Подогрев воды солнечным коллектором


Солнечный коллектор для нагрева воды своими руками 4

В этой публикации представлены результаты объемных исследований блогера Сергея Юрко. Показаны 3 солнечных коллектора, изготовленные мастером своими руками и наиболее эффективный из них — так называемый 3 пленочный коллектор, он нагревает воду до 60 градусов. Есть более простой 2 пленочный, и он способен доводить воду до 55 градусов. Самый простой и самый дешевый 1 пленочный, но он обеспечивает прогрев только до 35 или 40 градусов.

Мастера покупают изобретения в китайском интернет-магазине.

Стоимость одного квадратного метра этих примитивных коллекторов примерно в тысячу раз дешевле заводских аналогов, и поэтому возникает вопрос: а что же такого хорошего в фирменных коллекторах, что они стоят в тысячу раз дороже примитивных, которые может изготовить своими руками любой человек за несколько часов, потратив мизерные деньги.

Будем сравнивать простые коллекторы с дорогими заводскими моделями по эффективности, экономической целесообразности и другим характеристикам. И далеко не всегда это сопоставление в пользу заводских устройств. Ролик на тему: сделаем простейшие солнечные коллекторы и посмотрим, на что они способны. А также выясним, при каких случаях имеет смысл отказаться от дешёвого солнечного тепла с этих примитивных конструкций, чтобы заплатив сотни или тысячи раз дороже, получить такой же эффект от более дорогих устройств.

Личный интерес автора ролика к теме основан на предположении, что заводские солнечные коллекторы являются эволюционным тупиком солнечной тепловой энергетики, поскольку, например, солнечные батареи за последние несколько десятилетий подешевели больше чем в сто раз и график показывает процесс снижения цен. Возникает мысль, что эволюция солнечных коллекторов пошла не по тому пути и поэтому имеет смысл вернуться к самым простым технологиям.

3 простые конструкции коллекторов для нагрева воды от солнца

Черная пленка является единственной, из чего состоит 1-пленочный примитивный коллектор, то есть на пленку наливается вода и очевидно, что во время солнца это вода нагреется. Её можно купить на базаре в любом городе. Мастер приобрел три квадратных метра за 15 гривен. Стоимость коллектора выходит 15 евро цент за квадратный метр.

Но имеет смысл добавить еще одну — прозрачную пленку, которая покроет поверхность нагреваемой воды. Температура нагрева радикально увеличивается, поскольку вторая пленка останавливает испарение воды. Её продают на любом базаре для теплиц и из-за этого второго слоя стоимость коллектора увеличивается до 35 евро центов за квадратный метр.

Но есть еще и 3 пленочный вариант и дополнительная пленка тоже является прозрачной, она увеличит стоимость коллектора до 55 евро центов за квадратный метр. Функция 3 пленки, как и у стекла заводского плоского коллектора, то есть между стеклом и черным абсорбером формируется слой воздуха толщиной несколько сантиметров, воздух является теплоизолятором.

Сколько пленок нужно для хорошего нагрева воды?

Экспериментальные измерения дали неожиданные результаты, поскольку оказалось что в нашем случае результат применения третьей пленки не является таким эффективным, как в случае заводского плоского коллектора — температура нагрева воды увеличивается, но всего лишь на несколько градусов. Причем наша тройка коллекторов может иметь разные конструкции. К примеру 2 пленочная — прозрачная полиэтиленовая пленка, продается на базарах в виде рукава. Вода заливается внутрь рукава, а роль нижней черной пленки выполняют черная поверхность крыши многоэтажки. Аналогичное исследование, но с рукавом из не прозрачной, а черной пленки. Если вторая пленка черная, вариант предпочтительнее только при условии хорошей циркуляция воды через систему. Коллектор нагрел 100 литров воды до 66 градусов. Можно заметить несколько усложнений конструкции, в том числе лист пенополистирола толщинoй 3 сантиметра. но эксперименты показали, что теплоизоляция под коллектором увеличит температуру нагрева, но не радикально.

Эксперимент в августе с нагревом воды при температуре воздуха в тени 35 градусов показал, что пленочный коллектор на хорошей теплоизоляции нагрел воду до 63 градусов и в тот же самый момент другой коллектор нагрел воду до 57 градусов, хотя под ним теплоизоляции нет и его первая пленка лежит прямо на земле.

Дополнительные функции кустарного садового коллектора

Также интересно обратить внимание, что однопленочный коллектор во время дождя выполняет функцию сбора дождевой воды что для некоторых домов и местности может оказаться актуальным. кроме этого, 1 пленочные и 2 пленочные коллекторе ночью могут выполнять функцию градирни, то есть они отбирают тепло из воды, используемой для систем охлаждения. Можно использовать в режиме, когда днем через них циркулирует вода, которую нужно нагревать. а ночью коллектор охлаждает воду баков. днем вода из них используется для отбора тепла. в результате чего она нагревается. и поэтому следующей ночью ее нужно опять охлаждать коллекторами.

Интересно заметить, что высота воды в коллекторах может превышать несколько сантиметров. они являются одновременно и солнечным коллекторам и баком для горячей воды. То есть они работают как хорошо известная черная бочка на летнем душе.

Но очевидно, что после исчезновения солнца вода в коллекторе охлаждается. Для этого случая может оказаться интересным коллектор с тремя слоями пленки, вода в котором охлаждается медленно.

На фото. Стоимость заводских тепловых коллекторов в тысячу раз дороже представленных самодельных.

Статистика по измерениям эффективности самодельных и заводских солнечных нагревателей

1 августа проводил эксперимент по измерению производительности 2 пленочного коллектора. На протяжении солнечного дня измерял температуру воды и заносил в таблицу.

насколько эффективен нагреватель воды с пленкой

В следующий таблице интерпретация полученных результатов, в столбце количество теплоты, которую реально производил коллектор. Описано в примечании фото, как рассчитывалось по результатам измерений температуры. В другом столбце количество солнечной радиации, которая попала на солнечный коллектор. причем важно заметить, что она зависит от угла солнца над горизонтом, точнее от синуса этого угла.

Интересно, что в данный временной промежуток производство тепла коллектором было больше, чем количество солнечной радиации. но никакого парадокса нет, если обратить внимание на разницу температур. В это время температура воздуха была больше, чем воды в коллекторе, и поэтому она нагревалась не только из-за поглощения солнечной радиации, но и вследствие нагрева от более теплого воздуха. но в другие временные промежутки вода была уже теплее воздуха. причем, чем больше разница температур, тем больше тепловые утечки из воды в окружающий воздух. тем меньше полезного тепла производят коллектор. Можно прийти к выводу, что как только температура воды достигнет примерно 60 градусов, она прекратит нагреваться, поскольку упомянутые тепловые утечки сравняются с поступлением энергии Солнца в коллектор.

В правом крайнем столбце таблицы зафиксирована измеренная мощность нагрева коллектора на единицу площади, ее можно сравнить с столбцом с мощностью нагрева одного квадратного метра заводского коллектора в тех же условиях. Описано, как вычислял мощности. Один квадратный метр заводской модели имеет преимущество над такой же площадью самодельного только при работе на высоких температурах воды. а если нужно греть воду с температурой выше 60-70 градусов, то кустарный коллектор не сможет работать вообще. в то же время 1 квадратный метр самодельного теплообменника произведет тепла заметно больше, чем один квадратный метр фабричного, когда температура воды меньше температуры окружающего воздуха.

Результаты объясняются энергетическими характеристиками 2 пленочного коллектора.

А это оценка характеристик других типа примитивных нагревателей.

Приблизительные характеристики заводских плоских коллекторов, представленных в паспорте.

В интернете можно найти такие характеристики практически для любой марки. По таблице видно, что фирменный обменник тепла имеет преимущество по этому коэффициенту, благодаря чему он способен работать на высоких температурах. но с другой стороны самопальный коллектор работает намного лучше заводского в случае, если нужно подогреть воду с температурой ниже воздуха. Например, если нужно нагревать 10 градусную воду подземной скважины во время 30-градусной жары. дело в том, что коэффициент корректнее называть не тепловыми потерями, а коэффициентом теплообмена. Поскольку если вода в коллекторе холоднее воздуха, то в коллекторе нет тепловых потерь, а наоборот, из более теплого воздуха в него поступает дополнительное тепло. Данный коэффициент интерпретируется так, что если разница температур между водой и воздухом увеличивается на 1 градус, то обмен тепла через каждый квадратный метр коллектора увеличивается на 20 ватт.

Эта характеристика (оптический КПД) показывает кпд преобразования солнечной радиации в полезное тепло в условиях, когда температура теплоносителя в коллекторе равна температуре окружающего среды. В примечании описано, почему у простейших коллекторов этот показатель немного лучше, чем у заводских. Но это указан кпд нового чистого коллектора, а примитивные очень чувствительны к грязи. Текст ниже описывает, как много грязи накапливается в них течение эксплуатации.

Грязь и пузырьки в простых самодельных коллекторах

* В воду 1-пленочного коллектора извне приходит очень много разнообразной грязи. В 2-х и 3-пленочных устройствах эта проблема выражается в пылевом налете на верхней пленке, и после высыхания воды дождя или росы эта грязь группируется в непрозрачные пятна, которые могут очень заметно уменьшить КПД коллектора. Но с другой стороны, есть несколько несложных способов удалять эту грязь после дождя. * Из воды тоже выпадает много грязи в виде мелких хлопьев на поверхности воды или крупных хлопьев на дне. Эти выпадения усиливаются из-за нагрева воды. * Также накапливается «белый налет» (на верху 1-й и низу 2-й пленки), который заметно снижает КПД. Он прикрепляется к пленкам очень прочно, т.е. потоком воды не удаляется (и щеткой он оттирается с большим трудом и не полностью). Возможно, это выпадение солей из нагретой воды, возможно, это последствия разложения полиэтиленовых пленок. * Часть грязи в коллекторе может быть объяснена продуктами разложения полиэтилена вследствие УФ-радиации и высокой температуры. Обычно полиэтилен разлагается на перекись водорода, альдегиды и кетоны. В основном, это газы или жидкости, хорошо растворимые в воде. т.е. в осадок они вроде бы не должны выпадать. * КПД коллектора также снижается из-за большого количества газовых пузырьков (диаметром до нескольких миллиметров на верху 1-й и низу 2-й пленки), которые выделяются при нагреве воды (При нагреве уменьшается растворимость газов в воде). Интересно, что при расположении коллектора на земле на его 1-й пленке пузырьков практически нет (но они есть на низу 2-й) * Под 2-й пленкой могут образовываться большие пузыри, а также воздух в складках. Эти участки быстро запотевают, и это уменьшает КПД. * На краях коллектора 2-я пленка может не прилегать к воде: на таких участках низ запотевает и поэтому плохо пропускает солнечную радиацию.

* В 3-пленочных коллекторах могут быть запотевания низа 3-й пленки. Это случается при неправильной установке 2-й пленки (из-за чего пар из коллектора может проникать под 3-ю пленку) или из-за её повреждений. В таких случаях нужно устанавливать 3-ю пленку так, чтобы ветер слегка вентилировал пространство между нею и 3 слоем.

Загрязнение воды коллекторов из-за разложения полиэтиленовых пленок

Это разложение будет из-за одновременного воздействия кислорода воздуха, ультрафиолетовой солнечной радиации и температуры 50-60 град. Полиэтилен разлагается на альдегиды, кетоны, перекись водорода и др. При нагреве в коллекторе каждого 1 куб. м воды его полиэтиленовые пленки будут выделять порядка 1 г продуктов разложения (На 1 кв. м коллектора приходится около 100 г 1-й и 2-й пленок, и за время своей службы они выделят, по очень приблизительным оценкам, около 10 г «продуктов разложения» и нагреют порядка 10 куб. м воды). Но непонятно, сколько из этих 1 мг/ литр перейдет в воду, а сколько улетит в атмосферу, выпадет в осадок на дне коллектора и бака горячей воды, перейдет в тот «белый налет» (о котором я говорил в предыдущем тексте), не выйдет за пределы массы полиэтилена Кроме того, непонятно благоприятное влияние на очистку воды вследствие ее пребывания и нагрева в коллекторе (а там из нее выпадает очень много осадка), а также вследствие пребывания в баке горячей воды. Таким образом, по приблизительным оценкам, в воду поступит 0,1-0.5 мг / литр продуктов разложения полиэтилена, которые распределятся между десятками хим. веществ с концентрациями по 0.001-0,1 мг на литр нагреваемой воды. Поскольку это недалеко от ПДК вредных веществ, консультация с СЭС лишней не будет. Например, согласно стандарту ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»: — Есть ограничения по 13 шт. альдегидов — ПДК от 0,003 мг / литр до 1 мг / литр, например, ПДК формальдегида — 0.05 мг / литр, а самые жесткие требования к бензальдегиду — 0.003 мг / литр — ПДК перекиси водорода — 0,1 мг / литр

— По 3 шт. экзотических кетонов тоже есть ограничения с ПДК 0,1-1,0 мг / литр

Выводы:

1) Если вода «застоялась» коллекторах, то концентрация «продуктов разложения» в ней будет в разы или десятки раз больше. Возможно, такую воду лучше выбрасывать. 2) Желательно использовать более тонкие пленки (они будут давать меньше «продуктов разложения»). 3) Пленки желательно как можно стабилизированные. Например, тепличная предпочтительнее обычной (не подкрашенной) полиэтиленовой, она стабилизируется против воздействия УФ-радиации. Другой пример: полиэтилен высокой плотности медленнее разлагается из-за высокой температуры, чем низкой плотности. 4) Отношение площади коллекторов к потребности объекта (в горячей воде) желательно как можно меньше. Т.е., например, при суточной потребности 10 куб. м горячей воды, станция с 50 кв.м. коллекторов дает загрязнение (концентрация вредных веществ) воды в десятки раз меньше, чем станция с 500 кв.м. коллекторов, в том числе и из-за более низкой температуры нагрева воды коллекторами, что уменьшает скорость разложения полиэтилена. 5) Если 2-я пленка коллекторов будет черная (а не прозрачная), то загрязнение воды должно быть в разы меньше (поскольку УФ-излучение проникает только в верхний слой 2-й пленки). 6) Можно подумать над таким вариантом работы солнечной станции, когда коллекторы нагревают

техническую воду, которая затем передает свое тепло через теплообменник чистой воде ГВС.

Какую лучше применять пленку для сбора солнечного тепла — черную или прозрачную ?

Оптический кпд заметно уменьшается из-за воздушных пузырьков и запотевания второго слоя пленки коллектора. это к тому, что кпд реально эксплуатируемого устройства по всему сроку эксплуатации окажется на несколько десятков процентов меньше. Поэтому не имеет смысла стремиться к дорогим пленкам с большой долговечностью, поскольку за несколько месяцев эксплуатации на них накопится столько грязи, что пленки захочется заменить. Из-за таких проблем с разнообразной грязью склоняемся к тому, что 2 пленка должна быть все таки непрозрачной, а черной.

У этого коллектора черная пленка и нет радикального уменьшения кпд из-за грязи. Но у него есть проблема — солнце нагревает только тонкий верхний слой воды. Тем не менее существует несколько вариантов решения проблемы, которые будут получены после исследований.

Важно иметь ввиду что ветер увеличивает коэффициент теплопотерь примитивных коллекторов, а в случае однопленочного это влияние ветра может быть радикальным, так как увеличиваются потери тепла из коллектора вследствие испарения воды и может дойти до того, что даже в идеально солнечный день, но при сильном ветре и низкой влажности 1-пленочный сможет нагреть воду только на несколько градусов выше температуры окружающего воздуха. Кроме этого коэффициент к1 нужно увеличить на несколько десятков процентов, если под коллектором нет теплоизоляции и он лежит непосредственно на земле, на поверхности крыши и тому подобное.

Во 2 серии этого фильма сравниваются примитивные и заводские коллекторы по темам работы зимой, простоте подключения, экономической целесообразности, областям применения на практике.

Обсуждение здесь.

