касается зимней поры, то обычно в это время эффективность работы коллекторов очень мала.
Смотрим видео, эффективность коллекторов зимой:
Но кроме экономии топлива использование оборудования, работающего на солнечных батареях, снижает зависимость от газа и электричества. Для установки солнечного отопления не нужно получать разрешение и установить его сможет каждый, кто имеет элементарные знания в сантехнике.
Смотрим видео, критерии подбора оборудования:
Еще один плюс – это большая продолжительность работы коллектора. Гарантированный срок службы оборудования составляет не менее 15 лет, значит на этот период ваши коммунальные платежи будут минимальными.
Однако, как и у любого устройства у коллектора имеются некоторые недостатки:
- На солнечные водонагреватели для частного дома цена достаточно высокая;
- Невозможность использования как единственного источника тепла;
- Необходима установка бака-накопителя.
Есть и еще один нюанс. Эффективность работы солнечного отопления зависит от региона. В южных районах, где активность солнца высока оборудование будет иметь самый большой КПД. Поэтому наиболее выгодно использовать такое оборудование на юге и менее эффективным оно будет на севере.
Выбор солнечного коллектора и его монтаж
Прежде, чем приступать к установке оборудования, входящего в отопительную систему необходимо изучить его возможности. Для того чтобы узнать сколько тепла потребуется на обогрев дома необходимо рассчитать его площадь. Важно правильно выбрать место для установки солнечного коллектора. Оно должно быть максимально освещенным на протяжении дня. Поэтому обычно оборудование устанавливаются на южной части крыши.
Выполнение монтажных работ лучше доверить специалистам, потому что даже небольшая ошибка в установке системы солнечного отопления приведет к значительному снижению эффективности системы. Только при правильной установке солнечного коллектора он прослужит до 25 лет, причем полностью окупив себя за первые 3 года.
Основные типы коллекторов и их характеристики
Если здание по каким-либо причинам не подходит для установки оборудования, то можно разместить панели на соседнем строении, а накопитель поставить в подвале.
Преимущества солнечного отопления
Нюансы, на которые стоит обратить внимание при выборе этой системы были рассмотрены выше. И если вы все сделали правильно, то ваша система отопления на солнечных коллекторах доставит вам только приятные моменты. Среди ее достоинств следует отметить:
- Возможность круглогодичного обеспечения дома теплом, с возможностью регулировки температуры;
- Полная автономия от централизованных коммунальных сетей и снижение финансовых расходов;
- Использование солнечной энергии на различные нужды;
- Длительный эксплуатационный срок оборудования и редкие аварийные ситуации.
Единственное, что останавливает потребителей от покупки солнечной системы для отопления частного дома – это зависимость их работы от географии проживания. Если в вашем регионе ясные дни редкость, то эффективность оборудования будет минимальной.
Nbsp; РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов Методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов: методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии/ А. В. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЖЕНИЯ 1.1. Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора 1.2. Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения 2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3. РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 3.1. Основные положения 3.2. Определение трансмиссионных тепловых потерь 3.3. Определение расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха 3.4. Определение затрат теплоты на горячее водоснабжение 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИБЛИОГРАФИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора
Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом систем солнечного отопления и горячего водоснабжения. Принцип его действия прост. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверхностью, которая является «черной» по отношению к солнечному излучению. Часть поглощенной энергии передается жидкости, циркулирующей через коллектор, а остальная теряется в результате теплообмена с окружающей средой. Тепло, уносимое жидкостью, представляет собой полезное тепло, которое либо аккумулируется, либо используется для покрытия отопительной нагрузки.
Основные элементы коллектора следующие: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы по которым циркулирует жидкость пли воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающем пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластины; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; и наконец, корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. На рис. 1 показаны поперечные сечения водо- и воздухонагревателя.
Рис. 1. Схематичное изображение солнечных коллекторов с водяным и воздушным теплоносителями: 1 – тепловая изоляция; 2 – воздушный канал; 3 – прозрачные покрытия; 4 – поглощающая пластина; 5 – трубы, соединенные с пластиной.
