Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

През последното десетилетие слънчевата енергия, като алтернативен източник на енергия, се използва все по-често за отопление и осигуряване на сгради с гореща вода. Основната причина е желанието да се заменят традиционните горива с достъпни, екологични и възобновяеми енергийни ресурси.

Преобразуването на слънчевата енергия в топлина се осъществява в слънчевите системи - дизайнът и принципът на работа на модула определя спецификата на неговото използване.

В този материал разглеждаме видовете слънчеви колектори и принципите на тяхното функциониране, както и описваме популярните модели на соларни модули.

Възможността за използване на слънчеви системи

Хелиосистемата е комплекс за преобразуване на слънчевата енергия в топлина, която впоследствие се прехвърля в топлообменник за нагряване на отоплителната среда на отоплителната система или водоснабдяването.

Ефективността на соларната топлинна инсталация зависи от слънчевата слънчева светлина - количеството енергия, доставяна на ден на 1 кв. М под ъгъл 90 ° спрямо посоката на слънчевите лъчи. Измервателната стойност на индикатора е kWh / кв.м, а стойността на параметъра варира в зависимост от сезона.

Средното ниво на слънчева инсолация за района на умереноконтиненталния климат е 1000-1200 kWh / кв.м (на година). Количеството слънце е определящият параметър за изчисляване на работата на слънчевата система.

Използването на алтернативен източник на енергия ви позволява да отоплявате къщата, да получавате топла вода без традиционна консумация на енергия - изключително чрез слънчева радиация.

Инсталирането на соларна отоплителна система е скъпо събитие. За капиталовите разходи, за да се оправдаят, е необходимо точно изчисляване на системата и съответствие с инсталационната технология.

Пример. Средната стойност на слънчевата инсолация за Тула в средата на лятото е 4.67 kV / m2 * day, при условие, че системният панел е монтиран под ъгъл от 50 °. Работата на слънчевия колектор с площ от 5 квадратни метра се изчислява, както следва: 4.67 * 4 = 18.68 kW топлинна енергия на ден. Този обем е достатъчен за загряване на 500 литра вода от температура от 17 ° С до 45 ° С.

Както показва практиката, при използване на слънчева енергия, собствениците на вилата през летния период могат напълно да преминат от електрическо или газово отопление към соларен метод.

Говорейки за възможността за въвеждане на нови технологии, е важно да се вземат предвид техническите характеристики на даден слънчев колектор. Някои започват да работят със 80 W / кв.м слънчева енергия, а други са достатъчни - 20 W / кв.м.

Дори в южния климат използването на колекторна система изключително за отопление не се изплаща. Ако инсталацията ще се използва изключително през зимата с недостиг на слънце, цената на оборудването няма да бъде покрита за 15-20 години.

За да се използва слънчевия комплекс възможно най-ефективно, той трябва да бъде включен в системата за топла вода. Дори и през зимата, слънчевият детектор ще ви позволи да "срязвате" сметките за енергия за загряване на водата до 40-50%.

Според експерти, в ежедневната употреба слънчевата система се изплаща за около 5 години. С нарастването на цените на електроенергията и газа ще се намали срокът на възвращаемост на комплекса

В допълнение към икономическите ползи, "слънчевото отопление" има и допълнителни предимства:

  1. Екологичност. Намалени емисии на въглероден диоксид. През годината 1 кв. М слънчев колектор предотвратява изпускането в атмосферата на 350-730 кг миннодобив.
  2. Естетика. Пространството на компактна баня или кухня може да се отърве от обемисти бойлери или газови бойлери.
  3. Дълготрайност. Производителите уверяват, че при спазване на инсталационната технология, комплексът ще продължи около 25-30 години. Много компании предоставят гаранция до 3 години.

Аргументи срещу използването на слънчевата енергия: ясно изразена сезонност, зависимост от времето и високи първоначални инвестиции.

Общо устройство и принцип на работа

Обмислете възможността за слънчева система с колектор като основен работен елемент на системата. Външният вид на устройството прилича на метална кутия, чиято лицева страна е направена от закалено стъкло. Вътре в кутията е поставено работното тяло - серпентина с абсорбер.

Топлопоглъщащата част осигурява нагряване на охлаждащата течност - циркулиращата течност прехвърля генерираната топлина към водопровода.

