Солнечный коллектор своими руками: для отопления дома, бассейна, теплицы, душа
Солнечный коллектор – это альтернативный источник получения тепловой энергии за счёт использования солнечной. Сейчас это удобное приспособление уже не новшество, но позволить себе его установку может далеко не каждый. Если подсчитать, покупка и монтаж коллектора, который удовлетворит бытовые нужды среднестатистической семьи, могут обойтись в пять тысяч американских долларов. Само собой, окупаемости такого источника придется ждать довольно долго. Но почему бы не сделать солнечный коллектор своими руками и установить его?
Виды
Стандартное устройство имеет вид металлической пластины, которая помещена в пластмассовый или стеклянный корпус. Поверхность этой пластины аккумулирует солнечную энергию, задерживает тепло и передаёт его для различных бытовых нужд: отопление, подогрев воды и т.д. Интегрированные коллекторы бывают нескольких видов.
Накопительные
Накопительные коллекторы ещё называют термосифонными. Такой солнечный коллектор своими руками без насоса получается наиболее выгодным. Его возможности позволяют не только подогревать воду, но и поддерживать температуру на необходимом уровне некоторое время.
Такой солнечный коллектор для отопления состоит из нескольких баков, наполненных водой, которые находятся в теплоизоляционном ящике. Баки накрыты стеклянной крышкой, через которую пробиваются солнечные лучи и подогревают воду. Этот вариант наиболее экономичен, прост в эксплуатации и в обслуживании, но его эффективность в зимнее время практически равна нулю.
Плоские
Ппредставляет собой большую металлическую пластину – абсорбер, который находится внутри алюминиевого корпуса со стеклянной крышкой. Плоский солнечный коллектор своими руками будет более эффективен при использовании именно крышки из стекла. Поглощает солнечную энергию через градостойкое стекло, которое хорошо пропускает свет и практически его не отражает.
Внутри ящика присутствует термоизоляция, что позволяет значительно снизить теплопотери. Сама пластина имеет низкий КПД, поэтому она покрыта аморфным полупроводником, который значительно увеличивает показатель аккумуляции тепловой энергии.
При изготовлении солнечного коллектора для бассейна своими руками, часто отдают предпочтение именно плоскому интегрированному устройству. Впрочем, он не хуже справляется и с другими задачами, такими как: подогрев воды для домашних нужд и отопление помещения. Плоский – самый широко используемый вариант. Абсорбер для солнечного коллектора своими руками предпочтительно делать из меди.
Жидкостные
Из названия понятно, что главным теплоносителем в них выступает именно жидкость. Водяной солнечный коллектор своими руками делается по следующей схеме. Через поглощающую солнечную энергию металлическую пластину, тепло передаётся по прикрепленным к ней трубам в бак с водой или незамерзающей жидкостью или прямо к потребителю.
К пластине подходят две трубы. Через одну из них подаётся холодная вода из бака, а через вторую в бак поступает уже подогретая жидкость. У труб обязательно должны присутствовать отверстия входа и выхода. Такую схему подогрева называют замкнутой.
Когда же подогретая вода напрямую подаётся для удовлетворения нужд пользователя – такую систему называют разомкнутой.
Неостекленные чаще применяются для нагрева воды в бассейне, поэтому сборка таких тепловых солнечных коллекторов своими руками не требует закупки дорогих материалов – сгодится резина и пластмасса. У остекленных КПД выше, поэтому они способны отапливать дом и обеспечивать потребителя горячей водой.
Воздушные устройства экономичнее вышеперечисленных аналогов, использующих воду в качестве теплоносителя. Воздух не замерзает, не подтекает и не кипит как вода. Если в такой системе происходит утечка, она не приносит столько проблем, однако определить где она произошла довольно сложно.
Самостоятельное изготовление не обходится потребителю дорого. Солнцеприемная панель, которая накрывается стеклом, нагревает воздух, который находится между ней и теплоизоляционной пластиной. Грубо говоря, это плоский коллектор, имеющий внутри пространство для воздуха. Внутрь поступает холодный воздух и под действием солнечной энергии подаётся потребителю тёплый.
Вентилятор, который крепится в воздуховод или непосредственно на пластину, улучшает циркуляцию и улучшает воздухообмен в устройстве. Для работы вентилятора требуется использование электричества, что не очень-то экономно.
Такие варианты долговечны и надёжны и обслуживать их проще, чем устройства, которые используют жидкость в качестве теплоносителя. Для поддержания нужной температуры воздуха в погребе или для отопления теплицы солнечным коллектором подойдёт как раз такой вариант.
