Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления
Мы все сталкиваемся с постоянно растущими ценами на отопление и горячее водоснабжение, что заставляет нас искать способы экономии. Одним из этих способов является использование солнечной энергии, которая может не только сократить ваш расход на электроэнергию, но и свести его к нулю. Для этого необходимо использовать солнечные коллекторы – источник бесплатной и экологически чистой энергии.
Гелиосистемы, также называемые солнечными коллекторами, служат для накопления солнечной энергии для нагрева воды. Эта установка позволяет получать дополнительное отопление в весенний и летний периоды и, как следствие, бесплатную горячую воду и тепло для их обладателей. Выбор солнечных коллекторов – это экономически эффективное и экологически чистое решение в сфере энергетики.
Устройство и принцип работы солнечных коллекторов довольно просты. Они состоят из металлических пластин черного цвета, заключенных в корпус из стекла или пластика. Коллекторы обычно монтируются на крыше дома и представляют собой, по сути, миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Главная задача солнечного коллектора - согревать воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше эффективность коллектора. Тем не менее, несмотря на то, что принцип работы для всех коллекторов один и тот же, конструкция может различаться в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.
Как правило, неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно спускается вниз, освобождая место для нагретой воды из коллектора. Холодная вода поступает в теплообменник, где быстро нагревается и вновь поступает в резервуар. Это означает, что вода внутри коллектора всегда остается горячей. В ясные солнечные дни ее температура может достигать 70 оC.
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.
Высокоселективный плоский коллектор является одним из наиболее распространенных типов, который отличается невысокой ценой, но в то же время не имеет такой эффективности теплосбережения, как другие модели. Он состоит из нескольких элементов, таких как плоскостной поглотитель, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции на обратной стороне и рамы, которая обычно изготавливается из алюминия или стали. Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темный цвет металлический лист, связанный с трубками, которые отвечают за передачу теплоты. В то время как поглотитель поглощает солнечную энергию, он накапливает и трансформирует ее в тепловую. Далее, жидкость-теплоноситель (обычно состоящая из воды и гликоля) передает это тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от внешних воздействий и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Также для этой цели используется теплоизоляция, которая обычно изготавливается из минерального волокна.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 для дома
Солнечные коллекторы могут быть эффективным решением для обеспечения дома теплой водой. Однако, чтобы правильно рассчитать мощность коллектора, нужно учитывать несколько факторов - площадь поглощения, величину инсоляции и КПД коллектора.
Допустим, вы используете коллектор площадью 1 кв. м, который состоит из 7 трубок. Каждая трубка имеет площадь поглощения 0,15 кв. м. Чтобы вычислить получаемую мощность коллектора за один день, необходимо умножить площадь поглощения одной трубки на величину инсоляции для вашего региона (в Московской области это примерно 1173,7), а затем умножить полученное значение на коэффициент полезного действия (КПД) солнечного коллектора. В случае описанного коллектора, мощность будет вычисляться так: 0,15 × 1173,7 × 0,67 = 117,95 кВт•час/кв. м.
Если рассчитать мощность одной вакуумной трубки теплового коллектора за один день, то она составит примерно 0,325 кВт•час. Однако, в наиболее солнечные летние месяцы, мощность возрастет до 0,545 кВт•час.
Важно помнить, что в среднем для использования горячей воды на одного человека в домашнем хозяйстве требуется от 2 до 4 кВт тепловой энергии в день. Эту информацию нужно учитывать при выборе и установке солнечного коллектора.
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