Установка солнечных коллекторов

Монтаж солнечных коллекторов – это услуга, предусматривающая создание систем отопления или горячего водоснабжения на базе нагревательных установок, питаемых ультрафиолетовым излучением Солнца. Подобные альтернативные источники энергии становятся с каждым годом все популярней в бытовой сфере, поскольку позволяют значительно снизить потребление домохозяйствами регулярно дорожающих традиционных видов топлива. Более, того, делается это за счет неисчерпаемых природных ресурсов и с относительно небольшими вложениями. При этом, солнечные коллекторы хороши еще и тем, что могут одинаково эффективно обслуживать не только жилые дома, но и здания другого назначения. Разумеется, для этого их нужно сначала правильно выбрать и смонтировать – поэтому процесс установки солнечных коллекторов подробно рассматривается ниже.

 Отличия и принципы выбора солнечных систем

Для того, чтобы определиться с актуальностью применения гелиосистем для конкретного домохозяйства, нужно сначала выяснить – что они из себя представляют. И главное – чем солнечный коллектор отличается от солнечной батареи? Впрочем, начнем с общей, но важной информации. Специалисты рассчитали, что на 1 м2 земной поверхности за 1 час, в среднем, приходится 161 Вт солнечной энергии. Безусловно, интенсивность ультрафиолетового излучения уменьшается при отдалении от экватора, а также сильно зависит от сезона года. Тем не менее, солнечный свет доступен повсеместно, а современные солнечные преобразователи стали эффективными настолько, что их можно успешно использовать почти в любой части земного шара, при разной погоде и даже при температуре до -30 °С. И это только основная часть из их многочисленных преимуществ, которые полностью перечислены далее.

Что же касается задачи получения тепла за счет солнечной радиации с максимальной эффективностью, то для ее решения созданы два вида приборов – солнечные коллекторы и солнечные панели, также известные как солнечные батареи. Последние посредством разных фотоэлементов преобразуют энергию главной звезды нашей галактики в электричество, которое затем может использоваться для питания, например, вырабатывающих теплоноситель электрокотлов. А солнечные коллекторы, производящиеся в разных модификациях, нагревают теплоноситель, когда он проходит через полые трубки, являющиеся обязательными частями их конструкций. Разумеется, для этого используется УФ-излучение. Затем, уже нагретая и полностью готовая к использованию жидкость сразу направляется в системы отопления или горячего водоснабжения. То есть, принцип работы данных устройств предельно прост.

Тепловые коллекторы бывают разными – открытыми и закрытыми, плоскими и сферическими, а также полусферическими концентраторами, и не только. Но, в бытовой сфере используются только первые 3 вида устройств. Интересно, что некоторые модели подобных приспособлений даже можно изготовить самостоятельно, только их эффективность будет значительно ниже заводских аналогов. Говоря как раз об эффективности данных устройств, нужно подчеркнуть, что она определяется КПД солнечного коллектора. При этом, полезная производительность конструктивно разных преобразователей светового излучения зависит от разности температур, а также от качества изготовления конкретного устройства. Выбирая солнечный коллектор, нужно обращать внимание на ряд параметров, являющихся показателями их эффективности и мощности.

Для гелиоколлекторов самыми важными характеристиками считаются следующие:

• Коэффициент полезного действия;
• Коэффициент адсорбции – это отношение поглощенной энергии к общей;
• Коэффициент эмиссии – это отношение переданной энергии к поглощенной;
• Общая и апертурная, то есть – рабочая площадь, всегда равная площади абсорбера.

???? Общие преимущества и недостатки солнечных коллекторов

Коллекторные системы для тепловых сетей, хотя и работают за счет неисчерпаемого источника энергии, но вовсе не являются идеальными «вечными двигателями».

Делая выбор в их пользу, необходимо знать характеристики этих устройств, начав с достоинств солнечных коллекторов:

• Энергия главного для Земли светила всегда является бесплатной и, конечно, повсеместно доступной;
• Современные коллекторы способны собирать солнечную радиацию даже при облачной и пасмурной погоде;
• Использование гелиосистем позволяет значительно снизить расходы на приготовление теплоносителя для теплосетей;
• Работающий за счет энергии Солнца коллектор производит нагретую жидкость сразу, делая ее полностью готовой к использованию;
• Допустимость монтажа на крышах зданий позволяет данным преобразователям вообще не занимать полезную площадь на земле;
• Гелиоколлекторы могут применяться для обогрева домов, как самостоятельно, так и дополнять другие более традиционные отопительные приборы;
• При работе коллекторов солнечных не производится какой-либо шум и не появляются вредные выбросы, то есть, данный вид получения тепла является самым экологичным.