Коллектор собирает энергию с помощью светонакопителя или, другим словами, солнцеприемной панели, которая пропускает свет к аккумулирующей металлической пластине, где солнечная энергия преобразуется в тепловую. Пластина передает тепло теплоносителю, которым может быть как жидкость, так и воздух. Вода отправляется по трубам к потребителю. С помощью такого коллектора можно отопить жилище, нагреть воду для различных домашних целей или бассейна.
Воздушные коллекторы используются, в основном для отопления помещения или подогрева воздуха внутри него. Экономия при использовании таких устройств очевидна. Во-первых, не нужно использовать какое-либо топливо, а во-вторых, снижается потребление электроэнергии.
Для того чтобы получить максимальный эффект от использования коллектора и бесплатно подогревать воду на протяжении семи месяцев в году, он должен иметь большую поверхность и дополнительные теплообменные устройства.
Коллектор Станилова
Инженер Станислав Станилов представил миру самую универсальную конструкцию солнечного коллектора. Основной идеей использования разработанного им устройства является получение тепловой энергии за счет создания парникового эффекта внутри коллектора.
Конструкция коллектора
Конструкция этого коллектора очень проста. По сути, это солнечный коллектор из стальных труб, сваренных в радиатор, который помещён в деревянный контейнер, защищённый теплоизоляцией. В качестве теплоизоляционного материала могут выступать минеральная вата, пенопласт, понополистирол.
На дно коробки кладется оцинкованный металлический лист, на который монтируется радиатор. И лист, и радиатор окрашиваются в чёрный, а сама коробка покрывается белой краской. Разумеется, контейнер накрывается стеклянной крышкой, которая хорошо герметизируется.
Материалы и детали для изготовления
Для сооружения такого самодельного солнечного коллектора для отопления дома понадобится:
стекло, которые будет служить в качестве крышки. Размер его будет зависеть от габаритов короба. Для хорошей эффективности лучше подбирать стекло размером 1700 мм на 700 мм;
рама под стекло – её можно сварить самостоятельно из уголков или сколотить из деревянных планок;
доска для короба. Тут можно использовать любые доски, даже с разборки старой мебели или дощатого пола;
Этапы изготовления коллектора Станилова своими руками:
Из досок сколачивается контейнер, дно которого укрепляется брусьями.
На дно укладывается теплоизолятор. Основание должно быть особенно тщательно утеплено, чтобы избежать утечки тепла у теплообменника.
После на дно короба устраивают оцинкованную пластину и устанавливают радиатор, который сваривается из труб, и закрепляют его стальными хомутами.
Радиатор и лист под ним окрашиваются в черный цвет, а короб – в белый или серебристый.
Бак с водой должен быть установлен под коллектором в теплом помещении. Между ёмкостью для воды и коллектором нужно устроить теплоизоляцию, чтобы трубы находились в тепле. Бак можно поместить в большую бочку, в которую можно засыпать керамзит, песок, опилки и т.д. и таким образом утеплить.
Над баком нужно установить аквакамеру для того чтобы в сети создавалось давление.
Монтаж солнечного коллектора своими руками нужно осуществлять на южной стороне кровли.
После того как все элементы системы готовы и установлены, нужно соединить их в сеть полудюймовыми трубами, которые должны быть хорошо утеплены, дабы уменьшить теплопотери.
Неплохо будет соорудить и контроллер для солнечного коллектора своими руками, так как заводские устройства эксплуатируются недолго.
Расчет размеров
Расчёт размеров для того чтобы изготовить солнечный коллектор для отопления своими руками, прежде всего, направлен на определение нагрузки системы теплоснабжения, покрытие которой берет на себя это устройство. Само собой, что подразумевается использование нескольких источников энергии в комплексе, а не только энергии солнца. В этом деле важно расположить систему таким образом, чтобы она взаимодействовала с другими – тогда это даст максимальный эффект.
Для определения площади коллектора нужно знать, для каких целей он будет использоваться: отопление, подогрев воды или и того, и другого. Проанализировав данные водомера, потребностей в обогреве и данные инсоляции местности, в которой планируется установка, можно высчитать площадь коллектора. К тому же, надо учесть потребности в горячей воде всех потребителей, которые планируется подключить к сети: стиральной машины, посудомоечной машины и т.д.
Селективное покрытие
Селективное покрытие выполняет едва ли не самую основную функцию в работе коллектора. Пластина или радиатор с нанесённым покрытием притягивают в разы больше солнечной энергии, превращая её в тепло. Можно приобрести специальный химикат в качестве селективного покрытия, а можно просто окрасить теплонакопитель в чёрный цвет.
