Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления

Многие из нас задумались о способах экономии на отоплении и горячем водоснабжении, особенно в свете постоянного роста цен на эти коммунальные услуги. Но возможно ли не только сократить расходы на электроэнергию, но и свести их к нулю? Ответ - да, это возможно с помощью энергии солнца. Солнечные коллекторы являются отличным источником бесплатной и экологически чистой энергии.

Эти коллекторы, также известные как гелиосистемы, задуманы для аккумулирования солнечной энергии для нагрева воды. Их использование позволяет дополнительно отапливать дом в весенний и летний периоды. Необходимо отметить, что обладатели таких установок получают горячую воду и тепло совершенно бесплатно.

Устройство и принцип работы

В основе любого солнечного коллектора лежит практически один и тот же принцип: металлические пластины, окрашенные в черный цвет, помещаются в корпус из стекла или пластика и устанавливаются на крышу дома. Это позволяет накапливать солнечную энергию, превращая ее в тепло. Коллектор представляет собой своеобразную теплицу, которая согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной.

При использовании солнечного коллектора, чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше эффективность работы устройства. Но, несмотря на то, что принцип работы для всех коллекторов один и тот же, конструкция устройств может отличаться в зависимости от их типа и сферы применения.

Накопительный резервуар наполняется нагретой водой, которая используется в дальнейшем для нужд дома. Тем временем, неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место для нагретой воды из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. Как правило, вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 градусов по Цельсию.

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.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы производятся с использованием стеклянных трубок внутри каждой из которых располагается устройство, которое абсорбирует солнечный свет. Благодаря вакуумному состоянию, которое является идеальным теплоизолятором, теплопотери в таких коллекторах значительно сокращаются. Различают два вида таких коллекторов в зависимости от метода нагрева - с косвенной теплопередачей и прямоточные. Коллекторы первого типа предназначены для эксплуатации в любое время года, тогда как второй тип рекомендуется использовать только в теплый период с апреля по сентябрь.

Концентрирующие устройства

Весной, летом и осенью угол падения дневных лучей солнца на поверхность земли превышает 120 градусов – этот угол является оптимальным для использования неподвижных солнечных коллекторов. Для достижения эксплуатационной температуры в диапазоне от 120 до 250 градусов Цельсия используются концентрирующие устройства, такие как параболические отражатели, которые располагаются под поглощающими элементами коллекторов. Они сосредотачивают солнечные лучи и, следовательно, направляют больше энергии на панель. Для достижения еще более высоких температур, необходимо использовать устройства отслеживания солнца. Однако, это довольно дорогостоящее решение, поэтому оно 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.

Гелиоустановки могут стать серьезным шагом на пути к экономической выгоде и экологической чистоте. Коллекторы могут быть разных типов, с разными уровнями сложности системы, мощности и производительности, и всё это сказывается на их стоимости. Если говорить о небольших установках для частных домов, то их стоимость начинается от 160 000 рублей за базовую комплектацию, предназначенную для нагрева воды и с мощностью около 2 кВт•ч. В свою очередь, более мощные системы с несколькими коллекторами (общей мощностью около 6 кВт•ч), которые предназначены для отопления дома, могут обойтись в 270 000 рублей. Естественно, к этим расходам нужно добавить стоимость монтажа и наладки.

Однако, стоит заметить, что окупаемость гелиоустановки напрямую зависит от режима эксплуатации. В отопительный период она в среднем на 25% поддерживает отопление помещения и на 80-90% в летние месяцы обеспечивает горячую воду. Срок окупаемости гелиоустановки может варьироваться от 2 до 8 лет в зависимости от расходов на тепло и горячую воду. Эти цифры свидетельствуют о том, что использование технологии в России становится всё более целесообразным и перспективным с экономической точки зрения.

Фото: freepik.com