Расчёт солнечных коллекторов для Иркутска. Подробно и с выводами | C.O.K. archive

Вакуумная трубка для солнечных коллекторов

Вакуумная трубка является основным элементом конструкции солнечных коллекторов, используя которые, появляется возможность получения дешевой тепловой энергии, которая используется человеком для своих нужд.

Конструктивно, вакуумная трубка выглядит следующим образом:

По своей сути, вакуумная трубка является теплообменным аппаратом, состоящим из двух трубок, помещенных одна в другую. Наружная трубка выполняется из прочного стекла, внутренняя – из меди. Для усиления поглощения солнечной энергии, во внутреннее пространство стеклянной колбы помещен теплопоглощающий слой, адсорбер, выполненных из многослойного покрытия. Также, из внутреннего пространства стеклянной колбы откачан воздух, тем самым создан вакуум, обладающий лучшими показателями, в сравнении с воздухом, по теплопроводности и способности сохранять тепло.

Полученная тепловая энергия передается медной тепловой трубке, внутри которой помещен хладагент, который при нагревании поднимается вверх, где в конденсаторе, испаряется. Образовавшееся при испарении хладагента тепло, передается теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения.

Технология солнечного коллектора

Бак с водой обязательно должен примыкать к самому коллектору. Подключения солнечного коллектора к системе может осуществляться несколькими способами, это напрямую зависит от типа циркуляции воды. Одним из самых простых типов подключений, это подключение с естественной циркуляцией. В таком типе основным и самым главным является сам нагрев воды в системе, которая впоследствии будет обогревать помещение.

Бак в такой упрощенной системе ставится выше, нежели расположен сам коллектор, верхний выход из бака подключается к входу в отопительную систему, а непосредственно нижний к обратке. На входе к коллектору не редко возникают пробки, это и объясняется более низкой стоимостью такой системы.
При желании можно подключить к солнечному коллектору насосы, которые будут принудительно циркулировать воду по системе отопления. Основными преимуществами таких насосов является контроль, а именно обогрев прекращается, когда будет достигнута необходимая температура. С такой системой отопления частного дома лучше всего использовать параллельно отопительные котлы, к примеру, работающие от газа.

Перед установкой солнечного коллектора необходимо максимально качественно выбрать место, где он будет стоять. Выгодно устанавливать коллекторы, так что бы они большую часть дня находились под прямыми солнечными лучами. В среднем размер бака с водой не должен превышать 40 см3, так как в холодное время года и пасмурную и без солнечную погоду обогрев дома может сойти на нет. Это в том случае если не планируется автономное отопление только солнечным коллектором.

Перед покупкой солнечного коллектора для своего дома стоит обязательно проконсультироваться со специалистом, который хорошо разбирается в этой области и может подсказать и дать дельный совет по выбору коллектора.

Без помощи специалиста можно ошибиться с выбором коллектора и тем самым не только потратить не маленькую сумму денег, но и остаться в холодное время года без отопления своего жилья.

В последнее время на рынке появилось масса разнообразных солнечных коллекторов, которые отличаются своей формой, характеристиками, а так же производителями. При покупке стоит обязательно обратить внимание на производительность того или иного коллектора, у каждого коллектора она разная, поэтому нужно определиться какая производительность будет максимально полезна именно для вашего дома.

Достоинства солнечного коллектора

Одним из наиболее весомых достоинств солнечного коллектора является относительно не высокая стоимость, а так же простота в его использовании. Так же при наличии подручных материалов, возможно, изготовить такого рода коллектор своими руками.
Вторым весомым достоинством коллектора в отличие от солнечных батарей, является то, что они способны поглощать да 90% солнечных лучей. Солнечный коллектор способен принимать лучи солнца не только при максимально солнечном дне, но и в слегка облачную погоду.

Недостатки солнечных коллекторов

В ветреную погоду, даже если будет сильно светить солнце, коллектор не будет греть в полную силу. Если при отоплении дома вы не установили насос для принудительного прогона воды в отопительных трубах, то при даже малейших заморозках возникший в трубах лед может их разорвать.