Чтобы сделать селективное покрытие для солнечных коллекторов своими руками, можно применить:
специальный готовый химикат;
оксиды разных металлов;
тонкий теплоизоляционный материал;
чёрный хром;
селективную краску для коллектора;
чёрную краску или пленку.
Коллекторы из подручных материалов
Собрать солнечный коллектор для отопления дома своими руками и дешевле и интереснее, ведь изготовить его можно из различных подручных материалов.
Из металлических труб
Этот вариант сборки походит на коллектор Станилова. При сборке солнечного коллектора из медных труб своими руками, из труб варится радиатор и помешается в деревянный короб, проложенный изнутри теплоизоляцией.
Наиболее эффективными будут медные трубы, алюминиевые тоже можно использовать, но их тяжело варить, а вот стальные – наиболее удачный вариант.
Такой самодельный коллектор не должен быть чересчур большим, чтобы его было легко собрать и монтировать. Диаметр труб на солнечные коллектора для сварки радиатора должен быть меньше, чем у труб для ввода и вывода теплоносителя.
Из пластиковых и металлопластиковых труб
Как сделать солнечный коллектор своими руками, имея в домашнем арсенале пластиковые трубы? Они менее эффективны в качестве теплонакопителя, однако в разы дешевле меди и не коррозируют как сталь.
Трубы выкладываются в короб по спирали и закрепляются хомутами. Их можно покрыть черной или селективной краской для большей эффективности.
С укладкой труб можно экспериментировать. Так как трубы плохо гнутся, их можно укладывать не только по спирали, а и зигзагом. Среди преимуществ, пластиковые трубы легко и быстро поддаются пайке.
Из шланга
Чтобы сделать солнечный коллектор для душа своими руками понадобится резиновый шланг. Вода в нем нагревается очень быстро, поэтому его тоже можно использовать в качестве теплообменника. Это самый экономичный вариант при изготовлении коллектора своими руками. Шланг или полиэтиленовая труба укладывается в короб и прикрепляется хомутами.
Так как шланг скручен по спирали, в нем не будет происходить естественная циркуляция воды. Чтобы использовать в данной системе ёмкость для накопления воды, необходимо оснастить её циркуляционным насосом. Если это дачный участок и горячей воды уходит немного, то того её количества, которое буде поступать в трубу, может оказаться достаточно.
Из банок
Теплоносителем солнечного коллектора из алюминиевых банок выступает воздух. Банки соединяются между собой, образуя трубу. Чтобы сделать солнечный коллектор из пивных банок нужно обрезать днище и верх каждой банки, состыковать их между собой и склеить герметиком. Готовые трубы помещаются в деревянный короб и накрываются стеклом.
В основном, воздушный солнечный коллектор из пивных банок используют для устранения сырости в подвале или для обогрева теплицы. В качестве теплонакопителя можно использовать не только пивные банки, а и пластиковые бутылки.
Из холодильника
Солнечные водогрейные панели своими руками можно соорудить из непригодного холодильника или радиатора старого авто. Конденсатор, извлеченный из холодильника, надо хорошо промыть. Горячую воду, полученную таким способом, лучше использовать только для технических целей.
На дно короба расстилается фольга и резиновый коврик, потом на них укладывается конденсатор и закрепляется. Для этого можно применить ремни, хомуты, либо то крепление, которым он был прикреплен в холодильнике. Для создания давления в системе не помешает установить над баком насос или аквакамеру.
Видео
Вы узнаете, как сделать солнечный коллектор своими руками, из следующего видео.
solar-energ.ru
Солнечный коллектор для отопления дома
Солнечный коллектор – это техническое устройство, служащее для преобразования солнечной энергии в тепловую. По типу теплоносителя, солнечные коллекторы подразделяются на воздушные и жидкостные, в которых теплоносителем служит вода или иное жидкое вещество (антифриз, этиленгликоль и подобные). По конструкции, данные устройства, бывают плоские и вакуумные.
Принцип действия
Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.
Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.
Схематично, принцип работы различных видов устройств, можно отразить следующим образом:
Плоский солнечный коллектор, работающий с использование жидкого теплоносителя:
Плоский солнечный коллектор, работающий с использование воздуха:
Вакуумный солнечный коллектор, с жидким теплоносителем:
Виды
В соответствии с конструкцией, видом теплоносителя и способу его использования и передачи тепла, солнечные коллекторы бывают:
По типу конструкции:
Плоские – представляют из себя конструкцию в виде прямоугольника (коробки), выполняемую из прочного материала и служащую корпусом устройства. Во внутренне пространство корпуса укладывается изоляция, по поверхности которой монтируется абсорбирующая (поглощающая тепло) пластина. В специальные углубления абсорбера, укладываются трубки (как правили изготовленные из меди), в которые, в дальнейшем, подается теплоноситель. С наружной стороны корпус закрывается поглощающей оболочкой и защитным стеклом.
