Солнечные коллекторы для отопления дома как альтернативный источник энергии

Особенности правильного расположения вакуумного солнечного коллектора

Для того, чтобы вакуумный солнечный коллектор работал с максимальной эффективностью необходимо правильно расположить его в пространстве. Для северного полушария плоскость внешнего блока должна быть обращена на юг. Также имеет значение угол его наклона к горизонту. Он должен равняться широте местности, на которой происходит установка агрегата.

При установке коллектора следует учитывать геометрию крыши и угол наклона к горизонту

Кроме географических особенностей необходимо учитывать геометрию крыши, где он устанавливается. Установить коллектор нужно таким образом, чтобы тень от надстроек крыши не падала на него ни при каких обстоятельствах.

Таким образом, солнечный коллектор вакуумного типа является эффективным решением для отопления и снабжения дома горячее водой. Однако его конструктивные особенности и зависимость от движения солнца, которое является для него источником энергии, требует соблюдения ряда особенностей при его монтаже.

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома

Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком. Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей

Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.

Сравнительные характеристики некоторых видов солнечных коллекторов

Основной характеристикой любого солнечного коллектора является его производительность. В зависимости от конструктивных особенностей и разности температур определяется КПД системы. при этом стоит учесть, что стоимость плоских коллекторов значительно ниже, чем аналогичный показатель трубчатых систем.

Выбирая солнечный коллектор, следует внимательно изучить параметры, от которых зависит эффективность солнечного водяного отопления и мощность конструкции.

Солнечные коллекторы имеют ряд достаточно важных характеристик:

• По коэффициенту адсорбции можно определить отношение общей и поглощенной энергии солнечного излучения.
• По коэффициенту эмиссии определяется отношение количества переданного тепла и поглощенной энергии.
• Соотношение общей и апертурной площади.
• Коэффициент полезного действия.

Плюсы и минусы вакуумных коллекторов

К положительным аспектам использования можно отнести следующие:

• Возможность создания полностью автономной системы теплоснабжения.
• Неисчерпаемый, возобновляемый источник энергии, каким является солнце.
• Надежность устройств.
• Ремонтопригодность устройств.
• Экологическая безопасность устройств.

К недостаткам вакуумных коллекторов относятся:

• Высокая стоимость устройств.
• Влияние погодных условий на производительность аппаратов.
• Невозможность повсеместного использования, определяющаяся регионом проживания потенциальных потребителей.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Гелиосистема для нагрева воды, что это такое, своими руками и для отопления дома;

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте , Eсли статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!

Особенности монтажа

Помимо правильного выбора оборудования и грамотного проектирования для безупречной работы системы необходим квалифицированный монтаж. Существует много тонкостей, применение которых поможет увеличить срок эксплуатации всех элементов коллектора.

Первый нюанс касается термостатического клапана, который служит защитой от ожогов. В стандартных системах теплоснабжения этот элемент монтируют редко ввиду того, что температуру горячей воды можно регулировать на генераторе. Поэтому при проектировании гелиосистемы про клапан зачастую забывают. В регуляторе солнечной системы также можно установить ограничитель нагрева воды, но тогда эффективность оборудования будет существенно снижена. Нагретый до максимальной температуры бак обеспечит горячей водой даже в пасмурные дни.

Чтобы клапан работал правильно, его устанавливают немного дальше от водонагревателя. Близкое расположение провоцирует перегрев узла, в результате чего горячая вода перестаёт поступать в трубопровод.

Второй нюанс касается ёмкости аккумулятора ГВС. Он устанавливается в просторном месте

Это важно для беспрепятственного доступа к бачку для его обслуживания и ремонта. Нередко для бака подбирают часть помещения под лестницей или подвал

В таком случае необходимо учесть высоту потолка. Наверху водонагревателя расположен магниевый анод. Для его замены потребуется пространство над баком не менее 60 см. Если высота не позволяет производить ремонтные работы, то на этапе монтажа системы следует установить активный электрический анод.

Третий нюанс касается монтажа расширительного бачка, который компенсирует весь теплоноситель, вытесняемый из коллекторов при стагнации. При этом учитывается температурное расширение жидкости. Корректное функционирование бачка обеспечивает его правильное расположение. Монтаж производится ниже уровня насосной группы. Если расположить ёмкость выше насосов, то мембрана станет уязвимой перед воздействием высоких температур, в результате чего на ней образуется воздушный пузырь. Он подсушивает резину, ухудшая её эластичность и другие физические свойства. Это приводит к быстрому изнашиванию мембраны.

Четвёртый нюанс касается подключения гелиоконтура к баку аккумулятору. Из-за того, что тепло всегда устремляется вверх, нужно делать подключение снизу, создавая преграду на пути тёплого потока. Это достигается путём подсоединения труб к водонагревателю с созданием, так называемой петли (термопетли). При игнорировании рекомендации температура воды в баке за ночь снизится минимум на 2-8 градусов.