Прозрачное покрытие обычно делают из стекла. Стекло обладает превосходной стойкостью к атмосферным воздействиям и хорошими механическими свойствами. Оно относительно недорого и при низком содержании окиси железа может иметь высокую прозрачность. Недостатками стекла являются хрупкость и большая масса. Наряду со стеклом возможно применение и пластмассовых материалов. Пластмасса обычно менее подвержена поломке, легка и в виде топких листов недорога. Однако она, как правило, не обладает столь же высокой устойчивостью к воздействию погодных факторов, как стекло. На поверхность пластмассового листа легко наносятся царапины и многие пластмассы со временем деградируют и желтеют, в результате чего снижается их пропускательная способность по отношению к солнечному излучению и ухудшается механическая прочность. Еще одним преимуществом стекла по сравнению с пластмассами является то, что стекло поглощает или отражает все падающее на него длинноволновое (тепловое) излучение, испускаемое поглощающей пластиной. Потери тепла в окружающую среду путем излучения снижаются при этом более эффективно, чем в случае пластмассового покрытия, которое пропускает часть длинноволнового излучения.
Плоский коллектор поглощает как прямое, так и диффузное излучение. Прямое излучение вызывает отбрасывание тени освещаемым солнцем предметом. Диффузное излучение отражается и рассеивается облаками и пылью, прежде чем достигает поверхности земли; в отличие от прямого излучения оно не приводит к образованию теней. Плоский коллектор обычно устанавливают неподвижно на здании. Его ориентация зависит от местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная энергетическая установка. Плоский коллектор обеспечивает низкопотенциальное тепло, требуемое для нагрева воды и отопления помещения.
Фокусирующие (концентрирующие) солнечные коллекторы, в том числе с параболическим концентратором или концентратором Френеля, могут применяться в системах солнечного теплоснабжения. Большая часть фокусирующих коллекторов использует только прямую солнечную радиацию. Преимущество фокусирующего коллектора по сравнению с плоским состоит в том, что он имеет меньшую площадь поверхности, с которой тепло теряется в окружающую среду, а следовательно, рабочая жидкость может быть нагрета в нем до более высоких температур, чем в плоских коллекторах. Однако для нужд отопления и горячего водоснабжения более высокая температура почти (или совсем) не имеет значения. Для большинства концентрирующих систем коллектор должен следить за положением солнца. Системы, не дающие изображения солнца, обычно требуют регулировки несколько раз в год.
Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т. е. характеристики в данный момент времени, зависящие от метеорологических и рабочих условий в этот момент), и его долгосрочные характеристики. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. В некоторых случаях рабочий режим характеризуется высокой температурой и низкой эффективностью коллектора, в других случаях, наоборот, низкой температурой и высокой эффективностью.
Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Для описания характеристик коллектора необходимы два параметра, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой - потери тепла в окружающую среду. Эти параметры лучшее всего определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий.
Полезная энергия, отводимая из коллектора в данный момент времени, - это разность количества солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет вид:
где - полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт; - площадь коллектора, м 2 ; - коэффициент отвода тепла из коллектора; - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м 2 ; - пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению к солнечному излучению; - поглотительная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м 2 °С); -температура жидкости на входе в коллектор, °С; - температура окружающей среды, °С.
Солнечная радиация, падающая на коллектор, в любой момент времени состоит из трех частей: прямой радиации, диффузной радиации и радиации, отраженной от земли или окружающих предметов, количество которой зависит от угла наклона коллектора к горизонту и характера этих предметов. Когда проводятся испытании коллектора, плотность потока радиации I измеряют с помощью пиранометра, установленного под тем же, что и коллектор, углом наклона к горизонту. Применяемый при расчетах f -метод требует знания средних месячных приходов солнечной радиации на поверхность коллектора. Чаще всего в справочниках имеются данные по средним месячным приходам радиации на горизонтальную поверхность.
Плотность потока солнечной радиации, поглощаемой пластиной коллектора в некоторый момент времени, равна произведению плотности потока падающей радиации I , пропускательной способности системы прозрачных покрытий t и поглощательной способности пластины коллектора a . Обе последние величины зависят от материала и угла падения солнечного излучения (т. е. угла между нормалью к поверхности и направлением солнечных лучей). Прямая, диффузная и отраженная составляющие солнечной радиации поступают на поверхность коллектора под различными углами. Поэтому оптические характеристики t и a должны рассчитываться с учетом вклада каждой из компонент.
