Гелиосистемы состоят из солнечного коллектора, системы управления с насосами и бака-аккумулятора. В коллекторе медная пластина аккумулирует солнечную энергию. Под пластиной приварены медные трубы, по которым течет коллекторная жидкость. Она транспортирует тепло. Система управления с насосом обеспечивает циркуляцию коллекторной жидкости внутри установки. В хорошо изолированном баке-аккумуляторе тепло жидкости передается воде (теплообменник). Таким образом, в доме будет нагретая вода и ночью, и в дождливые дни.
Гелиосистемы, назначение, состав, классификация, комплектация и установка гелиосистемы, примерный расчет стоимости и окупаемости.
Задачи, решаемые гелиосистемой:
— Получение альтернативного источника неограниченной, экологически чистой бесплатной энергии.
— Обеспечение потребностей в горячей воде для бытовых нужд, даже в местах отсутствия магистрального водопровода.
— Полное или частичное обеспечение потребностей отопления. Осенне-весенний период — до 80 %, а зимний — до 50 %.
— Снижение уровня потребления традиционных энергоресурсов, а, следовательно, и финансовых затрат.
Важной частью гелиоустановки является поддерживающая конструкция для солнечных коллекторов. Она обеспечивает правильный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции. Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные воздействия окружающей среды.
Варианты монтажа установки гелиосистемы:
— Наклонный (на крышу с любым углом наклона ската).
— Горизонтальный (на плоскую крышу).
— Свободностоящий (солнечный коллектор с опорной конструкцией).
Классификация гелиосистем.
Гелиосистемы подразделяются на два типа (активные и пассивные) в зависимости от способа циркуляции нагреваемой жидкости и имеют два варианта исполнения (прямые и косвенные) в зависимости от наличия или отсутствия теплоносителя.
Пассивные гелиосистемы.
Циркуляция жидкости осуществляется за счет конвективных потоков. В основе этого процесса лежит явление естественной конвекции — стремление теплых масс воды вверх. При нагреве воды ее объем несколько увеличивается, а плотность и удельная масса снижаются. Вода становиться легче и восходящими потоками поднимается по коллектору в верхнюю часть бака.
В свою очередь, холодная вода постепенно перетекает в коллектор, где также нагревается. Так происходит циркуляция водных масс в системе. С этим явлением мы сталкиваемся в жаркую погоду, когда влага испаряется с поверхности Земли, достигая верхних слоев тропосферы, водные массы собираются в облака, охлаждаются и выпадают в виде дождя.
Достоинства и недостатки пассивной гелиосистемы.
Активные гелиосистемы.
Для циркуляции жидкости через коллектор используют электрический насос, дополнительным оборудованием является контроллер и клапаны. При этом насос используется в случае необходимости интенсификации производства горячей воды, часто достаточно только естественной конвекции.
Достоинства и недостатки активной гелиосистемы.
Прямые и косвенные гелиосистемы.
Прямые гелиосистемы — в системе циркулирует вода, используемая непосредственно для горячего водоснабжения (открытый контур). Косвенные гелиосистемы — в системе циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который через теплообменник нагревает воду, используемую для горячего водоснабжения (закрытый контур).
Сравнение особенностей использования прямых и косвенных гелиосистем.
Комплектация гелиосистемы изготовленной промышленно.
Гелиоустановка состоит из трех обязательных элементов: вакуумный коллектор, накопительный резервуар и центр управления. Вакуумный коллектор — комплекс вакуумных трубок, преобразующих поток солнечного излучения в тепловую энергию, где осуществляется первичная передача полученного тепла в накопительный резервуар через циркулирующий в системе теплоноситель (незамерзающая жидкость).
Вакуумный коллектор комплектуется 10-30 вакуумными трубками, располагающимися параллельно друг другу. Количество коллекторов зависит от потребностей, но обычно достаточно 1-2, в отдельных случаях — 4-6 и более. В зависимости от направления использования тепла и нагрузки.
Элементарной единицей преобразования энергии солнечного излучения в тепло являются вакуумные трубки. Они улавливают наиболее ценное с точки зрения получения тепла излучение, а полученное тепло — передают воде, которая непосредственно используется в быту или теплоносителю, посредством которого осуществляется нагрев воды для горячего водоснабжения или отопления.
Накопительный резервуар — бак заданного объема (как правило, 100-500 литров) в котором накапливается теплая вода, полученная от вакуумных коллекторов. Конструктивно выполнен в виде электрического бойлера с одним или двумя внутренними теплообменными спиралями.
Функции накопительного резервуара:
— Накопление горячей воды.
— Сохранение полученного тепла.
— Дополнительный подогрев воды (при необходимости).
По умолчанию резервуар комплектуется электронагревателем, но дополнительный подогрев (в случае необходимости) может осуществляться за счет любой системы энергогенерирования (газ, дизель, уголь, дрова и т. д.).
Центр управления (рабочая станция) — комплекс автоматического контроля функционирования вакуумного коллектора и накопительного резервуара, включающий контроллер, датчики температуры и давления, насос и запорные элементы. Она позволяет полностью автоматизировать процесс и установить наиболее эффективный режим работы системы в течение суток в зависимости от заданных потребителей параметров.
Это реализуется при помощи микропроцессорного контроллера обеспечивающего следующие функции:
— Индикация температуры коллектора, резервуара, обратного потока теплоносителя.
— Выбор температуры активации принудительной циркуляции теплоносителя и дополнительного подогрева.
— Выбора временных параметров включения-выключения системы отопления и дополнительного подогрева.
— Выбор температуры режима антизамерзания.
— Индикация повреждения датчиков.
В основу функционирования солнечного вакуумного коллектора положено четыре базовых процесса:
— Улавливание солнечного излучения.
— Теплообмен.
— Консервация полученного тепла.
— Автоматизированный контроль системы.
При этом инженерное решение по реализации этих процессов четко распределяется в соответствии с элементами солнечного вакуумного коллектора. Так, солнечное излучение, попадая на коллектор, проходит через его вакуумную зону и достигает специального покрытия, которое улавливает те волны солнечного излучения, которые несут наибольшую энергию — в первую очередь инфракрасный спектр.
В результате этого происходит интенсивный разогрев вакуумного коллектора. А в зависимости от типа вакуумных трубок коллектора, полученная энергия передается: воде (непосредственно используемой), теплоносителю (вода или антифриз) или металлической пластине. В первом случае полученное тепло непосредственно передается воде для ее нагрева. Во втором и третьем — используется теплоноситель или теплопередатчик.
В качестве теплоносителя может использоваться обычная вода или антифриз (как правило, водный раствор гликоля), а в качестве теплопередатчика медная трубка или алюминиевая пластина. Далее теплоноситель или теплопередатчик отдает полученное тепло воде, используемой для бытовых нужд (горячая вода и/или отопление).
Обычно, теплоноситель или теплопередатчик пространственно соприкасаются с медной трубкой (спиральной, U-образной или головчатого типа), которая характеризуется повышенным коэффициентом теплообмена. Именно через медную трубку и осуществляется процесс теплообмена между теплоносителем (теплопередатчиком) и нагреваемой водой. В наиболее простых системах медные трубки отсутствуют. В таком случае процесс теплообмена происходит непосредственно между теплоносителем и нагреваемой водой.
Принцип работы солнечного вакуумного коллектора.
С целью сохранения полученного тепла в солнечном вакуумном коллекторе используются баки-резервуары, имеющие изоляционный слой, который обеспечивает как можно более продолжительное поддержание внутренней температуры. Для более эффективной координации функционирования наиболее сложные (и одновременно наиболее производительные) солнечные вакуумные коллекторы комплектуются системой автоматического управления.
Эта система управления осуществляется контроль работы всей установки в соответствии с заданными параметрами, включая выбор оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя и определяет направление подачи тепла (горячее водоснабжение и/или отопление).
Для бесперебойного функционирования системы солнечного вакуумного коллектора могут комплектоваться дополнительными источниками энергии. Например, традиционный водонагреватель, работающий на электричестве, газе, жидком (дизель) или твердом (уголь) виде топлива.
Это обеспечивает наиболее высокую эффективность использования в зимнее время, когда нагрузки наиболее высоки, а также ночное время или облачную погоду. При этом альтернативный источник энергии используется лишь для поддержания заданных параметров. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллектора при расположении его плоскости под прямым углом к направлению на Солнце.
Установка гелиосистемы.
Количество тепловой энергии, вырабатываемой солнечным коллектором, зависит от целого ряда факторов. К поддающимся изменению относят угол наклона и ориентацию установки гелиосистемы. Критерием ориентации является азимут.
Угол наклона — это угол между горизонталью и батареей. При установке на скатной крыше угол наклона задается скатом кровли. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии. Азимут описывает отклонение плоскости коллектора от направления на юг. Если плоскость коллектора ориентирована на юг, то азимут = 0 градусов.
Установка солнечного коллектора и определение его размеров должны быть выполнены таким образом, чтобы незначительным было воздействие дающих тень соседних зданий, деревьев, линий электропередач и т. п.
Солнечное вакуумные коллекторы могут устанавливаться на любом более или менее освещенном пространстве. Как горизонтальном — крыши зданий, техплощадки, так и вертикальном — балконы. При этом экспозиция (север-юг) и угол наклона (0—90) оказывают значение на эффективность работы всей системы.
Следует учесть, что функционирование гелиосистемы возможно в любое время года и погоду, однако наибольшая производительность системы приходится на период весна-осень. Поэтому при комплектации гелиосистемы необходимо учитывать их минимальную производительность, рассчитанную на холодный период года, когда количество солнечной энергии снижается, а потребность в тепловой энергии — возрастает.
Гелиосистемы могут работать в открытом автономном режиме, осуществляя, например, прямой подогрев воды для пассивного горячего водоснабжения. Но наиболее распространенные и эффективные закрытые, двухконтурные типы установок, функционирующие при магистральном давлении водопровода и имеющие дополнительный источник энергообеспечения.
Первый вариант — так называемые сезонные установки, функционирующие в теплый период года, они популярны для применения в дачных поселках. Второй вариант — всесезонные установки, обеспечивающие круглогодичное обеспечение теплом.
Прикидочный расчет гелиосистемы.
Для расчета гелиосистемы вам необходимо пройти несколько шагов.
1. Определиться с количеством потребителей горячей воды.
2. Определить примерное количество воды, потребляемой каждым членом вашей семьи в сутки.
3. После этих двух шагов вы получите рекомендованный объем накопительного бака.
4. Выберите желаемую степень замещения ваших потребностей в тепле энергией Солнца.
5. Выбрать южный или северный регион, где планируется размещение гелиосистемы.
6. Выберите планируемую ориентацию устанавливаемых коллекторов гелиосистемы.
7. Выберите угол наклона устанавливаемых коллекторов гелиосистемы.
8. После выполнения последнего шага вы получите примерное необходимое количество коллекторов гелиосистемы.
После выполнение вышеуказанных шагов вы получили необходимую емкость бака-накопителя и примерное количество коллекторов. Далее вам необходимо решить, будете ли вы использовать солнечную энергию как дополнительный источник тепла в системе отопления.
Таблица примерного расчета гелиосистемы.
От вашего решения зависит выбор бака-накопителя с одним или двумя теплообменниками. Для отбора тепла в основную систему отопления вам будет бак с двумя теплообменниками. С помощью одного тепло будет передаваться в бак с водой, с помощью второго (верхнего) вы будете иметь возможность передавать излишки тепла в основную систему отопления.
Далее к получившемуся комплекту вам необходимо добавить рабочую станцию с контроллером, датчиками температуры и другой автоматикой. Таким образом, имея комплект оборудования, состоящий из бака-накопителя, необходимого количества вакуумных солнечных коллекторов и рабочей станции с контроллером, вы сможете рассчитать стоимость вашей гелиосистемы.
Для «грубого расчета» к стоимости оборудования гелиосистемы обычно добавляется 30% на работы по монтажу и дополнительные трубы, фитинги, изоляцию и т. д. Остается только рассчитать сроки окупаемости системы. В ряде случаем примерные расчеты можно произвести, заполнив калькулятор на сайтах компаний, занимающихся этим оборудованием.
По материалам книги «Альтернативные источники энергии и энергосбережение».