По сравнению с иными отопительными приборами коллектор значительно уступает им в нагреве воды. Котлы способны нагревать воду в трубах до 100 градусов, а солнечный коллектор не более чем до 60 градусов.

Свойства

Общими свойствами, вне зависимости от конструкции, для всех типов вакуумных трубок, является наличие свет поглощающего слоя, адсорбера, помещенного в стеклянную трубку из прочного стекла. В зависимости от конструкции, различаются и свойства, свойственные определенному типу трубок.

Вакуумные трубки бывают:

Простые – используемые в водонагревательных установках с открытым контуром циркуляции. В подобной конструкции теплоноситель циркулирует непосредственно в «теле» стеклянной трубки.
U-образные – является усовершенствованным вариантом простой конструкции. В тело стеклянной колбы помещен медный канал U-образной формы и теплопоглощающая пластина. Данная конструкция может использоваться в сетях с избыточным давлением и позволяет выполнять ремонт коллектора (замену трубки), без останова работы системы, в которой он работает.

С тепловым стержнем «HEAT PIPE» — отличается от U-образной конструкции тем, что во внутренне пространство стеклянной колбы помещен медный стержень, внутри которого, в свою очередь, закачана легко кипящая жидкость, хладагент. Свойства и возможность использования аналогичны U-образным конструкциям.

С увеличенной площадью поглощения («SUPER HEAT PIPE») – является цельной конструкцией, с увеличенной тепловой пластиной. Возможность использования и свойства, аналогичны свойствам выше рассмотренных конструкций.

Устройство и принцип работы

Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Но, хотя принцип работы для всех коллекторов один и тот же, их конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.

Неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место нагретой воде из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. На практике это означает, что вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 o С.

Типы и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Описанная схема работы коллектора очень упрощена, на деле же гелиосистемы несколько сложнее. Существует несколько типов солнечных коллекторов со своими конструктивными особенностями.

Плоские высокоселективные

Плоский коллектор – один из самых распространенных типов. Их преимущество состоит в невысокой цене, однако в сравнении с другими моделями они теряют больше тепла. Плоские солнечные коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы, которая в основном делается из алюминия или стали.

Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темной цвет металлический лист, соединенный с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя аккумулирует солнечные лучи и трансформирует солнечную энергию в тепловую, которая затем передается жидкости-теплоносителю (смеси воды и гликоля). Эта жидкость «направляет» тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от воздействия окружающей среды и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Эту же функцию выполняет и теплоизоляция из минерального волокна.

Вакуумные трубчатые

Солнечные коллекторы этого типа состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. Вакуум – идеальный теплоизолятор, и потому теплопотери таких коллекторов значительно меньше. Существует два вида вакуумных коллекторов, различающихся по способу нагрева – с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй – для теплого времени года, с апреля до сентября.

Материалы

Вне зависимости от конструкции вакуумной трубки, основным материалом, который используется во всех типах устройства, является боросиликатное стекло, способное выдерживать значительные внешние нагрузки без повреждения корпуса стеклянной колбы (дождь, снег, град и т.д.).

Еще один материал, используемый практически во всех конструкциях, это медь, из которой изготавливается внутренняя трубка. Медь выбрана не случайно, потому как именно этот металл обладает хорошими показателями по теплопроводности и практически не подвергается коррозии в процессе эксплуатации.

Антифриз (хладагент), вещество, помещаемое во внутренне пространство медной трубки, обладает способностью испаряться при относительно не высокой температуре.

Адсорбер – теплопоглощающий слой, может быть выполнен из различных составов, способных поглощать тепло. Вид состава, каждый производитель выбирает индивидуально.

Теплопоглощающая пластина изготавливается из меди и крепится к тепловому стержню.

Расчет мощности солнечного коллектора

В качестве примера будут приведены расчеты коллектора для Московской области.

