Встановлення сонячних колекторів

Монтаж сонячних колекторів – це послуга, яка передбачає створення систем опалення або гарячого водопостачання на базі нагрівальних установок, що живляться ультрафіолетовим випромінюванням Сонця. Подібні альтернативні джерела енергії стають з кожним роком все популярнішими в побутовій сфері, оскільки дозволяють значно знизити споживання домогосподарствами традиційних видів палива, що регулярно дорожчають. Більше того, робиться це за рахунок невичерпних природних ресурсів і з невеликими вкладеннями. При цьому сонячні колектори хороші ще й тим, що можуть однаково ефективно обслуговувати не лише житлові будинки, а й будинки іншого призначення. Зрозуміло, для цього їх потрібно спочатку правильно вибрати та змонтувати – тому процес встановлення сонячних колекторів докладно розглядається нижче.

 Відмінності та принципи вибору сонячних систем

Для того, щоб визначитися з актуальністю застосування геліосистем для конкретного домогосподарства, потрібно спочатку з'ясувати – що вони являють собою. І головне – чим сонячний колектор відрізняється від сонячної батареї? Втім, почнемо із загальної, але важливої інформації. Фахівці розрахували, що на 1 м2 земної поверхні за 1 годину в середньому припадає 161 Вт сонячної енергії. Безумовно, інтенсивність ультрафіолетового випромінювання зменшується при віддаленні від екватора, а також залежить від сезону року. Тим не менш, сонячне світло доступне повсюдно, а сучасні сонячні перетворювачі стали ефективними настільки, що їх можна успішно використовувати майже в будь-якій частині земної кулі, за різної погоди і навіть за температури до -30 °С. І це лише основна частина їх численних переваг, які повністю перераховані далі.

Що ж стосується завдання отримання тепла за рахунок сонячної радіації з максимальною ефективністю, то для її вирішення створено два види приладів – сонячні колектори та сонячні панелі, також відомі як сонячні батареї. Останні за допомогою різних фотоелементів перетворять енергію головної зірки нашої галактики в електрику, яка потім може використовуватися для живлення, наприклад, електрокотлів, що виробляють теплоносій. А сонячні колектори, що виробляються в різних модифікаціях, нагрівають теплоносій, коли він проходить через порожнисті трубки, які є обов'язковими частинами їх конструкцій. Зрозуміло, для цього використовується УФ-випромінювання. Потім, вже нагріта і повністю готова до використання рідина одразу прямує до системи опалення або гарячого водопостачання. Тобто принцип роботи даних пристроїв гранично простий.

Теплові колектори бувають різними – відкритими та закритими, плоскими та сферичними, а також напівсферичними концентраторами, і не тільки. Однак, у побутовій сфері використовуються лише перші 3 види пристроїв. Цікаво, що деякі моделі подібних пристроїв навіть можна виготовити самостійно, тільки їх ефективність буде значно нижчою від заводських аналогів. Говорячи якраз про ефективність даних пристроїв, слід підкреслити, що вона визначається ККД сонячного колектора. При цьому корисна продуктивність конструктивно різних перетворювачів світлового випромінювання залежить від різниці температур, а також від якості виготовлення конкретного пристрою. Вибираючи сонячний колектор, потрібно звертати увагу на ряд параметрів, що є показниками їхньої ефективності та потужності.

Для геліоколекторів найважливішими характеристиками вважаються такі:

• Коефіцієнт корисної дії;
• Коефіцієнт адсорбції - це відношення поглиненої енергії до загальної;
• Коефіцієнт емісії - це відношення переданої енергії до поглиненої;
• Загальна та апертурна, тобто – робоча площа, завжди рівна площі абсорбера.

Загальні переваги та недоліки сонячних колекторів

Колекторні системи для теплових мереж, хоч і працюють за рахунок невичерпного джерела енергії, але зовсім не є ідеальними «вічними двигунами».

Роблячи вибір на їх користь, необхідно знати характеристики цих пристроїв, почавши з переваг сонячних колекторів:

• Енергія головного для Землі світила завжди є безкоштовною та, звичайно, повсюдно доступною;
• Сучасні колектори здатні збирати сонячну радіацію навіть за хмарної та похмурої погоди;
• Використання геліосистем дозволяє значно знизити витрати на приготування теплоносія для тепломереж;
• Колектор, що працює за рахунок енергії Сонця, виробляє нагріту рідину відразу, роблячи її повністю готовою до використання;
• Допустимість монтажу на дахах будівель дозволяє цим перетворювачам взагалі не займати корисну площу на землі;
• Геліоколектори можуть застосовуватися для обігріву будинків, як самостійно, так і доповнювати інші більш традиційні опалювальні прилади;
• Під час роботи колекторів сонячних не виробляється будь-який шум і не з'являються шкідливі викиди, тобто, даний вид отримання тепла є найбільш екологічним.

У свою чергу, загальні недоліки сонячних колекторів такі:

• Не надто велика кількість сонячних днів у нашому кліматичному поясі сильно знижує ефективність роботи будь-якої подібної системи;
• Сонячне опалення рідко може використовуватися в нашій країні самостійно через те, що опалювальний сезон припадає на найкоротші світлові дні на рік;
• За оптичною чистотою поверхонь колекторів необхідно стежити постійно, оскільки навіть незначні забруднення сильно знижують їх ККД;
• Робота готової колекторної системи опалення не повністю безкоштовна, оскільки є витрати на амортизацію, роботу циркуляційного насоса та керуючої автоматики;
• Подібні мережі обігріву здатні відносно ефективно накопичувати запаси теплової енергії, тільки якщо в їхньому складі є великі теплоакумулятори.

Види сонячних колекторів

Для того щоб правильно вибрати і встановити сонячний колектор, потрібно обов'язково докладно розібратися з тим, якими вони бувають.
А діляться всі подібні уловлювачі променів на 3 види, що відрізняються такими конструктивними особливостями:

1. Відкриті сонячні колектори.

Відкриті геліосистеми являють собою доступні для зовнішнього середовища трубопровідні міні-мережі, всередині яких циркулює теплоносій, що нагрівається сонячними променями. Як останній може використовуватися вода, повітря, газ або антифриз. Трубки, якими теплоносій рухається, кріпляться до несучому каркасу у вигляді змійовика, або приєднуються кількома паралельними рядами до вхідного до вихідного патрубка. Сонячні колектори відкритого типу є найпростішими серед інших аналогів, а тому коштують недорого, але часто не оснащуються ізоляцією. Через це вони не здатні зберігати сонячну енергію, а теплоносій, що циркулює по них, досить швидко остигає. Відповідно, дуже низьким виявляється і ККД таких пристроїв, які взагалі не призначені для роботи з системами опалення в холодну пору року. З усіх перерахованих причин відкриті геліоколектори застосовуються, в основному, в літні періоди – з метою підігріву води для побутових потреб, вуличних душових або невеликих басейнів. А найефективніша експлуатація подібних пристроїв можлива тільки в південних регіонах нашої країни, і тільки в сонячну та безвітряну погоду. Крім того, бажано, щоб у місцях їх використання не було значних перепадів температури повітря протягом доби, а домогосподарств не потребувало отримання саме гарячої, а не теплої води. Таким чином, з урахуванням усієї викладеної вище інформації, можна констатувати, що сонячні відкриті колектори найбільше підходять для використання тільки на дачах, або в аналогічних будинках, призначених виключно для тимчасового проживання в теплі сезони.

Таким чином, переваги колекторів сонячних відкритих модифікацій такі:

• Простота та дешевизна конструкцій;
• Можливість навіть самостійного виготовлення.

У свою чергу, недоліків у відкритих сонячних систем виявляється більше, і це:

•  Вкрай низький ККД;
• Несумісність з опалювальними мережами;
• Швидке охолодження теплоносія через відсутність ізоляції;
• Ефективна робота можлива лише на півдні та лише за сонячної погоди.

2. Трубчасті сонячні колектори.

Трубчасті геліосистеми є конструкції, зібрані з окремих вакуумних трубок у кількості від 18 до 30, всередині яких курсує певний теплоносій, яким може бути вода, пара або газ. При цьому всі трубки є паралельними, а кожна з них приєднується до системи окремо. Таке компонування дозволяє легко замінювати складові комунікації при їх виході з ладу. Більш того, завдяки модульній структурі сонячні колектори трубчастого типу можна збирати частинами прямо на даху будівлі, що суттєво полегшує їх монтаж. В принципі, ці пристрої можна назвати одним з різновидів відкритих геліосистем. Але, в даному випадку, теплоносій виявляється краще захищеним від зовнішніх негативних впливів, особливо у вакуумних установках, що працюють за принципом класичних термосів. А найважливіша перевага трубчастих геліоколекторів полягає в циліндричній формі їх нагрівальних елементів, що дозволяє їм вловлювати сонячне випромінювання протягом усього світлового дня. Причому відбувається це без додаткових систем стеження за рухом Сонця, які обходяться зовсім не дешево.

