Слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия: видове и особености на хелиосистемите

През последното десетилетие слънчевата енергия като алтернативен източник на енергия се използва все по-често за отопление и осигуряване на сгради с топла вода. Основната причина е стремежът да се замени традиционното гориво с достъпни, екологично чисти и възобновяеми енергийни ресурси.

Преобразуването на слънчевата енергия в топлинна става в хелиосистемите – конструкцията и принципът на действие на модула определят спецификата на неговото приложение. В този материал ще разгледаме разновидностите на слънчевите колектори и принципите на тяхното функциониране, както и ще разкажем за популярните модели на слънчеви модули.

Целесъобразност на използването на хелиосистемата

Хелиосистемата е комплекс за преобразуване на слънчевата лъчева енергия в топлинна, която впоследствие се предава в топлообменник за нагряване на топлоносителя на отоплителната система или водоснабдяването.

Ефективността на хелиотермичната инсталация зависи от слънчевата инсолация – количество енергия, постъпващо в рамките на един светлинен ден на 1 кв.м повърхност, разположена под ъгъл 90° спрямо посоката на слънчевите лъчи. Измерителната стойност на показателя е кВт*ч/кв.м, стойността на параметъра се променя в зависимост от сезона.

Средно ниво на слънчева инсолация за регион с умерено-континентален климат – 1000-1200 кВт*ч/кв.м (годишно). Количеството слънце е определящ параметър за изчисляване на производителността на хелиосистемата.

Използването на алтернативен енергиен източник позволява да се отоплява дома, да се получава гореща вода без традиционни енергийни разходи – изключително посредством слънчево излъчване.

Монтажът на система за гелиотеплоснабдяване е скъпо мероприятие. За да се оправдаят капиталовите разходи, е необходим точен изчисление на системата и спазване на технологията на инсталиране.

Пример. Средна стойност на слънчевата инсолация за Тула в средата на лятото – 4,67 кВ/кв.м*ден при условие, че панелът на системата е инсталиран под ъгъл 50°. Производителността на хелиоколектор с площ 5 кв.м се изчислява по следния начин: 4,67*4=18,68 кВт топлоенергия на ден. Този обем ще бъде достатъчен за подгряване на 500 л вода от температура 17 °С до 45 °С.

Както показва практиката, при използване на хелиоинсталация, собствениците на вилата през летния период могат напълно да преминат от електрическо или газово нагряване на вода към слънчев метод.

Говорейки за целесъобразността на внедряването на нови технологии, е важно да се вземат предвид техническите особености на конкретния хелиоколектор. Едни започват да работят при 80 W/кв.м слънчева енергия, а на други са достатъчни 20 W/кв.м.

Дори в южен климат, приложението на колекторна система изключително за отопление няма да се изплати. Ако инсталацията се използва изключително през зимата при недостиг на слънце, то стойността на оборудването няма да се покрие дори за 15-20 години.

За да използвате слънчевата система възможно най-ефективно, тя трябва да бъде включена в системата за топла вода. Дори през зимата слънчевият колектор ще позволи да „срежете“ сметките за енергоносители за подгряване на вода с до 40-50%.

Според оценки на експерти, при битово използване слънчевата система се изплаща приблизително за 5 години. При покачване на цените на електроенергията и газа срокът на изплащане на комплекса ще се съкрати.

Освен икономическата изгода, „слънчевото отопление“ има допълнителни предимства:

1. Екологичност. Намалява се отделянето на въглероден диоксид. За година 1 кв. м слънчев колектор предотвратява постъпването в атмосферата на 350-730 кг отработен газ.
2. Естетичност. Пространството на компактна баня или кухня се освобождава от обемисти бойлери или газови колони.
3. Дълготрайност. Производителите уверяват, че при спазване на технологията на монтаж, комплексът ще издържи около 25-30 години. Много компании предоставят гаранция до 3 години.

Аргументи срещу използването на слънчевата енергия: силно изразена сезонност, зависимост от времето и високи първоначални инвестиции.

Общо устройство и принцип на действие

Нека разгледаме вариант на слънчева система с колектор като основен работен елемент на системата. Външният вид на агрегата наподобява метален сандък, чиято лицева страна е изработена от закалено стъкло. Вътре в кутията е разположен работният орган – серпентина с абсорбер.

Топлопоглъщащият блок осигурява нагряване на топлоносителя – циркулиращата течност, предава генерираната топлина към контура на водоснабдяването.

Основни възли на слънчевата система: 1 – колекторно поле, 2 – въздухоотводчик, 3 – разпределителна станция, 4 – резервоар за изпускане на излишно налягане, 5 – контролер, 6 – бойлер-водонагревател, 7,8 – електрически нагревател и топлообменник, 9 – термосмесителен клапан, 10 – разход на топла вода, 11 – постъпване на студена вода, 12 – изпускане, Т1/Т2 – температурни датчици

Слънчевият колектор работи задължително в тандем с акумулиращ резервоар. Тъй като топлоносителят се нагрява до температура 90-130°C, той не може да се подава директно към крановете за топла вода или отоплителните радиатори. Топлоносителят постъпва в топлообменника на бойлера. Акумулиращият резервоар често се допълва с електрически нагревател.

Схема на работа:

1. Слънцето нагрява повърхността на колектора.
2. Топлинното лъчение се предава на поглъщащия елемент (абсорбер), в който се съдържа работната течност.
3. Циркулиращият по тръбичките на серпентината топлоносител се нагрява.
4. Помпеното оборудване, блокът за управление и контрол осигуряват отвеждането на топлоносителя по тръбопровода към серпентината на акумулиращия резервоар.
5. Осъществява се предаване на топлина на водата в бойлера.
6. Охладеният топлоносител постъпва обратно в колектора и цикълът се повтаря.

Нагрятата вода от водонагревателя се подава в отоплителния кръг или към водочерпните точки.

При изграждане на отоплителна система или целогодишно горещо водоснабдяване, системата се комплектова с източник на допълнително подгряване (котел, електрически нагревател). Това е необходимо условие за поддържане на зададената температура.

Слънчевите батерии в изграждането на частни домове най-често се използват като резервен източник на електроенергия:

Разновидности на слънчевите колектори

Независимо от предназначението, хелиосистемата се комплектова с плосък или сферичен тръбен хелиоколектор. Всеки от вариантите има ред отличителни особености по отношение на техническите характеристики и ефективността на експлоатация.

Вакуумен – за студен и умерен климат

Конструктивно вакуумният хелиоколектор напомня на термос – тесни тръбички с топлоносител са поставени в колби с по-голям диаметър. Между съдовете се образува вакуумна прослойка, отговорна за топлоизолацията (запазване на топлината – до 95%). Тръбната форма е най-оптимална за поддържане на вакуума и „улавяне“ на слънчевите лъчи.

Основни елементи на тръбна хелиотермична инсталация: опорна рамка, корпус на топлообменник, вакуумни стъклени тръби, обработени с високоселективно покритие за интензивно „поглъщане“ на слънчева енергия.

Вътрешната (топлинна) тръба е напълнена със солен разтвор с ниска температура на кипене (24-25 °C). При нагряване течността се изпарява – изпаренията се издигат нагоре по колбата и нагряват топлоносителя, циркулиращ в корпуса на колектора.

В процеса на кондензация капките вода се стичат в накрайника на тръбата и процесът се повтаря.

Благодарение на наличието на вакуумна прослойка, течността вътре в топлинната колба е способна да кипи и да се изпарява при отрицателна външна температура (до -35 °C).

Характеристиките на слънчевите модули зависят от следните критерии:

• конструкция на тръба – перова, коаксиална;
• устройство на топлинния канал – «Heat pipe», правотокова циркулация.

Перушинова колба – стъклена тръбичка, в която са заключени пластинков абсорбер и топлинен канал. Вакуумната прослойка преминава през цялата дължина на топлинния канал.

Коаксиална тръба – двойна колба с вакуумна «вложка» между стените на два резервоара. Преносът на топлина се осъществява от вътрешната повърхност на тръбата. Накрайникът на термотръбата е оборудван с индикатор за вакуум.

Ефективността на перушиновите тръби (1) е по-висока в сравнение с коаксиалните модели (2). Първите обаче са по-скъпи и по-сложни за монтаж. Освен това, при повреда, перушиновата колба ще трябва да се смени цялата.

Каналът «Heat pipe» – най-разпространеният вариант за пренос на топлина в хелиоколекторите.

Механизмът на действие се основава на поставяне на лесноизпаряваща се течност в херметични метални тръби.

Популярността на «Heat pipe» се дължи на достъпната цена, непретенциозността на обслужване и ремонтопригодността. Поради сложността на топлообменния процес максималното ниво на КПД е 65%.

Правотоков канал – през стъклената колба преминават успоредни, съединени в U-образна дъга метални тръби.

Топлоносителят, преминавайки през канала, се нагрява и се подава към корпуса на колектора.

Варианти на конструкции на вакуумния хелиоколектор: 1 – модификация с нагревателна централна тръба «Heat pipe», 2 – хелиоинсталация с правотокова циркулация на топлоносителя.

Коаксиалните и перушиновите тръби могат да се комбинират по различен начин с топлинните канали.

Вариант 1. Коаксиална колба с «Heat pipe» – най-популярното решение. В колектора се осъществява многократен пренос на топлина от стените на стъклената тръба към вътрешната колба, а след това към топлоносителя. Степента на оптичен КПД достига 65%.

Схема на устройството на коаксиална тръба «Heat pipe»: 1 – обвивка от стъкло, 2 – селективно покритие, 3 – метално оребрение, 4 – вакуум, 5 – топлинна колба с лесноизпаряващо се вещество, 6 – вътрешна тръба от стъкло.

Вариант 2. Коаксиална колба с правотокова циркулация е известна като U-образен колектор. Благодарение на конструкцията се намаляват топлинните загуби – топлинната енергия от алуминия се предава на тръбите с циркулиращ топлоносител.

Наред с високия КПД (до 75%) моделът има недостатъци:

• трудност при монтажа – колбите са едно цяло с двутръбния корпус на колектора (mainfold) и се монтират изцяло;
• изключена е подмяната на единични тръби.

Освен това, U-образният агрегат е взискателен към топлоносителя и е по-скъп от моделите с «Heat pipe».

Устройство на U-образен хелиоколектор: 1 – стъклен «цилиндър», 2 – абсорбиращо покритие, 3 – алуминиев «калъф», 4 – колба с топлоносител, 5 – вакуум, 6 – вътрешна тръба от стъкло

Вариант 3. Перова тръба с принцип на действие «Heat pipe». Отличителни особености на колектора:

• високи оптични характеристики – КПД около 77%;
• плоският абсорбер директно предава топлинна енергия на тръбата с топлоносителя;
• благодарение на използването на един слой стъкло е намалено отражението на слънчевото излъчване;

Възможна е подмяна на повреден елемент без източване на топлоносителя от хелиосистемата.

Вариант 4. Перова колба с прямогочен принцип – най-ефективният инструмент за използване на слънчевата енергия като алтернативен източник за отопление на вода или жилища. Високопроизводителният колектор работи с КПД – 80%. Недостатък на системата – трудност при ремонт.

Схеми на устройство на перови слънчеви колектори: 1 – хелиосистема с «Heat pipe» канал, 2 – двутръбен корпус на хелиоколектор с прямогочно движение на топлоносителя

Независимо от изпълнението, тръбните колектори притежават следните предимства:

• работоспособност при ниска температура;
• ниски топлинни загуби;
• продължителност на функциониране през денонощието;
• способност за нагряване на топлоносителя до високи температури;
• ниска ветроустойчивост;
• простота на инсталиране.

Основен недостатък на вакуумните модели – невъзможност за самоочистване от снежната покривка. Вакуумният слой не пропуска топлината навън, поради което снегът не се топи и блокира достъпа на слънцето до колекторното поле. Допълнителни минуси: висока цена и необходимост от спазване на работен ъгъл на наклон на колбите не по-малък от 20°.

Колекторни слънчеви уреди, които нагряват въздушен топлоносител, могат да се използват за подготовка на топла вода, ако са снабдени с накопителен резервоар:

По-подробно за принципа на работа на вакуумния слънчев колектор с тръби четете по-нататък.

Воден – оптимален вариант за южни ширини

Плоският (панелен) хелиоколектор представлява правоъгълна алуминиева плоча, покрита отгоре с пластмасов или стъклен капак. Вътре в кутията са разположени абсорбционно поле, метален серпентина и слой топлоизолация. Площта на колектора е запълнена с проточен тръбопровод, по който се движи топлоносителят.

Основните съставни части на плоския хелиоколектор са: корпус, абсорбер, защитно покритие, слой топлоизолация и крепежни детайли. При сглобяването се използва матово стъкло с коефициент на пропускане на спектралния диапазон 0,4-1,8 мкм.

Топлинното поглъщане на високоселективното абсорбиращо покритие достига 90%. Проточният метален тръбопровод е разположен между „поглъщателя“ и топлоизолацията. Прилагат се две схеми на полагане на тръбите: „арфа“ и „меандър“.

Процесът на сглобяване на слънчевите колектори, които нагряват течен топлоносител, включва редица традиционни етапи:

Ако отоплителният кръг бъде допълнен с линия, доставяща санитарна вода за БГВ, има смисъл да се свърже топлинен акумулатор към слънчевия колектор. Най-простият вариант е резервоар с подходящ обем и топлоизолация, способен да поддържа температурата на загрятата вода. Той трябва да се монтира на естакада:

Тръбният колектор с течен топлоносител действа като „оранжериен“ ефект – слънчевите лъчи проникват през стъклото и загряват тръбопровода. Благодарение на херметичността и топлоизолацията топлината се задържа вътре в панела.

Здравината на слънчевия модул до голяма степен се определя от материала на защитния капак:

• обикновено стъкло – най-евтиното и крехко покритие;
• закалено стъкло – висока степен на разсейване на светлината и повишена здравина;
• антирефлексно стъкло – отличава се с максимална абсорбционна способност (95%) благодарение на слой, елиминиращ отражението на слънчевите лъчи;
• самопочистващо се (полярно) стъкло с титанов диоксид – органичните замърсявания изгарят на слънце, а остатъците от мръсотия се отмиват от дъжда.

Най-устойчиво на удари е поликарбонатното стъкло. Материалът се монтира в скъпи модели.

Отражение на слънчевите лъчи и абсорбционна способност: 1 – антирефлексно покритие, 2 – закалено удароустойчиво стъкло. Оптимална дебелина на защитната външна обвивка – 4 мм

Експлоатационни и функционални особености на панелните слънчеви инсталации:

• в системите с принудителна циркулация е предвидена функция за размразяване, позволяваща бързо отстраняване на снежната покривка върху соларното поле;
• призматичното стъкло улавя широк диапазон от лъчи под различен ъгъл – през летния период КПД на инсталацията достига 78-80%;
• колекторът не се страхува от прегряване – при излишък на топлинна енергия е възможно принудително охлаждане на топлоносителя;
• повишена удароустойчивост в сравнение с тръбните си събратя;
• възможност за монтаж под произволен ъгъл;
• достъпна ценова политика.

Системите не са лишени от недостатъци. В период на дефицит на слънчево излъчване, с увеличаването на температурната разлика, КПД на плоския слънчев колектор значително спада поради недостатъчна топлоизолация. Затова панелният модул оправдава себе си през лятното време или в региони с топъл климат.

Хелиосистеми: особености на конструкцията и експлоатацията

Многообразието от гелиосистеми може да бъде класифицирано по следните параметри: метод на използване на слънчевата радиация, начин на циркулация на топлоносителя, брой контури и сезонност на експлоатация.

Активен и пасивен комплекс

Във всяка слънчева система за преобразуване на енергия е предвиден слънчев приемник. В зависимост от начина на използване на получената топлина се различават два вида слънчеви комплекси: пасивни и активни.

Първият вид – система за слънчево отопление, където топлопоглъщащ елемент на слънчевото излъчване са конструктивните елементи на сградата. Като слънчева приемна повърхност се използват покривът, стената-колектор или прозорците.

Схема на нискотемпературна пасивна слънчева система със стена-колектор: 1 – слънчеви лъчи, 2 – полупрозрачен екран, 3 – въздушна бариера, 4 – нагрят въздух, 5 – отработени въздушни потоци, 6 – топлинно излъчване от стената, 7 – топлопоглъщаща повърхност на стената-колектор, 8 – декоративни жалузи

В европейските страни пасивните технологии се използват при изграждане на енергоспестяващи сгради. Слънчевите приемни повърхности се декорират като фалшиви прозорци. За стъкленото покритие се разполага тухлена зачернена стена със светли отвори.

Като топлоакумулатори служат елементите на съоръжението – стени и тавани, изолирани с полистирол отвън.

Активните системи предполагат използването на самостоятелни устройства, които не са част от съоръжението.

Към тази категория се отнасят разгледаните по-горе комплекси с тръбни, плоски колектори – слънчевотермични инсталации, които обикновено се разполагат на покрива на сградата

Термосифонни и циркулационни системи

Слънчевотермичното оборудване с естествено движение на топлоносителя по контура колектор-акумулатор-колектор се осъществява благодарение на конвекция – топлата течност с малка плътност се издига нагоре, охладената – се стича надолу.

При термосифонните системи натрупващият резервоар се разполага над колектора, осигурявайки самопроизволна циркулация на топлоносителя.

Схемата на работа е присъща на едноконтурните сезонни системи. Термосифонният комплекс не се препоръчва да се използва за колектори с площ над 12 кв.м

Безнапорната слънчева система има широк списък от недостатъци:

• в облачни дни производителността на комплекса пада – за движението на топлоносителя се изисква голяма температурна разлика;
• топлинни загуби, причинени от бавното движение на течността;
• риск от прегряване на резервоара поради неконтролируемост на нагревателния процес;
• нестабилност на работата на колектора;
• сложност при разполагането на акумулаторния резервоар – при монтаж на покрива се увеличават топлинните загуби, ускоряват се корозионните процеси, появява се риск от замръзване на тръбите.

Предимства на „гравитационната“ система: простота на конструкцията и достъпна цена.

Капиталните разходи за изграждане на циркулационна (принудителна) хелиосистема са значително по-високи от инсталирането на безнапорен комплекс. В контура се вгражда помпа, която осигурява движението на топлоносителя. Работата на помпената станция се управлява от контролер.

Допълнителната топлинна мощност, произвеждана в принудителния комплекс, надвишава мощността, консумирана от помпеното оборудване. Ефективността на системата нараства с една трета

Такъв начин на циркулация се използва в целогодишни двуконтурни хелиотермични инсталации.

Предимства на многофункционалния комплекс:

• неограничен избор на местоположение на акумулаторния резервоар;
• работоспособност извън сезона;
• избор на оптимален режим на нагряване;
• безопасност – блокиране на работата при прегряване.

Недостатък на системата – зависимост от електроенергия.

Техническо решение на схеми: едноконтурни и двуконтурни

В едноконтурни инсталации циркулира течност, която впоследствие се подава към водочерпните точки. През зимата водата от системата трябва да се източи, за да се предотврати замръзване и напукване на тръбите.

Особености на едноконтурните хелиотермични комплекси:

• препоръчва се „зареждане“ на системата с пречистена мека вода – отлагане на соли по стените на тръбите води до запушване на каналите и повреда на колектора;
• корозия поради излишък на въздух във водата;
• ограничен срок на експлоатация – в рамките на четири до пет години;
• висок КПД през лятото.

В двуконтурни хелиокомплекси циркулира специален топлоносител (незамръзваща течност с противообразуващи и антикорозионни добавки), който отдава топлина на водата чрез топлообменник.

Схеми на устройство на едноконтурна (1) и двуконтурна (2) хелиосистема. Вторият вариант се отличава с повишена надеждност, възможност за работа през зимата и дълготрайност на експлоатация (20-50 години)

Нюанси на експлоатация на двуконтурния модул: незначително намаляване на КПД (с 3-5% по-малко от едноконтурната система), необходимост от пълна подмяна на топлоносителя на всеки 7 години.

Условия за работа и повишаване на ефективността

Изчислението и монтажа на хелиосистема е по-добре да се доверят на професионалисти. Спазването на техниката на инсталиране ще осигури работоспособност и постигане на заявената производителност. За подобряване на ефективността и срока на експлоатация трябва да се вземат предвид някои нюанси.

Термостатичен вентил. В традиционните системи за топлоснабдяване термостатичният елемент рядко се монтира, тъй като за регулиране на температурата отговаря топлогенераторът. При изграждането на хелиосистема обаче не трябва да се забравя защитният вентил.

Нагряването на резервоара до максимално допустимата температура повишава производителността на колектора и позволява да се използва слънчевата топлина дори при облачно време

Оптималното разположение на вентила е на 60 см от нагревателя. При близко разположение термостатът се нагрява и блокира подаването на гореща вода.

Разположение на акумулаторния резервоар. Буферният съд за БГВ трябва да се монтира на достъпно място. При разполагане в компактно помещение особено внимание се обръща на височината на таваните.

Минималното свободно пространство над резервоара е 60 см. Тази междина е необходима за обслужване на акумулатора и замяна на магнезиевия анод

Инсталиране на разширителен съд. Елементът компенсира температурното разширение в период на стагнация. Инсталирането на съда над помпеното оборудване ще предизвика прегряване на мембраната и нейното преждевременно износване.

Оптималното място за разширителния съд е под помпената група. Температурното въздействие при такъв монтаж значително се намалява и мембраната запазва еластичността си по-дълго

Присъединяване на хелиоконтура. При свързване на тръбите се препоръчва да се организира примка. „Термопримката“ намалява топлинните загуби, като предотвратява изтичането на нагрятата течност.

Технически правилен вариант за реализиране на „примката“ на хелиоконтура. Пренебрегването на изискването става причина за понижаване на температурата в акумулаторния резервоар с 1-2°C за нощ

Обратен вентил. Предотвратява „преобръщане“ на циркулацията на топлоносителя. При недостиг на слънчева активност обратният вентил не позволява да се разсее топлината, натрупана през деня.

Популярни модели на «слънчеви» модули

Търсене има за хелиосистеми на местни и чуждестранни компании. Добра репутация са спечелили продуктите на производителите: НПО Машиностроения (Русия), Гелион (Русия), Ariston (Италия), Алтен (Украйна), Висман (Германия), Амкор (Израел) и др.

Хелиосистема «Сокол». Плосък хелиоколектор, оборудван с многослойно оптично покритие с магнетронно нанасяне. Минималната способност за излъчване и високото ниво на поглъщане осигуряват КПД до 80%.

Експлоатационни характеристики:

• работна температура – до -21 °C;
• обратно излъчване на топлина – 3-5%;
• горен слой – закалено стъкло (4 мм).

Колектор СВК-А (Алтен). Вакуумна гелиоинсталация с площ на абсорбция 0,8-2,41 кв.м (в зависимост от модела). Топлоносител – пропиленгликол, топлоизолация на медния топлообменник от 75 мм минимизира топлинните загуби.

Допълнителни параметри:

• корпус – анодиран алуминий;
• диаметър на топлообменника – 38 мм;
• изолация – минерална вата с антихигроскопична обработка;
• покритие – боросиликатно стъкло 3,3 мм;
• КПД – 98%.

Vitosol 100-F – плосък гелиоколектор за хоризонтален или вертикален монтаж. Меден абсорбер с арфовиден тръбен серпентина и гелиотитаново покритие. Пропускане на светлина – 81%.

Ориентировъчен ред на цените за гелиосистеми: плоски гелиоколектори – от 400 у.е./кв.м, тръбни слънчеви колектори – 350 у.е./10 вакуумни колби. Пълен комплект циркулационна система – от 2500 у.е.

Изводи и полезно видео по темата

Принцип на действие на слънчевите колектори и техните видове:

Оценка на работоспособността на плосък колектор при минусови температури:

Технология на монтаж на панелен гелиоколектор на примера на модел Buderus:

Слънчевата енергия е възобновяем източник за получаване на топлина. Предвид нарастването на цените на традиционните енергийни ресурси, внедряването на гелиосистеми оправдава капиталовите инвестиции и се изплаща в рамките на следващите пет години при спазване на техниката на монтаж.

Ако имате ценна информация, която искате да споделите с посетителите на нашия сайт, моля, оставете вашите коментари в блока под статията. Там можете да зададете въпроси, които ви интересуват по темата на статията, или да споделите опит с използването на слънчеви колектори.