Вторая часть (о работе зимой)

https://www.youtube.com/watch?v=iHZi0QK8gNQ&t=25s

3, 4 серии (техобслуживание)

https://www.youtube.com/watch?v=wgta87YyJCs https://www.youtube.com/watch?v=sMOyd__cMx8

Другие ссылки: — Конструкция и технология того сверх дешевого солнечного нагревателя:

https://www.youtube.com/watch?v=cjmZMWli5hs

— Эксперимент с заливкой воды в рукав полиэтиленовой пленки:

https://www.youtube.com/watch?v=ScWhVOQYjPQ&t=249s

izobreteniya.net

Водонагревающие солнечные коллекторы: конструкция, принцип действия, установка

Солнечные коллекторы для нагрева воды – это преобразователи одного вида энергии (электромагнитного излучения солнца) в другой (тепловую энергию молекул воды) с возможностью ее сохранения и использования в течение длительного времени. Они характеризуются:

  • экологичностью;
  • высоким коэффициентом преобразования;
  • простотой конструктивных решений;
  • невысокой стоимость интеграции в существующие объекты и коммуникации.

Купив и установив солнечный коллектор (СК) для нагрева воды, можно сократить ежегодные расходы на отопление и горячее водоснабжение на 50% и больше.

Целесообразнее всего устанавливать солнечный коллектор при:

  1. отсутствии подвода к объекту магистрали с природным газом (СК является эффективным дополнением к электрическому котлу и тепловому насосу);
  2. желании сэкономить на расходе газа;
  3. необходимости круглогодичного обогрева бассейна.

При этом надо оценивать степень окупаемости солнечного коллектора. Например, при снабжении объекта природным газом она, как правило, очень низкая. В таком случае оптимально использовать СК для предварительного подогрева воды, в дальнейшем подающейся в котел.

Типы солнечных коллекторов

Классифицировать солнечные коллекторы для нагрева воды можно по их конструктивным и функциональным особенностям на:

  1. вакуумные с непосредственной теплопередачей (термосифонные);
  2. вакуумные с непосредственной теплопередачей и теплообменником;
  3. вакуумные с термотрубками;
  4. плоские.

В вакуумных солнечных коллекторах с непосредственной теплопередачей к накопительному баку присоединяются вакуумные трубки, в которые вода поступает из контура теплообменника. В трубках происходит ее нагрев, после чего она вновь поступает в теплообменник. Высокий КПД таких СК, называемых термосифонными, обеспечивается минимумом элементов, участвующих в теплообмене. Еще одна их особенность – низкое гидравлическое сопротивление.

Оснащение бака вакуумных солнечных коллекторов теплообменником позволяет:

  • подключать их к напорным системам водоснабжения;
  • заполнять водонагревательный контур жидкостями с низкой температурой замерзания для возможности эксплуатации при небольших отрицательных температурах;
  • избежать скопления в коллекторе солей и загрязнений.

При использовании специальных термотрубок, их размещают внутри вакуумных трубок. Для жесткой фиксации термотрубки используются алюминиевые ребра. Их форма обеспечивает максимальную площадь контактной зоны между термотрубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубки, чем достигается увеличение теплопередачи теплоносителю через медную стенку проточного теплообменника.

Плоский солнечный аккумулятор имеет форму прямоугольной панели со стеклянной с лицевой и теплоизолированными с остальных сторон стенками. Внутри нее располагается пластинчатый поглотитель тепловой энергии из медного или алюминиевого сплава, который и выполняет функции переноса тепла. Поверхность этого поглотителя покрывается слоем материала, увеличивающего ее поглощающую способность в видимом спектре и уменьшающего мощность излучения в инфракрасном диапазоне.

По принципу действия все эти солнечные коллекторы для нагрева воды можно разделить на два основных типа – одноконтурные и двухконтурные.

  • Одноконтурные СК предназначены для сезонной эксплуатации в регионах, где бывают отрицательные температуры. Круглый год ими можно пользоваться в климатических зонах без зимнего сезона. В одноконтурных коллекторах накопителем тепловой энергии и теплоносителем является одна и та же вода. К ней предъявляются предельные требования по давлению, чистоте и жесткости.
  • Двухконтурные солнечные коллекторы могут эксплуатироваться в постоянном режиме в регионах с отрицательной температурой до нескольких десятков градусов. Вода для них может быть жесткой и неочищенной.

По типу циркуляции теплоносителя солнечные коллекторы классифицируются на естественные и принудительные.

  • В системах с принудительной циркуляцией в контур с теплоносителем включается насосная установка (при этом необходимо, чтобы направления принудительной и расчетной естественной циркуляции совпадали). Это позволяет размещать теплоаккумулирующий бак в любой части здания. Преимущество систем с принудительной циркуляцией – возможность автоматизации работы с помощью контроллеров, реле, датчиков и других электротехнических средств.
  • Солнечные коллекторы, в которых теплоноситель циркулирует естественным образом, отличаются простотой, надежностью и дешевизной. В них перемещение нагретого теплоносителя вверх происходит за счет его меньшей плотности, в сравнении с холодным теплоносителем. Поэтому теплоаккумулирующий бак необходимо размещать над солнечным коллектором с естественной циркуляцией.

Принцип действия

Любой солнечный конвектор функционирует на следующих физических эффектах:

  • нагрева материи при поглощении ею электромагнитного излучения;
  • отдачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому;
  • естественной конвекции или принудительно создаваемого напора.

В различных моделях СК эти эффекты используются по разному:

  1. поглощающим солнечный свет и нагревающимся материалом может быть непосредственно теплоноситель или другой промежуточный материал;
  2. при использовании промежуточного теплопроводящего материала обеспечивается его контакт с остывшим теплоносителем;
  3. нагретый теплоноситель по трубам замещается остывшим и перемещается в зону, где необходимо отдать теплоту, с помощью циркуляционных насосов или особого расположения теплоаккумулирующего бака относительно коллектора.

Принцип функционирования вакуумных СК с непосредственной теплопередачей заключается в естественной конвекции, обеспечивающей перемещение воды наверх. Поэтому такой СК должен размещаться ниже бака – при нагреве в трубках у воды уменьшается вес, и она перемещается в верхнюю зону бака, замещая более тяжелую остывшую воду.

В солнечном коллекторе с термотрубкой ее верхняя нагревающаяся часть передает тепло медному приемнику с теплоизоляцией. Он располагается в нижней части СК и является промежуточным элементом в цепи теплопередачи от термотрубки к отопительному контуру, что позволяет выполнить разделение этих элементов. Такое решение обеспечивает функционирование СК даже при нескольких неисправных термотрубках. К тому же, процесс их замены очень прост и не требует освобождения теплообменного контура от теплоносителя.

Термотрубка изготавливается из медной цилиндрической заготовки (отрезка трубы), которая герметично запаивается с торцов. Предварительно внутрь нее помещается небольшое количество жидкости с низкой температурой кипения. Постепенный нагрев термотрубки приводит к закипанию жидкости внутри нее, ее испарению из нижней части и конденсация в верхней части. В результате зона конденсации может нагреваться до высокой температуры и служить источником тепловой энергии. Сконденсированная жидкость стекает вниз и цикл повторяется.

При запайке торцов тепловой трубки в ее объеме создается вакуум, что обеспечивает процесс парообразования даже при температуре +30°C. Меньшая внешняя температура приводит к переключению тепловой трубки в режим сохранения накопленной тепловой энергии.

В плоском вакуумном аккумуляторе трубки, по которым протекает теплоноситель, располагаются под поглотительной пластиной и припаяны к ней. Стенки панели, в которую помещен поглотитель, обладают теплоизоляционными свойствами, чем обеспечивается высокий КПД преобразования. Плоские солнечные аккумуляторы могут функционировать в системах нагрева воды как с естественной, так и с принудительной циркуляцией.

В процессе эксплуатации солнечных коллекторов необходимо проводить их регулярное профилактическое обслуживание. Это продлевает срок их службы и исключает внезапный выход из строя. Например, у вакуумных моделей с непосредственной теплопередачей требуется периодически очищать внутреннюю поверхность трубок от минеральных и грязевых отложений, особенно при использовании жесткой воды и неочищенной воды.

