29 ноября, 2020

Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Значительную часть года мы вынуждены расходовать деньги на теплоснабжение собственных домов. В подобной ситуации любая помощь будет не лишней. Солнечная энергия подходит для этого идеально: полностью чистая с точки зрения экологии и бесплатная.

Современные технологии дают возможность выполнять солнечное теплоснабжение частного строения не только в районах юга, но также и в условиях средней полосы.

Что могут порекомендовать прогрессивные технологии

В среднем 1 м2 поверхности земли получает 161 Вт энергии солнца в час. Конечно, на экваторе данный показатель будет многократно выше чем в Заполярье. Более того, плотность излучения солнца зависит от периода года.

В Области Москвы интенсивность излучения солнца в декабре-январе разнится от мая-июля более чем в пять раз. Однако сегодняшние системы настолько продуктивны, что могут работать почти что везде на земле.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Современные гелиосистемы способны продуктивно работать в пасмурную и холодную погоду до -30°С (+)

Задача применения энергии радиации солнца с самым большим КПД решается 2-мя путями: прямой нагрев в тепловых коллекторах и солнечные солнечные панели.

Фотоэлектрические панели вначале преобразуют энергию лучей солнца в электричество, потом передают через специализированную систему потребителям, к примеру электрическому бойлеру.

Тепловые коллекторы нагреваясь под воздействием лучей солнца греют тепловой носитель отопительных коммуникаций и горячего водообеспечения.

Тепловые коллекторы бывают разных видов, в числе которых закрытые и открытые системы, плоские и сферообразные конструкции, полусферические коллекторы концентраторы и остальные варианты.

Тепловая энергия, полученная с солнечных коллекторов применяется для нагревания горячей воды или теплового носителя системы обогрева.

Не обращая внимания на заметный прогресс в создании решений по собиранию, аккумулированию и применению энергии солнца, есть плюсы и минусы.

Преимущества, и недостатки от применения солнечной энергии

Самым очевидным плюсом применения солнечной энергии считается ее общедоступность. В действительности даже в самую хмурую и облачную погоду энергия солнца может быть собрана и применена.

Еще одно достоинство — это нулевые выбросы. В сущности, это очень экологичный и натуральный вид энергии. Фотоэлектрические панели и коллекторы не делают шума. Во многих случаях ставятся на крышах строений, не занимая полезную площадь участка за городом.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Результативность солнечного теплоснабжения в наших широтах довольно низка, что поясняется маленьким количеством солнечных деньков для постоянной работы системы (+)

Недостатки, связанные с применением солнечной энергии, заключаются в непостоянстве освещенности. Ночью становится нечего собирать, ситуация становится хуже тем, что пик отопительного периода приходится на самые короткие световые дни в году.

Приходится следить за оптической чистотой панелей, небольшое засорение резко уменьшает КПД.

Кроме того, не скажешь, что работа системы на энергии солнца обходится полноценно бесплатно, есть частые расходы на амортизацию оборудования, работу насоса циркуляционного и управляющей электроники.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Серьёзный недостаток теплоснабжения, основанного на использовании солнечных коллекторов, состоит в отсутствии возможности собирать энергию тепла. В схему включен только расширительный бачок (+)

Открытые солнечные коллекторы

Открытый солнечный коллектор собой представляет незащищенную от воздействий извне систему трубок, по которой двигается нагреваемый конкретно солнцем тепловой носитель. В виде теплоносителя применяется вода, газ, воздух, антифриз. Трубки либо крепятся на несущей панели в виде змеевика, либо подсоединяются параллельными рядами к выходному отрезку трубы.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Солнечные коллекторы открытого типа не могут справиться с теплоснабжением частного строения. Из-за отсутствия изоляции тепловой носитель быстро стынет. Их применяют летом как правило чтобы нагреть воду в душевых или бассейнах

У открытых коллекторов нет в большинстве случаев никакой изоляции. Конструкция самая обычная, благодаря этому имеет низкую цену и нередко делается собственными силами.

