top of page
Теоретичний блок

1. ГЕЛІОСИСТЕМА З ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ТОЧКИ ЗОРУ

1.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГЕЛІОСИСТЕМУ

Теплову систему, що працює на основі сонячного колектора, називають геліосистемою.

У конструкції геліосистеми основним елементом є сонячний колектор або геліоколектор. Саме у поглинаючій панелі колектора під дією сонячного випромінювання, а точніше інфрачервоної його складової, і відбувається перетворення сонячної енергії в теплову. В результаті панель розігрівається, а рідкий теплоносій, який прокачується через неї, відбирає отримане тепло. Тепло передається теплоносієм в бак-акумулятор і далі по контуру нагріву води (можливо і опалення), після цього охолоджений теплоносій повертається у колектор і знову нагрівається, таким чином цикл замикається.

Геліосистема складається з таких основних частин:

  1. сонячний колектор;

  2. насосний вузол для перекачки теплоносія від геліоколектора до бака акумулятора;

  3. контролер, який керує роботою геліосистеми;

  4. бак-акумулятор гарячої води;

  5. піковий доводчик (тепловий насос, електричний тен чи інше джерело);

  6. контролер;

  7. комбінований клапан та ін. (в залежності від обраної геліосистеми).

1.2. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО СОНЯЧНІ КОЛЕКТОРИ

Сонячний колектор (геліоколектор) - пристрій для збору енергії випромінювання Сонця у видимому та невидимому для людського ока інфрачервоному спектрі. Від ефективності роботи сонячного колектора в значній мірі залежить ефективність роботи всієї системи, оскільки чим більше сонячної енергії поглинає колектор і чим менше він її втратить, тим ефективніше працюватиме система.

Конструктивні елементи сонячного колектора:

  1. знімний притискувач;

  2. під'єднувальний патрубок;

  3. силіконова ущільнювальна резинка;

  4. алюмінієвий корпус;

  5. прозора ізоляція (скло з пониженим вмістом заліза);

  6. мідний абсорбер (теплопоглинаюча панель);

  7. паралельні мідні трубки;

  8. теплоізоляція, 60 мм.

Види сонячних колекторів

1. Плоский сонячний колектор

Плоский сонячний колектор складається з елементу, що поглинає сонячне випромінювання, прозорого покриття та термоізолюючого шару. Поглинаючий елемент називається абсорбентом, він з'єднаний з теплопровідною системою.

Прозорий елемент зазвичай виконується із загартованого скла з пониженим вмістом металів (боросилікатне). При відсутності відбору тепла (застої) плоскі колектори здатні нагрівати воду до 190 - 200°C. Чим більше енергії випромінювання передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальне оптичне покриття, яке не випромінює тепла в інфрачервоному спектрі. Стандартним способом підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбенту з листової міді через її високу теплопровідність.

2. Вакуумний сонячний колектор

Можливе підвищення температури теплоносія до 250 - 300°C в режимі обмеження відбору тепла. Домогтися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат у результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму. Фактично сонячна теплова труба схожа за будовою з побутовим термосом. Тільки зовнішня частина труби прозора, а на внутрішній трубці нанесено високоселективне покриття, що вловлює сонячну енергію.Між зовнішньою та внутрішньою трубками знаходиться вакуум.

Саме вакуумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% уловлюваної теплової енергії. Окрім того, у вакуумних сонячних колекторах знайшли застосування теплові трубки, що виконують роль провідника тепла. При опроміненні установки сонячним світлом, рідина, що знаходиться в нижній частині трубки, нагріваючись перетворюється на пару. Пари піднімаються у верхню частину трубки (конденсатор), де конденсуючись передають тепло колектору. Використання даної схеми дозволяє досягти більшого ККД (у порівнянні з плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої освітленості. Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду до температури кипіння навіть при низькій навколишній температурі.