Монтаж

Важно установить солнечный коллектор таким образом, чтобы прямое попадание солнечных лучей на активную поверхность обеспечивалось в период их максимальной интенсивности (в среднем с 9.00 до 15.00). Таким условиям удовлетворяет ориентация активной поверхности на юг. Угол наклона выбирается исходя из широты месторасположения СК.

Надежность монтажа должна быть рассчитана на максимально возможные в регионе ветровые нагрузки.

При монтаже солнечных коллекторов для нагрева воды необходимо учитывать их технические характеристики. Например, бак вакуумных СК с непосредственной теплопередачей не способен выдерживать давление более 0,2 атм., поэтому подключать его к магистральному водоснабжению необходимо через специальные устройства – понижающий редуктор, емкость с поплавковым затвором и др.

Вакуумные солнечные коллекторы требуют использования дополнительного оборудования и при необходимости создания на их выходе напора с силой, достаточной для работы сантехнических приборов. Таким дополнительным оборудованием может быть гидроаккумулятор, способный работать с горячей водой.

При этом необходимо обеспечить минимальное расстояние между СК и баком – его длина пропорциональна тепловым потерям и стоимости установки.

aeteh.ru

Солнечный коллектор — водонагреватель для дома, бассейна

⇒ Горячее водоснабжение частного загородного дома

Солнечную энергию для дома можно получать почти бесплатно и в довольно больших количествах. Почему не даром? Потому что, платить все же придется, но не Cолнцу, а производителям и монтажникам солнечных коллекторов. 

Использование энергии Солнца в системах отопления и горячего водоснабжения частного дома, а также для нагрева воды в бассейне, по мере быстрого роста стоимости энергоносителей, становится все более выгодным. Срок окупаемости солнечного оборудования дома с каждым годом оказывается все меньше.

В странах Евросоюза установка солнечных коллекторов в новых домах является обязательной.

Чем дальше от экватора, чем больше пасмурных дней в году, чем выше загрязнение воздуха, тем меньше солнечной энергии падает на Землю. 

Интенсивность солнечного излучения в южных регионах России, на территории Украины, южнее 52о с.ш., составляет от 1000 до 1350 кВт*ч/м2/год.

В наших южных широтах наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на период с марта по октябрь. В это время потребность в отоплении дома минимальна. Поэтому солнечную энергию в основном используют для нагрева воды в системе горячего водоснабжения дома и для подогрева воды в бассейне.

В системах отопления частного дома солнечные коллекторы применяют реже — только как вспомогательные нагреватели к котлу. Расчеты и практика применения показывают, что использование солнечных коллекторов в системах отопления в наших широтах в большинстве случаев не окупает затраты на их установку.

Следует заметить, что срок окупаемости установок солнечного нагрева очень сильно зависит от стоимости топлива, которое используется в доме для отопления и нагрева воды в системе ГВС. Например, за 1 кВт*час энергии, поступающей из электрической сети, хозяин дома заплатит примерно в 10 раз больше, чем за такое же количество, полученной от котла на природном газе.

В домах, где для отопления или нагрева воды используется электроэнергия, или работают котлы на дорогих видах топлива, установка солнечных коллекторов будет наиболее выгодна.

Оснащение систем отопления и ГВС солнечным коллектором обойдется дешевле, если их установку предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома. Переделки всегда обходятся дороже.

Солнечный коллектор для дома, бассейна

Солнечный коллектор — это аппарат, в котором энергия солнечных лучей преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. Теплоноситель переносит тепло от солнечного коллектора к нагревателям систем горячего водоснабжения и отопления. В качестве теплоносителя используют воду или не замерзающие жидкости.

Солнечный коллектор может иметь разную конструкцию. Существуют три принципиальных схемы устройства солнечного коллектора.

Плоский солнечный коллектор

Солнечный плоский коллектор представляет собой металлическую пластину — абсорбер, которая поглощает падающее на неё солнечное излучение. К пластине прикреплены медные трубки, по которым течет теплоноситель.

Пластину абсорбера покрывают слоем никеля, черной меди или другим материалом с высоким коэффициентом поглощения солнечных лучей, но с низким коэффициентом тепловых излучения. Такое покрытие называют селективным.

Некоторые производители выпускают адсорберы из двух сложенных вместе металлических листов. В листах выдавлены канавки, из которых при соединении листов формируются трубки коллектора.

Солнечные лучи нагревает абсорбер, от него тепло передается теплоносителю, температура которого увеличивается.

Абсорбер с трубками устанавливают в теплоизолированный плоский корпус. Сверху корпус коллектора закрывают стеклом. Для улучшения теплоизоляции обычно устанавливают стеклопакет с двойным или тройным остеклением. Стекло должно выдерживать удары града.

Чтобы остекление и поверхность адсорбера не запотевали, в корпусе коллектора оставляют отверстия для вентиляции.

Пластина абсорбера в плоском коллекторе со стеклопакетом может нагреваться до 190 оС.

Панель солнечного водонагревателя с параллельным расположением труб

В плоском солнечном коллекторе трубы, по которым циркулирует теплоноситель, обычно располагают вертикально. Применяют две схемы разводки труб — параллельную и змейкой.

Параллельная схема расположения труб имеет маленькое гидравлическое сопротивление. Коллекторы с параллельными трубами применяют в схемах подогрева воды с естественной циркуляцией теплоносителя.

Панель солнечного водонагревателя с расположением труб змейкой

Укладка труб змейкой позволяет получить чуть больший тепловой эффект, но при этом резко увеличивается гидравлическое сопротивление системы. 

Трубчатый вакуумный солнечный коллектор

Солнечный трубчатый вакуумный коллектор устанавливают на южном скате крыши

Солнечный вакуумный трубчатый коллектор может состоять из нескольких десятков стеклянных труб, в которых создан вакуум. Внутри вакуумных труб находятся трубки с теплоносителем.

На нижнюю часть поверхности труб нанесено зеркальное покрытие, фокусирующее солнечные лучи. А верхняя часть труб покрыта селективным слоем, который пропускает солнечные лучи внутрь, но задерживает отраженное тепловое излучение изнутри стеклянной трубы. 

Наличие вакуума значительно уменьшает тепловые потери, а зеркальное и селективное покрытия еще больше увеличивают эффективность коллектора.

Солнечный коллектор с тепловыми трубками

Солнечный коллектор с тепловыми трубками внешне похож на вакуумный трубчатый, показанный на рисунке выше. Отличия находятся внутри стеклянных вакуумных труб.

В каждой стеклянной трубе коллектора имеется другая, герметично закрытая со всех сторон трубка с легко испаряющейся жидкостью — тепловая трубка. Верхний конец тепловой трубки является частью теплообменника, в котором циркулирует теплоноситель контура солнечного коллектора.

При нагреве солнечными лучами жидкость в тепловой трубке испаряется. Пары поднимаются вверх и конденсируются на поверхности трубки, прикрепленной верхним концом к теплообменнику. Процесс конденсации сопровождается передачей тепла теплоносителю.

Конденсат в тепловой трубке стекает вниз, снова нагревается, испаряется — процесс повторяется и идет непрерывно.

В солнечном коллекторе с тепловыми трубками каждая стеклянная вакуумная труба может быть легко отсоединена и, при необходимости, заменена на новую.

Схемы подключения солнечного коллектора

В схемах отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно должна быть накопительная емкость — аккумулятор тепла. Связано это с тем, что процесс поступления тепла от солнечного коллектора не совпадает по времени и количеству с расходом тепловой энергии потребителями в доме. Солнечную энергию сначала накапливают в аккумуляторе тепла, а затем расходуют по мере необходимости.

Для накопления энергии, получаемой от солнечного коллектора, выгодно использовать накопительный бойлер системы ГВС или буферную емкость системы отопления. Для этого, устанавливают бойлер и буферную емкость с дополнительным теплообменником, к которому и подключают солнечный коллектор.

Теплоноситель в системе нагрева с солнечным коллектором

В системе нагрева с солнечным коллектором, которая работает только летом, в качестве теплоносителя используют воду. Системы на воде подходят для дачных домов сезонного проживания или летних бассейнов.