Вакуумные – в устройстве данного типа, определенное количество вакуумных трубок, объединены в общем корпусе коллектора. В корпусе устроен теплообменник, в котором теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре вакуумных трубок, передает полученную энергию, теплоносителю наружного контура.
По типу теплоносителя:
По способу использования теплоносителя:
Пассивные – солнечный коллектор используется в паре с баком накопителем, и служит для горячего водоснабжения, без устройства дополнительных инженерных элементов сети (циркуляционный насос, элементы защиты и т. д.).
Активные – система, кроме монтажа коллектора, комплектуется техническими устройствами (насос, защитные клапана, бак накопитель, дополнительные элементы нагрева теплоносителя), и может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещений.
По способу передачи тепла:
Косвенного действия, когда в системе отопления (горячего водоснабжения), присутствует бак-аккумулятор (накопитель), в котором происходит передача тепловой энергии, полученной, наружным контуром, от солнечных лучей, и передаваемой внутреннему контуру, циркулирующему в системах ГВС и отопления.
Прямого действия, прямоточные – данный способ используется в системах ГВС, при этом циркуляция воды, в контуре коллектора, осуществляется под воздействием разности температур и путем установки дополнительных элементов (кранов, клапанов и т. д.).
Как работает зимой?
В системах отопления, как правило, используются вакуумные коллекторы, это определяется их техническими характеристиками и условиями эксплуатации.
Основной элемент вакуумного солнечного коллектора – это вакуумная трубка, которая состоит из:
Изоляционной трубки, выполненной из стекла или иного материала, пропускающего солнечные лучи с минимальными потерями их мощности;
Медной, тепловой трубки, помещенной во внутреннее пространство изоляционной трубки;
Алюминиевой фольги и поглощающего слоя, расположенных между трубками;
Крышкой изоляционной трубки, являющейся уплотнительной прокладкой, обеспечивающей вакуум во внутреннем пространстве устройства.
Работа системы осуществляется следующим образом:
Под воздействием солнечной энергии, теплоноситель контура трубки, испаряется и поднимается вверх, где в теплообменнике коллектора конденсируется, передает свое тепло теплоносителю наружного контура, после чего стекает вниз, и процесс повторяется.
Теплоноситель наружного контура, из теплообменника солнечного коллектора, подается на бак-аккумулятор, где происходит передача полученной тепловой энергии теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения.
Циркуляция теплоносителя наружного контура осуществляется путем установки циркуляционного насоса и систем автоматики, обеспечивающей работу системы в автоматическом режиме.
В комплекс системы автоматики входит контроллер, датчики и элементы управления, обеспечивающие установленные параметры работы системы (температура, расход жидкости в системе ГВС и т. д.)
Для того, чтобы данная система была эффективна и справлялась с выполнением поставленных задач, в том числе и в зимний период, системой предусматривается установка дублирующих источников энергии. Это может быть дополнительная система нагрева, с использованием теплоносителя, как на приведенной схеме, когда теплоноситель дополнительного контура нагревается путем использования различных видов топлива (газ, биотопливо, электричество). Также, с подобную задачу можно выполнить путем установки электрических ТЭНов, непосредственно в бак-аккумулятор. Работу дублирующих источников энергии контролирует система автоматики, включая в работу данные устройства, по мере необходимости.
Выгодно ли это
Определить, выгодно ли использовать солнечные коллекторы, каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей. Регион проживания – это важный критерий, при определении эффективности использования устройств, служащих для преобразования энергии солнца в другие виды энергии. Солнечная активность (продолжительность солнечного сияния), в разных регионах нашей страны разная, что видно на приведенной ниже схеме. Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.
При необходимости создать абсолютно автономную систему, от внешних, традиционных поставщиков тепловой энергии, следует помнить, что, установив только коллектор, создать подобную систему не получится, т. к. для создания циркуляции теплоносителя, работы системы автоматики, необходима электрическая энергия. Поэтому, для полной автономии, необходимо проработать вопрос по независимому электроснабжению подключаемого объекта. Следовательно, для того, чтобы сделать абсолютно независимую систему, потребуются дополнительные финансовые затраты, что увеличит срок окупаемости оборудования.