Основните възли на Слънчевата система: 1 - колекторно поле, 2 - вентилационен отвор, 3 - разпределителна станция, 4 - резервоар за свръхналягане, 5 - контролер, 6 - резервоар за бойлер, 7, 8 - PETN и топлообменник, 9 - термо-смесителен вентил, 10 - консумация на гореща вода, 11 - засмукване на студена вода, 12 - изтичане, T1 / T2 - температурни сензори

Слънчевият колектор задължително работи в тандем с акумулиращ резервоар. Тъй като охлаждащата течност се нагрява до температура от 90-130 ° C, тя не може да се подава директно в крановете за гореща вода или радиаторите за отопление. Охлаждащата течност влиза в топлообменника на котела. Резервоарът за съхранение често се допълва с електрически нагревател.

Схема на работа:

  1. Слънцето загрява повърхността на колектора.
  2. Топлинното лъчение се предава към абсорбиращия елемент (абсорбер), който съдържа работния флуид.
  3. Охлаждащата течност, циркулираща през тръбите на серпентината, се нагрява.
  4. Помпено оборудване, устройство за контрол и наблюдение гарантират, че охлаждащата течност се изпуска през тръбопровод към бобината на резервоара за съхранение.
  5. Топлината се прехвърля във водата в котела.
  6. Охладеният охладител се връща обратно в колектора и цикълът се повтаря.

Нагрятата вода от бойлера се подава към отоплителния кръг или към водоприемниците.

При подреждане на отоплителна система или целогодишно топла вода, системата се допълва с източник на допълнително отопление (бойлер, електрически нагревателен елемент). Това е предпоставка за поддържане на зададената температура.

Сортове слънчеви колектори

Независимо от дестинацията, слънчевата система се допълва с плосък или сферичен тръбен слънчев колектор. Всяка от опциите има редица отличителни характеристики по отношение на техническите характеристики и оперативната ефективност.

Вакуум - за студен и умерен климат

Структурно вакуумният слънчев колектор наподобява термос - тесни тръби с топлоносител се поставят в колби с по-голям диаметър. Между съдовете се образува вакуум, който е отговорен за топлоизолацията (запазването на топлината е до 95%). Тръбната форма е оптимална за запазване на вакуума и заемане на слънчевите лъчи.

Основните елементи на тръбна соларна инсталация: носеща рамка, корпус на топлообменник, вакуумни стъклени тръби, обработени с високо селективно покритие за интензивно "абсорбиране" на слънчева енергия

Вътрешната (термична) тръба се напълва с нискокипящ солен разтвор (24-25 ° С). При нагряване течността се изпарява - изпарението се издига нагоре по колбата и загрява охлаждащата течност, която циркулира в колектора.

В процеса на кондензация, водните капки се вливат в върха на тръбата и процесът се повтаря.

Поради наличието на вакуумен слой, течността вътре в топлообменника може да заври и да се изпари при минус външна температура (до -35 ° C).

Характеристиките на соларните модули зависят от следните критерии:

  • дизайн на тръбата - писалка, коаксиален;
  • устройство на топлинния канал - “Топлинна тръба”, директна циркулация.

Перото е стъклена тръба, в която са затворени плосък абсорбер и топлинен канал. Вакуумният слой преминава през цялата дължина на топлинния канал.

Коаксиалната тръба е двойна колба с вакуумна "вложка" между стените на два резервоара. Преносът на топлина се извършва от вътрешната страна на тръбата. Върхът на топлинната тръба е снабден с индикатор за вакуум.

Ефективността на тръбите за перо (1) е по-висока в сравнение с коаксиалните модели (2). Първият обаче е по-скъп и по-труден за инсталиране. Освен това, в случай на повреда, пълната бутилка трябва да бъде променена напълно.

Каналът “Топлинна тръба” е най-често срещаният вариант на топлообмен в слънчевите колектори.

Механизмът на действие се основава на поставянето на летлива течност в запечатани метални тръби.

Популярността на “Heat pipe” се дължи на достъпната му цена, непретенциозната поддръжка и поддръжка. Поради сложността на процеса на топлообмен, максималното ниво на ефективност е 65%

Вътрешно- паралелните метални тръби са свързани чрез стъклена колба и са свързани в U-образна дъга.

Охлаждащата течност, преминаваща през канала, се нагрява и подава към колекторното тяло.

Проекти на вакуумни слънчеви колекторни конструкции: 1 - модификация с централна топлинна тръба „Отоплителна тръба”, 2 - слънчева система с директна циркулация на охлаждащата течност

Коаксиалните и пероните тръби могат да бъдат комбинирани с топлинни канали по различни начини.

Вариант 1. Коаксиална колба с "Heat pipe" - най-популярното решение. В колектора има многократно прехвърляне на топлина от стените на стъклената тръба към вътрешната колба, а след това към охлаждащата течност. Степента на оптична ефективност достига 65%.

Диаграма на коаксиалната тръба на устройството „Топлинна тръба“: 1 - стъклена обвивка, 2 - селективно покритие, 3 - метални ребра, 4 - вакуум, 5 - термична колба със светлокипящо вещество, 6 - вътрешна стъклена тръба

Вариант 2. Коаксиалната колба с директна циркулация е известна като U-образен колектор. Благодарение на проекта, топлинните загуби се намаляват - топлинната енергия от алуминия се прехвърля в тръби с циркулиращ охлаждащ агент.

Наред с високата ефективност (до 75%), моделът има недостатъци:

  • сложност на монтажа - колбите са едно с двутръбно колекторно тяло (главно) и са монтирани изцяло;
  • смяна на една тръба се изключва.

В допълнение, U-образната единица се нуждае от охлаждащата течност и по-скъпите модели "Heat pipe".

Устройството на U-образен слънчев колектор: 1 - стъкло "цилиндър", 2 - абсорбиращо покритие, 3 - алуминиево "покритие", 4 - крушка с топлоносител, 5 - вакуум, 6 - вътрешна тръба от стъкло

Вариант 3. Фонтанна тръба с принципа на действие "Топлинна тръба". Отличителни черти на колектора:

  • висока оптична ефективност - ефективност от около 77%;
  • плосък абсорбер директно предава топлинна енергия на тръбата с охладител;
  • поради използването на един слой стъкло намалява отражението на слънчевата радиация;

Възможно е да се замени повредения елемент без източване на охлаждащата течност от Слънчевата система.

Вариант 4. Колбата с писалка с директно подаване е най-ефективният инструмент за използване на слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия за отопление на вода или за отопление на жилище. Високопроизводителният колектор работи с ефективност - 80%. Липсата на система е трудността на ремонта.

Диаграми на устройството на слънчеви колектори: 1 - хелиосистема с канал "топлинна тръба", 2 - двутръбен случай на слънчев колектор с директно движение на топлоносителя

Независимо от производителността тръбните колектори имат следните предимства:

  • ниска температура;
  • ниски топлинни загуби;
  • продължителността на операцията през деня;
  • възможността за нагряване на охлаждащата течност до високи температури;
  • нисък вятър;
  • лесен монтаж

Основният недостатък на вакуумните модели е невъзможността за самопочистване от снежна покривка. Вакуумният слой не изпуска топлина, така че снежният слой не се топи и блокира достъпа на слънцето до колекторното поле. Допълнителни недостатъци: висока цена и необходимост от спазване на работния ъгъл на колбите поне 20 °.

По-подробно за принципа на работа на вакуумния слънчев колектор с тръби по-нататък.

Вода - най-добрият вариант за южните ширини

Плосък (панелен) слънчев колектор - алуминиева плоча с правоъгълна форма, затворена отгоре с пластмасов или стъклен капак. Вътре в кутията има абсорбиращо поле, метална намотка и топлоизолационен слой. Площта на колектора е запълнена с поток, през който протича охлаждащата течност.

Основните компоненти на плоския хеликолектор са: тялото, абсорбера, защитното покритие, топлоизолационния слой и скрепителните елементи. При сглобяване се използва матирано стъкло със спектрална честотна лента от 0.4-1.8 микрона

Топлинната абсорбция на високо селективно абсорбиращо покритие достига 90%. Течният метален тръбопровод е разположен между “абсорбера” и топлоизолацията. Използват се два модела за полагане на тръби: “арфа” и “меандър”.

Тръбен колектор с течен охладител действа като "парников ефект" - слънчевите лъчи проникват през стъклото и загряват тръбопровода. Поради плътност и топлоизолация топлината се задържа вътре в панела.

Якостта на слънчевия модул се определя до голяма степен от материала на защитния капак:

  • обикновено стъкло - най-евтиното и най-крехкото покритие;
  • закалено стъкло - висока степен на разсейване на светлината и повишена здравина;
  • антирефлексно стъкло - има максимален абсорбционен капацитет (95%) поради наличието на слой, който елиминира отражението на слънчевите лъчи;
  • самопочистващо се (полярно) стъкло с титанов диоксид - органично замърсяване изгаря на слънце и остатъците от боклука се измиват от дъжд.