При цьому елементи даних колекторів, що нагрівають теплоносій, виробляються у двох типах:

• Коаксіальна колекторна трубка – це судина Дьяюра, яка більш відома як звичайний термос. Він робиться із двох колб, із простору між якими відкачується повітря. А на внутрішню поверхню внутрішньої колби в кілька шарів наноситься високоселективне покриття, здатне ефективно поглинати сонячну енергію. Воно створює своєрідну оптичну пастку для променів, оскільки завдяки циліндричній формі трубки вони завжди потрапляють на неї перпендикулярно поверхні. При цьому дана енергія від внутрішнього селективного шару передається тепловій трубці або внутрішньому теплообміннику, що складається з алюмінієвих пластин. Однак саме на цьому етапі процесу відбуваються небажані втрати тепла, що дещо зменшує ефективність цих виробів;
• Перова колекторна трубка – це одинарний скляний циліндр, всередині якого знаходиться пір'яний абсорбер з міді, з підсилювачем у всій довжині у вигляді гофрованої пластини з високорівневим енергопоглинаючим напиленням. Остання формою нагадує перо. Ці пристрої мають більшу товщину стінок, ніж коаксіальні, а для підвищення ефективності з них відкачується повітря. Завдяки такій конструкції передача тепла від абсорбера відбувається без найменших втрат, через що ККД пір'яних трубок вище, ніж у коаксіальних, так само як і термін їхньої служби. Але, колектори на основі пір'яних вакуумних трубок дуже складні для ремонтів, у разі порушення цілісності колб або виходу з ладу елементів, що гріють, а також коштують набагато дорожче своїх більш простих аналогів.

Існує і друга класифікація трубок для геліоколекторів, які діляться за способом передачі тепла на два наступні види:

Термотрубки (heat pipe) – є герметично запаяні ємності з рідиною, яка швидко випаровується. Оскільки після конденсації вона природним чином стікає на дно термотрубки, мінімальний кут її нахилу при монтажі повинен становити 20°. Ця рідина отримує тепло від внутрішньої стінки колби або від перового абсорбера і, під впливом високої температури, закипає, перетворюючись на пару, яка піднімається вгору. Потім пара віддає енергію теплоносія системи опалення або гарячого водопостачання, знову конденсується в рідину і стікає в нижню частину трубки, після чого цикл повторюється знову. При цьому, в якості робочої рідини, що легко випаровується, для таких трубок, найчастіше, використовується звичайна вода при низькому тиску;

Прямоткові трубки – це U-подібні циліндри, всередині яких циркулює вода або антифризи, якщо їх планується використовувати цілий рік. Одна половина такої трубки призначена для холодної рідини, а друга для відведення нагрітої. Як відомо, при нагріванні теплоносій розширюється, внаслідок чого його надлишок надходить у накопичувальний бак, забезпечуючи природну циркуляцію. Як і у випадку з термотрубками мінімальний кут нахилу їх прямоточних аналогів повинен становити не менше 20°. При цьому прямоточні сонячні системи ефективніші, оскільки нагрівають теплоносій відразу. Однак, потрібно знати, що при прямоточному підключенні тиск у такій мережі не може бути високим, тому що всередині кожної колби є технічний вакуум.

Що стосується загальних переваг і нестачі сонячних колекторів з трубками, то плюсів у них набагато більше, ніж мінусів, і вони такі:

• Мінімальні втрати тепла;
• Тривалі експлуатаційні терміни;
• Здатність функціонувати при температурі до -30 ° С;
• Спрощений монтаж, який можна виконувати навіть частинами;
• Можливість приготування теплоносія з високою температурою;
• Підвищена продуктивність протягом усього світлового дня;
• однакові конструктивні елементи, які відносно легко змінювати;
• Низька парусність, обумовлена здатністю пропускати повітряні маси;
• Досить висока ефективність у регіонах з помірним та холодним кліматом;
• Незважаючи на чималу вартість, трубчасті колектори окупаються набагато швидше.

У свою чергу, перелік недоліків колекторів трубчастих сонячних систем включає наступні пункти:

• Відносно високі вартості;
• Обмежені апертурні поверхні;
• Відсутність здатності до самостійного очищення від снігу, льоду або інею;
• Допустимість цілорічного застосування тільки при використанні антифризів.

3. Закриті плоскі колектори.