Как сделать своими руками
Наиболее простой, но тем не менее эффективный вариант, это плоский солнечный коллектор, в котором в качестве теплоносителя используется вода. Из имеющихся под рукой материалов, изготавливается корпус устройства. Это может быть дерево, профильный черный или цветной металл. Размеры каркаса определяются местом установки солнечного коллектора, его назначением и наличием требуемых материалов.
Во внутреннее пространство корпуса укладывается утеплитель, поверх которого укладывается медная трубка. Для создания большей поглощающей площади, трубку укладывают в форме змеевика. Чтобы увеличить КПД устройства, под трубку можно положить слой фольги (на схеме не показано), это позволит снизить тепловые потери в нижнюю сторону устройства и увеличит температуру во внутреннем пространстве корпуса.
С наружной стороны корпус закрывается защитным стеклом, щели герметизируются. В местах ввода и выхода труб, монтируются патрубки холодной и горячей воды. Изготовленной таким образом устройство, можно использовать для горячего водоснабжения летнего душа и подогрева воды в бассейне, для этого патрубки коллектора подключаются к выбранным системам, после чего устройство готово к работе.
Плюсы и минусы
Как у любого технического устройства, так и у солнечного коллектора, есть свои плюсы и минусы, как по возможности использования и эксплуатации, так и по иным параметрам и показателям. В зависимости от конструкции устройства, плюсы и минусы, разнятся, поэтому необходимо их рассмотреть в отдельности друг от друга.
Плоские солнечные коллекторы.
Достоинства использования:
При использовании в южных регионах с теплым климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
При осадках в виде снега, имеют способность к самоочищению;
Обладают высоким КПД, при использовании в летний период;
Относительно низкая стоимость, в сравнении с аналогами другой конструкции.
Недостатками являются:
Значительные тепловые потери, вызванные конструктивными особенностями устройства;
Низкий КПД при работе в осенне-весенний период;
Сложность транспортировки и монтажа готовых изделий;
Высокая парусность конструкции, создает опасность повреждения ее элементов, в процессе эксплуатации;
Сложность и трудозатратность выполнения ремонтных работ.
Вакуумные солнечные коллекторы.
Достоинства использования:
При использовании в регионах с холодным и умеренным климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
Незначительные тепловые потери, в процессе эксплуатации, в сравнении с аналогами другой конструкции;
Способность работать при низких и отрицательных температурах окружающего воздуха;
Способность работать при низкой солнечной активности в утренние и вечерние часы, а также при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода);
Легкий и удобный монтаж, транспортабельность конструкций;
Надежность в процессе эксплуатации.
Недостатками являются:
Относительно высокая стоимость;
Жесткие требования к монтажу, определяющие расположение коллектора в пространстве по отношению к поверхности земли.
alter220.ru
Бак аккумулятор для солнечных коллекторов
Для эффективной работы системы солнечного горячего водоснабжения правильно подобранный бак аккумулятор так же важен, как и солнечные коллекторы. Мы уже писали о том, какой объем бака аккумулятора рекомендован для правильной работы гелиосистемы. Вот ссылка на статью – аккумулирование тепловой энергии. Теперь же мы обратим внимание и на другие не менее важные параметры.
При выборе бака аккумулятора для гелиосистемы следует обратить внимание на следующие параметры:
Форма бака
Теплоизоляция
Размеры теплообменников
Форма бака аккумулятора для солнечных коллекторов
Чем выше и уже бак, тем лучше будет термическая стратификация или другими словами температурное расслоение. Этот процесс заставляет холодную воду собирается в нижней части бака, вытесняя горячую воду в его верхнюю часть, откуда происходит разбор горячей воды. Данное явление происходит из-за различия плотности теплой и холодной воды. Менее плотная нагретая вода всегда устремляется вверх.
Для обеспечения тепловой стратификации соотношение высоты к диаметру должна быть не менее чем 2,5 к 1. К примеру, для бака объемом 300 литров диаметром около 0,65 м высота должна быть приммерно 1,75 метра.
Поскольку бак аккумулятор для солнечных коллекторов должен быть оснащен дополнительным змеевиком для дублирующего источника энергии, то тепловая стратификация играет важную роль для эффективной работы гелиосистемы.
Рассмотрим пример, как это работает на практике.
Когда бак не прогрет, нижний змеевик, подключенный к гелиосистеме, передает тепло всему объему бака. Благодаря термической стратификации нагретая вода поднимается вверх, а в нижней части вода будет холоднее. Это способствует повышению КПД и производительности солнечного коллектора.