Пятый нюанс касается обратного клапана. При его отсутствии всё тепло, накопленное за день в гелиоконтуре, рассеется через коллекторы в ночное время суток. Для предотвращения нерационального использования ресурсов рекомендуется в нижнем подключении бака аккумулятора устанавливать обратный клапан.

Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Жители Европы давно пришли к выводу, что использовать гелиосистемы — это выгодно, комфортно и экологично. Абсолютный лидер в области европейского прогресса — Германия, за ней идет Греция, в Австрии 15% частных домов оборудованы коллекторами для ГВС. В Европе солнечные коллекторы работают везде — в частных домах, школах, детсадах, больницах, на фермах. В Португалии, Израиле и Испании установка солнечных коллекторов, нагревающих воду, обязательна при строительстве новых домов.

Площади, которые занимают гелиосистемы в странах Европы, Америке, Японии, Китае, — миллионы квадратных км, тогда как в России эта цифра составляет 30000 км2. Причин несколько — плохая осведомленность людей и низкий уровень достатка.

Сегодня наряду с немецкими, австрийскими и швейцарскими производителями на рынок стран СНГ выходят российские машиностроительные заводы, а также белорусские и украинские производители, которые продают гелиоустановки по ценам ниже зарубежных аналогов.

Элементы гелиосистемы

Модули коллекторов можно установить на горизонтальной или вертикальной плоскости, закрепить на крыше или встроить в нее. Для этого понадобятся различного рода крепежные элементы, поставляемые производителями отдельно. Однотипные модули допускают возможность соединения в «батарею»

При монтаже особое внимание следует уделить расположению модулей. Понятно, что максимально эффективная работа будет в том случае, если солнечные лучи падают на поверхность строго перпендикулярно

Сделать следящее устройство, разворачивающее модули, в принципе возможно, такие разработки есть, но на практике эти решения почти не применяются: стоимость аппаратуры окажется выше цены всей гелиосистемы. Следует учесть и то, что Солнце зимой поднимается ниже, чем летом, а значит, оптимальный угол наклона модулей различается. В северных районах их можно поставить вертикально и улавливать лучи, отраженные от снежного наста. Если для работы достаточно одного—пяти модулей, их обычно соединяют последовательно, один за другим. При одновременной установке большого количества модулей возможно параллельное соединение отдельных частей системы с целью уменьшения потерь на сопротивление протеканию теплоносителя. Сами по себе солнечные коллекторы — всего лишь часть системы, причем не самая дорогая. Для обеспечения горячей водой необходим теплоизолированный накопительный бак с устройствами контроля и управления.

В одноконтурных системах в коллектор поступает та вода, которая в дальнейшем расходуется из бака. Преимущества — простота, высокий КПД, недостатки — повышенные требования к чистоте и жесткости воды, образование накипи и коррозия от растворенного в воде кислорода. К тому же зимой вода может замерзнуть, повредив установку.

В двухконтурных системах используется отдельный контур теплоносителя, который передает энергию воде с помощью теплообменника, обычно змеевика, встроенного в бак. В качестве теплоносителя, как правило, используют специальные антифризы с низкой температурой замерзания. Преимущества — высокая надежность и долговечность системы, высокая коррозионная стойкость и отсутствие выпадения солей в контуре. Недостаток — немного уменьшается эффективность работы и требуется периодическая, раз в пять—семь лет, замена антифриза.

Помимо этого, различают системы с естественной циркуляцией (термосифонные), когда горячий теплоноситель поднимается в бак, располагающийся выше коллектора, и системы с принудительной циркуляцией, у которых в контур встраивается небольшой насос. Также по типу заполнения теплоносителем различают системы постоянного заполнения и самоопорожняющиеся. В первом случае (при двухконтурной системе) в конструкцию вводится мембранный бак, компенсирующий тепловое расширение, и клапан для удаления воздуха из системы. В самоопорожняющихся коллекторах объем контура больше объема теплоносителя. При отключении насоса гелиоконтура жидкость из коллектора сливается в бак. Такой тип системы особенно удобен при периодическом проживании: теплоноситель служит дольше. За работой системы в целом следит контроллер, управляющий циркуляционными насосами и нагревательными элементами. Часто большинство элементов системы собраны с баком воедино, что упрощает монтаж и техническое обслуживание. На коллекторе и внутри бака устанавливают датчики температуры. Система включается, когда температура теплоносителя в коллекторе начинает превышать температуру воды в баке. Понятно, что, если теплоноситель холоднее воды, включать циркуляцию бессмысленно. Иногда предусматриваются и другие датчики, измеряющие температуру в помещении и на улице. В современных установках контроллер — сложное электронное устройство, позволяющее работать по различным программам. Чтобы получить больше тепла и не зависеть от солнечной погоды, баки оснащают системами дополнительного подогрева: тэном, а иногда и еще несколькими контурами, которые могут работать от котла или теплового насоса. Тут есть еще одно интересное преимущество. Днем основной приток энергии придет от коллектора, а ночью, возможно, потребуется дополнительный электроподогрев. При использовании многотарифного счетчика горячая вода будет доступна в любое время суток, а затраты на электричество существенно снизятся.