Най-трайните удари удари поликарбонатното стъкло. Материалът е инсталиран в скъпи модели.

Отражение на слънчева светлина и абсорбция: 1 - антирефлексно покритие, 2 - закалено удароустойчиво стъкло. Оптимална дебелина на защитната външна обвивка - 4 мм

Експлоатационни и функционални характеристики на панелни слънчеви системи:

  • в системите за принудителна циркулация е осигурена функция за размразяване, която ви позволява бързо да се отървете от снежната покривка на хелиополиса;
  • призматично стъкло улавя широка гама от лъчи под различни ъгли - през лятото ефективността на инсталацията достига 78-80%;
  • колекторът не се страхува от прегряване - с излишък на топлинна енергия е възможно принудително охлаждане на охлаждащата течност;
  • повишена устойчивост на удар в сравнение с тръбните аналози;
  • възможност за монтаж под всякакъв ъгъл;
  • достъпна ценова политика.

Системите не са без недостатъци. В периода на недостиг на слънчева радиация, с увеличаване на температурната разлика, ефективността на слънчевия колектор намалява значително поради недостатъчна изолация. Поради това модулът на панела се оправдава през лятото или в райони с топъл климат.

Хелиосистеми: характеристики на дизайна и работата

Разнообразието от слънчеви системи може да се класифицира според такива параметри: методът на използване на слънчевата радиация, методът на циркулация на охлаждащата течност, броя на веригите и сезонността на работа.

Активен и пасивен комплекс

Във всяка система за преобразуване на слънчева енергия е осигурен слънчев приемник. Въз основа на метода за използване на получената топлина има два вида хелиокомплекси: пасивни и активни.

Първият тип е слънчевата отоплителна система, където структурните елементи на сградата действат като топлинно-поглъщащ елемент на слънчевата радиация. Покривът, стенният колектор или прозорците действат като слънчева приемна повърхност.

Схемата на нискотемпературна пасивна слънчева система със стенен колектор: 1 - слънчеви лъчи, 2 - полупрозрачен екран, 3 - въздушна бариера, 4 - нагряван въздух, 5 - отработени въздушни потоци, 6 - топлинно излъчване от стената, 7 - топлопоглъщаща повърхност на стенния колектор, 8 - декоративни щори

В европейските страни пасивните технологии се използват при изграждането на енергийно ефективни сгради. Слънчевите повърхности са украсени с фалшиви прозорци. Зад стъкленото покритие има тухлена стена с отвори.

Като акумулатори на топлина са елементите на конструкцията - стени и подове, изолирани с полистирен отвън.

Активните системи включват използването на независими устройства, които не са свързани със структурата.

Посочените по-горе комплекси с тръбни, плоски колектори попадат в тази категория - слънчевите топлинни инсталации, като правило, са разположени на покрива на сграда.

Термосифонни и циркулационни системи

С конвекция се осъществява слънчево термично оборудване с естествено движение на охлаждащата течност по веригата колектор-батерия-колектор - топла течност с ниска плътност се повишава, охлажда се течност.

В термосифонните системи резервоарът за съхранение се поставя над колектора, осигуряващ спонтанна циркулация на охлаждащата течност.

Схемата на работа е характерна за едноконтурни сезонни системи. Термосифонният комплекс не се препоръчва за колектори с площ над 12 кв.м.

Свободният поток от хелиосистема има широк спектър от недостатъци:

  • при облачни дни, капацитетът на комплекса пада - необходима е голяма температурна разлика, за да се движи охлаждащата течност;
  • загуба на топлина поради бавно движение на течности;
  • риск от прегряване на резервоара поради неконтролируемост на процеса на нагряване;
  • нестабилност на резервоара;
  • сложността на поставянето на акумулаторния резервоар - когато се монтира на покрива увеличава топлинните загуби, ускорява корозионните процеси, съществува риск от замръзване на тръбите.

Предимства на "гравитационната" система: простота на дизайна и достъпност.

Капиталовите разходи за подреждане на циркулиращи (принудителни) хелиосистеми са значително по-високи от инсталирането на комплекс с свободно движение. Помпата „прекъсва” контура, който осигурява движение на охлаждащата течност. Работата на помпената станция се контролира от контролера.