Закриті геліосистеми є складнішими конструкціями, що складаються з алюмінієвих корпусів, трубопроводів, утеплювачів, прозорих покриттів і особливих поглинаючих шарів, відомих як абсорбери. Як останні задіюється зачорнена листова мідь, що має ідеальну для такого застосування теплопровідність. У процесі поглинання сонячного випромінювання абсорбером відбувається передача отриманої ним енергії теплоносія, який циркулює по системі трубок, що примикає до абсорберу. У свою чергу прозоре покриття служить для захисту таких панелей із зовнішніх сторін від граду і не тільки. Його виготовляють із протиударного загартованого скла зі смугою пропускання в діапазоні 0,4 - 1,8 мкм, на який припадає максимум сонячного випромінювання. З тильного боку сонячні колектори закритого типу добре утеплюються.

Від усіх інших аналогів вироби, що розглядаються, відрізняються максимальною продуктивністю, що поєднується з відносною конструктивною простотою. Це можливо завдяки використанню абсорберів, які значно збільшують ККД таких пристроїв, і здатні вловлювати, як пряме, так і розсіяне сонячне випромінювання. Відповідно, сфера застосування закритих геліоколекторів виявляється значно ширше, ніж відкритих геліоустановок. Влітку вони можуть без проблем повністю забезпечувати домогосподарства гарячою водою. А в прохолодні дні різних сезонів, що не належать до опалювального періоду, вони здатні бути гарною заміною газовим та електричним обігрівачам. При цьому плоскі сонячні колектори виявляються особливо вигідними у використанні, якщо їх застосування планується ще на стадії проектування тепломереж.

Щодо переваг та недоліків закритих сонячних колекторів можна відзначити, що, на відміну від трубчастих аналогів, їх у них майже порівну, і плюси даних пристроїв – це:

• Доступна вартість;
• Конструктивна простота;
• Найбільша апертурна площа;
• Строк служби якісних виробів сягає 50 років;
• Висока продуктивність у регіонах з теплим кліматом;
• Здатність самостійно очищатися від налипання снігу, льоду та інею;
• Спрощення монтажу – за наявності механізмів для зміни кута нахилу;

У свою чергу, список недоліків закритих сонячних колекторів включає наступні характеристики:

• Велика вага панелей;
• Досить високі тепловтрати;
• Висока парусність – при розташуванні під кутом до горизонту;
• Обмежена продуктивність при перепадах температури понад 40 °С;
• Складний монтаж, зумовлений як масою, так і неможливістю розбирання.

Розрахунок потужності сонячних колекторів

Після вибору оптимального перетворювача ультрафіолетового випромінювання, перед покупкою необхідно також обчислити продуктивність такого пристрою або пристроїв. Щодо цього питання важливо знати, що при розрахунку необхідної потужності сонячного колектора обчислення часто помилково виконують, виходячи з кількості сонячної енергії, що надходить у найхолодніші сезони. Але за такого підходу надалі виявиться, що в інші місяці року система постійно перегріватиметься. Справа в тому, що влітку температура теплоносія на виході з сонячного колектора може досягати 200 ° С - у випадку з парою та газом, 150 ° С - у випадку з водою; 120 ° С - у випадку з антифризом. А якщо теплоносій кипітиме, то він і частково випаровуватиметься, що призведе до необхідності поповнення його кількості.

Тому при розрахунку рекомендується виходити з таких цифр:

• Забезпечення потреб гарячого водопостачання – не більше 70%;
• Забезпечення потреб опалювальної системи – не більше 30%.

Відповідно, решта необхідного тепло повинна вироблятися традиційним опалювальним обладнанням. Але, навіть за таких показників протягом року заощаджуватиметься близько 40 % коштів, які довелося б витратити на опалення та гаряче водопостачання без встановлення сонячних колекторів на будинок. Що стосується поширених вакуумних систем, то потужність, що виробляється однією подібною трубкою, залежить від географічного розташування колектора. Показник сонячної енергії, що припадає на рік на 1 м2 земної поверхні, називається інсоляцією. Знаючи довжину та діаметр трубки, можна легко обчислити апертуру – ефективну площу поглинання сонячного випромінювання. Після цього потрібно лише застосувати коефіцієнти абсорбції та емісії для обчислення потужності однієї трубки на рік.

Приклад такого розрахунку виглядає так:

Вихідні умови:

стандартна довжина трубки – 1800 мм, ефективна довжина – 1600 мм, діаметр – 58 мм, апертура – затінена ділянка створювана самою трубкою.

Відповідно, площа тіньового прямокутника становитиме:

S = 1,6 · 0,058 = 0,0928 м2 При цьому, ККД стандартної трубки досягає 80%, сонячна інсоляція для регіону з помірним кліматом становить близько 1170 кВт·год/м2 на рік.