Для систем отопления и ГВС жилого дома, работающих круглый год, в качестве теплоносителя приходится использовать незамерзающие жидкости — антифриз на основе пропиленгликоля или минеральное масло.

Все жидкости — теплоносители при нагревании расширяются. Поэтому контур нагрева солнечного коллектора обязательно оборудуют расширительным баком.

В контуре с солнечным коллектором существует также опасность закипания жидкости — необходима защита от перегрева и установка предохранительного клапана.

Защита от перегрева контура солнечного коллектора обычно осуществляется путем выбора накопительного бака достаточно большого объема, способного поглотить излишки тепла.

Для удаления воздуха из контура коллектора устанавливают автоматический воздухоотводчик.

Для предотвращения опорожнения накопительного бака трубопровод холодной воды оснащают обратным клапаном.

Расширительный бак, воздухоотводчик, предохранительный клапан контура коллектора аналогичны тем приборам, которые устанавливаются на отопительном котле в доме. 

Схема нагрева воды солнечным коллектором для дачного дома

Схема ГВС с естественной циркуляцией теплоносителя в контуре солнечного коллектора и с электрическим нагревателем в накопительном баке.

Для возникновения в контуре естественной и достаточно интенсивной циркуляции необходимо, чтобы дно накопительного бака было выше солнечного коллектора минимум на 0,5м. (чем больше — тем лучше). Кроме того, стараются уменьшить гидравлическое сопротивление в контуре солнечного коллектора. Для этого увеличивают диаметр труб и сокращают их длину.

В качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость.

Для подогрева воды в пасмурные дни накопительный бак имеет электрический нагреватель.

С целью уменьшения потерь тепла накопительный бак и трубопроводы защищают теплоизоляцией толщиной 50 мм.

Если бак устанавливают на холодном чердаке, то толщину теплоизоляции бака следует увеличить до 100 -150 мм. а трубопроводы с водой разместить под теплоизоляцией бака.

Для дачного дома с сезонным проживанием, только летом, можно контур солнечного коллектора выполнить без теплообменника в баке. В контур коллектора вода будет поступать из нижней части бака, нагреваться и накапливаться в верхней части бака. С наступлением холодов систему необходимо опорожнять от воды.

Эта простая и не дорогая система ГВС подойдет для дачных домов и небольших частных домов с отоплением твердотопливным котлом или печами.

Схема ГВС с солнечным коллектором и бойлером косвенного нагрева 

Схема подключения солнечного коллектора к системе ГВС с накопительным бойлером косвенного нагрева и отопительным котлом с контуром ГВС.

Для подключения солнечного коллектора к системе ГВС с бойлером косвенного нагрева необходимо установить в доме бойлер с двумя теплообменниками.

К нижнему теплообменнику подключают нагревательный контур солнечного коллектора, а к верхнему — контур ГВС отопительного котла.

Если тепла от солнечного коллектора не хватает для нагрева воды, то включается в работу контур ГВС отопительного котла.

Установка циркуляционного насоса в контур солнечного коллектора позволяет установить коллектор в любое положение относительно бойлера, а также уменьшить диаметр трубопроводов.

Схему с бойлером косвенного нагрева удобно применять при отоплении дома газовым котлом.

Схема отопления и ГВС с солнечным коллектором и буферным баком — аккумулятором тепла

Схема подключения солнечного коллектора к системе отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла и отопительным одноконтурным котлом.

Прочитайте статью «Схема отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла» для того, чтобы узнать преимущества, особенности устройства и работы этой системы.

Солнечный коллектор присоединяют к теплообменнику, установленному в буферном баке — аккумуляторе тепла. К буферному баку подключают и контур отопительных приборов дома (на схеме не показан).

Тепловая энергия от всех источников — солнечного коллектора и отопительного котла, аккумулируется в буферном баке. Из буферного бака тепло расходуется и на подогрев воды в системе ГВС, и подается в контур отопления помещений дома.

Схема с буферным баком позволяет использовать солнечную энергию и для отопления, и для горячего водоснабжения.

Схема ГВС с солнечным коллектором и двумя накопительными баками

Схему ГВС с двумя накопительными баками используют при подключении солнечного коллектора к уже работающему оборудованию системы горячего водоснабжения в доме. Когда в уже установленном бойлере отсутствует теплообменник для подключения солнечного коллектора.

Покупка нового бойлера ГВС с двумя теплообменниками и замена старого часто не выгодна. Дешевле приобрести новый бойлер небольшого объема только для контура солнечного коллектора.

Схема подогрева воды для бассейна

Подогрев воды в бассейне можно производить по любой из первых трех схем, которые приведены выше.

Холодная вода со дна бассейна подается циркуляционным насосом по трубопроводу холодной воды в накопительный бак, бойлер или буферную емкость. Горячая вода возвращается обратно в бассейн.

Принудительная циркуляция воды в контуре бассейна обеспечивает перемешивание воды и равномерное распределение температуры по глубине бассейна.

Для бассейнов, работающих только летом, накопительный бак можно исключить из схемы подогрева. Роль накопительного бака может выполнять ванна бассейна.

Автоматизация систем отопления и ГВС с солнечным коллектором

Системы отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно оснащают приборами автоматики.

Автоматика необходима для согласованного управления работой нескольких источников энергии — солнечного коллектора, котла, электрического нагревателя, а также циркуляционных насосов.

Датчики измеряют температуру теплоносителя у источников нагрева, температуру воды в накопительном баке. Блок управления по заданной программе анализирует показатели датчиков и выдает команды  на включение или отключение тех или иных источников нагрева, насосов и клапанов.

Человек имеет возможность задавать параметры регулирования — например, устанавливать максимальную температуру горячей воды. 

Какой солнечный коллектор лучше выбрать

У каждого вида солнечных коллекторов имеется свой минимальный порог интенсивности солнечного излучения, при котором они начинают нагревать теплоноситель.

Плоский солнечный коллектор начинает греть при мощности солнечного излучения 70-90 Вт/м2. Для сравнения — если плоский коллектор не закрыт стеклом, то он начнет греть при мощности излучения более 200 Вт/м2.

Трубчатые солнечные коллекторы с вакуумными трубками начинают греть теплоноситель при мощности излучения более 20 Вт/м2.

Солнечный коллектор поглощает как прямое, так и рассеяное излучение Солнца. Общая интенсивность и соотношение разных видов излучения меняется в зависимости от времени года и суток, состояния облачности.

Например, в наших южных широтах максимальная мощность излучения в декабре около 80 Вт/м2, в апреле и сентябре 350 Вт/м2, а в июне 600 Вт/м2. Причем, летом доля прямого излучения составляет примерно 54%, а зимой только 30%.

Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что для того, чтобы солнечный коллектор приносил в дом тепло круглый год, необходим трубчатый солнечный коллектор.

КПД плоского и трубчатого солнечных коллекторов

Мерой эффективности солнечного коллектора является его тепловой коэффициент полезного действия. КПД солнечного коллектора определяется как отношение количества полезной энергии, забираемой теплоносителем, к количеству энергии солнечного излучения, которое падает на поверхность коллектора.

КПД — коэффициент полезного действия для трех конструкций плоского и одного трубчатого солнечных коллекторов

На рисунке показаны графики зависимости коэффициента полезного действия — КПД, для трех конструкций плоского и одного трубчатого коллекторов. Это примерные характеристики при плотности потока солнечного излучения G=700 Вт/м2. По горизонтальной оси редуцированная (приведенная) температура, равная =dT/G, К*м2/Вт., где dT — разность между средней температурой теплоносителя коллектора и наружной температурой воздуха окружающей среды.

Анализируя графики, можно сделать следующие выводы:

Солнечный коллектор работает с максимальным КПД при маленьких значениях редуцированной температуры dT, в режиме с минимально необходимой температурой теплоносителя.

Причем, при малых значениях редуцированной температуры КПД у разных конструкций плоских коллекторов практически одинаков.

Плоский солнечный коллектор, который характеризуется графиком КПД с меньшим углом наклона  к горизонту (линия I на рисунке),  обеспечит нагрев воды при невысокой плотности лучистой энергии и довольно низкой температуре наружного воздуха — весной, осенью.