Коллектор теряет тепло различными способами. Потери тепла от пластины к прозрачным покрытиям и от верхнего покрытия к наружному воздуху происходят путем излучения и конвекции, но соотношение этих потерь в первом и втором случаях не одинаково. Потери тепла через изолированные днище и боковые стенки коллектора обусловлены теплопроводностью. Коллекторы должны проектироваться таким образом, чтобы все тепловые потерн были наименьшими.
Произведение полного коэффициента потер U L и разности температур в уравнении (1) представляет собой потери тепла от поглощающей пластины при условии, что ее температура всюду равна температуре жидкости на входе. При нагревании жидкости пластина коллектора имеет более высокую температуру, чем температура жидкости па входе. Это необходимое условие переноса тепла от пластины к жидкости. Поэтому фактические потери тепла от коллектора больше значения произведения . Разница потерь учитывается с помощью коэффициента отвода тепла F R .
Полный коэффициент потерь U L равен сумме коэффициентов потерь через прозрачную изоляцию, днище и боковые стенки коллектора. Для хорошо спроектированного коллектора сумма последних двух коэффициентов обычно составляет около 0,5 - 0,75 Вт/(м 2 °С). Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины, числа и материала прозрачных покрытий, степени черноты пластины в инфракрасной части спектра, температуры окружающей среды и скорости ветра.
Уравнение (1) удобно для расчета солнечных энергетических систем, поскольку полезная энергия коллектора определяется по температуре жидкости па входе. Однако потери тепла в окружающую среду зависят от средней температуры поглощающей пластины, которая всегда выше температуры на входе, если жидкость нагревается, проходя через коллектор. Коэффициент отвода тепла F R равен отношению фактической полезной энергии, когда температура жидкости в коллекторе увеличивается в направлении потока, к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе.
Коэффициент F R зависит от расхода жидкости через коллектор и конструкции поглощающей пластины (толщины, свойств материала, расстояния между трубами и т. п.) и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации и температур поглощающей пластины и окружающей среды.
Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения
Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачерненную стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней части стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объемом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от нее и поступает через верхнее отверстие в помещения здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счет естественной конвекции, либо вентилятором. Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архитектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае, определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор; применяемые элементы, такие как теплообменные устройства, аккумуляторы, дублирующие источники теплоты, сантехническая арматура, широко используются в промышленности. Солнечный коллектор обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе.
|
Кроме основных элементов, описанных выше, солнечные систем теплоснабжения могут включать в себя насосы, трубопроводы, элементы системы КИП и автоматики и т. д. Различное сочетание этих элементов приводит к большому разнообразию систем солнечного теплоснабжения по их характеристикам и стоимости. На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов.
Гелиоустановки имеют следующую классификацию:
1) по назначению:
Системы горячего водоснабжения;
Системы отопления;
Комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;
2) по виду используемого теплоносителя:
Жидкостные;
Воздушные;
3) по продолжительности работы:
Круглогодичные;
Сезонные;
4) по техническому решению схемы:
Одноконтурные;
Двухконтурные;
Многоконтурные.
Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.
При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).
Системы солнечного теплоснабжения малой производительности, обеспечивающие небольших отдаленных потребителей, часто работают по принципу естественной циркуляции теплоносителя. Бак с водой располагается выше солнечного коллектора. Эта вода подается в нижнюю часть СК, расположенного под определенным углом, где начинает нагреваться изменять свою плотность и самотеком подниматься вверх по каналам коллектора. Затем она поступает в верхнюю часть бака, а ее место в коллекторе занимает холодная вода из его нижней части. Устанавливается режим естественной циркуляции. В более мощных и производительных системах циркуляция воды в контуре солнечного коллектора обеспечивается при помощи насоса.
Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения, представленны на рис. 2, 3 , можно разделить на две основные группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 2); установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 3). В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис. 2 а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 2 в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах, в системах с долговременным аккумулированием теплоты. Чтобы обеспечить постоянный температурный уровень теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. В схемах второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис. 3 а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис. 1.4 б), так и вне его (рис. 3 в). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дублирующем источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на рис. 3, могут быть одноконтурными (рис. 3 а), двухконтурными (рис.3 б) или многоконтурными (рис. 3 в, г).
Рис. 2. Принципиальные схемы прямоточных систем: 1-солнечный коллектор; 2- аккумулятор; 3-теплообменник
Рис. 3. Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения
Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя климатических, экономических факторов и других условий. Рассмотренные на рис. 3 схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой, надежностью в эксплуатации.
Этапы ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Расчетно-графическая работа состоит из следующих основных этапов:
1) Выполнение чертежа «План здания».
2) Выбор тепловой схемы системы отопления с использованием солнечных коллекторов
3) Выполнение чертежа «Схема отопления и ГВС с использованием солнечных тепловых коллекторов»
4) Расчет отопительной нагрузки (отопление и ГВС).
5) Расчет системы солнечного теплоснабжения и доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии f - методом.
6) Оформление пояснительной записки.
Соорудить солнечное отопление частного дома своими руками – не такая и сложная задача, как кажется неосведомленному обывателю. Для этого понадобятся навыки сварщика и материалы, доступные в любом строительном магазине.
Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками
Получить полную автономию – мечта каждого владельца, затевающего частное строительство. Но действительно ли солнечная энергия способна отапливать жилой дом, особенно если устройство для ее накопления собрано в гараже?
В зависимости от региона солнечный поток может давать от 50 Вт/кв.м в пасмурный день до 1400 Вт/кв.м при ясном летнем небе. При таких показателях даже примитивный коллектор с низким КПД (45-50%) и площадью 15 кв.м. может выдавать в год около 7000-10000 кВт*ч. А это сэкономленные 3 тонны дров для твердотопливного котла!
- в среднем на квадратный метр устройства приходится 900 Вт;
- чтобы повысить температуру воды, необходимо затратить 1,16 Вт;
- учитывая также теплопотери коллектора, 1 кв.м сможет нагреть около 10 литров воды в час до температуры 70 градусов;
- для обеспечения 50 л горячей воды, необходимой одному человеку, понадобится затратить 3,48 кВт;
- сверившись с данными гидрометцентра о мощности солнечного излучения (Вт/кв.м) в регионе, необходимо 3480 Вт разделить на получившуюся мощность солнечного излучения – это и будет нужная площадь солнечного коллектора для нагрева 50 л воды.
Как становится понятно, эффективное автономное отопление исключительно с использованием солнечной энергии осуществить довольно проблематично. Ведь в хмурую зимнюю пору солнечного излучения крайне мало, а разместить на участке коллектор площадью 120 кв.м. не всегда получится.
Так неужели солнечные коллекторы нефункциональны? Не стоит заранее сбрасывать их со счетов. Так, с помощью подобного накопителя можно летом обходиться без бойлера – мощности будет достаточно для обеспечения семьи горячей водой. Зимой же удастся сократить затраты на энергоносители, если подавать уже нагретую воду из солнечного коллектора в электрический бойлер.
Кроме того, солнечный коллектор станет отличным помощником тепловому насосу в доме с низкотемпературным отоплением (теплыми полами).
Так, зимой нагретый теплоноситель будет использоваться в теплых полах, а летом излишки тепла можно отправить в геотермальный контур. Это позволит снизить мощность теплового насоса.
Ведь геотермальное тепло не возобновляется, так что со временем в толще грунта образовывается все увеличивающийся «холодный мешок». Например, в обычном геотермальном контуре на начало отопительного сезона температура составляет +5 градусов, а в конце -2С. При подогреве же начальная температура поднимается до +15 С, а к концу отопительного сезона не падает ниже +2С.
Устройство самодельного солнечного коллектора
Для уверенного в своих силах мастера собрать тепловой коллектор не составит труда. Можно начать с небольшого устройства для обеспечения горячей воды на даче, а в случае успешного эксперимента перейти к созданию полноценной солнечной станции.
