Конструктивные особенности солнечных батарей

Солнечные системы отопления на данном этапе развития отопительного оборудования являются последней инновацией, которая была широко принята в мире и получила признание и популярность благодаря привлекательному сочетанию стоимости и эффективности. Главным вопросом, который беспокоит потребителей, является возможность экономии в зимний период при условии короткого светового дня. Для получения ответа стоит рассмотреть подробнее конструкции систем отопления и их виды.

Общая схема отопления на солнечной энергии.

Конструктивные особенности солнечного коллектора
Солнечные коллекторы являются ключевыми элементами систем теплоснабжения на основе солнечного света. Именно в них происходит преобразование энергии в потребляемое тепло. Их техническое совершенство и стоимость определяют эффективность работы системы теплоснабжения и экономические показатели.

В конструкциях теплоснабжения применяется в основном два типа коллекторов: вакуумный и плоский. Плоские конструкции состоят из корпуса, абсорбера, прозрачного ограждения и тепловой изоляции. Корпус – основная несущая конструкция; прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь, уменьшает тепловые потери с лицевой стороны и защищает абсорбер от воздействия внешней среды. Абсорбером поглощается солнечная радиация, и по трубкам, которые соединены с теплоприемной поверхностью, тепло передается теплоносителю. Главная цель тепловой изоляции заключается в уменьшении тепловых потерь с боковой и тыльной поверхности коллектора.

Схема солнечной батареи.

Теплоприемные солнечные поверхности абсорбера обладают селективным покрытием, имеющим высокий коэффициент поглощения как в видимой, так и ближней инфракрасной области солнечного спектра, а также низким коэффициентом излучения в области спектра, который соответствует рабочим температурам коллектора. Лучшие современные солнечные коллекторы имеют коэффициент поглощения в пределах 94-95%, коэффициент излучения в пределах 3-8% и превышают КПД в области рабочих температур на 50% в сравнении с типичными конструкциями теплоснабжения.

Современные солнечные коллекторы редко используют неселективное черное покрытие абсорбера ввиду высоких потерь на излучение. В конструкциях вакуумных коллекторов каждый элемент абсорбера помещают в отдельную стеклянную трубу. Внутри трубы создается вакуум, поэтому потери тепла за счет теплопроводности и конвекции воздуха подавляются полностью. Благодаря селективному покрытию на поверхности абсорбера происходит минимизация потерь на излучение. В результате показатели КПД вакуумного коллектора значительно выше, чем при использовании конструкции плоского коллектора.

Принцип работы коллекторной конструкции в системе отопления
Солнечные гелиосистемы применяют для обогрева домов с использованием антифриза или воды в системе отопления. Нагрев системы отопления осуществляется в том случае, если температура воды, которая находится в нижней части накопителя, ниже в сравнении с температурой коллектора. Встроенный насос, являющийся обязательным элементом конструкции, перемещает воду по системе. В процессе коллектор нагревается до определенной температуры, и благодаря теплообменнику происходит нагрев воды в накопителе.

Схема отопления на солнечной энергии.

Роль смесителя заключается в смене направления воды в системе, что обеспечивает замену теплой воды из накопителя остывающей из системы отопления. Если речь идет о системе с естественной циркуляцией воды, то замена воды в баке осуществляется за счет расширения теплой воды, которая при нагревании поднимается вверх и выталкивает холодную воду в нагревательный бак.

Оптимальная работа гелиоколлектора осуществляется в том случае, если накопитель обладает теплоизоляционным слоем размером не меньше 25-30 см. Кроме того, специалисты рекомендуют устанавливать резервуар прямоугольной формы, в котором вода равномерно распределится на тепловые зоны, что гарантирует более полноценную работу системы.

Отопление частного дома солнечными коллекторами
Установка гелиосистемы может помочь снизить затраты на энергию на 50-90%. Работа системы осуществляется в любое время года, однако наиболее эффективной она будет в период весна-осень. Подбирая коллектор с целью отопления зимой, необходимо провести точный расчет количества тепловой энергии и оптимальной площади гелиосистемы в целом, учитывая только зимний период, поскольку именно при низких температурах потребление энергии значительно увеличивается.

Схема солнечной вакуумной системы отопления коттеджа.

В большинстве случаев солнечные коллекторы используются в качестве дополнительного источника обогрева. При правильной теплоизоляции здания возможно и автономное использование системы.