Нагрев бака нижним змеевиком от гелиосистемы
В случае, когда солнечной интенсивности недостаточно верхний змеевик в бивалентном баке, подключенный к дублирующему источнику энергии догревает горячую воду. В данном случае нагревается только верхняя зона бойлера, где и происходит водоразбор. В таком случае потребитель всегда будет обеспечен горячей водой, по крайней мере, на ближайший водоразбор.
Догрев бака аккумулятора дублирующим котлом
В таком случае, нижняя зона все еще холодная и готова принимать тепло от солнечных коллекторов. Чем больше будет эта зона, тем больше будет производительность гелиосистемы, поскольку солнечные коллекторы смогут больше передать солнечного тепла. Другими словами, увеличивается ёмкость аккумулятора. Для обеспечения максимальной эффективности, без дискомфорта для пользователя, рекомендуется оставлять за нижней зоной не менее 2/3 общего объема бака.
Тепловая стратификация бака аккумулятора
В случае использования моновалентного бака (с одним змеевиком) в качестве догревателя используется электрический ТЭН. Данный ТЭН так же должен быть установлен в верхней зоне бака.
ТЭН в качестве дублирующего источника энергии
Теплоизоляция бака аккумулятора для гелиосистемы
Как правило, в качестве материала для теплоизоляции используется пенополиуретан. Этот материал обладает низкой теплопроводностью и гидропроницаемостью. Толщина теплоизоляции должна быть не менее 80 мм. Коэффициент теплопроводности не менее 0,035 Вт/мК. Это позволяет баку терять не более 2-3 градусов в нагретом состоянии.
Теплообменники в бойлере для солнечных коллекторов
Поскольку солнечные коллекторы не являются стабильным теплогенератором, то следует подбирать площадь теплообменника на низкотемпературные режимы работы. Другими словами, во время слабой солнечной инсоляции, теплоноситель гелиосистемы не сможет обеспечить высокую разницу температуры. Поэтому следует увеличивать площадь теплообмена.
Рекомендуемое соотношение площади солнечных коллекторов к площади змеевика
Оптимальным соотношением является отношение полезной площади коллекторов к площади змеевика 1 : 5.
Бак аккумулятор для солнечных коллекторов, подобранный с учетом всех перечисленных параметров, будет способствовать повышению производительности гелиосистемы и комфорту пользователей.
solarsoul.net
Гелиосистема и солнечные батареи
Солнечная батарея и солнечный (или гелио-) коллектор -две принципиально разные технологии, предназначенные для решения разных задач. Первые преобразовывают солнечную энергию в электрическую, вторые — в тепловую.
Стоит заметить, что эффективность солнечных батарей пока не очень высока — около 15 %. Одна фотоэлектрическая солнечная батарея занимает немного места -1 х 1,5 м. Однако, чтобы выработать 2 кВт энергии, нужно установить 10 таких панелей.
Солнечный же коллектор — это, по сути, циркулятор низкотемпературного теплоносителя, то есть водонагреватель (по аналогии с радиатором). В него входит холодная вода, а выходит горячая, нагретая Солнцем. Ориентировочный КПД коллекторов составляет порядка 70-85 %. В условиях Украины количество энергии, получаемой с 1 м2 коллектора, составляет около 1000 кВтч/год.
Рис 1.Карта солнечной активности в Украине
Рис 2. Карта солнечной активности в России
Точный расчет мощности, эффективности и времени окупаемости системы достаточно сложен и должен учитывать широту местности, число солнечных дней в году, угол отклонения возможного места установки от южного направления и другие факторы. Поэтому приходится оперировать средним значением интенсивности солнечной радиации в расчете на 1 м2 поверхности для конкретной местности.
Рис 3. Зависимость солнечного излучения от погодных условий
Рис 4. Интенсивность излучения в течение года
Рис 5. Тип излучения
Гелиосистема.
Как можно значительно сократить расход любого топлива (газа, электричества и др.) при нагреве горячей воды для дома, бассейна и обеспечения теплом частного жилища? Эту задачу успешно решакл солнечные системы, которые преобразуют лучистую энергию в тепловую.
Главный элемент системы — коллектор. Он поглощает солнечную энергию и преобразовывает ее в высокую температуру теплоносителя. Другие агрегаты — вспомогательные, но их наличие обязательно. Бак-накопитель служит местом теплообмена между теплоносителем и водой из системы горячего водоснабжения. Гидравлический контур состоит из трубопроводов, клапанов, фильтров, расширительных баков, насосного оборудования. Система авторегулировки управляет процессами теплопередачи. Монтажный комплект — это детали крепления бака, коллектора и остальных элементов системы.
Сколько и каких коллекторов нужно?