Модели «вакуумные»

Абсорбер (элемент, который поглощает и аккумулирует солнечную энергию – «черная» панель) находится в вакууме. Он окружает его со всех сторон, тем самым надежно изолируя от окружающей среды. Дополнительно этому способствует селективное покрытие абсорбера, за что он и получил свое второе название. Такое инженерное решение позволяет сократить теплопотери до минимума.

Конструктивно отдельный элемент представляет собой 2 трубки (одна в другой). Это напоминает обыкновенный термос. В пространстве между ними и находится вакуум. Форма цилиндра обеспечивает хорошее поглощение энергии солнца при любом его местоположении на небосводе, будь то раннее утро, полдень или закат. Его лучи всегда падают перпендикулярно продольной оси элемента, что способствует максимальному поглощению радиации.

Прямая теплоотдача

Все элементы соединены с накопительной емкостью системы. Жидкость из нее поступает в трубки (они расположены с наклоном), нагревается и возвращается обратно в бак. В некоторых конструкциях его может и не быть (непрерывная циркуляция). Достоинство такого решения – отсутствие «посредников» в процессе теплообмена.

С теплообменником

Отличие в том, что в накопительном резервуаре находится теплообменник (как правило, медный). На его основе можно монтировать второй контур – ГВС, если первый работает на отопление. При этом можно пользоваться разными теплоносителями. Для ГВС, естественно, вода, для отопительной системы, кроме нее, и антифриз или другая низкозамерзающая жидкость. Это позволяет эксплуатировать установку в холодное время (при «минусе» на улице).

С трубками (тепловыми)

Модели самые эффективные, но и стоят дорого. Конструктивно панель состоит из запаянных трубок (медных), заполненных легкокипящей жидкостью. При нагреве происходит образование пара, который в верхней части конденсирует и стекает вниз. Непрерывно повторяющийся процесс. Температура парообразования известна, поэтому нет смысла объяснять, насколько оригинально такое решение.

Все элементы соединены с общей трубой (приемником), по которой проходит теплоноситель.

Плюсы:

1. Возможность надежной работы и при температурах ниже нуля.
2. По эффективности превосходят «плоские» аналоги на 45 – 50%.
3. Универсальность, так как выпускаются в нескольких модификациях.
4. Хорошая ремонтопригодность.
5. Отдельные модели отлично функционируют при температурах до -45 0С (с трубками из металла).
6. Выход одного элемента из строя незначительно отражается на работе коллектора.

Минусы:

1. Высокая стоимость.

Геотермальный тепловые насосы – отопление от земли

Пожалуй, данный способ обогреть дом зимой – самый дорогостоящий и в то же время наиболее безотказный. Дело в том, что для получения удовлетворительного результата нужно проложить довольно длинные витки теплоносителя. Причём возможны 2 варианта: вертикальный или горизонтальный. Первый подразумевает бурение одной глубокой скважины, порядка 150–200 метров, либо нескольких по 50 метров. То есть, понадобится соответствующая техника, и без буровой установки не обойтись. Если средства позволяют, можно обратиться к данному способу, он будет обеспечивать дом теплом в течение многих десятилетий.

Второй вариант – горизонтальная ориентация геотермальной системы. В этом случае можно обойтись своими силами, поскольку заглублять витки трубы, по которой должна течь вода, нужно лишь ниже уровня промерзания почвы. Это около 2 метров. Но охватить при этом надо площадь не менее 200 квадратных метров, то есть участок около двух соток. Посадки там располагать будет уже затруднительно, хотя, если растения с поверхностной корневой системой – вполне допускается. Нередко такие системы прокладывают под местом размещения искусственного водоёма, что обеспечивает ещё большую эффективность, поскольку вода является отличным теплоизолятором.

Принцип действия системы заключается в следующем – холодная вода, например, из скважины, поступает в трубу, проложенную в несколько вертикальных витков в скважинах или уложенную горизонтально змейкой в почве. Температура в глубоких слоях грунта всегда выше, чем над поверхностью, и вода постепенно нагревается, проходя цикл за циклом через всю систему. Логично, что для принудительной циркуляции потребуется насос, а это, в свою очередь, приведёт к расходу электричества. Но в сочетании с ветряком подобный тип отопления будет работать практически без сторонних источников энергии.

