Использование энергии солнца: что надо знать о гелиосистеме

Использование энергии солнца
Солнце — эффективный источник энергии, за которую не надо платить. Получить от небесного светила как можно больше тепла, нагреть им воду или обогреть дом независимо от погоды и времени года позволяет гелиоустановка — устройство для использования солнечной энергии в другие виды. Основным элементом в конструкции гелиосистемы является солнечный коллектор (гелиоколлектор). Именно он преобразовывает солнечную энергию в тепловую.
Принцип работы гелиосистемы таков.
Солнечные лучи падают на коллектор и поглощаются, тем самым нагревают до температуры 90-140°С теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость), который циркулирует в коллекторе. По трубопроводам высоко температурный теплоноситель подается в бак-аккумулятор, тем самым нагревая воду в баке.
Воду используют для горячего водоснабжения или обогрева дома, а остывший теплоноситель возвращается в коллектор. Процесс этот повторяется многократно от восхода до заката солнца. Современные гелиоколлекторы позволяют системе работать круглый год, даже в пасмурные дни.
Если температура в коллекторе превышает температуру в водонагревателе, то циркуляционный насос в комплексной распределительной гелиостанции перекачивает нагретый теплоноситель по трубопроводам в бак-водонагреватель (накопительный бак). Накопительный бак горячей воды представляет собой бак заданного объема (обычно от 250 до 500 литров), который используется как аккумулятор тепла, полученного от гелиоколлекторов. Конструктивно напоминает бойлер, имеет один или два внутренних теплообменника и/или дополнительный электрический нагреватель. Накопительный бак аккумулирует горячую воду, сохраняет полученное тепло, при необходимости дополнительно подогревает воду при помощи электронагревателя и обеспечивает теплообмен с основной системой отопления.
По количеству контуров теплоносителя гелиосистемы разделяют на одно- и двухконтурные, по способу циркуляции теплоносителя — на системы с естественной и с принудительной циркуляцией.

Одноконтурные системы отопления
В одноконтурных системах в коллектор поступает и нагревается вода из бака-аккумулятора. Эта система проста и имеет самый высокий КПД. Принцип действия основан на явлении естественной конвекции — стремлении теплых масс воды вверх. В системе циркулирует вода, используемая непосредственно для горячего водоснабжения в теплое время года. 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. Однако в наших условиях малоэффективна, так как для ее работы необходима высококачественная вода, но у нас вода жесткая, а содержащиеся в ней примеси и соли могут привести к быстрому разрушению системы. К тому же у нас даже поздней весной или ранней осенью бывают заморозки, при которых вода замерзает (что приводит к разрушению системы). Поэтому для нашего климата предпочтительнее использовать двухконтурные системы. Они выгодно отличаются саморегулируемостью и наибольшей эффективностью использования солнечной энергии. В них специальный теплоноситель — антизамерзающая жидкость, тепловая энергия которой от теплоносителя передается воде в баке-накопителе с помощью специального теплообменника.
Теплоноситель может циркулировать в коллекторном круге естественным образом (разогреваясь и устремляясь в верхнюю часть коллектора) или с помощью циркуляционного насоса. Системы с естественной циркуляцией теплоносителя широко применяются в регионах и странах с теплым климатом и большим количеством ясных дней (например, в Турции, Греции, Израиле, Египте). В наших климатических условиях более эффективны системы с принудительной циркуляцией.

Куда направить энергию солнца
Солнечную энергию используют преимущественно для подготовки горячей воды. Хотя с ее помощью возможно решать и задачу отопления дома. Для этого необходимо значительное количество солнечных коллекторов. Правда, в данном случае нужно быть готовым к тому, чтобы был источник потребления данного избыточного тепла летом. Например, направить тепло на подогрев открытого бассейна, если таковой имеется.
Также можно использовать солнечную энергию  для частичного или полного обеспечения дома электроэнергией — преобразование происходит в специальных фотоэлектрических установках. Правда, стоят они для нас пока дороговато.

Где установить гелиоколлектор?
Коллектор можно установить где угодно с ориентацией на юг, юго-восток, юго-запад. Например, на кровле здания, на открытых площадках, на земле, например, возле бассейна, или на балконе. Солнечные коллекторы могут устанавливаться на любом 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. Максимально эффективна южная ориентация. Функционирование системы возможно в любое время года и погоду, наибольшая производительность приходится на период весна-лето-осень.
Солнечные коллекторы можно подключить
к уже действующей системе отопления и горячего водоснабжения.