Не углубляясь в технологические дебри, отметим, что коллекторы бывают плоскими и трубчатыми. Первые дешевле и менее капризны в обслуживании, вторые — более производительны и многофункциональны, но требуют большего внимания при эксплуатации.
Размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен коллектор:
или плоский, площадью 1-1,5 м2 на человека, то есть 4-6 м2,
или трубчатый, площадью 0,6-0,8 м2 на человека, то есть 2,4-3,2 м2.
Поверхность коллекторов, призванных обогревать воду в бассейне, должна составлять:
в случае крытого бассейна — около 40 % площади зеркала воды;
в случае открытого бассейна -около 70 % площади зеркала воды.
Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева воды, но и для отопления. На самом деле это возможно только для низкотемпературных отопительных систем (например для систем обогрева пола), температура теплоносителя которых не превышает 40 °С. И в данном случае нужны коллекторы значительно большей площади, чем для нагрева воды. Этот вариант достоин внимания, но подходит только людям, готовым к большим затратам. С точки зрения экономичности вложения расходы очень велики по сравнению с прибылью, даже учитывая энергоэффективность.
Отчего зависит эффективность?
Энергозффективность коллекторов напрямую зависит от их типа и правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны коллекторы, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 150 в сторону востока или запада — это снизит его эффективность незначительно. Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом имеет неопределенную ориентацию по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера. Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.
Составляющие гелиосистемы.
Составляющие гелиосистемы: а. Коллектор б.Бак-аккумулятор в. Циркуляционный насос г. Контроллер д. Датчики температуры
При естественной циркуляции теплоносителя бак-теплообменник должен быть расположен выше верхней точки солнечного коллектора. Такое размещение вызывает сложности, особенно при монтаже коллекторов на крыше.
В системах с принудительной циркуляцией ее обеспечивает маломощный насос, работой которого управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса небольшая по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой системой.
Используя коллекторы, можно на 10-15 % уменьшить расходы на отопление и до 70 % — на горячее водоснабжение.
Солнечные батареи.
В течение одного часа на Землю попадает столько солнечной энергии, сколько используют все ее жители на протяжении года.
Для обеспечения автономности энергопотребления дома может быть использовано два типа систем:
1. Гибридная или резервная в дополнение к обычной электросети.
2. Замкнутая как образец независимой автономной энергосистемы.
В случае исчезновения напряжения в электросети при применении первой системы обычно используют бензиновые или дизельные генераторы, но по сути это те же неблагоприятные для окружающей среды мини-электростанции, еще и с невысоким КПД преобразования топлива в энергию. В лучшем случае используют альтернативное топливо. Заменой дизелю может служить биогаз, который получают в замкнутой емкости из обычного компоста и отходов животного хозяйства, и древесный газ, который выделятся по принципу пиролиза из древесины и некоторых органических твердых частиц. Эти системы не являются сложными в создании, но, к сожалению, как и остальные достижения альтернативной энергетики, мало распространены.
Как добыть электричество?
Говоря об альтернативном энергообеспечении, рассмотрим полноценную систему, состоящую из источника электроэнергии, контроллера заряда, накопителя и преобразователя (инвертора).
Альтернативные источники энергии — это относительно популярные ветряки и солнечные батареи, далее идут мини-ГЭС, термогенераторы и совсем редко используемые вело-генераторы. Мини-ГЭС мало где можно применить, термогенераторы пока еще дорогие, а велогенераторы вообще серийно не производят. Контроллером заряда выступает управляющая электронная схема, которая обеспечивает рациональный сбор электроэнергии в накопителе. Последним в 99 % случаев выступает аккумулятор, реже используются ио-нистры, маховики и сжатый воздух, которые редко встречаются из-за сложности конструкции и невысокого КПД сжатого воздуха, хотя эти агрегаты и могут иметь большую цикличность.
Аккумуляторы. В автономных системах популярны кислотные аккумуляторы глубокого разряда, а также их гелевые модификации. Пока аккумуляторы на основе лития являются достаточно дорогими.
Инвертор чаще всего выступает преобразователем постоянного тока аккумулятора или банка соединенных аккумуляторов в переменный ток 220 или 380 В. В основном это -электронные устройства, но очень редко встречаются и механические.
Какая цена солнечных батарей?
Сколько может стоить замкнутая автономная система для гарантированного обеспечения потребностей домика, скажем, площадью в 100 м2? Для такой задачи не стоит выбирать системы мощностью менее 4 кВт. Лучше использовать 6 аккумуляторов на 2 В 1500 А, рассчитанных на 20 лет совместной работы. Такая система сможет давать 20-30 кВт в день в среднем в течение года. В сумме вместе с контроллером заряда и инвертором установка обойдется в 40 000-50 000 долларов… Дорого? Стоп!
