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
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.
Солнечные коллекторы вакуумного типа представляют собой стеклянные трубки, внутри которых расположены устройства, способные поглощать солнечный свет. Они находят свое применение благодаря тому, что вакуумный слой, который окружает коллекторы, является идеальным теплоизолятором, что позволяет минимизировать теплопотери устройства. Вакуумные коллекторы бывают двух видов - с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый тип предпочтительнее использовать в условиях, когда коллекторы работают круглый год, а второй - в период с апреля по сентябрь, когда наружная температура достаточно высока.
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.
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.
Высокая эффективность солнечных коллекторов для дома зависит от правильного расчета мощности. При этом важно знать несколько параметров, таких как площадь поглощения, величину инсоляции в вашей местности и КПД самого коллектора.
Предположим, что вам нужен коллектор площадью примерно 1 кв. м, который состоит из 7 трубок. Каждая трубка имеет площадь поглощения в размере 0,15 кв. м. Для того, чтобы рассчитать получаемую мощность за 1 день, необходимо использовать следующую формулу: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт•час/кв. м.
Если предположить, что в доме есть вакуумные трубки теплового коллектора, то в среднем за сутки одна трубка вырабатывает 0,325 кВт•час. Однако, в наиболее солнечные месяцы (летние) выпуск тепла возрастает и может достигать 0,545 кВт•час.
Интересный факт заключается в том, что, согласно данным статистики, для одного человека в домашнем хозяйстве, нужно потратить от 2 до 4 кВт тепловой энергии на использование горячей воды ежедневно.
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