Котлы, работающие на биотопливе

Если вы намерены сменить газовую систему отопления на альтернативное отопление частного дома, то нет необходимости производить ее организацию с нуля. Очень часто требуется лишь замена котла. Наиболее популярными считаются такие котлы, которые работают на топливе твердого типа или электрические котлы. Не всегда такие котлы выгодны с точки зрения затрат на теплоноситель

Особое внимание нужно уделить таким котлам, которые работают на топливе биологического происхождения. Для работы системы отопления, в центре которой находится биотопливный котел, требуются специальные пеллеты или брикеты

Однако можно использовать и другие материалы, такие как:

• торф гранулированного типа;
• щепа и древесные гранулы;
• гранулы из соломы.

Главным недостатком является тот факт, что такое альтернативное отопление загородного дома может стоить намного дороже, чем газовый котел и, к тому же, достаточно дорогим материалом являются брикеты.

Брикеты из древесины для отопления

Камин может быть отличным альтернативным решением для организации такой системы, как альтернативное отопление дома своими руками. Посредством камина можно обогреть дом с небольшой площадью, но качество отопления будет во многом зависеть от того, насколько правильно был устроен камин.

Посредством насосов геоматермального типа можно нагреть даже большой дом. Для функционирования такие альтернативные способы отопления частного дома используют энергию воды или земли. Такая система может выполнять не только обогревательную функцию, но и работать как кондиционер. Это будет наиболее актуальным в жаркие месяца, когда дом нужно не обогреть, а охладить. Такой тип отопительной системы является экологически чистым и не вредит окружающей среде.

Геотермальное отопление частного дома

Солнечные альтернативные источники отопления загородного дома – коллекторы, представляют собой пластины, устанавливаемые на крыше здания. Они собирают солнечное тепло и посредством теплоносителя передают аккумулированную энергию в котельную. В баке-аккумуляторе установлен теплообменник, в который поступает тепло. После этого процесса происходит нагрев воды, которая может быть использована не только для обогрева дома, но и для различных нужд бытового характера. Современные технологии сделали возможным, чтоб такие альтернативные виды отопления частного дома собирали тепло даже в сырую или пасмурную погоду.

Солнечные коллекторы

Тем не менее, наиболее хороший эффект таких отопительных систем можно получить только в более теплых и южных районах. В северных регионах такие альтернативные системы отопления загородного дома подойдут для организации дополнительной отопительной системы, но никак не основной.

Конечно, это не самый доступный  метод, но с каждым годом его популярность только растет. Альтернативное отопление коттеджа таким способом является наиболее простым с точки зрения такой науки, как физика. Солнечные панели выделяются дорогой ценовой категорией, потому что дорогими являются процессы изготовления фотоэлементов.

Разновидности вакуумных солнечных коллекторов

В основе классификации солнечных коллекторов вакуумного типа лежат две их характеристики. Это вид стеклянного цилиндра и вид используемого теплового канала.

В конструкции вакуумных коллекторов встречаются стеклянные цилиндры (трубки) двух видов:

• Коаксиальные трубки. Их конструкция предполагает наличие двух стеклянных колб, помещенных одна в другую. Пространство между внешней и внутренней колбой заполнено вакуумом. Поверхность внутренней колбы покрыта специальным веществом с высоким коэффициентом теплопоглощения. По сути внутренняя трубка и является теплоприемником. Во внутренней трубке размещен полый медный контур, заполненный эфирным составом. При нагревании данный состав испаряется и отдает полученную энергию теплоносителю, после чего обратно конденсируется.
• Перьевые трубки. В их конструкции предусмотрена одна стеклянная колба, в которую помещен специальный медный элемент – тепловой поглотитель. Для увеличения его площади он выполняется рифленым. Вследствие этого он отдаленно становится похож на перо, отсюда и пошло название. Медный тепловой абсорбер покрывается специальным составом, увеличивающим эффективность поглощения солнечных лучей и выработку тепла. Коллекторы с перьевыми трубками обладают большей эффективностью и более долговечны по сравнению с агрегатами, где используются коаксиальные трубки.

Среди используемых в коллекторах вакуумного типа тепловых каналов выделяют также два вида:

• Каналы типа Heat Pipe. Такая конструкция предполагает наличие внутри полости трубки специального теплосборника. Испаренный эфирный состав передает ему тепловую энергию, а теплосборник в свою очередь отдает ее теплоносителю для дальнейшего распространения по системе.
• Прямоточные U-образные каналы. Особенностью данной конструкции является циркуляция теплоносителя по тонкому U-образному каналу непосредственно внутри стеклянного цилиндра теплоприемника. С одной стороны входит вода, либо другой применяемый теплоноситель. Проходя по трубке, он забирает тепловую энергию от теплоприемника и выходит со второго конца уже нагретый.