Сонячний колектор: принцип роботи та способи застосування. Сонячні колектори для будинку

Щодня від нашої найближчої зірки на землю надходить стільки енергії, скільки усе людство витрачає протягом року в перерахунку на її викопні види. Теплова енергія переноситься видимим світлом і ближнім інфрачервоним випромінюванням. Однією із спроб приручити невичерпний потік тепла і світла з космосу є геліосистема теплообміну. Повільно, але впевнено сонячні колектори для опалення будинку набувають популярності у споживачів і витісняють традиційні джерела опалення. А для набирає обертів концепції розумного будинку це і зовсім невід'ємна частина інженерного обладнання. В його широкій доступності відіграє роль підвищення технологічності виробництва і, як наслідок, зниження вартості. Близько 70 % світового ринку використання геліосистем припадає на Китай. У південних регіонах цієї країни чи не на кожному даху можна побачити сонячний колектор. Ціна виробів нашого східного сусіда набагато нижче європейських, якість досить прийнятне.

Сумніви геть

У країнах Середземномор'я, де кількість сонячних днів - більше 300 в році, сонячний колектор для опалення та нагріву води можна зустріти практично на кожній даху. Не викликає сумніву ефективність використання цього джерела тепла в південних регіонах України. Клімат середньої смуги вважається несприятливим для таких енергетичних установок. Однак дослідження і експерименти доводять доцільність застосування геліосистем. Спеціальна робота була проведена в інституті високих температур Російської академії наук. Середні показники інтенсивності сонячного потоку в залежності від кліматичної зони складають 150-300 Вт/кв. м. Пікові показники досягають 1000 Вт/кв. м.




Вихідними даними для розрахунку ефективності геліосистеми було вибрано відношення поверхні до 2 кв. м до колектора 100-літровому об'єму бака-накопичувача. Ймовірність щоденного нагрівання води в системі оцінюється наступними показниками:

до температури +37 °С - 50-90 %;

до температури +45 °С - 30-70 %;

до температури +55 °С - 20-60 %.

Ці сухі цифри говорять про те, що в холодний період року сонячний колектор навіть при найменшій кількості сонячних днів дозволяє економити до 60 % енергії для опалення будинку.

Види перетворювачів сонячної енергії

Сонячний колектор призначений для перетворення енергії денного світила в теплову енергію. Застосовані матеріали і конструктивні рішення, спрямовані на максимальне поглинання енергії сонця, перетворення її в теплову і ефективну передачу для подальшого використання. В якості теплоносія використовується як спеціальна незамерзаюча рідина, так і атмосферне повітря. Циркуляція теплоносія буває примусовою і природною. У тому випадку якщо застосовується природна, природна, система теплообміну, сонячний колектор повинен розташовуватися нижче бака-акумулятора, наприклад на прилеглій земельній ділянці. Така схема застосовується при необхідності опалення невеликих або тимчасових приміщень. Об'ємні системи вимагають використання насоса для циркуляції рідини. Таку схему можна використовувати і для влаштування системи гарячого водопостачання.

Схема геліоустановки

Система опалення складається з наступних компонентів:

Сонячний колектор перетворює енергію сонця в теплову.

Подаюча магістраль доставляє теплоносій в бак-накопичувач.

Електронасос здійснює циркуляцію рідини-теплоносія.

У баку-накопичувачі відбувається передача тепла від контуру геліоустановки контуру парової системи опалення будинку. В цій ємності може бути розміщений дублюючий нагрівальний елемент, який автоматично включається, якщо погодні умови не сприяють нагріву теплоносія до заданих параметрів. Рідина геліоустановки відповідає суперечливим вимогам. Вона повинна бути морозостійкою, але в той же час не випаровуватися при високій температурі і не бути токсичною. У більшості установок використовується теплоносій, що складається з 60 % дистильованої води і 40 % гліколю. Автоматика дозволяє без участі людини підтримувати потрібну температуру всередині приміщення і не допускати перегріву теплоносія.

Вакуумний сонячний колектор

Вакуумні системи мають досить складний пристрій. Основним робочим елементом є дорога светопоглащающая трубка особливої конструкції. В основу покладено принцип термоса. Поверхня вакуумної трубки прозора. Вона пропускає сонячне світло на внутрішню трубку. З простору між ними відкачано повітря, відсутність газу дозволяє зберігати до 97 % тепла. У нижній частині внутрішньої трубки знаходиться теплоносій - рідина, яка при нагріванні швидко переходить в газоподібний стан. У верхній частині трубки відбувається передача тепла колектору, при цьому теплоносій охолоджується і, конденсуючись, повертається в початковий стан. Системи з використанням вакуумних трубок, що володіють досить високим ККД при температурі нижче -37 °С і поганої освітленості. Це обладнання вимагає своєчасного очищення від снігу та монтажу строго під певним кутом. Також періодично прозорі сегменти слід очищати від забруднення. Вакуумний сонячний колектор спеціально розроблявся для північних широт. Він ефективно працює при відсутності прямих сонячних променів.

Плоский геліопреобразователь

Плоский сонячний колектор являє собою автономну панель, що складається з трьох компонентів:

Поглинач сонячного випромінювання. Його фарбують чорною фарбою або наносять спеціальне покриття.

Верхнє прозоре покриття. Виготовляється із загартованого скла або полікарбонату.

Система трубок, за допомогою якої прогрівається циркулює в ній теплоносій. Як правило, робиться з міді.

Задня сторона панелі має ефективне теплоізоляційне покриття. Одна або кілька таких панелей підключаються до подаючої лінії бака-акумулятора. Цей вид системи має порівняно низьку вартість і хорошу продуктивність в теплі сезони. Мінусом є низька ефективність при негативних температурах і відчутні тепловтрати.

Колектор-концентратор

У південних широтах, де найбільша кількість ясних днів, отримав поширення так званий концентратор. Він являє собою систему параболічних відбивачів, розташованих на одній криволінійної поверхні і концентрують сонячне світло в певній точці. Для найбільшої ефективності потрібна зміна положення в двох площинах слідом за рухом сонця по небу протягом дня. Сонячні колектори для опалення будинку такої конструкції не застосовуються.

У побуті і на роботі

Застосування геліоустановок вирішує проблеми з опаленням при обмеженому доступі до газу чи електрики, при недостатній потужності центрального електропостачання; в якості допоміжної системи опалення, гарячого водопостачання будинку, котеджу, дачі, басейну дозволяє заощадити значні кошти власникам. Область застосування сама різна:

опалення виробничих приміщень;

опалення та гаряче водопостачання житлових будинків, призначених для постійного і тимчасового проживання.

опалення закладів охорони здоров'я, туристичних баз, спортивних комплексів, невеликих автономних магазинів.

обігрів відкритих і закритих басейнів;

опалення та гаряче водопостачання тимчасових житлових і робочих приміщень.

Повітряна геліосистема

Опалювальна система може як теплоносія використовувати не тільки рідину, але і атмосферне повітря. Сонячний повітряний колектор застосовується для обігріву всіх типів приміщень і залежно від конструкції буває трьох типів:

Плоский має схожі принципи з подібною рідинної конструкцією.

Пірамідальний використовує складну систему відображають поверхонь.

Венеціанські жалюзі розташовуються між рамами скла і направляють тепле повітря в приміщення. Застосовується при стрічковому заскленні будівель.

На відміну від рідинних пристроїв сонячний повітряний колектор може бути виготовлений з неметалевих матеріалів.

Сонячна система гарячого водопостачання

Систему гарячого водопостачання можна підключити до баку-акумулятора. Бак, таким чином, буде грати роль бойлера, в якому, в свою чергу, роль електричного тена буде грати теплообмінна спіраль, включена в контур системи обігріву. За допомогою спіралі теплоносій почне нагрівати воду в баку. Таким чином, схема водопостачання буде накопичувальної або проточно-накопичувальної.

Сонячний водонагрівач своїми руками

Найпростіший сонячний перетворювач передбачає безпосередню передачу тепла сонячного світла циркулює всередині системи труб воді. Подібну продукцію виробляла вітчизняна промисловість на початку цього століття. Сонячні колектори для будинку виготовлялися з мідної трубки діаметром 20 мм Для зручності монтажу і використання вона закручувалася в плоску спіраль, що має на обох кінцях штуцер для приєднання магістрального трубопроводу або просто садового шланга. Таку спіраль можна було розмістити на схилі даху дачного будиночка. Обсягу гарячої води цілком вистачало, щоб прийняти душ в кінці дня і помити посуд. Подібний сонячний водонагрівач своїми руками можна зробити з чорної пластикової труби. Плоский геліопреобразователь виготовляється за допомогою теплообмінника від старого холодильника.

Встановлення колектора

Складність експлуатації сонячної системи в тому, що ефективність залежить від висоти сонця над горизонтом, часу року і доби, наявності хмарності, вологості і температури навколишнього повітря. Сонячний колектор для опалення приміщення в горизонтальній площині повинен бути орієнтований строго на південь. Відхилення в бік заходу чи сходу допускаються в межах 40°. При цьому ефективність установки знизиться приблизно до 20 %. Важливу роль відіграє кут нахилу, який повинен складати від 35 до 45°. Найрозумнішим варіантом є на стадії проектування нового житла передбачити, що на дах буде встановлено сонячний колектор. Ціна на подібне обладнання значно вище, ніж на звичне парове опалення. Але витрати з лишком виправдаються подальшою експлуатацією. Термін окупності, якщо будинок утеплений у відповідності з усіма нормами і правилами, в середньому становить п'ять років.