Плоский коллектор в летнее время, в условиях интенсивного солнечного излучения, имеет более высокий КПД, чем трубчатый. Для систем ГВС, работающих только в теплый сезон выгодно использовать плоские солнечные коллекторы. К тому же, плоский коллектор значительно дешевле трубчатого.

В условиях малой интенсивности солнечного излучения КПД трубчатого коллектора выше, чем плоского. Установка трубчатого коллектора может быть выгодна только для круглогодичного подогрева воды в системах отопления и ГВС, а также в северных широтах. Учитывая высокую стоимость трубчатого коллектора, его установка окупается далеко не всегда.

Выбираем солнечный коллектор для бассейна

С учетом сделанных выше выводов, для подогрева воды в летнем бассейне буквально на несколько градусов, можно выбрать любую конструкцию плоского коллектора. Эффективность при маленькой величине dT будет у всех конструкций плоских коллекторов примерно одинакова.

Выгодно использовать самые дешевые плоские коллекторы с пластиковыми абсорберами, которые могут вообще не иметь остекления.

Поскольку температура теплоносителя в коллекторе будет не намного отличаться от температуры наружного воздуха, то потери тепла при отсутствии стекла будут незначительными. Кроме того, из-за отсутствия стекла немного увеличится количество солнечной энергии, попадающей на адсорбер. Стекло всегда задерживает некоторую часть солнечных лучей.

Расчет размера солнечного коллектора

Из-за неравномерного поступления тепла от солнечного коллектора, в системах ГВС и отопления дома обязательно устанавливают еще один источник нагрева.

Производительность солнечного коллектора рекомендуется выбирать такой, чтобы от него получать не более 2/3 тепловой энергии, необходимой для горячего водоснабжения в доме. Использовать более производительные аппараты не выгодно — не окупятся. 

Для горячего водоснабжения в доме достаточно выбрать солнечный коллектор площадью 1-1,5 м2 в расчете на одного члена семьи.

Солнечный коллектор в системе отопления выбирают так, чтобы получать от него 20-30% тепловой энергии, необходимой для отопления. Размеры солнечного коллектора для целей отопления выбирают из расчета 0,3-0,5 м2 площади коллектора на 1м2 отапливаемой площади дома.

Для закрытого бассейна площадь солнечного коллектора может составлять 40% площади зеркала воды в нем.

В открытом бассейне воду нагревают солнечным коллектором площадью 70% от площади зеркала воды.

Пример расчета размеров площади солнечного коллектора 

Выполним расчет размера солнечных коллекторов для дома с отапливаемой площадью 200 м2, в котором проживают 5 человек. В доме имеется крытый бассейн с площадью воды 30 м2.

Площадь солнечных коллекторов составит:

  • Для нагрева воды в системе ГВС —    5-7,5 м2
  • Для системы отопления дома —         60-100 м2
  • Для подогрева воды в крытом бассейне —      12 м2

Где можно установить солнечный коллектор

Солнечный коллектор можно установить в любом месте — на крыше, на стене, на земле. Важно только установить его под определенным углом к горизонту и на солнечном месте.

Но чаще всего коллектор устанавливают на крыше. Коллектор на крыше не занимает места на участке и получает больше солнечных лучей — там его ничто не затеняет.

На крыше коллектор устанавливают над кровлей. Существуют конструкции коллекторов, которые встраивают в покрытие крыши.

При установке в любом месте следует иметь ввиду, что аппарат требует обслуживания. Поэтому, необходимо продумать, как облегчить доступ к нему.

Кроме того, коллектор достаточно тяжелое устройство. поэтому стропила крыши или стена дома могут потребовать усиления их конструкции.

Лучше всего, установку солнечного коллектора предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома.

Ориентация поверхности солнечного коллектора

Максимальное количество солнечной энергии коллектор будет получать, если его поверхность будет перпендикулярна направлению на солнце.

Направление на солнце постоянно меняется в зависимости от времени года и суток. Поэтому, коллектор устанавливают под некоторым углом к горизонту, который позволяет получать максимум солнечной энергии без изменения положения коллектора.

Солнечный коллектор, который будет работать круглый год устанавливают под углом к горизонту, величина которого примерно равна географической широте местности.

В зимний период, если есть возможность, лучше увеличивать угол наклона еще примерно на 15о.

Если солнечный коллектор будет работать только летом, то угол наклона следует уменьшить до: географическая широта местности минус 15о.

Плоскость солнечного коллектора должна смотреть по направлению на юг с точностью плюс-минус 15о.

Трубчатые вакуумные коллекторы допускают большее отклонение от направления на юг. Они должны освещаться солнцем не менее шести часов в сутки.

Еще Статьи на эту тему: ⇒ Горячее водоснабжение частного загородного дома

domekonom.su

Нагрев воды от солнца: общая информация о существующих технологиях

Для тех из нас, кому не чужды забота об окружающей среде и желание сэкономить, предлагаю погрузиться в тему солнечных водонагревателей.

Технология существует и применяется уже много лет, особенно часто можно встретить такие коллекторы на домах в Европе и других солнечных странах мира.

Россия пока сильно отстает по темпам внедрения панелей, что и не удивительно — стоимость оборудования и установки высока, а сроки окупаемости, в условиях нашего климата, достигают десятки лет.

Эта статья будет первой в цикле. Сначала разберемся — что такое солнечные коллекторы и как они работают. Оказывается, существует несколько разновидностей таких устройств с разной степенью эффективности и областью применения.

Влияние на экологию тоже не столь однозначное, как кажется на первый взгляд. Даже если не брать в расчет отходы при производстве коллекторов, существуют и другие, менее очевидные факторы.

Чем отличаются солнечные батареи от коллекторов?

Ежедневно на землю падает огромное количество солнечного излучения большая часть которого не используется. Задача коллектора — «впитать» в себя определенную долю этого излучения и преобразовать его в пригодную для человеческих потребностей энергию.

При этом важно отличать: солнечное излучение может быть преобразовано в 2 вида энергии – тепловую и электрическую.

  • Солнечные коллекторы применяются для получения тепла и нагрева воды. Они нагревают воду которая используется для ГВС и отопления здания.
  • Солнечные батареи (они же фотоэлектрические модули) применяются для выработки электроэнергии. Они имеют совершенно другой принцип действия.Виды солнечных коллекторов

Существует также комбинированная технология. Панели, которые одновременно вырабатывают электрическую и тепловую энергию.

Источники: term.od.ua

Устройство и принцип действия

Солнечный водонагреватель (вакуумный солнечный коллектор СВК) – это преобразователь тепловой энергии солнца. Солнечный водонагреватель обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры.

Коэффициент поглощения энергии солнечным водонагревателем составляет 97%. Солнечные водонагреватели устанавливают на крыше зданий с ориентацией на юг. Угол наклона относительно горизонта должен быть равен градусу широты местности. Для Северо-Запада России это значение равно 60°. При эксплуатации системы в зимний период рекомендуется угол наклона увеличить до 70°.

Через верхнюю часть коллектора и змеевик протекает незамерзающая жидкость. Эта жидкость забирает тепло из медных наконечников, а при перекачке отдает через змеевик (теплообменник) бака-аккумулятора (бойлера) и таким образом нагревает воду в баке.

Цикл передачи тепла из коллектора к баку-аккумулятору длится до тех пор, пока длится световой день и температура на выходе коллектора выше температуры воды в баке. Приемник солнечного коллектора выполнен из меди с полиуретановой изоляцией, закрыт листом анодированного алюминия.

Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника. Благодаря этому «солнечный» контур отделен от трубок, поэтому при повреждении одной или нескольких трубки коллектор продолжает работать. Процедура замены трубок очень проста и нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника.

Включение и выключение насоса производит контроллер на основании показаний датчиков температуры. Датчики температуры находятся на выходе водонагревателя (коллектора), в баке-накопителе (бойлере) и «обратке» системы отопления. Кроме того, расширительный бак предохраняет систему от избыточного давления, возникающего при чрезмерном разогреве теплоносителя.

Таким образом, раздельная система с принудительной циркуляцией представляет собой автоматизированную систему преобразования и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный водонагреватель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода используется для горячего водоснабжения и отопления.

Блок управления предназначен для контроля температуры в водонагревателе (солнечном коллекторе) и резервуаре-теплообменнике, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через теплообменник, определяет направление подачи тепла (на систему горячего водоснабжения или на отопление).

В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения.

Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить:

  1. Круглогодично — горячее водоснабжение;
  2. Сезонное отопление с экономией традиционных источников тепловой энергии до 70% (в зависимости от географической широты и климатических условий).

Источники: solarwindsystem.org

Стоит отметить что существует несколько типов коллекторов работающих от солнечного света. Основными типами являются плоский тип устройства и вакуумная модификация.

В плоском устройстве вода нагревается за счет падающих солнечных лучей проодящих через специальное стекло, с нанесенным на него спецраствором черного цвета для сохранения тепла.

Такая плоская панель делается воздухонепроницаемой, и имеет способность нагревать воду до температуры 200 градусов по Цельсию.

Вакуумный тип коллекторов имеет важное конструктивное отличие от плоских моделей устройства. Он имеет вид нескольких стеклянных трубок закрепленных на базовой панели. Эти стеклянные трубки имееют на внутренней поверхности стекла специальное покрытие собирающее солнечное тепло.

Кроме того внутри такой трубки располагается еще одна трубка меньшего сечения, причем между внешней и внутренней трубками имеется полость из которой откачан воздух. Эта вакуумная прослойка нужна для большей сохранности тепла, и способна повысить эффективность коллектора на 30 процентов, по сравнению с плоскими модификациями. С помощью такого коллектора вода способна нагреться до 300 градусов по Цельсию.

Еще одним технологическим отличием вакуумного типа солнечного коллектора является наличие специальной жидкости внизу трубки, которая вледствие нагрева превращается в пар, и, поднимаясь вверх, равномерно нагревает воду.

В регионах с малой продолжительностью светового дня и в условиях минусовой температуры такая схема работы дает значительный выигрыш в количестве тепловой энергии. Что касается цены, то, конечно, более конструктивно сложный вакуумный коллектор имеет более высокую цену, но при этом его характеристики имеют преимущества.

Источники: promplace.ru

Виды

Пассивные

Пассивные солнечные водонагреватели имеют совмещенный аккумулирующий накопительный бак и коллекторные элементы. Накопительные баки утеплены для исключения потери тепла. Объем накопительного бака берется из расчета двухдневного потребления горячей воды.

Пассивные системы перемещают готовую воду или теплоноситель через систему без насосов. Пассивные системы имеют преимущество, в том, что отключение электричества или поломка циркуляционного насоса не будет проблемой. Это делает пассивные системы вообще более надежными, более легкими в обслуживании, и возможно более долговечными, чем активные системы.

Главными преимуществами данной системы являются:

  • Низкая цена,
  • Простота установки и обслуживания. (Для ее работы достаточно только, чтобы в баке была вода. Подача воды может поступать самотеком из открытого бака, находящегося выше самого водонагревателя).
  • Для работы данного типа установки НЕ требуется электроэнергия. Электроэнергия может быть нужна только в случае установки в бак дополнительного электронагревателя (ТЭНа).

Пассивные системы имеют преимущество, в том, что отключение электричества или поломка циркуляционного насоса не будет проблемой. Это делает пассивные системы вообще более надежными, более легкими в обслуживании, и возможно более долговечными, чем активные системы.

Эти нагревательные системы исключительно подходят в средней зоне для дачного использования в период с марта по октябрь.

Технические особенности

Для получения максимальной получаемой энергии от солнца, коллекторы направляют «лицом» на юг или с отклонением до 30 °С от южного направления и наклоном между горизонтом и коллектором 30-55 ° в зависимости от широты.

Устанавливать солнечные водонагреватели можно на крыше, используя уже ее наклон, на балконе и на земле. В комплекте с солнечным водонагревателем входит стойка для установки на горизонтальную поверхность.

Применение:

Пассивные солнечные водонагреватели в основном используются для:

  1. принятия душа
  2. бытовые расходы воды (мытье посуды)
  3. обогрев парников
  4. подогрев воды в бассейнах и т. д.

Схема подключения воды может быть производиться из общей водяной системы с использованием водяного клапана понижающего давление практически до «0» или с подачей воды из дополнительного резервуара. (см. схему), находящегося выше не менее 30 см. от входа в бак накопитель.

Выбор модели солнечного водонагревателя напрямую связан от ежедневного расхода горячей воды. Модели пассивного солнечного нагревателя отличаются объемом накопительного бака от 80 до 200 л и площадью коллектора (количество вакуумных трубок от 15 до 24 шт). При необходимости использовать вариант более 200 литров, можно соединить солнечные нагреватели последовательно для набора нужного объема запаса горячей воды.

Активные

Основное отличие активных солнечных водонагревателей от пассивных водонагревателей — это применение всей системы при магистральном давлении воды до 1 МПа. (10 атм.).

Это преимущество активных солнечных водонагревателей перед пассивными водонагревателями дает возможность применение их во всех областях, где необходима горячая вода.

Активная солнечная система как правило включает в себя коллектор, насос, систему контроля, жидкий теплоноситель (антифриз) и расширительный бак. Активные СВ как правило используются в разделенном виде, т. е. коллектор находиться на крыше дома, а накопительная емкость и система управления внутри помещения.

Элемент, преобразующий энергию Солнца, представляет собой стеклянную, вакуумную колбу, которая имеет высокую степень противоградовой прочности (примерно как лобовое стекло автомобиля), за счет специальной закалки боросиликатного стекла при температуре 460 градусов. Внутрь каждой стеклянной колбы, в вакуум, помещена двойная (трубка в трубке) медная тепловая трубка с боковыми радиаторами.

Система замкнута в объеме стеклянной колбы, длиной до 2 метров и шириной 10 см. По внутренней медной трубке, охлажденный в конденсаторе теплоноситель (антифриз) поступает вниз и, возвращаясь наверх по внешней трубке, нагревается от боковых радиаторов.

Нагрев воды в летний период доходит до 110 °С. Нагревательная труба действует как тепловой проводник высокой проводимости. Благодаря своим теплофизическим свойствам коэффициент трансформации тепла в тысячи раз выше лучших твердых проводников тепла таких же размеров.

Всё это обеспечивает коллектору работу в течение более короткого периода солнечного освещения и небольшого объема излучения. Для увеличения теплоотдачи, особенно в холодное время года, применяется постоянная принудительная циркуляция теплоносителя (антифриз) с помощью насоса.

По сравнению с другими технологиями такая труба может обеспечить достижение желаемой температуры в более ранний период суток, при нормальных условиях горячая вода может быть обеспечена два раза в день. По внутренней трубке охлажденный теплоноситель поступает вниз и, возвращаясь наверх по внешней трубке, нагревается от боковых радиаторов.

При этом присутствует эффект «запирания» трубы, исключающий теплопотери в ночное время.

Термоизолированный бак — имеет различную емкость в зависимости от модели, максимальный объем 500 литров. Модели наиболее пользующиеся спросом — это с объемом 200 и 400 литров. Бак способен удерживать температуру до 4 суток, с потерей примерно 2-3 градуса в сутки, в случае, если нет солнца.

В качестве резервного источника тепла, он оснащается электрическим ТЭНом мощностью до 2 кВт или газовым котлом, для автоматического подогрева воды до заданной температуры.

Данная установка может функционировать как по отдельности (от энергии солнца или от эл. энергии), так и одновременно по формуле солнце + эл. энергия и способна безотказно работать при температурном режиме до минус 60 °С.

Источники: solar-kollektor.ru

Открытый контур

Активные системы с открытым контуром используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. Активные системы с открытым контуром являются популярными в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании. Могут эксплуатироваться при температурах воздуха до −20 °C или −25 °C.

Закрытый контур

Активные системы с закрытым контуром. В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водно-гликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде, которая запасена в баках (теплоаккумуляторах).