Допълнителната топлинна енергия, генерирана в принудителния комплекс, надвишава консумираната от помпеното оборудване мощност. Ефективността на системата ще се увеличи с една трета

Такой способ циркуляции задействован в круглогодичных двухконтурных гелиотермических установках.

Плюсы полнофункционального комплекса:

  • неограниченный выбор месторасположения аккумулирующего бака;
  • работоспособность вне сезона;
  • выбор оптимального режима нагрева;
  • безопасность – блокировка работы при перегреве.

Недостаток системы – зависимость от электроэнергии.

Техническое решение схем: одно – и двухконтурные

В одноконтурных установках циркулирует жидкость, которая впоследствии подается к водозаборным точкам. В зимний период воду с системы надо сливать, чтоб предупредить замерзание и растрескивание труб.

Особенности одноконтурных гелиотермических комплексов:

  • рекомендована «заправка» системы очищенной нежесткой водой – оседание солей на стенках труб приводит к засорению каналов и поломке коллектора;
  • коррозия из-за избытка воздуха в воде;
  • ограниченный срок службы – в пределах четырех-пяти лет;
  • высокий КПД летом.

В двухконтурных гелиокомплексах циркулирует специальный теплоноситель (незамерзающая жидкость с противовспенивающими и антикоррозийными добавками), отдающий тепло воде через теплообменник.

Схемы устройства одноконтурной (1) и двухконтурной (2) гелиосистемы. Второй вариант отличается повышенной надежностью, возможностью работы зимой и длительностью эксплуатации (20-50 лет)

Нюансы эксплуатации двухконтурного модуля: незначительное снижение КПД (на 3-5% меньше чем в одноконтурной системе), необходимость полной замены теплоносителя каждые 7 лет.

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте. При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков.

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Подсоединение гелиоконтура. При подключении труб рекомендуется организовать петлю. «Термопетля» сокращает теплопотери, препятствуя выходу разогретой жидкости.

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. При недостатке солнечной активности обратный клапан не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Популярные модели «солнечных» модулей

Спросом пользуются гелиосистемы отечественных и зарубежных компаний. Хорошую репутацию завоевали изделия производителей: НПО Машиностроения (Россия), Гелион (Россия), Ariston (Италия), Альтен (Украина), Viessman (Германия), Amcor (Израиль) и др.

Гелиосистема «Сокол». Плоский гелиоколлектор, оснащенный многослойным оптическим покрытием с магнитронным напылением. Минимальная способность излучения и высокий уровень поглощения обеспечивают КПД до 80%.

Эксплуатационные характеристики:

  • рабочая температура – до -21 °С;
  • обратное излучение тепла – 3-5%;
  • верхний слой – закаленное стекло (4 мм).

Коллектор СВК-А (Альтен). Вакуумная гелиоустановка с площадью абсорбции 0, 8-2, 41 кв.м (зависимо от модели). Теплоноситель – пропиленгликоль, теплоизоляция медного теплообменника в 75 мм минимизирует теплопотери.

Допълнителни параметри:

  • корпус – анодированный алюминий;
  • диаметр теплообменника – 38 мм;
  • изоляция – минвата с антигигроскопичной обработкой;
  • покрытие – боросиликатное стекло 3, 3 мм;
  • КПД – 98%.

Vitosol 100-F – плоский гелиоколлектор горизонтального или вертикального монтажа. Медный абсорбер с арфообразным трубчатым змеевиком и гелиотитановым покрытием. Пропускание света – 81%.

Ориентировочный порядок цен на гелиосистемы: плоские гелиоколлекторы – от 400 у.е./кв.м, трубчатые солнечные коллекторы – 350 у.е./10 вакуумных колб. Полный комплект циркуляционной системы – от 2500 у.е.

Заключения и полезно видео по темата

Принцип действия солнечных коллекторов и их виды:

Оценка работоспособности плоского коллектора при минусовой температуре:

Технология монтажа панельного гелиоколлектора на примере модели Buderus:

Солнечная энергия – восполняемый источник получения тепла. С учетом роста цен на традиционные энергоресурсы внедрение гелиосистем оправдывает капитальные инвестиции и окупается в ближайшие пять лет при соблюдении техники монтажа.

Если у вас есть ценные сведения которыми вы хотите поделиться с посетителями нашего сайта, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке под статьей. Там же можно задать интересующие вопросы по теме статьи или поделиться опытом использования солнечных коллекторов.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Строителство