Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления
Многие из нас задумались о способах экономии на отоплении и горячем водоснабжении, особенно в свете постоянного роста цен на эти коммунальные услуги. Но возможно ли не только сократить расходы на электроэнергию, но и свести их к нулю? Ответ - да, это возможно с помощью энергии солнца. Солнечные коллекторы являются отличным источником бесплатной и экологически чистой энергии.
Эти коллекторы, также известные как гелиосистемы, задуманы для аккумулирования солнечной энергии для нагрева воды. Их использование позволяет дополнительно отапливать дом в весенний и летний периоды. Необходимо отметить, что обладатели таких установок получают горячую воду и тепло совершенно бесплатно.
Устройство и принцип работы солнечных коллекторов
Миниатюрная теплица – вот что представляет собой простейший солнечный коллектор. Он состоит из металлических пластин черного цвета, заключенных в стеклянный или пластиковый корпус и устанавливается на крыши зданий. Солнечный коллектор эффективно накапливает солнечную энергию и перенаправляет ее на трубы, скрытые под пластиной, в которых циркулирует вода. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его производительность.
Хотя принцип работы для всех видов солнечных коллекторов одинаковый, их конструкция во многом отличается, зависящая от типа коллектора и области применения.
Неиспользованная вода из резервуара опускается вниз, освобождая место для нагретой воды из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и затем возвращается в резервуар. Таким образом, вода в накопительной емкости всегда остается горячей, а ее температура в ясные солнечные дни может достигать 70 °C.
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 солнечные коллекторы, представляющие собой один из наиболее распространенных типов, являются более доступным вариантом, однако, по сравнению с другими моделями, они теряют больше тепла. Коллекторы данного типа состоят из нескольких основных элементов. В частности, плоскостной поглотитель – это металлический лист, покрытый специальной краской, которая предоставляет темную окраску. Этот лист соединен с теплопроводящими трубами и является ответственным за накопление солнечных лучей и перевод их в форму тепловой энергии. После этого полученное тепло передается жидкости-теплоносителю, который содержит воду и гликоль. Эта жидкость направляет полученное тепло в солнечный аккумулятор. Кроме того, в коллекторе присутствуют прозрачные стеклянные панели, которые защищают поглотитель от негативного воздействия окружающей среды и создают парниковый эффект, а также теплоизоляционный материал, выполненный из минерального волокна, который играет аналогичную роль и снижает возможные потери тепла.
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.
В этой статье мы рассмотрим технические характеристики концентрационных солнечных коллекторов. Их эффективность зависит от угла падения солнечных лучей, который весной, летом и осенью превышает 120 градусов. Для повышения эксплуатационных температур до 120-250 градусов Цельсия используют концентраторы, которые могут быть применены с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Эти концентраторы концентрируют солнечные лучи, позволяя получить более высокую температуру на панели. Однако для эффективной работы требуется устройство слежения за солнцем, что возможно только в промышленных целях из-за достаточно высокой стоимости.
Воздушные солнечные коллекторы – это системы, используемые для нагрева воздуха. Они представляют собой плоские коллекторы, которые могут использоваться для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. В результате естественной конвекции или под воздействием вентиляторов воздух проходит через поглотитель. Стоит отметить, что в случае использования вентилятора, часть энергии будет расходоваться на его работу.
Отметим, что солнечные коллекторы могут служить довольно долго – от 15 до 30 лет, в зависимости от производителя и типа конструкции. Однако, стоит учитывать, что продукция азиатских производителей может быть менее надежной, чем коллекторы от лучших немецких компаний, которые, в свою очередь, способны прослужить и дольше названного 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.
Распространенность использования солнечных коллекторов по всему миру по меньшей мере уже несколько десятилетий не вызывает сомнений. Однако в России эта технология все еще остается новинкой. Несмотря на то, что настоящий бум солнечных коллекторов случился в 1970-е годы, во время нефтяного кризиса, их начали применять во многих странах, от США до Японии. Например, в настоящее время в Израиле более 85% населения используют солнечные коллекторы. С мощностью более 200 гигаватт тепловой энергии общей мощности мира, это число теперь продолжает расти.
В других странах, таких как Германия, использование солнечных коллекторов оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. Однако в России данный показатель остается крайне низким - всего 0,2 кв. м/1000 чел.
Многие могут спросить, целесообразно ли использование солнечных коллекторов в России, где климат не такой теплый и солнечных дней гораздо меньше, чем в южных широтах? Однако расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода не может помешать эффективной эксплуатации коллекторов. В зоне среднего климата России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади, а максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, установка солнечного коллектора площадью 2 кв. м будет прогревать воду в баке емкостью 100 л до температуры свыше 37 C. А в теплые месяцы коллектор будет работать даже более эффективно.
Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, а также для обеспечения энергией теплиц. Их легко интегрировать в любую сеть водо- или теплоснабжения и установить. Используя солнечные коллекторы, можно существенно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать даже бесплатную горячую воду. Надежность производителей солнечных коллекторов достигается благодаря таким компаниям, как FUTUS-NUKLEON (Австрия, Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), а также немецким компаниям Wolf и Vaillant. Эти бренды предлагают надежную продукцию, которая постоянно совершенствуется и дополняется новыми технологиями.
Цена гелиоустановки для дома зависит от типа коллектора, сложности системы и мощности, а также от производителя. Например, относительно небольшие установки с номинальной мощностью около 2 кВт•ч для частных домов, коттеджей и дач в базовой комплектации стоят от 160 000 рублей. Более мощные системы, объединяющие несколько коллекторов общей мощностью около 6 кВт•ч и предназначенные не только для нагрева воды, но и для отопления в зимний период, будут стоить 270 000 рублей. Стоимость монтажа и настройки прибавляется к этим ценам.
Вопрос об окупаемости коллектора часто возникает у потенциальных покупателей. Срок окупаемости напрямую зависит от режима эксплуатации. Солнечные коллекторы годятся для поддержания отопления в отопительный период лишь на 25%, а для горячего водоснабжения в летние месяцы — на 80-90%. Окупаемость соответственно зависит от ежемесячных расходов на тепло и горячую воду. В целом, срок окупаемости гелиоустановок колеблется от 2 до 8 лет. Это является доказательством экономической целесообразности и перспективности использования технологии в России.
Фото: freepik.com