Плоский солнечный коллектор из металлических труб
Самый простой в исполнении коллектор – плоский. Для его устройства понадобится:
- сварочный аппарат;
- трубы из нержавеющей стали или меди;
- стальной лист;
- закаленное стекло или поликарбонат;
- деревянные доски для рамы;
- негорючий утеплитель, способный выдержать нагретый до 200 градусов металл;
- черная матовая краска, устойчивая к высоким температурам.
Сборка солнечного коллектора довольно проста:
- Трубы привариваются к стальному листу – он выступает в роли адсорбера солнечной энергии, поэтому прилегание труб должно быть максимально плотным. Все красится в матовый черный цвет.
- На лист с трубами кладется рама так, чтобы трубы оказались с внутренней стороны. Просверливаются отверстия для входа и выхода труб. Укладывается утеплитель. Если используется гигроскопичный материал, нужно позаботиться о гидроизоляции – ведь намокших утеплитель больше не будет защищать трубы от охлаждения.
- Утеплитель фиксируется листом ОСБ, все стыки заполняются герметиком.
- Со стороны адсорбера кладется прозрачное стекло или поликарбонат с небольшим воздушным зазором. Оно служит для предотвращения остывание стального листа.
- Фиксировать стекло можно с помощью деревянных оконных штапиков, предварительно проложив герметик. Он предотвратит попадание холодного воздуха и защитит стекло от сжатия рамы при нагревании и охлаждении.
Для полноценного функционирования коллектора понадобится накопительный бак. Его можно сделать из пластиковой бочки, утепленной снаружи, в которой спиралью уложен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором. Вход нагретой воды должен располагаться сверху, а выход холодной – снизу.
Важно правильно разместить бак и коллектор. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды, бак должен находиться выше коллектора, а трубы – иметь постоянный наклон.
Солнечный нагреватель из подручных материалов
Если со сварочным аппаратом дружбу свести так и не удалось, можно сделать простой солнечный нагреватель из того, что под рукой. Например, из жестяных банок. Для этого в дне делаются отверстия, сами банки скрепляются друг с другом герметиком, на него же садятся в местах соединения с ПВХ-трубами. Красятся в черный цвет и укладываются в раму под стекло также, как и обычные трубы.
Фасад дома из солнечных батарей
Почему бы вместо обычного сайдинга не отделать дом чем-то полезным? Например, сделав с южной стороны на всю стену солнечный нагреватель.
Такое решение позволит оптимизировать расходы на отопление сразу по двум направлениям – снизить затраты на энергоноситель и существенно сократить теплопотери за счет дополнительного утепления фасада.
Устройство просто до безобразия и не требует специальных инструментов:
- на утеплитель уложен окрашенный оцинкованный лист;
- поверх уложена нержавеющая гофрированная труба, также выкрашенная в черный;
- все прикрыто листами поликарбоната и зафиксировано алюминиевыми уголками.
Если же и этот способ кажется сложным, на видео представлен вариант из жести, полипропиленовых труб и пленки. Куда уж проще!
Экология потребления.Усадьба:Большую часть года мы вынуждены тратить деньги на отопление своих домов. В такой ситуации любая помощь будет не лишней. Энергия солнца подходит для этих целей как нельзя лучше: абсолютно экологически чистая и бесплатная.
Большую часть года мы вынуждены тратить деньги на отопление своих домов. В такой ситуации любая помощь будет не лишней. Энергия солнца подходит для этих целей как нельзя лучше: абсолютно экологически чистая и бесплатная. Современные технологии позволяют осуществлять солнечное отопление частного дома не только в южных районах, но и в условиях средней полосы.
Что могут предложить современные технологии
В среднем 1 м2 поверхности земли получает 161 Вт солнечной энергии в час. Разумеется, на экваторе этот показатель будет во много раз выше чем в Заполярье. Кроме того, плотность солнечного излучения зависит от времени года. В Московской области интенсивность солнечного излучения в декабре-январе отличается от мая-июля более чем в пять раз. Однако современные системы настолько эффективны, что способны работать практически всюду на земле.
Задача использования энергии солнечной радиации с максимальным КПД решается двумя путями: прямой нагрев в тепловых коллекторах и солнечные фотоэлектрические батареи.
