Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления
Многих из нас беспокоят постоянно растущие цены на отопление и горячее водоснабжение и заставляют задуматься о том, как можно сократить расходы на электроэнергию либо свести их к нулю. Но есть ли способ снижения затрат на электроэнергию, который также будет экологически безопасным? Использование солнечных коллекторов – это ответ.
Такие коллекторы, называемые также гелиосистемами, способны аккумулировать солнечную энергию для нагрева воды. Установка такой системы позволяет дополнительно поддерживать тепло в доме весной и летом. Отмечается, что обладатели таких систем получают горячую воду и тепло абсолютно бесплатно.
Устройство и принцип работы
В основе любого солнечного коллектора лежит практически один и тот же принцип: металлические пластины, окрашенные в черный цвет, помещаются в корпус из стекла или пластика и устанавливаются на крышу дома. Это позволяет накапливать солнечную энергию, превращая ее в тепло. Коллектор представляет собой своеобразную теплицу, которая согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной.
При использовании солнечного коллектора, чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше эффективность работы устройства. Но, несмотря на то, что принцип работы для всех коллекторов один и тот же, конструкция устройств может отличаться в зависимости от их типа и сферы применения.
Накопительный резервуар наполняется нагретой водой, которая используется в дальнейшем для нужд дома. Тем временем, неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место для нагретой воды из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. Как правило, вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 градусов по Цельсию.
Бытовые коллекторы для нагрева воды и отопления: типы и характеристики
Хотя принцип работы коллектора для нагрева воды или отопления на солнечной энергии легко описать, на деле системы гораздо более сложны. Существует несколько типов бытовых солнечных коллекторов, имеющих свои особенности конструкции.
Плоские высокоселективные коллекторы: основные преимущества, устройство и принцип работы
Плоский коллектор солнечной энергии является наиболее распространенным видом солнечных коллекторов. Одним из главных достоинств этого типа коллекторов является их доступность: они отличаются невысокой ценой на рынке. В то же время, по сравнению с другими моделями, они несколько менее эффективны в плане удержания тепла. Основными элементами плоских солнечных коллекторов являются плоскостной поглотитель, прозрачное стеклянное покрытие, теплоизоляция с обратной стороны и рама, изготовленная преимущественно из алюминия или стали.
Плоскостной поглотитель представляет собой выкрашенный в темный цвет металлический лист, который соединен с трубками для передачи тепла. При этом слой поглотителя накапливает солнечные лучи и превращает солнечную энергию в тепло, которое затем передается специальной жидкости-теплоносителю (обычно смесь воды и гликоля). Эта жидкость направляет полученное тепло в солнечный аккумулятор. Прозрачное стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от внешней среды и снижает потери тепла, создавая эффект теплицы. Также теплоизоляция из минерального волокна выполняет ту же функцию, предотвращая теплопотери.
Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы производятся с использованием стеклянных трубок внутри каждой из которых располагается устройство, которое абсорбирует солнечный свет. Благодаря вакуумному состоянию, которое является идеальным теплоизолятором, теплопотери в таких коллекторах значительно сокращаются. Различают два вида таких коллекторов в зависимости от метода нагрева - с косвенной теплопередачей и прямоточные. Коллекторы первого типа предназначены для эксплуатации в любое время года, тогда как второй тип рекомендуется использовать только в теплый период с апреля по сентябрь.
Лучи солнца, которые попадают под большим углом, не могут быть использованы эффективно в качестве источника энергии неподвижными солнечными коллекторами весной, летом и осенью, когда дневной ход солнца превышает 120 градусов. Однако, можно повысить эксплуатационные температуры до уровня от 120 до 250 градусов Цельсия, если использовать концентраторы вместе с поглощающими элементами и параболоцилиндрическими отражателями в солнечных коллекторах. Концентраторы направляют солнечные лучи, увеличивая их количество на панели. Однако, для получения еще более высоких температур требуется использовать устройства, следящие за солнцем. Это решение является слишком дорогостоящим и применяется в основном в промышленных целях.
Солнечные воздушные коллекторы - это тип устройств, предназначенных для использования в целях нагрева воздуха. Они представляют собой простые плоские коллекторы, которые можно использовать для отопления помещений или сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух, который необходимо нагревать, проходит через поглотитель. Этот процесс может осуществляться как с помощью естественной конвекции, так и за счет воздействия вентилятора. Однако следует учитывать, что использование вентиляторов может потребовать дополнительных затрат энергии на их работу.