В свою очередь, общие недостатки солнечных коллекторов таковы:

• Не слишком большое количество солнечных дней в нашем климатическом поясе сильно снижает эффективность работы любой подобной системы;
• Солнечное отопление редко может использоваться в нашей стране самостоятельно из-за того, что отопительный сезон приходится на самые короткие световые дни в году;
• За оптической чистотой поверхностей коллекторов необходимо следить постоянно, поскольку даже незначительные загрязнения сильно снижают их КПД;
• Работа готовой коллекторной системы отопления не полностью бесплатна, так как есть затраты на амортизацию, работу циркуляционного насоса и управляющей автоматики;
• Подобные сети обогрева способны относительно эффективно накапливать запасы тепловой энергии, только если в их составе есть крупные теплоаккумуляторы.

???? Виды солнечных коллекторов

Для того чтобы правильно выбрать и установить коллектор солнечный, нужно обязательно подробно разобраться с тем, какими они бывают.
А делятся все подобные уловители лучей на 3 вида, отличающихся следующими конструктивными особенностями:

1. Открытые солнечные коллекторы.

Открытые гелиосистемы представляют собой доступные для внешней среды трубопроводные мини-сети, внутри которых циркулирует нагреваемый солнечными лучами теплоноситель. В качестве последнего может использоваться вода, воздух, газ или антифриз. Трубки, по которым теплоноситель движется, крепятся к несущему каркасу в виде змеевика, или присоединяются несколькими параллельными рядами к входному к выходному патрубкам. Солнечные коллекторы открытого типа являются самыми простыми среди прочих аналогов, а потому стоят недорого, но, зачастую, не оснащаются изоляцией. Из-за этого они не способны сохранять солнечную энергию, а циркулирующий по ним теплоноситель достаточно быстро остывает. Соответственно, весьма низким оказывается и КПД таких устройств, вообще не предназначенных для работы с системами отопления в холодное время года. По всем перечисленным причинам открытые гелиоколлекторы применяются, в основном, в летние периоды – с целью подогрева воды для бытовых нужд, уличных душевых или небольших бассейнов. А наиболее эффективная эксплуатация подобных приспособлений возможна только в южных регионах нашей страны, и только в солнечную и безветренную погоду. Кроме того, желательно, чтобы в местах их использования не было значительных перепадов температуры воздуха на протяжении суток, а в домохозяйствах не было нужды в получении именно горячей, а не теплой воды. Таким образом, с учетом всей изложенной выше информации, можно констатировать, что солнечнее открытые коллекторы более всего подходят для использования только на дачах, или в аналогичных зданиях, предназначенных исключительно для временного проживания в теплые сезоны.

Таким образом, достоинства коллекторов солнечных открытых модификаций таковы:

• Простота и дешевизна конструкций;
• Возможность даже самостоятельного изготовления.

В свою очередь, недостатков у открытых солнечных систем оказывается больше, и это:

•  Крайне низкий КПД;
• Несовместимость с отопительными сетями;
• Быстрое остывание теплоносителя из-за отсутствия изоляции;
• Эффективная работа возможна только на юге и только при солнечной погоде.

2. Трубчатые солнечные коллекторы.

Трубчатые гелиосистемы представляют собой конструкции, собранные из отдельных вакуумных трубок в количестве от 18 до 30, внутри которых курсирует определенный теплоноситель, которым может быть вода, пар или газ. При этом, все трубки являются параллельными, а каждая из них подсоединяется к системе отдельно. Такая компоновка позволяет легко заменять составные коммуникации при их выходе из строя. Более того, благодаря модульной структуре солнечные коллекторы трубчатого типа можно собирать по частям прямо на крыше здания, что существенно облегчает их монтаж. В принципе, эти устройства можно назвать одной из разновидностей открытых гелиосистем. Но, в данном случае, теплоноситель оказывается лучше защищенным от внешних негативных влияний, особенно – в вакуумных установках, работающих по принципу классических термосов. А самое важное достоинство трубчатых гелиоколлекторов заключается в цилиндрической форме их нагревательных элементов, что позволяет им улавливать солнечное излучение на протяжении всего светового дня. Причем происходит это без каких-либо дополнительных систем слежения за движением Солнца, которые обходятся совсем не дешево.