Солнечные батареи вначале преобразуют энергию солнечных лучей в электричество, затем передают через специальную систему потребителям, например электрокотлу.
Тепловые коллекторы нагреваясь под действием солнечных лучей нагревают теплоноситель систем отопления и горячего водоснабжения.
Тепловые коллекторы бывают нескольких видов, в числе которых открытые и закрытые системы, плоские и сферические конструкции, полусферические коллекторы концентраторы и многие другие варианты.
Тепловая энергия, полученная с солнечных коллекторов используется для нагревания горячей воды или теплоносителя системы отопления.
Несмотря на явный прогресс в разработке решений по собиранию, аккумулированию и использованию солнечной энергии, существуют достоинства и недостатки.
Эффективность солнечного отопления в наших широтах довольно низка, что объясняется недостаточным количеством солнечных дней для регулярной работы системы
Плюсы и минусы от использования энергии солнца
Самым очевидным плюсом использования энергии солнца является ее общедоступность. На самом деле даже в самую хмурую и облачную погоду солнечная энергия может быть собрана и использована.
Второй плюс - это нулевые выбросы. По сути, это самый экологически чистый и естественный вид энергии. Солнечные батареи и коллекторы не производят шума. В большинстве случаев устанавливаются на крышах зданий, не занимая полезную площадь загородного участка.
Недостатки, связанные с использованием энергии солнца, заключаются в непостоянстве освещенности. В темное время суток становится нечего собирать, ситуация усугубляется тем, что пик отопительного сезона приходится на самые короткие световые дни в году.
Существенный недостаток отопления, основанного на применении солнечных коллекторов, заключается в отсутствии возможности накапливать тепловую энергию. В схему включен только расширительный бак
Необходимо следить за оптической чистотой панелей, незначительное загрязнение резко снижает КПД.
Кроме того, нельзя сказать, что эксплуатация системы на солнечной энергии обходится полностью бесплатно, существуют постоянные затраты на амортизацию оборудования, работу циркуляционного насоса и управляющей электроники.
Открытые солнечные коллекторы
Открытый солнечный коллектор представляет собой незащищенную от внешних воздействий систему трубок, по которым циркулирует нагреваемый непосредственно солнцем теплоноситель. В качестве теплоносителя применяется вода, газ, воздух, антифриз. Трубки либо закрепляются на несущей панели в виде змеевика, либо присоединяются параллельными рядами к выходному патрубку.
Солнечные коллекторы открытого типа не способны справиться с отоплением частного дома. Из-за отсутствия изоляции теплоноситель быстро остывает. Их используют в летнее время в основном для нагрева воды в душевых или бассейнах
У открытых коллекторов нет обычно никакой изоляции. Конструкция очень простая, поэтому имеет невысокую стоимость и часто изготавливается самостоятельно.
Ввиду отсутствия изоляции практически не сохраняют полученную от солнца энергию, отличаются низким КПД. Применяются их преимущественно в летний период для подогрева воды в бассейнах или летних душевых. Устанавливаются в солнечных и теплых регионах, при небольших перепадах температуры окружающего воздуха и подогреваемой воды. Хорошо работают только в солнечную, безветренную погоду.
Самый простой солнечный коллектор с теплоприемником, сделанным из бухты полимерных труб, обеспечит поставку подогретой воды на даче для полива и бытовых нужд
Трубчатые солнечные коллекторы
Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.
Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.
Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы
Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.
Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы
По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.
Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.
Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.
Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.
Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.
По способу передачи тепла есть две системы: прямоточные и с термотрубкой (heat pipe).
Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.
Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.
В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.
В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.
Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.
Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.
Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.
Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов
Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.
Достоинства:
- низкие теплопотери;
- способность работать при температуре до -30⁰С;
- эффективная производительность в течение всего светового дня;
- хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
- низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
- возможность производства высокой температуры теплоносителя.
Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Обладает следующими недостатками:
- не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
- высокая стоимость.
Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.
Плоские закрытые солнечные коллекторы
Плоский коллектор состоит из алюминиевого каркаса, специального поглощающего слоя – абсорбера, прозрачного покрытия, трубопровода и утеплителя.