Вакуумні сонячні водонагрівачі ефективні для використання по всій території України у літній період та міжсезоння. Можуть працювати автономно або з автоматичним управлінням.Незважаючи на розмаїття сонячних колекторів (у виді бака, відкриті, вакуумні та ін.), найбільше поширення одержали плоскі колектори через свою універсальність, надійність і невибагливість. Також дані геліоколектори мають досить високу ефективність.

3. Гібридні сонячні колектори

Гібридні колектори - це сонячні колектори, що призначені для одночасного виробництва електрики та гарячої води. Вони є новинкою на українському ринку. У них використовується новітнє рішення проблеми сонячних батарей - зменшення ККД при нагріванні.

4. Термосифонна геліосистема

Термосифонні геліосистеми - це найпростіший та найдоступніший тип сонячних водонагріваючих систем, що працюють на основі вакуумних трубок. Їх використовують для забезпечення гарячого водопостачання дач, приватних будинків, технічних та господарських потреб.

Сонячні колектори можуть встановлюватися на горизонтальному даху або майданчику біля будинку, на похилому даху або стіні, зорієнтованих на південь, а також можуть монтуватися безпосередньо в дах. Звичайно, геліосистема на сьогоднішній день поки що дороге улаштування, з терміном окупності приблизно 9 років, але у недалекому майбутньому при сучасних темпах росту цін на енергоносії вона несе вигоду.

Сонячний колектор – це не вся геліосистема, і він не може виробляти корисну теплову енергію самостійно, якщо вся система працює не правильно.

1.3. ПРИНЦИП ДІЇ СОНЯЧНОЇ ВОДОНАГРІВНОЇ УСТАНОВКИ (СВУ)

Сонячна водонагрівальна установка (СВУ) призначена для отримання гарячої води заданої температури шляхом перетворення потоку сонячного випромінювання в теплову енергію. В залежності від інженерного виконання СВУ може бути представлена в моно-або поліфункціональному виконанні і забезпечувати наступні потреби:

  • гаряче водопостачання;

  • опалення;

  • теплопідігрів підлоги;

  • нагрів басейнів.

В основу функціонування СВУ (ри покладено чотири базових процеси:

  • уловлювання сонячного випромінювання;

  • теплообмін;

  • консервація отриманого тепла;

  • автоматизований контроль системи.

Сонячне випромінювання, потрапляючи на колектор, проходить через його вакуумну зону і досягає спеціального покриття, яке вловлює ті хвилі сонячного випромінювання, які несуть найбільшу енергію – у першу чергу інфрачервоний спектр, у результаті чого відбувається інтенсивний розігрів вакуумного колектора.

У залежності від типу вакуумних трубок колектора, отримана енергія передається:

  • воді (безпосередньо використовується),

  • теплоносію (вода або антифриз),

  • металевій пластині.

У першому випадку отримане тепло безпосередньо передається воді для її нагрівання.

У другому та третьому – використовується теплоносій або теплопередавач. В якості теплоносія може використовуватися звичайна вода або антифриз (як правило, водний розчин гліколя), а в якості теплопередавача - мідна трубка або алюмінієва пластина.

Далі теплоносій віддає отримане тепло воді, що використовується для побутових потреб (гаряча вода та/або опалення). Зазвичай, теплоносій просторово стикається з мідною трубкою (спірального, U-образного або головчатого типу), яка характеризується підвищеним коефіцієнтом теплообміну. Саме через мідну трубку і здійснюється процес теплообміну між теплоносієм і водою. У найбільш простих системах мідні трубки відсутні, в такому випадку процес теплообміну відбувається безпосередньо між теплоносієм і водою.

Із метою збереження отриманого тепла в СВУ використовуються баки-резервуари, які мають ізоляційний шар, який забезпечує як можна більш тривале підтримання внутрішньої температури.

Для більш ефективної координації функціонування найбільш складні (і одночасно найбільш продуктивні) СВУ комплектуються системою автоматичного управління, де здійснюється контроль роботи всієї установки у відповідності із заданими параметрами, включаючи вибір оптимального режиму роботи системи протягом доби, при цьому контролер регулює потік теплоносія і визначає напрямок подачі тепла (гаряче водопостачання та/або опалення).

Для безперебійного функціонування СВУ можуть комплектуватися додатковими джерелами енергії, наприклад, традиційний водонагрівач, що працює на електроенергії, газі, рідкому (дизель) або твердому (вугілля) виді палива, що забезпечує найбільш високу ефективність використання в зимовий час, коли навантаження найбільш високі, а також нічний час або хмарну погоду, при цьому альтернативне джерело енергії використовується лише для підтримки заданих параметрів.

Особливості СВУ:

  • можливість використання системи як основного або додаткового джерела енергії для опалення;

  • найбільш ефективні установки для помірного і холодного клімату, витримує температури до -50°С і низьку інтенсивність потоку сонячної радіації;

  • мають велику кількість схем підключення;

  • легко вбудовуються в існуючі системи гарячого водопостачання та опалення;

  • розташування бака не вимагає строгого розміщення, тому системи легше модифікуються ніж пасивні;

  • велика продуктивність за рахунок активної циркуляції рідини.

1.4. КЛАСИФІКАЦІЯ ГЕЛІОСИСТЕМ

Геліосистеми функціонально можна розділити на сезонні, використання яких можливо і доцільно тільки при позитивних температурах навколишнього середовища, і цілорічні, які можуть використовуватися без обмежень.

Сезонні геліосистеми. Сезонні геліосистеми використовуються тільки в теплу пору року – з весни по осінь. Це моноблочні системи, які закріплені на металевій рамі сонячного колектора і сполученого з ним бака -накопичувача. В якості теплоносія в таких системах використовується вода контуру гарячого теплопостачання. Іншою назвою сезонних геліосистем є «термосифонні системи».

Сезонність використання геліосистем обумовлена зниженням температури навколишнього середовища в зимовий час нижче 0°C і неминучим замерзанням води в системі. Іншими словами, в зимовий час, коли замерзає вода, сезонні геліотермальні системи не працюють.

Сезонні системи є модульними (моноблоковими), всі елементи конструкції та лінії підведення і відведення води знаходяться на вулиці і схильні безпосередньому впливу навколишнього середовища. Тому заміна води незамерзаючим теплоносієм в сезонних системах неможлива навіть для систем з непрямим нагрівом – якщо не замерзне теплоносій в сонячному колекторі, замерзне вода в баку-накопичувачі або в подавальних і відвідних трубах.

Незважаючи на цей суттєвий недолік, сезонні геліосистеми володіють рядом незаперечних переваг: вони прості, компактні, а тому доступні за ціною і легко монтуються.

Термосифонні системи є ідеальним рішенням для гарячого водопостачання об’єктів курортної інфраструктури – баз відпочинку, санаторіїв і пансіонатів. Завдяки модульній конструкції такі системи дозволяють без великих затрат нарощувати продуктивність системи гарячого водопостачання (ГВП), вони підійдуть і для великого готелю з сезонним напливом постояльців, і для дачі з душем у дворі.

Термосифонні системи можуть бути відкритими, працюючими без тиску, або закритими, в які вода подається під тиском.

Цілорічні геліотермальні системи. Робота геліосистем цілорічного використання не залежить від температури навколишнього середовища. Вони ефективні і в літню спеку, і зимовим морозним днем - головне, щоб яскраво світило сонце.

Крім допоміжного обладнання (насосного, керуючого, запобіжного) цілорічні системи складаються з двох основних елементів: розміщеного на вулиці сонячного колектора, і бака - накопичувача з теплообмінником, розташованого в приміщенні. Між сонячним колектором і баком-накопичувачем циркулює незамерзаючий теплоносій.

Використання цілорічної геліосистеми дозволяє повністю закрити потребу в гарячому водопостачанні в теплу пору року з квітня по жовтень, а також дає можливість економити до 60% енергоносіїв на підігріві води взимку.