Ввиду отсутствия изоляции почти не берегут получившуюся от солнечных лучей энергию, выделяются невысоким КПД.  Используются их в основном летом для подогрева воды в бассейнах или летних душевых. Ставятся в солнечных и тёплых регионах, при маленьких температурных перепадах окружающего воздуха и подогреваемой воды. Отлично работают исключительно в солнечную, безветренную погоду.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Самый обыкновенный солнечный коллектор с теплоприемником, выполненным из бухты труб из полимеров, обеспечит поставку подогретой воды на дачном участке для полива и домашних потребностей

Трубчатые солнечные коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из индивидуальных трубок, по которой курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако тепловой носитель уже значительно лучше защищен от внешнего негатива. Тем более в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подсоединяется к системе отдельно, параллельно один к одному. При поломке одной трубки ее легко заменить на новую. Вся система может собираться конкретно на кровле строения, что существенно облегчает монтаж.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Ключевым элементом считается вакуумная трубка, кол-во трубок может меняться от 18 до 30, что позволяет правильно выбрать мощность системы

Значительный плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в форме в виде цилиндра ключевых компонентов, благодаря которым солнце улавливается круглый световой день без использования очень дорогих систем слежения за передвижением светила.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Специализированное покрытие состоящее из нескольких слоев выполняет своего рода оптическую ловушку для лучей солнца. На схеме отчасти показана наружная стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы

По конструкции трубок отличают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка собой представляет сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Сделаны из 2-ух колб между которыми откачан воздух. На поверхность внутри внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффектно поглощающее энергию солнца.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

При форме в виде цилиндра трубки лучи солнца всегда падают перпендикулярно поверхности

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя подается тепловой трубке или внутреннему трубному змеевику из металлических пластин. На данном шаге происходят нежелательные потери тепла.

Перьевая трубка собой представляет стеклянный цилиндр со вставленным в середину перьевым абсорбером.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Собственное название система обрела от перьевого абсорбера, который плотно обхватывает тепловой канал из теплопроводящего металла

Для хорошей тепловой изоляции из трубки откачан воздух. Теплопередача от абсорбера происходит без потерь, благодаря этому КПД перьевых трубок выше.

По методу теплопередачи имеется две системы: прямоточные и с термотрубкой (heat pipe).

Термотрубка собой представляет запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Потому как легкоиспаряющаяся жидкость по настоящему течет на днище термотрубки, самый маленький наклонный угол составляет 20°

В середине термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под воздействием температуры жидкость закипает и в виде пара подымается вверх. Как только тепло отдано тепловому носителю теплоснабжения или горячего водообеспечения, пар конденсируется в жидкость и течет вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости практически всегда используется вода при невысоком давлении.

В прямоточной системе применяется U-образная трубка, по которой течет вода или тепловой носитель системы обогрева.

Одна половина U-образной трубки нужна для холодного теплового носителя, вторая отводит нагретый. При нагревании тепловой носитель становится шире и поступает в накопительный бачок, обеспечивая гравитационную циркуляцию. Как и на случай систем с термотрубкой, самый маленький наклонный угол должен составлять не меньше 20?.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

При прямоточном подсоединении системное давление не может быть высоким, так как в середине колбы технический вакуум

Прямоточные системы очень продуктивны так как сразу греют тепловой носитель.

Если системы солнечных коллекторов запланированы к применению целый год, то в них закачивается специализированные антифризы.

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

Использование трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд минусов и плюсов. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из похожих компонентов, которые относительно легко сменить.

Положительные качества:

  • меньшие потери тепла;
  • способность работать при температуре до -30?С;
  • продуктивная продуктивность на протяжении всего светового дня;
  • хорошая трудоспособность в регионах с умеренным и холодным климатом;
  • невысокая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя массы воздуха;
  • возможность производства большой температуры теплового носителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Владеет следующими минусами:

  • не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
  • большая цена.

Не обращая внимания на первоначально большую цену, трубчатые коллекторы быстрее окупятся. Имеют высокий эксплуатационный срок.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Трубчатые коллекторы относятся к гелиоустановкам открытого типа, потому не подойдут для круглогодичного применения в отопительных системах (+)

Плоские закрытые солнечные коллекторы

Плоский коллектор состоит из металлического каркаса, особого поглощающего слоя – абсорбера, светопропускающего покрытия, трубопровода и теплоизолятора.

В качестве абсорбера используют зачерненную листовую медь, отличающуюся образцовой для создания гелиосистем теплопроводимостью. При поглощении энергии солнца абсорбером происходит передача получившейся им энергии солнца тепловому носителю, циркулирующему по примыкающей к абсорберу системе трубок.

Снаружи закрытая панель защищена светопропускающим покрытием. Оно сделано из противоударного сталинита, содержащего полосу пропускания 0,4-1,8мкм. На подобной диапазон приходится максимум излучения солнца. Ударостойкое стекло служит хорошей защитой от града. С обратной стороны вся панель надежно утеплена.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Плоские солнечные коллекторы выделяются самой большой работоспособностью и обычный системой. КПД их увеличен благодаря использованию абсорбера. Они могут воспринимать рассеянное и прямое солнце

В списке положительных качеств закрытых плоских панелей числятся:

  • конструкционная простота;
  • прекрасная производительность в регионах с тёплым климатом;
  • вероятность установки под самым разным углом если есть наличие устройств для изменения наклонного угла;
  • способность самоочищаться от снега и инея;
  • невысокая стоимость.

Плоские солнечные коллекторы в особенности выгодны, если их использование задумано еще на стадии проектирования. Служебный срок у высококачественных изделий составляет 50 лет.

К минусам как правило относят:

  • высокие потери тепла;
  • тяжелый вес;
  • высокая парусность при расположении панелей под угол к горизонту;
  • ограничения в продуктивности при температурных перепадах более 40°С.

Область использования закрытых коллекторов намного больше, чем гелиоустановок открытого типа. Летом они могут абсолютно удовлетворить надобность в горячей воде. В прохладные дни, не включенные коммунальщиками в отопительный сезон, они могут поработать взамен газовых и электрических обогревателей.

Сопоставление параметров солнечных коллекторов

Очень важным показателем солнечного коллектора считается КПД. Нужная продуктивность различных по конструкции солнечных коллекторов зависит от разности температур. При этом плоские коллекторы намного дешевле трубчатых.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Значения КПД зависят от качественных свойств изготовления солнечного коллектора. Цель графика показать результативность использования различных систем в зависимости от температурной разницы

Во время выбора солнечного коллектора необходимо обращать свое внимание на ряд показателей показывающих результативность и мощность устройства.

Для солнечных коллекторов существует несколько главных характеристики:

  • показатель адсорбции – демонстрирует отношение поглощенной энергии к общей;
  • показатель эмиссии – демонстрирует отношение переданной энергии к поглощенной;
  • общая и апертурная площадь;
  • КПД.

Апертурная площадь – это площадь для работы солнечного коллектора. У плоского коллектора апертурная площадь максимальна. Апертурную площадь равна площади абсорбера.

Способы подсоединения к системе обогрева

Потому как устройства на энергии солнца не обеспечивают стабильное и круглосуточное снабжение энергией, нужна система стойкая к данным недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут обеспечивать стабильный приток энергии, благодаря этому применяются как добавочная система. Интегрирование в существующую отопительную систему и горячего водообеспечения различается для солнечного коллектора и фотоэлектрической панели.

Схема подсоединении теплового коллектора

В зависимости от целей применения теплового коллектора используются неодинаковые системы подсоединения. Вариантов может быть несколько:

  1. Летний вариант для систем с горячим водоснабжением
  2. Зимний вариант для отапливания и горячего водообеспечения

Летний вариант самый обычный и может обходится даже без насоса циркуляционного, применяя гравитационную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счёт температурного расширения поступает в бак-аккумулятор или накопительный водонагреватель. При этом происходит гравитационная циркуляция: на место горячей воды из бачка засасывается прохладная.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

В зимний период при низких температурах прямой водонагрев не возможен. По закрытому контуру двигается специализированный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к трубному змеевику в бачке

Как любая система которая основана на циркуляции естественной работает не достаточно эффективно, требуя выполнения нужных уклонов. Более того, накопляющий бачок обязан быть выше чем солнечный коллектор.

Дабы вода оставалась подольше горячей бачок следует внимательно теплоизолировать.

Если вы желаете на самом деле достичь очень эффективной работы солнечного коллектора, схема подсоединения усложниться.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

Дабы ночью коллектор не превратился в охладительный радиатор нужно заканчивать движение воды по замкнутому контуру принудительно

По системе солнечного коллектора двигается незамерзающий тепловой носитель. Циркуляцию принудительного типа обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой насоса циркуляционного опираясь на показаниях как минимум 2-ух температурных датчиков. Первый датчик меряет температуру в накопительном баке, второй — на трубе подачи горячего теплового носителя солнечного коллектора. Как только температура в бачке превысит температуру теплового носителя, в коллекторе контроллер выключает циркулярный насос, прекращая циркуляцию теплового носителя по системе.

Со своей стороны при уменьшении температуры в накопительном баке ниже заданной включается водогрейный котел.

Схема подсоединения фотоэлектрической панели

Было бы заманчиво применить схожую схему включения фотоэлектрической панели к электрической сети, как это реализовано на случай солнечного коллектора, накапливая поступившую за один день энергию. К большому сожалению для системы электропитания частного строения создать блок аккумуляторов достаточной емкости достаточно дорого. Благодаря этому схема подсоединения выглядит так.

отопление, устройство, солнечного коллектора, солнечных коллекторов

При снижении мощности электротока от фотоэлектрической панели блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С фотоэлектрических батарей заряд поступает на контроллер заряда, который исполняет пару функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Дальше переменный ток поступает на преобразователь напряжения, где происходит переустройство непрерывного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

К сожалению, наши электрические сети не приспособленые для получения энергии, как правило будут работать исключительно в одном направлении от источника к потребителю. Благодаря этому вы не сумеете продавать добытую электрическую энергию или хотя бы заставить счетчик вращаться назад.

Применение фотоэлектрических панелей выгодно тем, что они представляют более многофункциональный вид энергии, но одновременно не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Но последние не владеют возможностью собирать энергию в отличии от солнечных солнечных панелей.

Как сосчитать достаточную мощность коллектора

При расчитывании требующейся мощности солнечного коллектора достаточно часто неправильно делают вычисления, исходя из поступающей энергии солнца в самые холодные месяцы года.

А дело все в том, что в другие месяцы года вся система будет регулярно сильно греться. Температура теплового носителя летом на выходе из солнечного коллектора достигает 200°С при нагревании пара или газа, 120°С антифриза, 150°С воды. Если тепловой носитель закипит, он отчасти испариться. В результате его понадобится поменять.

Фирмы-изготовители предлагают исходить из подобных цифр:

  • обеспечение горячего водообеспечения не больше 70%;
  • обеспечение системы для отопления не больше 30%.

Остальное нужное тепло должно производить стандартное оборудование для отопления. Все таки при подобных показателях в течении года экономится в среднем около 40% на отоплении и горячем водоснабжении.

Мощность вырабатываемая одной трубкой вакуумной системы зависит от географического расположения. Показатель энергии солнца падающей в течении года на 1 м2 земли зовется инсоляцией. Зная диаметр длину трубки, можно сосчитать апертуру – эффектную площадь поглощения. Остается применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления мощности одной трубки в течении года.

Пример расчета:

Классическая длина трубки составляет 1800 мм, продуктивная — 1600 мм. Диаметр 58 мм. Апертура – затененный участок создаваемый трубкой. Аналогичным образом площадь прямоугольника тени будет составлять:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2

КПД средней трубки составляет 80%, энергия солнечного света для Москвы будет примерно 1170 кВт*ч/м2 в течении года. Аналогичным образом одна трубка выработает в течении года:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч

Стоит добавить, что это очень примерный расчет. Кол-во вырабатываемой энергии зависит от ориентирования установки, угла, среднегодовой температуры и т.д.

Нужное видео по теме

Презентация действия солнечного коллектора в зимнее время:

Сопоставление разнообразных моделей солнечных коллекторов:

В течении всего своего существования человечество ежегодно потребляется все больше энергии. Попытки применять бесплатное солнце предпринимались давно, но только сейчас есть возможность эффектно применять солнце в наших широтах. Безусловно, что за гелиосистемами грядущее.

Добавить комментарий