Какие бывают солнечные системы отопления – виды, характеристики, особенности выбора

В большинстве регионов России огромные суммы тратятся на отопление жилых домов. Это вынуждает владельцев искать дополнительные возможности в этой сфере. Энергия солнечного излучения экологически безопасна и не содержит тепла. Используя современные технологии, можно использовать солнечную энергию для обогрева помещений в центральных и южных регионах России.

Возможности современных технологий

Поверхность земли получает разное количество солнечной энергии, все зависит от расположения территории относительно экватора и времени года. Например, в Арктике солнца гораздо меньше, чем в экваториальной части. Кроме того, солнечная радиация летом более интенсивна, чем зимой. Подсчитав средние значения, специалисты определили, что в час на один квадратный метр земной поверхности поступает около 160 Вт солнечной энергии. Современные системы отличаются высокой производительностью, позволяя использовать энергию солнечного излучения практически в любом месте.

Для получения максимальной эффективности использования солнечной энергии используются два метода:

• Прямой нагрев тепловых коллекторов. Прямые солнечные лучи нагревают тепловые коллекторы, которые, в свою очередь, передают тепло жидкости в контуре отопления и в систему горячего водоснабжения. Тепловые коллекторы могут быть открытого и закрытого типа, они могут иметь плоскую или сферическую форму. Тепловая энергия, получаемая от коллекторов, может использоваться для нагрева рабочего тела в системе водоснабжения и теплоносителя в системе отопления.
• Использование солнечных батарей. В этом случае солнечная энергия преобразуется в электроэнергию, которая впоследствии передается потребителю через специальную систему.

Разработка решений по улавливанию, накоплению и использованию солнечной энергии продвигается достаточно быстро. Однако в этой области есть много положительных и отрицательных сторон.

Преимущества и недостатки использования солнечных коллекторов и батарей

Основным преимуществом использования солнечных систем отопления является общедоступность. Во-вторых, отсутствие выбросов. Солнечная энергия считается наиболее экологичной и естественной формой энергии.

Кроме того, работа солнечных панелей и коллекторов бесшумна, а расположение на крыше здания экономит полезную площадь.

Основным недостатком при использовании солнечной энергии для дома потребители испытывают прерывистое освещение. Например, ночью нет возможности собирать энергию, а зимой, когда требуется большое количество тепла, световой день довольно короткий.

Кроме того, необходимо постоянно следить за чистотой панелей, чтобы не снижать работоспособность. Также следует отметить, что амортизация оборудования, работа циркуляционного насоса и управляющей электроники требуют постоянных затрат.

Солнечные коллекторы открытого типа

Конструкция открытых солнечных коллекторов выполнена в виде незащищенной от внешних воздействий системы труб. Внутри этой системы циркулирует теплоноситель, который нагревается непосредственно солнечными лучами. Трубы закрепляются на несущей панели в виде змейки или с параллельной укладкой рядов и выходом в патрубок. Трубки могут быть заполнены водой, газом, воздухом или антифризом.

Простая конструкция и отсутствие изоляции делают открытые коллекторы доступными практически для всех потребителей. Также у домашних умельцев есть возможность сделать солнечное отопление частного дома своими руками.

Отсутствие изоляции в трубках системы не позволяет накапливать получаемую солнечную энергию, из-за чего эти системы имеют очень низкий КПД. Его основное применение – подогрев воды в плавательных бассейнах и душевых летом. В большинстве случаев жители жарких и солнечных регионов используют коллекторы открытого типа, где температура воздуха и нагретой воды не имеют существенных различий. Наибольшая работоспособность наблюдалась в солнечную погоду при отсутствии ветра.

Солнечные коллекторы трубчатого типа

Для сборки трубчатого солнечного коллектора используются отдельные трубки, заполненные водой, газом или паром. Данная конструкция является одним из видов открытых гелиосистем, но с еще одним теплоносителем, более защищенным от негативного воздействия внешних факторов. Сюда относятся вакуумные установки, устроенные по принципу термоса.

В трубчатом солнечном коллекторе трубы расположены параллельно с отдельными соединениями в общую систему. Это позволяет заменить вышедшую из строя трубку новым элементом без ущерба для функции всей конструкции. Кроме того, систему можно монтировать прямо на крышу здания, что значительно упрощает процесс монтажа.

Основным преимуществом трубчатого солнечного коллектора является цилиндрическая форма основных элементов. Благодаря этому солнечная энергия собирается в течение всего дня, и для этого не требуется установка дополнительных устройств, контролирующих движение солнца.

В зависимости от конструктивных особенностей солнечные коллекторы делятся на два типа: стержневые и коаксиальные.

Трубки коаксиального типа чем-то напоминают обычный термос. Его конструкция состоит из двух колб, между которыми накачивается воздух. Внутренняя поверхность первой колбы покрыта высокоселективным веществом, способным максимально поглощать солнечную энергию. Именно этот слой служит своеобразным проводником тепловой энергии для внутреннего теплообменника, состоящего из алюминиевых пластин. Однако для этой стадии характерно большое количество нежелательных потерь тепла.

Трубки для ручек сделаны из стекла и имеют цилиндрическую форму; Внутри стеклянного цилиндра находится перьевой поглотитель. Отсутствие воздуха внутри трубы значительно повышает теплоизоляционные характеристики. Количество тепла, передаваемого от поглотителя, практически не уменьшается, поэтому КПД таких коллекторов значительно выше.

Теплопередача осуществляется через прямоточную систему и через термотрубку.

Термотрубка представляет собой герметичный сосуд, в который наливается испаряющаяся жидкость, которой в большинстве случаев является вода под низким давлением. Нагреваясь от внутренних стенок емкости или пера абсорбента, жидкость закипает и ее пары поднимаются вверх. После передачи тепловой энергии теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения пар конденсируется в жидкость, стекающую по стенкам.

Прямоточная система представляет собой U-образную трубу, внутри которой циркулирует хладагент.

В середине трубки находится холодный хладагент, а через вторую часть выходит горячая жидкость. При повышении температуры хладагент расширяется и попадает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию.

Главным условием расположения термотрубки и прямоточной системы является создание определенного угла наклона, который не должен быть меньше 20 градусов.

Прямоточные системы отличаются высочайшим КПД, так как теплоноситель нагревается непосредственно в них.

Преимущества и недостатки систем отопления

Как и любая система, трубчатые солнечные коллекторы имеют свои плюсы и минусы. Среди преимуществ системы можно выделить следующие:

• Незначительные потери тепла.
• Возможность использования при достаточно низкой температуре воздуха – до -30 градусов.
• Высокая эффективность в любое время суток.
• Высокая производительность в регионах с холодным и умеренным климатом.
• Низкое сопротивление ветру, что объясняется тем, что трубчатые системы пропускают через себя большую часть воздушных масс.
• Возможность нагрева теплоносителя до высокой температуры.
• Долгий срок службы.

Из недостатков системы особенно бросается в глаза следующее:

• Система не способна самостоятельно очищать снег, лед и иней.
• Высокий уровень цен.

Что касается дороговизны, то здесь следует отметить, что трубчатые коллекторы окупаются в достаточно короткие сроки.

Плоские солнечные коллекторы закрытого типа

Конструкция плоского коллектора представляет собой алюминиевый каркас со специальным впитывающим слоем и прозрачным покрытием. Сюда же входят трубы и изоляция.

Поглотительный слой представляет собой черненую медную фольгу с отличной теплопроводностью, идеально подходящую для построения солнечных систем. Поглотитель поглощает энергию солнечного излучения и передает ее хладагенту, который циркулирует по соседней трубе.

Внешняя часть панели имеет защиту в виде прозрачного покрытия, для изготовления которого использовалось закаленное стекло, устойчивое к механическим повреждениям. Это позволяет создать надежную защиту от града. Ширина полосы такого стекла составляет от 0,4 до 1,8 мкм, что достаточно для максимального солнечного излучения. Внутренняя сторона панели имеет хороший теплоизоляционный слой.

Закрытые плоские панели имеют ряд неоспоримых преимуществ:

• Простая конструкция.
• Высокая эффективность при использовании в жарких регионах.
• Наличие устройства изменения угла наклона панели, что позволяет выбрать оптимальное расположение конструкции.
• Самоочистка от мороза и снега.
• Приемлемая стоимость.
• Долгий срок службы, качественные изделия могут прослужить до полувека.

Если использование системы было заложено в проекте здания, в этом случае можно получить большую выгоду.

Из недостатков обращаю внимание на следующие:

• Высокая потеря тепла.
• Довольно большая масса конструкции.
• Высокая ветроустойчивость наклонных панелей.
• Низкая производительность при перепадах температур до 40 градусов.

Область использования закрытых плоских панелей для обогрева дома солнечными панелями достаточно широка:

• Летом системы полностью покрывают потребности в горячей воде.
• Между отопительными сезонами они могут заменить газовые отопительные приборы и электрические обогреватели.

Сравнительные характеристики некоторых видов солнечных коллекторов

Главной характеристикой любого солнечного коллектора является его производительность. В зависимости от конструктивных особенностей и перепада температур определяется КПД системы.Необходимо учитывать, что стоимость плоских коллекторов значительно ниже, чем у трубчатых систем.

Выбирая солнечный коллектор, нужно внимательно изучить параметры, от которых зависит эффективность солнечного нагрева воды и мощность конструкции.

Солнечные коллекторы обладают рядом весьма важных характеристик:

• Соотношение между полной и поглощенной энергией солнечного излучения можно определить по коэффициенту поглощения.
• Соотношение между количеством переданного тепла и поглощенной энергией определяется коэффициентом выбросов.
• Соотношение общей площади и проема.
• Эффективность.

Под зоной открытия следует понимать рабочую зону коллектора. Системы плоского типа характеризуются максимальными значениями этого показателя. Площадь отверстия соответствует площади впитывающего слоя.

Способы подключения к отопительной системе

Одним из недостатков солнечных коллекторов является невозможность постоянной подачи энергии. Поэтому при подключении важно выбрать систему, способную работать в ограниченном режиме.

В центральных регионах России солнечные коллекторы используются как дополнительный источник тепла, так как они не гарантируют постоянный приток энергии. Подключение солнечных коллекторов и батарей к работающей системе отопления и горячего водоснабжения имеет некоторые отличия, которые необходимо учитывать.

Подключение тепловых коллекторов

Схема подключения определяется прямым назначением конструкции, чаще всего используются два варианта:

• Для подогрева воды летом.
• Для подогрева теплоносителя зимой в системах отопления и горячего водоснабжения.

Первый вариант отличается своей простотой, его работа основана на естественном движении теплоносителя. Поэтому такую ​​схему использования солнечной энергии для частного дома можно использовать без циркуляционного насоса. Принцип работы следующий: при нагревании солнечными лучами вода в коллекторе расширяется и поступает в накопительный бак. Холодная жидкость всасывается, чтобы заменить выходящую воду.

Однако следует учитывать, что для большей эффективности системы с естественной циркуляцией необходимо создать определенный угол наклона. Также важно разместить накопительный бак на более высоком уровне, чем солнечный коллектор.

Для поддержания высокой температуры теплоносителя накопительный бак требует дополнительной теплоизоляции.

Для максимально эффективной работы солнечного коллектора требуется использование более сложной схемы подключения.

В систему заливают незамерзающий теплоноситель и вставляют циркуляционный насос. Для управления его работой устанавливается контроллер и датчики температуры. Первый датчик показывает температуру воды в накопительном баке, второй датчик установлен на трубе, подающей горячий теплоноситель от солнечного коллектора. Работает такая схема по следующему принципу: когда вода в баке нагревается выше заданных параметров, циркуляционный насос отключается, и движение теплоносителя прекращается. При снижении температуры до контрольных значений контроллер включает котел отопления.

Как подключаются солнечные батареи

Схема подключения солнечного коллектора, в которой аккумулируется энергия солнечного излучения, не может быть использована для подключения солнечных панелей. В этом случае придется дополнительно установить дорогостоящий аккумуляторный блок. Поэтому необходимо использовать другой вариант.

Мощность от солнечных панелей передается на контроллер заряда, который предназначен для постоянной подачи питания на аккумуляторы и стабилизации напряжения. При подаче электроэнергии на инвертор постоянный ток преобразуется в однофазный переменный 220В.

Получение универсального вида энергии для обогрева дома от солнца делает солнечные батареи более выгодными, но не стоит забывать и о более низком КПД этой системы. Также следует отметить, что солнечный коллектор не может накапливать энергию, как это делают солнечные панели.

Расчет мощности

Для рентабельного использования солнечных коллекторов важно учитывать следующие рекомендации производителей:

• Система должна обеспечивать только 70% горячей воды%.
• От солнечных коллекторов в систему отопления может поступить не более 30% энергии.

Только в этом случае можно добиться экономии затрат на отопление и горячее водоснабжение почти на 40%.

При расчете мощности коллектора для обогрева дома солнечной энергией также необходимо учитывать расположение системы, угол наклона панелей и среднегодовую температуру региона.