Виды гелиоколлекторов
Коллектор может быть представлен либо в виде пластины (плоский), либо в виде вакуумных трубок.
Плоские солнечные коллекторы  хорошо работают при нормальной солнечной интенсивности в период с мая по сентябрь, причем в летнее время могут полностью перекрывать потребности в горячей воде. В наших климатических условиях такие системы идеально подходят для дачи или дома сезонного проживания. В южном регионе — для круглогодично эксплуатируемых домов (на летний период и межсезонье).
Их преимущество — низкая цена.
Корпус плоского коллектора представляет собой раму из оцинкованной стали или анодированного алюминия, в которую герметично вставлен лист градостойкого стекла с низким содержанием железа (0,03%) толщиной около 3 мм, позволяющего уменьшить теплопотери. Главным компонентом плоского коллектора является медный поглотитель с селективным покрытием, обеспечивающим высокий уровень поглощения солнечной энергии и низкий уровень излучения тепловой энергии. На поглотителе установлена медная трубка, через которую протекает теплоноситель. Поглотитель защищен корпусом коллектора с усиленной теплоизоляцией, также минимизирующей потери тепла. Количество солнечного излучения, которое попадает на поверхность солнечного коллектора, достигает своего максимума только в полдень, когда солнце находится в зените. Утром и вечером солнечные лучи падают на него под углом, и количество поглощаемого солнечного излучения уменьшается. Плоские коллекторы не работают зимой, потому что даже при двухконтурной системе антифриза максимально допустимая эксплуатационная температура — около -5-10°С. При дальнейшем ее понижении теплопотери сводят результат к нулю. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор и чем меньше ее потеряет, тем эффективнее будет работать система.
Вакуумный коллектор — комплекс вакуумных трубок, преобразующих поток солнечного излучения в тепловую энергию. И далее полученное тепло передается в бак-накопитель с помощью циркулирующей в системе незамерзающей жидкости-теплоносителя. Работа вакуумных трубок основана на простом принципе тепловой трубы, которая представляет собой полый медный стержень, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части. Внутри него находится нетоксичный реагент, который при закипании испаряется и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть — наконечник, температура на котором может достигать 250°С. И там конденсируется, отдавая тепло, а конденсат стекает по стенкам трубки, и процесс повторяется. Теплосъем может осуществляться по-разному, например, непосредственно с наконечника через стакан, впаянный в трубу, по которой протекает солярная жидкость. В закрытом контуре это может быть незамерзающая жидкость на основе гликоля (тепло поступает в накопительный бак), в открытой системе — вода (она подается непосредственно в бойлер). Что бы это ни было, тепло сразу после поглощения отдается теплоносителю и не уходит в окружающую среду. В этом заключается ключевое отличие между тепловыми вакуумными трубами и плоскими солнечными коллекторами, что повышает их эффективность эксплуатации круглый год (в отличие от плоских). Рекомендуем вам ознакомиться с энергетикой будущего с зелеными видами топлива.
Вакуумные трубки благодаря цилиндрической форме прекрасно работают в течение дня, потому что их поверхность постоянно освещена солнцем. Это приводит к получению стабильной энергии при различных углах падения солнечных лучей. Трубки хорошо защищены от неблагоприятных природных воздействий (града, ветра и прочего), но у таких систем есть и отличительные черты. Например, каждую трубку надо подключаться к системе по отдельности, что вместе с тем, позволяет также делать легкий ремонт системы (при выходе из строя одной трубки), не останавливая всю систему.

Окупаемость гелиоколлекторов
Системы солнечного теплоснабжения считаются одними из самых надежных, безопасных и долговечных. Но лишь при условии, что они были правильно рассчитаны и грамотно смонтировано. В противном случае система не будет вырабатывать желаемого количества тепловой энергии или вообще выйдет из строя.
По оценкам специалистов, 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%.
Для жителей европейских стран срок окупаемости гелиосистем, по оценкам специалистов составляет от 3-5 до 7-9 лет (для бытовых и коммерческих систем соответственно).
Для жителей Украины эти цифры повыше, но, с учетом ежегодного повышения тарифов на газ и электроэнергию, сроки окупаемости у нас уменьшаются.   

Автор благодарит специалистов компаний BOSCH-Термотехника и AТМОСФЕРА. ua за консультации и помощь в подготовке материала.

Автор: Ольга Камоликова
Источник: ДОМ.ua