Принципово цілорічні геліосистеми діляться за типом використовуваних в них сонячних колекторів. Це можуть бути вакуумні трубчасті колектори, плоскі колектори, а також гібридні колектори, що суміщають функціонал плоского геліоколектора і фотоелектричної панелі.

 

2. ГЕЛІОСИСТЕМА З ЕКОЛОГІЧНОЇ ТОЧКИ ЗОРУ

Сонце – це безкоштовний і неперервний генератор енергії. Воно дає нам тепло, світло і випромінювання, яким просто необхідно грамотно і ефективно користуватися. Через збільшення ціни на енергоносії, скорочення кількості ресурсів для виробництва електроенергії та енергії тепла, все частіше постає питання про доступне поновлювальне джерело енергії.

Геліоенергетика вже довела свою ефективність в порівнянні з отриманою енергією за допомогою спалювання корисних копалин. Так, при спалюванні корисних копалин для отримання 1кВт×год. електричної енергії відбувається викид більш ніж 0,5 кг вуглекислого газу, а для отримання тої ж кількості теплової енергії викид СО2 складає майже 0,2 кг. При деяких підрахунках, враховуючи щільність СО2 в нормальних умовах біля 2кг/м3 і середню концентрацію його в атмосфері 0,04%, викид 1 кг вуглекислого газу здатен забруднити (перевищити концентрацію) 2500 м3 повітря. Сонячні колектори дозволяють забезпечити від 60 до 80% потреби в гарячій воді, зменшуючи викиди СО2 відповідно на 20%. Це означає, що один вакуумний сонячний колектор призводить до зменшенню викиду в атмосферу вуглекислого газу в кількості 1500 кг/год., що без сумніву являється позитивним впливом на екологію. Цю економію можна порівняти з очисткою повітря 650 висадженими деревами чи збитком від автомобіля, що спалював паливо протягом 11 тис. км.

 

3. ГЕЛІОСИСТЕМА З ЕКОНОМІЧНОЇ ТОЧКИ ЗОРУ

Сонячні панелі раніше використовувались в основному в промисловості і в місцях, де багато ясних і сонячних днів протягом року, останнім часом стали все більш доступними для осіб, що бажають забезпечити своє житло джерелом поновлювальної енергії. Розвиток технологій виробництва дозволило сконструювати невеликі і доступні по ціні системи отримання енергії сонячного випромінювання.

Існує безліч варіантів геліосистем, і теплова енергія, яку вони можуть виробити у визначений день - обмежена і залежить від багатьох факторів: конфігурації системи та її конструктивних особливостей, ступеня ясності дня, температури холодної води, об'єму бака, температури навколишнього повітря, тому для коректного розрахунку геліосистем необхідно використовувати складні програмні продукти.

Умовне вироблення теплової енергії для нагрівання води в сонячний день геліосистемою, що складається з 1 кв.м ефективного геліоколектора і бака з гарячою водою на 80-100 л.

Використовуючи енергію Сонця, геліосистеми дозволяють заощаджувати до 75% традиційного палива, яке необхідно для нагрівання гарячої води, і до 50% - необхідного для цілей опалення.

Системи сонячного теплопостачання вважаються одними із самих надійних і довговічних, за умови, якщо вони були правильно розраховані, використовувалося ефективне і якісне устаткування, а також були якісно змонтовані. Будь-яка помилка може призвести до того, що система не буде виробляти бажану кількість теплової енергії чи узагалі швидко вийде з ладу.

Сонячні колектори здатні забезпечити безкоштовною тепловою енергію з квітня по жовтень. В інший період року вони дають частину теплової енергії, іншу частину забезпечує піковий догрівач: електричний тен, тепловий насос чи газовий котел.

Через те, що сонячна енергія, яка надходить на земну поверхню, нестабільна в часі, колектори, майже завжди, підключаються до акумулятора теплової енергії (бак з водою чи спеціальною рідиною, басейн, ґрунт), що накопичує корисну енергію (системи без акумулювання тепла менш ефективні).

bottom of page