В качестве абсорбера применяют зачерненную листовую медь, отличающуюся идеальной для создания гелиосистем теплопроводностью. При поглощении солнечной энергии абсорбером происходит передача полученной им солнечной энергии теплоносителю, циркулирующему по примыкающей к абсорберу системе трубок.
С наружной стороны закрытая панель защищена прозрачным покрытием. Оно изготовлено из противоударного закаленного стекла, имеющего полосу пропускания 0,4-1,8мкм. На такой диапазон приходится максимум солнечного излучения. Противоударное стекло служит хорошей защитой от града. С тыльной стороны вся панель надежно утеплена.
Плоские солнечные коллекторы отличаются максимальной производительностью и простой конструкцией. КПД их увеличен за счет применения абсорбера. Они способны улавливать рассеянное и прямое солнечное излучение
В перечне преимуществ закрытых плоских панелей числятся:
- простота конструкции;
- хорошая производительность в регионах с теплым климатом;
- возможность установки под любым углом при наличии приспособлений для изменения угла наклона;
- способность самоочищаться от снега и инея;
- низкая цена.
Плоские солнечные коллекторы особенно выгодны, если их применение запланировано еще на стадии проектирования. Срок службы у качественных изделий составляет 50 лет.
К недостаткам можно отнести:
- высокие теплопотери;
- большой вес;
- высокая парусность при расположении панелей под углом к горизонту;
- ограничения в производительности при перепадах температуры более 40°С.
Сфера применения закрытых коллекторов значительно шире, чем гелиоустановок открытого типа. Летом они способны полностью удовлетворить потребность в горячей воде. В прохладные дни, не включенные коммунальщиками в отопительный период, они могут поработать вместо газовых и электрообогревателей.
Сравнение характеристик солнечных коллекторов
Самым главным показателем солнечного коллектора является КПД. Полезная производительность разных по конструкции солнечных коллекторов зависит от разности температур. При этом плоские коллекторы значительно дешевле трубчатых.
Значения КПД зависят от качества изготовления солнечного коллектора. Цель графика показать эффективность применения разных систем в зависимости от разницы температуры
При выборе солнечного коллектора стоит обратить внимание на ряд параметров показывающих эффективность и мощность прибора.
Для солнечных коллекторов есть несколько важных характеристики:
- коэффициент адсорбции – показывает отношение поглощенной энергии к общей;
- коэффициент эмиссии – показывает отношение переданной энергии к поглощенной;
- общая и апертурная площадь;
- КПД.
Апертурная площадь – это рабочая площадь солнечного коллектора. У плоского коллектора апертурная площадь максимальна. Апертурную площадь равна площади абсорбера.
Способы подключения к системе отопления
Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.
Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.
Схема подключении теплового коллектора
В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:
- Летний вариант для горячего водоснабжения
- Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения
Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.
Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.
Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке
Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор.
Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.
Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.
По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.
Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй - на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора. Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе.
В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.
Схема подключения солнечной батареи
Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.
При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети
С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.
Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.
Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.
Как посчитать необходимую мощность коллектора
При расчете необходимой мощности солнечного коллектора очень часто ошибочно производят вычисления, исходя из поступающей солнечной энергии в самые холодные месяцы года.
Дело в том, что в остальные месяцы года вся система будет постоянно перегреваться. Температура теплоносителя летом на выходе из солнечного коллектора может достигать 200°С при нагреве пара или газа, 120°С антифриза, 150°С воды. Если теплоноситель закипит, он частично испариться. В результате его придется заменить.
- обеспечение горячего водоснабжения не более 70%;
- обеспечение отопительной системы не более 30%.
Остальное необходимое тепло должно вырабатывать стандартное отопительное оборудование. Тем не менее при таких показателях в год экономится в среднем около 40% на отоплении и горячем водоснабжении.
Мощность вырабатываемая одной трубкой вакуумной системы зависит от географического местоположения. Показатель солнечной энергии падающей в год на 1 м2 земли называется инсоляцией. Зная длину и диаметр трубки, можно высчитать апертуру – эффективную площадь поглощения. Остается применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления мощности одной трубки в год.