Кроме того, стоит отметить, что срок службы солнечных коллекторов может колебаться от 15 до 30 лет, в зависимости от типа и производителя. Однако дешевые продукты от азиатских производителей могут быть менее надежными, в то время как продукция от лучших немецких компаний может прослужить еще дольше заявленного срока.
Как рассчитать мощность солнечного коллектора
Солнечные коллекторы могут быть весьма эффективными для обогрева воды в доме. Чтобы точно определить его мощность, нужно знать площадь поглощения, уровень инсоляции для конкретного региона и КПД коллектора.
Предположим, вы используете коллектор площадью примерно 1 квадратный метр, который состоит из 7 трубок, каждая из которых имеет площадь поглощения 0,15 квадратных метров. Расчет мощности на один день может быть произведен следующим образом: 0,15 (площадь поглощения одной трубки) × 1173,7 (уровень инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт•час/кв. м. В летние месяцы каждая трубка вакуумного теплового коллектора, в среднем, производит 0,325 кВт•час за день, а в самые солнечные месяцы - до 0,545 кВт•час.
Полезный совет: Статистика показывает, что в домашнем хозяйстве, в среднем, для использования горячей воды на одного человека требуется от 2 до 4 кВт тепловой энергии в день.
Использование солнечных коллекторов в разных странах мира уже давно стало обыденным делом. Несмотря на это, в России это является новинкой. Бум использования солнечных коллекторов начался в 1970-х годах, когда произошел нефтяной кризис. Тогда жители многих стран (от США до Японии) начали активно использовать энергию солнца. На сегодняшний день в Израиле более 85% населения используют солнечные коллекторы. Всего мощность солнечных коллекторов в мире превышает 200 гигаватт тепловой энергии, и это число продолжает расти.
В разных странах количество солнечных коллекторов в расчете на 1000 человек различается. Например, в Германии этот показатель составляет 140 кв. м, в Австрии – 450 кв. м, а на Кипре – около 800 кв. м. В России этот показатель на данный момент крайне низкий – всего 0,2 кв. м на 1000 человек.
Многие пользователи могут сомневаться в эффективности использования солнечных коллекторов в России, где климат далеко не такой теплый и солнечных дней гораздо меньше, чем в южных широтах. Тем не менее, расчеты, проведенные в РАН, показывают, что даже в таком климате солнечные коллекторы эффективны. В средней полосе России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади, а в ясную погоду в полдень достигает максимального значения в 1000 Вт. Поэтому если установить солнечный коллектор площадью 2 кв. м, то вода в баке емкостью 100 л ежедневно будет прогреваться до температуры от 37 °С и выше, а в летние месяцы это значение будет выше.
Солнечные коллекторы можно использовать для различных целей – для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов и обеспечения электричеством теплиц. Кроме того, они могут легко интегрироваться в любую систему водоснабжения и теплоснабжения, а установка их относительно проста. Это, в свою очередь, позволяет сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать и вовсе бесплатную горячую воду. Надежные производители солнечных коллекторов среди которых, например, FUTUS-NUKLEON из Австрии-Чехии, TiSUN из Австрии и Ferroli из Италии, приобрели доверие потребителей. Особенно популярны среди специалистов солнечные коллекторы от немецких производителей – Wolf и Vaillant, которые не только предлагают надежную продукцию, но и постоянно совершенствуют системы и внедряют новые технологии.
Гелиоустановки могут стать серьезным шагом на пути к экономической выгоде и экологической чистоте. Коллекторы могут быть разных типов, с разными уровнями сложности системы, мощности и производительности, и всё это сказывается на их стоимости. Если говорить о небольших установках для частных домов, то их стоимость начинается от 160 000 рублей за базовую комплектацию, предназначенную для нагрева воды и с мощностью около 2 кВт•ч. В свою очередь, более мощные системы с несколькими коллекторами (общей мощностью около 6 кВт•ч), которые предназначены для отопления дома, могут обойтись в 270 000 рублей. Естественно, к этим расходам нужно добавить стоимость монтажа и наладки.
Однако, стоит заметить, что окупаемость гелиоустановки напрямую зависит от режима эксплуатации. В отопительный период она в среднем на 25% поддерживает отопление помещения и на 80-90% в летние месяцы обеспечивает горячую воду. Срок окупаемости гелиоустановки может варьироваться от 2 до 8 лет в зависимости от расходов на тепло и горячую воду. Эти цифры свидетельствуют о том, что использование технологии в России становится всё более целесообразным и перспективным с экономической точки зрения.
Фото: freepik.com