Данные для расчетов:

Место применения – Московская область Площадь поглощения – 2,35м2 (на основе таблицы о среднем количестве поступления солнечной энергии для регионов РФ)
Величина инсоляция в Московской области – 1173,7кВт*час/м2
КПД – от 67% до 80% (будут использованы минимальные показатели, актуальные для устаревших коллекторов, поэтому результаты будут слегка занижены).
Угол наклона коллектора – в расчетах будут использованы оптимальные данные угла наклона.

карта инсоляции россии

Рассчитываем площадь поглощения для одной трубки:

15 трубок = 2,35 м. кв.; 1 трубка = 2,35 / 15 = 0,15 м. кв.

Теперь, когда известна площадь, которую поглощает одна трубка, определим количество трубок, составляющий 1 м. кв. поверхности коллектора: 1 / 0,15 = 6, 66. Иными словами, на один метр поверхности поглощения требуется 7 трубок коллектора.

Далее производим расчет тепловой мощности одной трубки коллектора. Это даст возможность рассчитать число трубок, необходимых для получения достаточной тепловой энергии на периоды в один день и один год:

Получаемая мощность в расчете на один день рассчитывается следующим образом: 0,15 (S поглощения 1 трубки) x 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) x 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт*час/м. кв.

Для расчета годовой эффективности одной трубки в выбранном регионе в формуле для расчета дневной мощности следует использовать годовые инсоляционные данные. Иначе говоря, на место 1173, 7 необходимо поставить региональное значения инсоляции.

Мощность, вырабатываемая при помощи одной трубки в Москве, составляет от 117,95 (при использовании КПД в размере 67%) до 140кВт*час/м.кв. (при использовании КПД в размере 80%).

В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325кВт*час.

В наиболее солнечные месяцы (июнь, июль) одна трубка будет производить 0,545кВт*час.

Работа солнечного коллектора без света невозможна, по этой причине указанные показатели нужно использовать при расчете светового дня.

Сколько можно сэкономить электроэнергии в Москве при использовании одного м. кв. коллектора (как мы выяснили, это 7 вакуумных трубок)?

Годовая экономия энергии составит:

117,95 кВт*час/м2 * 7 = 825,6 кВт*час/м.кв.

Наибольшую мощность солнечный коллектор, соответственно, будет вырабатывать в летние месяцы. К примеру, в июне при использовании 1 м.кв. коллектора выработка электроэнергии составит около 115–117 кВт*час/м.кв.

Иначе говоря, энергетическая польза при использовании солнечного коллектора с 15-ю вакуумными трубками, где S=2,35 м.кв. за период с марта по август при суммарном значении инсоляции за весь указанный период в 874,2 кВт*час/м.кв. составит: 874,2 * 2,35 * 0,67 = 1376 кВт, то есть, практически 1,4 МегаВт. энергии, что в день составляет примерно 8 кВт.

Вспомним статистическую информацию, приведенную в первой части статьи – в домохозяйстве используется от 2 до 4 кВт энергии при потреблении горячей воды одним человеком ежедневно. Данные показатели подразумевают использование коллектора для нагрева горячей воды и, в частности, таких нужд как принятие душа, мытье посуды и т.п.

Расчеты солнечного коллектора, состоящего из 15 вакуумных трубок, позволяют сделать вывод о том, что в огородный сезон данного устройства будет достаточно для того чтобы обеспечить горячей водой семью, состоящую из трех человек. В результате, при учете всех неблагоприятных обстоятельств, таких как пасмурная или дождливая погода, на электроэнергии, используемой для подогрева воды, можно очень неплохо сэкономить.

Если же говорить об оптимальных условиях (солнечная погода и отсутствие дождей), то в данном случае выработка тепловой энергии солнечным коллектором позволит вообще избежать необходимости платить за электроэнергию.

Средние цены

В зависимости от технических характеристики, конструкции и компании производителя, стоимость подобных изделий может отличаться, но для того, чтобы понять порядок цифр, ниже приведены розничные цены на модели компаний, наиболее популярные в нашей стране.

Стоимость модели составит: