Солнечные гелиоколлекторы

СОЛНЦЕ.

Масса Солнца составляет 99,8 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза), влияет на климат. Солнце состоит из водорода (~73 % от массы и ~92 % от объёма), гелия (~25 % от массы и ~7 % от объёма) и следующих, входящих в его состав в малых концентрациях, элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.  
 
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок. 
 
Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также ионизированного водорода. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается свыше 100 миллионов звёзд класса G2. При этом 85 % звёзд нашей галактики — это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём это красные карлики, находящиеся в конце своего цикла эволюции). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза гелия из водорода. 
 
Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот примерно за 225—250 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с — таким образом, оно проходит один световой год за 1400 земных лет, а одну астрономическую единицу за 8 земных суток. В настоящее время Солнце находится во внутреннем крае Рукава Ориона нашей Галактики, между Рукавом Персея (англ.) и Рукавом Стрельца (англ.), в так называемом «Местном межзвёздном облаке» (англ.) — области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность «Местном пузыре» (англ.) — зоне рассеянного высокотемпературного межзвёздного газа.  
 
Из звёзд, принадлежащих 50 самым близким звёздным системам в пределах 17 световых лет, известным в настоящее время, Солнце является четвёртой по яркости звездой (его абсолютная звёздная величина +4,83m).

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ.

В летнюю пору, когда продолжительность  светового дня превышает 10 часов, с такими задачами справляются все  виды солнечных коллекторов, как плоские, так и вакуумные. В осенние и весенние месяцы, когда температура окружающей среды существенно понижена, плоские коллектора теряют производимую мощность за счет тепловых потерь в окружающую среду. С понижением температуры потери увеличиваются. На отметке 0 °С работа плоских коллекторов практически незаметна, в то время как вакуумные коллектора успешно продолжают работать. Температура окружающей среды не влияет на работу вакуумных коллекторов, поскольку тепловая трубка коллектора надежно защищена вакуумом. Таким образом, гелиосистемы на основе вакуумных коллекторов в период межсезонья можно использовать для поддержки отопления при помощи низкотемпературных контуров. т.к для поддержания теплого пола достаточно подогревать теплоноситель до 35-400С.  
 
Такая система будет состоять из гелиополя, рассчитанного на поддержку отопления, бака-накопителя с двумя змеевиками. Первый змеевик соединяется непосредственно с коллекторами, второй будет присоединен к гребенке теплого пола, в самом баке будет находиться вода для нужд горячего водоснабжения, которая через термосмесительный клапан поддет на рукомойники, душевые кабины и полотенцесушители. При достижении температуры 50 °С в баке, т.е. при выполнении условий по горячему водоснабжению будет срабатывать термостат бака и давать команду на насос, который буде прогонять теплоноситель теплого через второй змеевик. В случае, когда не-обходим подогрев теплоносителя, а в баке температура ниже требуемой, включается дополнительный источник тепла. Это может быть газовый котел системы отопления дома, подключенный к той же гребенке теплого пола, или электрический тэн в самом баке-накопителе. В та-ком случае происходит быстрый нагрев воды в самом баке. А автоматика гелиоконтура в свою очередь получает сигнал от термодатчика в баке, и нагрев воды от самих коллекторов начнется тогда, когда температура в теплосъемнике коллектора превысит температуру воды в баке на 8 °С.  
 
Гелиосистему возможно легко интегрировать в любую систему отопления с любыми источниками тепла будь то газовый, твердотопливный, мазутный котел, любой тепловой насос. После выполнения первоочередной задачи по обеспечению дома горячей водой, излишки тепла из бака-накопителя можно использовать по любому назначению, например подогрева воды в бассейне сауны. В некоторых саунах Киева уже есть такой опыт. А каждый ватт солнечного тепла экономит ваши деньги.

СОЛНЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ.

ТЕПЛО ДЛЯ ВСЕХ

 
 
Солнце светит всюду. В отличие  от полезных ископаемых, которыми природа  по своему усмотрению щедро наделила или, наоборот, обделила отдельные страны, солнечная энергия принадлежит  всем. Это практически единственный природный ресурс, который доступен людям, независимо от места их проживания. Но ждать милости от природы, как  известно, дело малоперспективное. Взять  их, в нашем случае  — использовать солнечное тепло для обогрева дома и снабжения его горячей водой, сегодня вполне реально.  
 