Системы с закрытым контуром популярны в областях, подвергающихся продолжительно действующим отрицательными температурам, так как они имеют хорошую защиту от замораживания.

В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облученности, не все антифризы пригодны для использования в солнечных системах.

Панельного типа

Конструкция самая простая. Коллектор выкрашен в чёрный цвет, помещён в корпус с теплоизоляцией и герметично закрыт стеклом, пластиком, поликарбонатом и т. п. Эффективность оставляет желать лучшего. Это объясняется тем, что жидкость теряет некоторую часть тепла при прохождении коллектор.

Эти потери обычно весьма ощутимы. Панельные солнечные водонагреватели хорошо подходят для регионов, где высокая солнечная инсоляция.

Вакуумные

Теплоноситель находится в трубке, которая запаяна в вакуумной колбе. Эта колба выполнена из кварцевого стекла пропускающего солнечное тепло, а также ультрафиолет. Это очень эффективные конструкции, где потери тепла минимальны.

Если в качестве теплоносителя используется вода, то нагрев происходит до кипения. Если там будет масло, то его можно разогреть до 200─300 градусов. Практически все вакуумные водонагреватели фабричные и стоят довольно дорого.

Пластиковые

Пластиковые солнечные коллекторы изготавливаются из полиэтилена марки ПЭВП методом заводской штамповки. Эти коллекторы дешевы и практичны. Их можно напрямую подключить к системе горячего водоснабжения.

Не имеют теплоизоляционные покрытия, поэтому они не используются в холодное время года. Их невозможно установить в регионах с сильными ветрами.

Источники: stroyteplo.by, akbinfo.ru, batsol.ru

Экологичность

Положительные аспекты

Из всех доступных возобновляемых источников энергии именно солнечная энергия и солнечные батареи наносят минимальный ущерб окружающей среде. Электричество, произведенное при помощи солнечных батарей, не оказывает вредного воздействия на воздушные массы. И никак не загрязняет ни поверхностные, ни подземные воды, не истощает природные ресурсы и не несет опасности, как для животного мира, так и здоровья человека.

Единственный реально опасный эффект данного типа энергии связан с получением некоторого количества токсических веществ и химикатов, например, кадмия и мышьяка, которые используются при производстве солнечных батарей. Но, по большому счету, и эти негативные эффекты минимальны по своему объёму, если есть продуманная политика в плане их повторного использования и надлежащей утилизации.

Если смотреть широким полем зрения на проблему, то риски для окружающей среды от солнечных батарей минимальны. Приблизительные выбросы в атмосферу в ходе производства составляют 0,02 грамма теллуридла кадмия на ГИГАВАТТ\час электрической энергии, произведенной за весь срок службы солнечного модуля, и это очень низкий показатель.

Широкомасштабное использование солнечных батарей не несет никакого риска для здоровья человека и живых существ. А повторная переработка модулей, что уже отслужили свой срок службы, почти полностью нивелирует озабоченность «зеленых» по поводу вредности этого вида производства электрической энергии.

Во время своей работы солнечные модули не производят загрязнения Природы, и более того, постепенно замещая традиционные виды топлива (газ, нефть, уголь) они приносят существенные выгоды окружающей среде.

Теллурид кадмия в солнечных батареях на самом деле на поверку оказывается значительно более дружественен Природе, чем все остальные ныне используемые виды кадмийных батарей, включая знаменитые никель-кадмиевые.

Отрицательное влияние

Само производство солнечных батарей включает в себя использование некоторых токсичных газов, взрывоопасных летучих веществ, коррозийных жидкостей и подозрительных канцерогенных – вызывающих рак – реагентов.

Магнитуда возможных негативных эффектов на здоровье человека и Природу в случае производства солнечных батарей варьируется в зависимости от используемых токсических материалов, их насыщенности, интенсивности использования, а также продолжительности их воздействия на человека в условиях производства.

Утилизация значительных объемов отслуживших свое солнечных модулей на конкретной территории приводит к увеличению риска для здоровья людей в данной местности. А также это пагубно для местной флоры и фауны.

Утечка химических реагентов из утилизируемых модулей дает вероятность заражению местной почвы и поверхностных вод.

Скопление солнечных батарей на примере местечка Барстоу, Калифорния, под кодовым обозначением «Солнечная №2», занимает 52,6 гектаров (почти 130 акров) земель и производит около 10 мегаватт электричества на максимальном выходе при пиковых значениях. Производительность достигает лишь 16%.

Для таких вот установок типа «Солнечная -2», чтобы произвести такое же количество энергии, как и типичной 1000 мегаватт электростанции на обычном топливе, за год потребуется покрыть солнечными модулями 33 000 (!) гектаров земли. Или иными словами, 127 квадратных миль площади! А это уже серьезный урон окружающей среде.

Источники: altenergiya.ru

Эффективность и КПД

Солнечный коллектор не может быть эффективным на 100 % поскольку имеет потери при преобразовании тепловой энергии а так же оптические потери.

Тепловые потери – это часть солнечной энергии, которая была преобразована в солнечном коллекторе в тепловую энергию, но не была использована на нагрев теплоносителя а рассеялась в окружающем воздухе.

Данный вид потерь зависит от разницы температуры в коллекторе и окружающем воздухе и коэффициентов тепловых потерь k₁ (линейный коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К)) и k₂ (коэффициент тепловых потерь с учетом нелинейности Вт/(м²·К²)).

Потери состоят из трех режимов теплообмена:

  1. потери на теплопроводность;
  2. конвекционные потери;
  3. потери на излучение;

Оптические потери – это часть солнечной энергии, которая при попадании на солнечный коллектор не была преобразована в тепловую энергию. Оптическая эффективность солнечного коллектора выражается оптическим коэффициентом полезного действия η₀ (безразмерная величина).

Оптический КПД зависит от поглощательной способности абсорбера, прозрачности изоляции (стекла), и эффективности поглощающей панели (эффективность передачи тепловой энергии от абсорбера к теплоносителю), выражаются в коэффициентах a, t, Fr соответственно.

Таким образом η₀ = (a·t·Fr). Эти коэффициенты являются справочными и определяются при помощи стандартизированных испытаний на специальных стендах, и относится к единице площади солнечного коллектора. Значение η₀ еще называют КПД коллектора при нулевых тепловых потерях.

Реальный КПД солнечного коллектора

Общую эффективность солнечного коллектора определяют значением КПД коллектора:

Пояснение:

  • η- коэффициент полезного действия коллектора;
  • η₀- оптический коэффициент полезного действия;
  • k₁ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К);
  • k₂ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К²);
  • ∆Т- разница температур между коллектором и воздухом К;
  • Е – суммарная интенсивность солнечного излучения.

Максимальное значение КПД достигается при условии, что разность температуры ∆Т равна нулю. В таком случае коллектор не имеет тепловых потерь.Однако такие идеальные условия в практике не встречаются. Значение η₀ является паспортным значением любого солнечного коллектора и обязательно должен быть указан в документации к солнечному коллектору.

Принципы развития конструирования солнечных коллекторов направлены на увеличение поглощающей способности и уменьшение тепловых потерь. Наибольший оптический КПД имеет открытый коллектор (без прозрачной изоляции) но имеет и наибольшие тепловые потери.

В свою очередь наименьшие тепловые потери имеет вакуумный солнечный коллектор, но обладает небольшим оптическим КПД из-за применения двух слоев прозрачной изоляции, цилиндрической формы абсорбера и промежуточные теплопередачи.

Целесообразность применения в России

В климатических условиях средней полосы России солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться различными потребителями в бытовых целях в течение 6-7 месяцев в году (март/апрель — сентябрь).

Для нагрева 100 л воды солнечная установка должна иметь 2-3 м2 солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в летнее время обеспечит ежедневный нагрев воды до температуры не менее 45°С с вероятностью не менее 70-80%.

Как с энергетической, так и с экономической точек зрения для создания бытовых солнечных водонагревателей целесообразно использовать простейшие солнечные коллекторы с одним прозрачным ограждением.

Применение селективных покрытий вряд ли целесообразно по экономическим причинам.

Источники: solarsoul.net, abok.ru

kachestvolife.club


Смотрите также