При этом, нагревающие теплоноситель элементы данных коллекторов производятся в двух типах:

• Коаксиальная коллекторная трубка – это сосуд Дьаюра, который более известен, как обычный термос. Он делается из двух колб, из пространства между которыми откачивается воздух. А на внутреннюю поверхность внутренней колбы в несколько слоев наносится высокоселективное покрытие, способное эффективно поглощать солнечную энергию. Оно создает своеобразную оптическую ловушку для лучей, поскольку благодаря цилиндрической форме трубки они всегда попадают на нее перпендикулярно поверхности. При этом, данная энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику, состоящему из алюминиевых пластин. Однако, именно на этом этапе процесса происходят нежелательные потери тепла, что несколько уменьшает эффективность этих изделий;
• Перьевая коллекторная трубка – это одинарный стеклянный цилиндр, внутри которого находится перьевой абсорбер из меди, снабженный по всей длине усилителем в виде гофрированной пластины с высокоуровневым энергопоглощающим напылением. Последняя по форме напоминает перо. Эти приспособления имеют большую толщину стенок, чем коаксиальные, а для увеличения эффективности из них откачивается воздух. Благодаря такой конструкции передача тепла от абсорбера происходит без малейших потерь, из-за чего КПД перьевых трубок выше, чем у коаксиальных, равно как и срок их службы. Но, коллекторы на основе перьевых вакуумных трубок весьма сложны для ремонтов, в случае нарушения целостности колб или выхода из строя греющих элементов, а также стоят гораздо дороже своих более простых аналогов.

Существует и вторая классификация трубок для гелиоколлекторов, которые делятся по способу передачи тепла на два следующих вида:

Термотрубки (heat pipe) – представляют собой герметично запаянные емкости с жидкостью, которая быстро испаряется. Поскольку затем после конденсации она естественным образом стекает на дно термотрубки, минимальный угол ее наклона при монтаже должен составлять 20°. Эта жидкость получает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера и, под воздействием высокой температуры закипает, превращаясь в пар, который поднимается вверх. Затем пар отдает энергию теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения, снова конденсируется в жидкость и стекает в нижнюю часть трубки, после чего весь цикл повторяется снова. При этом, в качестве рабочей легкоиспаряющейся жидкости для таких трубок, зачастую, используется обычная вода при низком давлении;

Прямоточные трубки – представляют собой U-образные цилиндры, внутри которых циркулирует вода или антифризы, если их планируется использовать круглый год. Одна половина такой трубки предназначена для холодной жидкости, а вторая – для отвода нагретой. Как известно, при нагреве теплоноситель расширяется, вследствие чего его излишек поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае с термотрубками, минимальный угол наклона их прямоточных аналогов должен составлять не менее 20°. При этом, прямоточные солнечные системы более эффективны, поскольку нагревают теплоноситель сразу. Однако, нужно знать, что при прямоточном подключении давление в такой сети не может быть высоким, так как внутри каждой колбы есть технический вакуум.

Что касается общих достоинств и недостатком солнечных коллекторов с трубками, то плюсов у них гораздо больше, чем минусов, и они таковы:

• Минимальные потери тепла;
• Длительные эксплуатационные сроки;
• Способность функционировать при температуре до -30°С;
• Упрощенный монтаж, который можно выполнять даже по частям;
• Возможность приготовления теплоносителя с высокой температурой;
• Повышенная производительность на протяжении всего светового дня;
• Одинаковые конструктивные элементы, которые относительно легко менять;
• Низкая парусность, обусловленная способностью пропускать воздушные массы;
• Довольно высокая эффективность в регионах с умеренным и холодным климатом;
• Несмотря на немалую стоимость, трубчатые коллекторы окупаются гораздо быстрее.

В свою очередь, перечень недостатков коллекторов трубчатых солнечных систем включает следующие пункты:

• Относительно высокие стоимости;
• Ограниченные апертурные поверхности;
• Отсутствие способности к самостоятельной очистке от снега, льда или инея;
• Допустимость круглогодичного применения только при использовании антифризов.

3. Закрытые плоские коллекторы.