На этом этапе 90 % заинтересованных лиц отсеиваются. Они сразу начинают считать, когда такая система окупится. Но ведь покупая новый автомобиль, мало кто считает потенциальную выгоду. Люди расценивают эту покупку как критерий удобства и комфорта, который по финансовым меркам никогда не окупится. А разве с альтернативной энергетикой не так? Так! Но только для экологически сознательных людей.
Доступная цена солнечных батарей.
Сознательным людям свойственно экономить и постоянно искать альтернативу. Например, стоит полностью отказаться от электронагревательных приборов. Тогда потребности в электроэнергии сразу уменьшатся вдвое, а то и втрое. Лучше использовать светодиодные лампы — качественные варианты как минимум вдвое эффективнее ртутных энергосберегающих ламп и как минимум в десять раз эффективнее ламп накаливания. Энергоэффективна техника классов «А+» и «А++». Желательно отказаться от использования климатической техники. Если придерживаться данных советов и использовать альтернативу вышеописанным системам, то можно заметить, что в действительности потребности в электроэнергии совсем мизерные. Так, на дом может хватить 500 Вт от солнечных батарей и 300 Вт от ветряка вместе с двумя-тремя аккумуляторами на 12 В 200 А. Общая стоимость систем составит порядка 3000 у. е. .
Чтобы понять, что такое альтернативная электроэнергия, можно начать с приобретения солнечной батареи хотя бы на 30 Вт и стартерного аккумулятора с дешевым киловаттным инвертором. Можно даже обойтись без контроллера заряда и уложиться в 300 у. е. Получится система, которая сможет обеспечить работу всех мультимедийных бытовых электроприборов и всего малого и среднего электроинструмента.
Дешевые батареи предлагает Китай, изделия украинских производителей считаются более качественными, но только в плане соответствия паспортных характеристик стандартам. В принципе любые системы будут долго и надежно работать, поскольку они статичные, водо- и пылезащищенные и не требуют обслуживания. Также можно попытаться найти по выгодной цене самодельные варианты батарей, которые производят небольшие предприятия.
Распространены батареи на монокристаллах, далее идут поликристаллические с несколько меньшим КПД и пленочные из аморфного кремния с еще более низким КПД и сомнительным преимуществом в цене при больших габаритах.
Составляющие.
В роли аккумуляторов не стоит использовать стартерные батареи, хотя для пробной системы их можно приобрести, учитывая малую стоимость. Лучше всего выбирать из кислотных батарей глубокого разряда, которые имеют больший запас свинца в пластинах, что позволяет им длительное время не разрушаться даже в разряженном состоянии. Гелевые батареи состоят из желеобразного электролита, который еще больше улучшает их свойства. Оптимальным является аккумулятор на 300 А, цена которого составляет от 400 у. е. Возможно, хватит и одной штуки. При больших потребностях составляют целые банки аккумуляторов из 10 или 20 штук на стеллажах. Для больших масштабов используют промышленные гелевые аккумуляторы с напряжением 2 В и емкостью 1500 А и более. Для максимально больших систем применяют индустриальные воздушно-цинковые батареи, которые служат до 50 лет и выдерживают десятки тысяч циклов заряда/разряда. В последнее время они ежегодно дешевеют и, возможно, через 10 лет станут доступны для широкого использования в гражданском строительстве.
Начальная стоимость контроллера заряда — 25 у. е. в зависимости от модели. Далее цена пропорциональна.
Инверторы делятся на синусоидальные и с модифицированной синусоидой. Первые приблизительно вдвое дороже и позволяют запускать абсолютно всю технику в соответствии со своей мощностью. Установки с модифицированной синусоидой будут успешно работать с мультимедийной техникой и большинством электроинструмента.
Что касается выбора инвертора, то дешевая (около 20 у. е) модель на 100 Вт дает возможность использовать ноугбук, заряжать мобильные телефоны и пользоваться мультимедийной техникой. Цена за 1kВт несинусоидального инвертора колеблется от 70 у. е., но он уже дает возможность использовать около 70 % электроприборов. Хотя, к сожалению, он не запустит такие мощные приборы, как холодильник и некоторые насосы.
Сложив все составляющие, получим недорогую, экологичную и автономную систему.
Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.
Из имеющихся под рукой материалов, изготавливается корпус устройства. Это может быть дерево, профильный черный или цветной металл. Размеры каркаса определяются местом установки солнечного коллектора, его назначением и наличием требуемых материалов.