Тобто одна трубка виробить за рік: W = 0,0928 · 1170 · 0,8 = 86,86 кВт · год

Не можна не підкреслити, що приклад наведеного вище розрахунку є дуже приблизним, оскільки кількість енергії, що виробляється, також залежить від орієнтування установки, кута її розташування, середньорічної температури, і не тільки.

Варіанти монтажу сонячних колекторів

Як вже було згадано, на жаль, в умовах пануючого на більшій частині території нашої країни помірного клімату, що працюють завдяки сонячному випромінюванню, пристрої не можуть забезпечувати домогосподарства достатньою кількістю енергії на постійній основі. Тому вони використовуються як додаткові джерела тепла, що інтегруються в існуючі системи опалення та гарячого водопостачання, що працюють за рахунок традиційних котлів. Тим не менш, такий спосіб застосування все одно є вигідним, оскільки дозволяє заощаджувати паливо для класичних теплогенераторів, а отже – і сімейний бюджет. Виходячи з цілей застосування теплових сонячних колекторів, монтаж яких залежить від їх виду, застосовуються різні схеми підключення.

Серед них найпоширенішими є два наступні варіанти:

• Літній варіант – для забезпечення гарячого водопостачання;
• Зимовий варіант – для забезпечення опалення та гарячого водопостачання (тільки у південних регіонах України).

При цьому установка сонячного колектора в приватному будинку тільки з метою літнього використання максимально спрощується, дозволяючи обходитися в такому випадку навіть без циркуляційного насоса. Вода просто нагрівається в колекторі, і за рахунок власного теплового розширення надходить у теплоакумулятор або бойлер. Цей вид циркуляції виходить природним - адже на місці гарячої води з ємності негайно виявляється холодна, яка засмоктується автоматично. Проте, взимку через негативні температури подібне пряме нагрівання води виявляється неможливим. Вирішити цю проблему можна тільки за допомогою спеціальних антифризів, які можуть циркулювати по закритому контуру навіть у морозну погоду, забезпечуючи перенесення тепла від колектора до теплообмінника в баку. Але реальної віддачі від такої системи буде все одно небагато.

Справа в тому, що будь-яка мережа, що працює за рахунок природної циркуляції, не може бути дуже ефективною, оскільки монтаж її комунікацій потребує дотримання оптимальних ухилів. Крім того, теплобак, що акумулює, повинен обов'язково розташовуватися вище, ніж сонячний колектор. А щоб рідина, що накопичується, якомога довше зберігала свою температуру, ємність потрібно дуже добре утеплити. Якщо ж власники приватного будинку хочуть досягти найбільшої віддачі від використання сонячного колектора, схему його підключення доведеться значно ускладнити. Подібний варіант монтажу геліосистеми вимагає кілька великих початкових вкладень через використання автоматики, але виявляється вигіднішим надалі.

Оскільки автоматика дозволяє оптимізувати роботу тепломережі, а отже – і досягти зменшення споживання енергоресурсів. Так, щоб уночі перетворювач не перетворювався на охолоджувач, циркуляцію води в ньому необхідно на якийсь час припиняти примусово. Для цього знадобиться циркуляційний насос під керуванням спеціального контролера. Останній керує роботою пристрою, що перекачує, орієнтуючись на показання, як мінімум, двох датчиків температури. Перший датчик вимірює її в накопичувальній ємності, а другий - на трубі подачі гарячого теплоносія, що надходить із сонячного колектора. У моменти коли температура в баку перевищує температуру рідини в колекторі, контролер негайно вимикає циркуляційний насос, припиняючи рух теплоносія по системі. У свою чергу, при зниженні температури в накопичувальній ємності нижче заданої, запускається опалювальний котел, що заповнює для системи недостатню кількість тепла.

Установка сонячних колекторів у Києві

Замовити монтаж сонячних колекторів у Києві та Київської області, у тому числі – під ключ, легко, за умови співпраці з компанією «Сучасні інженерні системи». Робота з традиційним та альтернативним теплотехнічним обладнанням – наш основний профіль, тому наші майстри виконують їх у найкоротші терміни та за доступними розцінками. Також ми завжди робимо попередній розрахунок геліосистеми для опалення приватного будинку, що дозволяє одразу визначитися з її повною комплектацією та вартістю. При цьому абсолютно все необхідне для конструювання таких систем є у нашому інтернет-магазині. Установка сонячних колекторів, ціна якої залежить від їхньої кількості, розміщення та складності систем теплопостачання – це безкоштовна та екологічна енергія з невичерпного джерела, що є комфортом проживання у приватних будинках.