Закрытые гелиосистемы представляют собой более сложные конструкции, состоящие из алюминиевых корпусов, трубопроводов, утеплителей, прозрачных покрытий и особых поглощающих слоев, известных как абсорберы. В качестве последних задействуется зачерненная листовая медь, имеющая идеальную для такого применения теплопроводность. В процессе поглощения солнечного излучения абсорбером происходит передача полученной им энергии теплоносителю, который циркулирует по примыкающей к абсорберу системе трубок. В свою очередь, прозрачное покрытие служит для защиты таких панелей с наружных сторон от града и не только. Его изготавливают из противоударного закаленного стекла с полосой пропускания в диапазоне 0,4 - 1,8 мкм, на который приходится максимум солнечного излучения. С тыльной стороны солнечные коллекторы закрытого типа хорошо утепляются.

От всех прочих аналогов рассматриваемые изделия отличаются максимальной производительностью, совмещающейся с относительной конструктивной простотой. Это возможно благодаря использованию абсорберов, значительно увеличивающих КПД таких устройств, и способных улавливать, как прямое, так и рассеянное солнечное излучение. Соответственно, сфера применения закрытых гелиоколлекторов оказывается значительно шире, чем открытых гелиоустановок. Летом они могут без проблем полностью обеспечивать домохозяйства горячей водой. А в прохладные дни разных сезонов, не относящихся к отопительному периоду, они способны служить хорошей заменой газовым и электрическим обогревателям. При этом, плоские солнечные коллекторы оказываются особенно выгодны в использовании, если их применение планируется еще на стадии проектирования теплосетей.

Относительно достоинств и недостатков закрытых солнечных коллекторов можно отметить, что, в отличие от трубчатых аналогов, их у них почти поровну, и плюсы данных устройств – это:

• Доступная стоимость;
• Конструктивная простота;
• Самая большая апертурная площадь;
• Срок службы качественных изделий доходит до 50 лет;
• Высокая производительность в регионах с теплым климатом;
• Способность самостоятельно очищаться от налипания снега, льда и инея;
• Упрощение монтажа – при наличии механизмов для изменения угла наклона;

В свою очередь, список недостатков закрытых солнечных коллекторов включает следующие характеристики:

• Большой вес панелей;
• Достаточно высокие теплопотери;
• Высокая парусность – при расположении под углом к горизонту;
• Ограниченная производительность при перепадах температуры свыше 40 °С;
• Сложный монтаж, обусловленный, как массой, так и невозможностью разборки.

???? Расчет мощности солнечных коллекторов

После выбора вида оптимального преобразователя ультрафиолетового излучения, перед покупкой необходимо также вычислить производительность такого устройства или устройств. Относительно этого вопроса важно знать, что при расчете необходимой мощности солнечного коллектора вычисления часто ошибочно выполняют, исходя из количества поступающей солнечной энергии в самые холодные сезоны. Но, при таком подходе в дальнейшем окажется, что в другие месяцы года система будет постоянно перегреваться. Дело в том, что летом температура теплоносителя на выходе из солнечного коллектора может достигать 200 °С – в случае с паром и газом, 150 °С – в случае с водой; 120 °С – в случае с антифризом. А если теплоноситель будет кипеть, то он будет и частично испаряться, что приведет к необходимости пополнения его количества.

Поэтому, при расчете рекомендуется исходить из таких цифр:

• Обеспечение нужд горячего водоснабжения – не более 70 %;
• Обеспечение нужд отопительной системы – не более 30 %.

Соответственно, остальное необходимое тепло должно вырабатываться традиционным отопительным оборудованием. Но, даже при таких показателях на протяжении года будет экономиться порядка 40 % средств, которые бы пришлось затратить на отопление и горячее водоснабжение без установки солнечных коллекторов на дом. Что касается распространенных вакуумных систем, то мощность, вырабатываемая одной подобной трубкой зависит от географического местоположения коллектора. Показатель солнечной энергии, приходящейся в год на 1 м2 земной поверхности, называется инсоляцией. Зная длину и диаметр трубки, можно легко вычислить апертуру – эффективную площадь поглощения солнечного излучения. После этого нужно только применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления мощности одной трубки в год.

Пример подобного расчета выглядит так:

Исходные условия:

стандартная длина трубки – 1800 мм, эффективная длина – 1600 мм, диаметр – 58 мм, апертура – затененный участок создаваемый самой трубкой.

Соответственно, площадь теневого прямоугольника составит:

S = 1,6 · 0,058 = 0,0928 м2 При этом, КПД стандартной трубки достигает 80 %, солнечная инсоляция для региона с умеренным климатом составляет порядка 1170 кВт·ч/м2 в год.

То есть, одна трубка выработает за год: W = 0,0928 · 1170 · 0,8 = 86,86 кВт·ч

Нельзя не подчеркнуть, что пример приведенного выше расчета является весьма приблизительным, поскольку количество вырабатываемой энергии также зависит от ориентирования установки, угла ее расположения, среднегодовой температуры, и не только.

???? Варианты монтажа солнечных коллекторов

Как уже было упомянуто, к сожалению, в условиях господствующего на большей части территории нашей страны умеренного климата, работающие благодаря солнечному излучению устройства не могут обеспечивать домохозяйства достаточным количеством энергии на постоянной основе. Поэтому, они используются как дополнительные источники тепла, интегрируемые в существующие системы отопления и горячего водоснабжения, работающие за счет традиционных котлов. Тем не менее, такой способ применения все равно является выгодным, поскольку позволяет экономить топливо для классических теплогенераторов, а значит – и семейных бюджет. Исходя из целей задействования тепловых солнечных коллекторов, монтаж которых зависит от их вида, применяются разные схемы подключения.

Среди них самыми распространенными являются два следующих варианта:

• Летний вариант – для обеспечения горячего водоснабжения;
• Зимний вариант – для обеспечения отопления и горячего водоснабжения (только в южных регионах Украины).

При этом, установка солнечного коллектора в частном доме только с целью летнего использования максимально упрощается, позволяя обходиться в таком случае даже без циркуляционного насоса. Вода просто нагревается в коллекторе, и за счет собственного теплового расширения поступает в теплоаккумулятор или бойлер. Этот вид циркуляции получается естественным – ведь на месте горячей воды из емкости немедленно оказывается холодная, которая засасывается автоматически. Однако, зимой из-за отрицательных температур подобный прямой нагрев воды оказывается невозможен. Решить эту проблему можно только путем использования специальных антифризов, которые могут циркулировать по закрытому контуру даже в морозную погоду, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке. Но реальной отдачи от такой системы будет все равно не много.

Дело в том, что любая сеть, работающая за счет естественной циркуляции, не может быть очень эффективной, поскольку монтаж ее коммуникаций требует соблюдения оптимальных уклонов. Кроме того, аккумулирующий теплобак должен обязательно располагаться выше, чем солнечный коллектор. А чтобы накапливаемая жидкость как можно дольше сохраняла свою температуру, емкость нужно очень хорошо утеплить. Если же владельцы частного дома хотят добиться наибольшей отдачи от использования солнечного коллектора, схему его подключения придется значительно усложнить. Подобный вариант монтажа гелиосистемы требует несколько больших первоначальных вложений из-за использования автоматики, но оказывается более выгодным в последствии.

Так как автоматика позволяет оптимизировать работу теплосети, а значит – и добиться уменьшения потребления энергоресурсов. Так, чтобы ночью преобразователь не превращался в охладитель, циркуляцию воды в нем необходимо на время прекращать принудительно. Для этого понадобиться циркуляционный насос под управлением специального контроллера. Последний управляет работой перекачивающего устройства, ориентируясь на показания, как минимум, двух датчиков температуры. Первый датчик измеряет ее в накопительной емкости, а второй – на трубе подачи горячего теплоносителя, поступающего из солнечного коллектора. В моменты, когда температура в баке превышает температуру жидкости в коллекторе, контроллер немедленно выключает циркуляционный насос, прекращая движение теплоносителя по системе. В свою очередь, при снижении температуры в накопительной емкости ниже заданной, запускается отопительный котел, восполняющий для системы недостающее количество тепла.

???? Установка солнечных коллекторов в Киеве

Заказать монтаж солнечных коллекторов в Киеве и Киевской области, в том числе – под ключ, легко, при условии сотрудничества с компанией «Современные инженерные системы». Работа с традиционным и альтернативным теплотехническим оборудованием – наш основной профиль, поэтому наши мастера выполняют их в самые короткие сроки и по доступным расценкам. Также мы всегда делаем предварительный расчет гелиосистемы для отопления частного дома, позволяющий сразу определиться с ее полной комплектацией и стоимостью. При этом, абсолютно все необходимое для конструирования таких систем присутствует в нашем интернет-магазине. Установка солнечных коллекторов, цена которой зависит от их количества, размещения и сложности систем теплоснабжения – это бесплатная и экологичная энергия из неисчерпаемого источника, служащая комфорту проживания в частных домах.