Для преобразования солнечной энергии в тепловую в западных странах уже давно используются гелиосистемы. Еще несколько лет назад солнечные коллекторы и фотопреобразователи (батареи) бы для нас редкостью, но сегодня они все чаще появляются на крышах украинских домов.

ЭКОНОМИЯ ПЛЮС ЭКОЛОГИЯ

 
Особенно популярны у отечественных домовладельцев гелиоколлекторы — плоские и трубчатые. Благодаря современным высокоселективным покрытиям они способны поглощать солнечное излучение в пасмурные дни, а системы с вакуумными трубками даже тогда, когда солнце полностью закрыто облаками (то есть использовать так называемый диффузионный свет). 
 
Применение вакуумных труб — Heatpipe (HP) и труб сверхвысокой теплопроводности (SV) — было очередным шагом в развитии гелиосистем. С их появлением работа солнечного коллектора стала возможной при низких температурах (HP до -35, SV до -50OC). 
 
Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи всегда падают на поверхность трубчатого коллектора под прямым углом. Таким образом, в течение светового дня он эффективно работает, производя гораздо больше тепловой энергии, нежели плоский коллектор, который достигает пика только в полдень, когда солнце находится в зените. К тому же вакуум, представляющий собой совершенную термоизоляцию, способствует резкому уменьшению теплопотерь.  
 
В результате в теплое время года хозяева коттеджа могут полностью отказаться от потребления газа и электроэнергии для приготовления горячей воды, а зимой — сэкономить на энергоносителях 40–60% и тем самым внести пусть и небольшой вклад в сохранение экологии нашей планеты.  
 
Кстати, сами вакуумные трубы не представляют никакой опасности для окружающей среды. Они надежно запаяны, поэтому реагент, находящийся внутри, не может нанести вреда человеку.

УСТАНОВКА И МОНТАЖ

 
Трубчатые солнечные коллекторы прекрасно  зарекомендовали себя в различных  климатических зонах Украины. Конечно, в южных районах, особенно в Крыму, где солнечная активность высока, система работает более эффективно. Однако и в северной части или  в западных областях, где инсоляция  наименьшая, коллектор успешно решает задачу горячего водоснабжения дома (коттеджа). Эффективность работы гелио  коллектора в значительной степени  зависит от правильности установки  и грамотного проведения монтажа  системы.  
 
Наиболее интенсивная инсоляция наблюдается в середине дня, по этому плоскость коллектора должна быть ориентирована на юг. Возможны отклонения от южного направления на юго-восток или юго-запад до 45О. Более значительные можно компенсировать небольшим увеличением площади коллектора. 
 
Система должна быть установлена так, чтобы на нее не падала тень от соседних зданий и деревьев — это снижает ее КПД. При установке на скатной крыше угол наклона коллектора задается скатом кровли. Максимальное количество солнечной энергии воспринимается поглотителем кол лектора при расположении его плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени су ток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высотой солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.  
 
Для повышения эффективности тепловые коллекторы устанавливают на крыше под углом наклона, равным географической широте местности. В киевском регионе это составляет 45–50О (широта Киева 50O).

 
Поскольку трубки имеют обтекание  и их парусность гораздо ниже, чем  у плоских коллекторов (система  выдерживает порывы ветра 250 км/ч), иногда при монтаже можно схитрить. Например, увеличить угол наклона с 50 до 70O. В этом случае в зимнее время, когда  солнце находится низко над горизонтом, коллектор будет работать более  эффективно, а летом, когда оно  стоит высоко, неизбежны не большие  потери, но при переизбытке тепловой энергии они вполне приемлемы.  
 
При монтаже упоры рамы можно выставить так, чтобы получить возможность ее регулирования. Если хозяин захочет, раз в три-четыре месяца он может выйти на крышу и изменить угол наклона кол лектора. Возникает вопрос: а почему бы не создать такую систему, которая бы автоматически следила за солнцем и в зависимости от его положения поворачивала коллектор? Нечто вроде параболической антенны. Увы, по мнению разработчиков, это экономически нецелесообразно.  
 
Для установки коллекторов производители предлагают универсальные системы, упрощающие монтаж. Их можно использовать на крышах практически всех конфигураций, а также для установки на других поверхностях, например, фасадах.  
 
В комплект оборудования для солнечного отопления - солнечного коллектора может входить отражатель, задача которого собирать отраженные лучи на внутренней поверхности трубки. Это повышает эффективность гелио системы примерно на 15%. Однако с другой стороны, создает некоторые сложности в ее эксплуатационном обслуживании. Отражатель добавляет парусности системе, к тому же он задерживает снег, и способствует скапливанию пыли и листьев. Ввиду этого при монтаже гелиоколлекторов многие домовладельцы отказываются от его установки.  
 
Монтажом гелиооборудования лучше не заниматься самостоятельно с помощью инструкции. Это довольно сложный процесс, требующий знания тонкостей — его должны проводить специалисты из инсталляционных фирм. Только в этом случае система будет без проблем работать 20–25 лет, как это и гарантируют производители.

Как и предполагалось, гелиоколлекторы все активнее внедряются в список оборудования коттеджа, повышая его автономию. В пользе солнечных коллекторов сегодня уже никто не сомневается, но их рентабельность все же вызывает множество споров в основном из-за дороговизны оборудования. К тому же отечественные потребители не достаточно осведомлены о самих гелиоколлекторных системах, и чтобы решить, нужны ли они или нет, необходимо получить ответы на целый ряд вопросов. Попробуем в рамках одной статьи найти ответы на основные из них.

Самый главный вопрос – экономический. Стоимость гелиоколлекторной системы, способной обеспечить горячей водой средний коттедж, находится в районе 5000 $. На первый взгляд недешево, – воображение рисует огромное количество воды, которую можно подогреть за эти деньги, используя газ или электроэнергию. Однако на самом деле этой суммы при сегодняшних ценах на газ семье из трех-четырех человек хватит максимум на пятилетку на то, чтобы отапливать жилище и пользоваться горячей водой.

Современные гелиоколлекторы позволяют полностью обеспечить нужды жильцов в горячей воде на протяжении 7-8 месяцев в году, а в остальное время подогревают воду до 30°С, существенно снижая расход газа. Подсчитано, что гелиоколлектор способен сэкономить до 80% средств, направленных на оплату ГВС. В межсезонье гелиоколлектор может полностью взять на себя отопление дома, а это еще 20-30% сэкономленного газа. В целом экономия составит 60%, что снижает затраты в пятилетку на газ с 5000$ до 2000$.

Если считать  экономию при использовании электричества, вместо газа, то она окажется еще  больше. Исходя из полученных данных, гелиоколлектор в среднем окупится за 5-7 лет. А если учитывать индексацию цен, вызванную постоянным ростом стоимости энергоносителей, то срок окупаемости может снизиться до 3-4 лет.

Дальше возникает совершенно справедливый вопрос: сколько может прослужить вакуумный трубчатый гелиоколлектор?

Единственным изнашиваемым элементом гелиоколлекторной системы является циркуляционный насос, который стоит порядка 100$. Сам же гелиоеоллектор служит 20 и более лет. К тому же он практически не требует эксплуатационного обслуживания. По сравнению с другими системами подогрева воды, гелиоколлекторная является самой экономичной. К примеру, тот же газовый котел потребует замены горелок раз в 4-5 лет, и регулярного обслуживания специалистами. В электрических системах подогрева воды необходимо каждые 3-5 лет менять ТЭНы, которые стоят порядка 200-300$.

Какая жидкость используется в качестве теплоносителя и насколько она безопасна?

Теоретически теплоносителем в гелиоколлекторной системе может быть любая незамерзающая жидкость, будь то антифриз, соленая вода и тому подобные. В европейской практике принято использовать жидкости на основе глицерина – этилен-гликоль или пропилен-гликоль. В них домешиваются присадки, защищающие теплопроводы от коррозии, а резиновые уплотнители от разбухания и костенения.

Этилен-гликоль по типу теплопередачи наиболее эффективен. Однако по причине его ядовитых свойств в жилых помещениях его использование запрещено. Данный теплоноситель в Европе используется только в системах отопления промышленных зданий.

Европейских рекомендаций стоит придерживаться и нам, поэтому  предпочтение отдается пропиленгликолю. При монтаже система испытывается избыточным давлением, после чего, находящийся в верхней точке воздушный клапан перекрывается. В герметичном замкнутом контуре протечки и испарение теплоносителя исключаются.

Что произойдет с тепловым коллектором, если разобьется стеклянная трубка?

Прежде всего, отметим, что вакуумные трубки изготовлены  из особого ударопрочного стекла и выдерживают удары градин диаметром до 35 мм. Трубки проходят испытание на прочность еще на заводе, где на них сбрасывают стальные шары диаметром 35 мм с высоты 40 см. Но если даже предоположить, что одна или несколько трубок разобьются, то коллектор продолжит работать за вычетом поломанных трубок, которые хозяин может заменить в любое время.

Внутри стеклянной трубки находится медная трубка, заправленная легкокипящим реагентом, формула которого держится в секрете производителями. Как правило, это разряженная  дистиллированная вода. Повредить медный сердечник можно только направленным механическим воздействием извне. Град или иная стихия ему не страшен. Медные стержни проходят многократные испытание  в циклах замораживание до -15°С – погружение в воду температурой +70°С.

Насколько безопасна система в целом?

У гелиосистем имеются  несколько уровней защиты, главная  из которых контролирует температуру  воды в баке-аккумуляторе. Если вода нагреется выше 85°С, срабатывает автоматика и циркуляционный насос отключается. При достижении в баке критических 95°С открывается клапан и происходит аварийный сброс воды, чтобы бак не разорвало.

Температура воды, направляющейся к водозаборному  крану не должна быть выше 50°С, поэтому в системе предусмотрен термосмеситель.

Имеет защиту и  сама система. При превышении на коллекторе температуры 115°С, контроллер останавливает насос, чтобы расширительный бак мог принять образовавшийся пар. Объем расширительных баков в гелиоколлекторных системах в 3-4 раза больше, чем в системах отопления. Даже при отключении электроэнергии контроллер, имея автономный резерв электропитания, сохраняет все настройки, и коллектору это не вредит. После возобновления подачи электроэнергии насос включается, и система продолжает работу.

Каковы ночные потери тепла в баке?

Теплоаккумулирующая емкость устроена аналогично термосу. Сам резервуар выполнен из анодированной  или нержавеющей стали. Снаружи  он термоизолирован пенополистиролом (толщина слоя от 50 мм). Температура воды в баке, если не происходит водоразбора, падает максимум на 5°С. Задача гелиоколлекторной системы нагреть воду в течение дня и обеспечить дом горячей водой в часы пиковой нагрузки – утренний и вечерний душ, принятие вечерней ванны. Для этого достаточно нагревать воду до 55°С – с чем гилиоколлекторо отлично справляется.

Можно ли обогреть дом при помощи гелиоколлектора?

Теоретически отопление  при помощи солнечных коллекторов  возможно – для этого нужно  нарастить их достаточную площадь. Однако в этом случае встает вопрос: что делать с избытком тепла вне  отопительного сезона и насколько  данная инвестиция оправдает себя экономически? Летом придется сокращать гелиополе в несколько раз. Можно, конечно, пустить избыточное тепло на обогрев бассейна, но его все равно будет более чем достаточно. Одним словом полный обогрев дома гелиоколлекторами пока нерентабелен. Другое дело обеспечение ГВС.

Прежде всего, отметим, что вакуумные трубки изготовлены  из особого ударопрочного стекла и выдерживают удары градин диаметром до 35 мм. Трубки проходят испытание на прочность еще на заводе, где на них сбрасывают стальные шары диаметром 35 мм с высоты 40 см. Но если даже предоположить, что одна или несколько трубок разобьются, то коллектор продолжит работать за вычетом поломанных трубок, которые хозяин может заменить в любое время.