Пример расчета:
Стандартная длина трубки составляет 1800 мм, эффективная - 1600 мм. Диаметр 58 мм. Апертура – затененный участок создаваемый трубкой. Таким образом площадь прямоугольника тени составит:
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2
КПД средней трубки составляет 80%, солнечная инсоляция для Москвы составляет около 1170 кВт*ч/м2 в год. Таким образом одна трубка выработает в год:
W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч
Необходимо отметить, что это очень приблизительный расчет. Количество вырабатываемой энергии зависит от ориентирования установки, угла, среднегодовой температуры и т.д. опубликовано
Основным элементом систем активного теплоснабжения является солнечный коллектор (СК) В современных низкотемпературных системах теплоснабжения (до 100 °С), применяющихся для преобразования солнечной энергии в низкопотенциальное тепло для горячего водоснабжения, отопления и других тепловых процессов, используют так называемый плоский коллектор, представляющий собой гелиоприемный абсорбер, по которому циркулирует теплоноситель; конструкция теплоизолирована с тыльной и застеклена с лицевой стороны.
В системах высокотемпературного теплоснабжения (выше 100 °С) применяют высокотемпературные солнечные коллекторы. В настоящее время наиболее эффективным из них считается концентрирующий солнечный коллектор Луза, представляющий собой параболический желоб с черной трубкой в центре, на которую концентрируется солнечное излучение. Такие коллекторы очень эффективны в случаях, когда необходимо создавать температурные условия выше 100 °С для промышленности или ятя производства пара в электроэнергетике. Они используются на некоторых солнечных тепловых станциях в Калифорнии; для северной Европы они являются недостаточно эффективными, так как не могут использовать рассеянную солнечную радиацию.
Мировой опыт . В Австралии на надеван не жидкости до температуры ниже 100 °С расходуется около 20 % общей потребляемой энергии. Установлено, что для обеспечения теплой водой 80 % сельских жилых домов на 1 человека необходимо 2…3 м2 поверхности солнечного коллектора и бак для воды емкостью 100… 150 литров. Широким спросом пользуются установки с площадью 25 м2 и бойлером для воды на 1000…1500 л, обеспечивающие теплой водой 12 человек.
В Великобритании жители сельской местности на 40…50 % удовлетворяют потребности в тепловой энергии за счет использования излучения Солнца.
В Германии на исследовательской станции под Дюссельдорфом апробирована активная солнечная водонагревательная установка (площадь коллекторов 65 м2), позволяющая получать в среднем за год 60 % необходимого тепла, а летом 80…90 %. В условиях Германии семья, состоящая из 4-х человек, может полностью обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6…9 м2.
Наиболее широко тепловая энергия Солнца применяется для обогрева теплиц и создания в них искусственного климата; несколько способов использования солнечной энергии в таком направлении испытано в Швейцарии.
В Германии (г. Ганновер) в Институте техники, садоводства и сельского хозяйства исследуется возможность использования солнечных коллекторов, размещенных рядом с теплицей или вмонтированных в ее конструкцию, а также самих теплиц как солнечного коллектора с использованием подкрашенной жидкости, пропускающейся через двойное покрытие теплицы и нагревающейся солнечным излучением Результаты исследований показали, что в климатических условиях Германии нагрев с использованием только солнечной энергии на протяжении всего года не полностью удовлетворяет потребности в тепле. Современные солнечные коллекторы в условиях Германии могут обеспечить потребности сельского хозяйства в теплой воде летом на 90 %, зимой на 29…30 % и в переходный период - на 55…60 %.
Активные солнечные отопительные системы наиболее распространены в Израиле, Испании, на острове Тайвань, в Мексике и Канаде. Только в Австралии более 400 000 домов имеют солнечные водонагреватели. В Израиле больше 70 % всех односемейных домов (около 900 000) оборудованы солнечными водонагревателями с солнечными коллекторами общей площадью 2,5 млн м2, что обеспечивает возможность ежегодной экономии топлива в количестве около 0,5 млн т н.э.
Конструктивное усовершенствование плоских СК происходит по двум направлениям:
- поиск новых неметаллических конструкционных материалов;
- усовершенствование оптико-тепловых характеристик наиболее ответственного узла абсорбер-светопроницаемый элемент.