Солнечные конструкции отопления могут организовываться при помощи естественной циркуляции воды благодаря конвекционным потокам. Данный вид систем менее эффективен из-за пассивной циркуляции воды. Бак должен размещаться выше коллектора и примыкать к нему.

Отопительные системы с принудительной циркуляцией используют электрические насосы, благодаря интенсивному движению воды по системе осуществляется более эффективное использование самой гелиоустановки. Установка зависит от электроэнергии, за счет которой работают автоматика и насос, и более требовательна к обслуживанию.

Как подключить коллектор
Способ подключения коллектора определяется типом циркуляции воды в системе. Наиболее простым способом является подключение к системе естественной циркуляции, которая рассчитана только на нагрев воды. Накопительный бак подключают к гелиосистеме выше уровня коллектора так, чтобы верхний вывод подключался к входу горячей воды в систему отопления, а нижний – к обратке. В этом случае высока вероятность возникновения воздушных пробок на входе солнечного коллектора для отопления, стоимость такой системы значительно ниже в сравнении с использованием насосов.

Подключение такого коллектора к системе с принудительной циркуляцией осуществляется с использованием автоматики. На основе данных датчиков температуры контроллеры управляют работой насоса, выключают его при достижении водой температуры заданных показателей. Датчики температуры размещают на выходе коллектора, баке-накопителе и обратке. Специалисты рекомендуют к такой системе подключать дополнительные источники обогрева: твердотопливные или газовые котлы.

Устанавливая системы, помните, что местоположение коллектора по отношению к солнцу и его уровень имеют существенное влияние на степень нагрева воды.

Рекомендуется устанавливать солнечные коллекторы так, чтобы большую часть светового дня они располагались под прямыми солнечными лучами. Если отопительной конструкцией не предусмотрены иные дополнительные источники обогрева, для эффективного отопления дома в холодное время необходимо устанавливать бак объемом в 40 м³, поскольку эффективность обогрева в пасмурные дни невысока.

Расчет площади солнечных коллекторов должен учитывать сторону и наклон крыши, на которой будет устанавливаться конструкция, уровень солнечной радиации для данного региона и объем накопителя. Поэтому расчет и проектирование систем отопления стоит доверить квалифицированным специалистам.

Преимущества солнечной системы отопления

1. Для пассивного солнечного отопления характерно отсутствие механических устройств и способность снизить затраты на обогрев дома практически наполовину.
2. Безопасность эксплуатации, в том числе экологическая.
3. Эстетичный внешний вид и возможность подбора с учетом личных характеристик и параметров.
4. Длительный эксплуатационный срок.

Особенности эксплуатации солнечного отопления

1. Эффективности солнечной системы для отопления дома можно добиться только на территориях с большим количеством солнечных дней.
2. Прежде чем принять решение об установке солнечной системы, необходимо произвести ряд мероприятий по утеплению жилого дома.
3. Наиболее оптимальным решением станет установка комбинированной системы отопления, которая будет состоять из солнечных батарей и газового или электрического отопления. В этом случае конструкция солнечных батарей интегрируется в существующую систему отопления.
4. При расчете необходимо учитывать тот факт, что максимальная интенсивность инсоляции достигается в середине дня, поэтому плоскости солнечных батарей должны ориентироваться на юг. Отклонение возможно на юго-восток или юго-запад.
5. На конструкцию солнечных батарей не должна падать тень от соседних строений или деревьев. Коллектор способен максимально поглощать энергию, когда он размещен под прямым углом к инсоляции, поэтому батареи размещаются под наклоном, который равен географической широте местности.
6. Увеличение угла наклона коллектора в зимнее время позволяет повысить эффективность, однако в летнее время, когда солнце располагается высоко, неизбежны потери энергии.

Экономическая привлекательность гелиосистемы для отопления
Ошибочным является мнение о том, что использование системы солнечного типа не требует затрат, так как солнечная энергия не тарифицируется. Эксплуатация солнечных коллекторов требует затрат, которые выражаются в непосредственной покупке и установке солнечных коллекторов, расходе электроэнергии на обслуживание автоматики и насоса в процессе работы. Также потребуются затраты на оплату дополнительных источников обогрева: топлива или природного газа, которые будут использоваться при низких температурах и длительной пасмурной погоде.

В зависимости от технических характеристик системы отопления затраты окупаются в течение 2-5 лет.