Гелиосистема для нагрева воды и отопления своими руками

В современном мире, когда запасы традиционных источников энергии (газ, нефть, уголь) уменьшаются с большой скоростью, а их использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, то все большее количество людей и государств в целом, обращают свое внимание на альтернативные виды энергии.

Одним из видов альтернативной энергии является энергия солнца. Для преобразования солнечной энергии в другие ее виды, которые человек использует в повседневной жизни, служат гелиосистемы различного вида.

Что это такое

Гелиосистема – это комплекс технических устройств, посредством которого энергия солнца в виде солнечных лучей, преобразуется в тепловую или электрическую энергию, используемые человеком для своих нужд.

В состав гелиосистемы входят следующие составные элементы:

Приемное устройство (солнечная батарея, солнечный коллектор и т.д.) – является элементом гелиосистемы, в котором энергия солнца преобразуется в другие виды энергии;
Устройства, обеспечивающие режим работы системы – инвертор, контроллер, аккумуляторная батарея (при получении электрической энергии) и теплообменник, система трубопроводов, технические устройствами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя (насосы) — при получении тепловой энергии.

Производительность солнечного коллектора

Одним из главных факторов, влияющих на уровень производительности гелиосистем, является интенсивность солярной радиации, излучаемой Солнцем на протяжении светового дня. Кроме уровня инсоляции (количество полезного солнечного излучения на единицу площади), на производительность солнечного коллектора влияют и второстепенные факторы: номинальный объем теплоаккумулирующей емкости, материал теплообменника и площадь абсорберов. При выборе солнечного коллектора для дома обращайте внимание на технические характеристики: коэффициенты теплопотерь, параметры оптического КПД, а также апертурную и общую площадь гелиоустановки. Исходя из этих параметров, можно провести анализ эффективности работы и рассчитать максимально допустимую мощность. Если использовать тепловой насос и солнечный коллектор, то можно добиться высокой производительности круглый год.

Комментарии

Виды

В зависимости от назначения, режима работы и технического устройства, гелиосистемы подразделяются на несколько видов, это:

По типу получаемой энергии:

Электрические – в результате работы комплекта оборудования на выходе получается электрическая энергия.
Тепловые – путем преобразования в устройствах, входящих в состав данной группы гелиосистем, получается тепловая энергия.

По назначению (для тепловых гелиоустановок):

Для отопления;
Для горячего водоснабжения;
Комбинированного типа (для отопления и горячего водоснабжения).
По виду теплоносителя (для тепловых гелиосистем):
С использованием жидкого теплоносителя (вода, антифриз и т.д.);
С использованием воздуха.

По режиму работы:

Постоянного действия;
Периодического действия (сезонный или циклический характер работы).

По типу использования:

В качестве основного источника получаемой энергии;
В качестве резервного источника, обеспечивающего покрытие части требуемой мощности (при получении электрической энергии) и частичное – при отоплении или получении горячей воды, при тепловом типе гелиосистем.

По техническому оснащению и устройству:

Параметры напряжения на выходе гелиоустановки – при преобразовании солнечной энергии в электрическую;
Количество контуров, обеспечивающих получение и преобразование энергии солнца в тепловую энергию – одно-, двух- и многоконтурные.

Принцип действия

Принципы действия гелиосистем различаются в зависимости от типа получаемой энергии и их можно сформулировать следующим образом:

Для солнечных электрических станций – работа основана на физических свойствах полупроводниковых материалов, в которых под воздействием солнечных лучей происходит образование разности потенциалов между разными слоями фотоэлемента. Фотоэлемент изготавливается на основе кремния, в основу работы которого, заложено образование «p-n» перехода между его слоями, характеризуемого «p-n» проводимостью полупроводников.
При получении тепловой энергии – солнечные лучи нагревают теплоноситель, который циркулирует в солнечном коллекторе, с последующей передачей полученного тепла в систему отопления или горячего водоснабжения.

Сколько энергии дает солнце

Из вышесказанного ясно, что эффективней всего гелиосистема будет работать летом, когда солнце высоко и солнечного света больше.

В цифрах энергия солнечного света характеризуется для 52 параллели и южнее как: Для июня — около 600 Вт энергии с метра кв. нагреваемой площади за один час.

Зимой же – чуть ли не в десять раз меньше. Для декабря – 80 Вт/м кв. за час.

В межсезонье, что-то среднее – октябрь, апрель – 300 – 350 Вт/м кв.

Но это, как указывалось, — для южных широт. Севернее солнца все меньше, и получаемой энергии значительно меньше.

Что же это значит с практической точки зрения, — что можно нагреть?

Плюсы и минусы

Использование гелиоустановок, как в прочем и любого технического устройства, имеет свои достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

Достоинства применения гелиосистем, как источника энергии:

Солнце, это источник бесплатной энергии, количество которой несоизмеримо больше, чем потребности человека на текущий момент времени.
Это возобновляемый ресурс, процесс воспроизводства которого, не зависит от процессов его потребления и переработки.
Экологическая безопасность процесса получения и преобразования энергии.
Возможность создания автономных систем энергоснабжения, вне зависимости от вида энергии получаемого в процессе преобразования.
Осуществление работы в автоматическом режиме, без постоянного контроля пользователя установок подобного типа.

Недостатки, свойственные гелиоустановкам:

Зависимость от погодных условий, времени года и географического месторасположения.
Низкий КПД – для гелиосистем, использующих солнечные батареи (электрические системы) и большие габаритные размеры, для получения большой мощности, как при производстве тепловой, так и электрической энергий.

Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения жилого дома

Как уже было указано выше, одним из направлений использования гелиосистем, является преобразование солнечной энергии в тепловую, используемую для отопления жилых домов, прочих зданий и сооружений, а также для обеспечения таких потребителей горячей водой.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В зависимости от площади отопления и предназначения, конфигурация таких систем может различаться. Ниже рассмотрены некоторые варианты устройства подобных гелиосистем.

Гелиосистема для отопления дома площадью 100 м2

Для того, чтобы выбрать оборудование для комплектации гелиосистемы, определиться с его количеством, способом и местом установки, нужно решить несколько организационных вопросов, это:

Узнать, какова солнечная активность в месте предполагаемого монтажа оборудования.
Определить потребность дома, заявленной площади, в тепловой энергии.
Решить, в каком качестве будет выступать установка, в системе теплоснабжения дома (автономная система или в качестве дополнения к прочим системам отопления).

Сразу нужно отметить, что создание полностью автономной системы отопления на основе солнечной установки, достаточно сложное, с технической стороны, задание. Это обусловлено циклическим характером работы гелиосистемы, когда в темное время суток процесс получения энергии от внешнего источника (солнца) прекращается, что требует установки дополнительных резервуаров-накопителей тепловой энергии и прочих энергосберегающих устройств.

В состав гелиосистемы для отопления дома входят:

Солнечный коллектор – бывают различные типы устройств, отличающиеся по конструкции и геометрическим размерам.
Насосная станция, оснащенная контроллером — регулирует работу системы в автоматическом режиме.
Бойлер – бак-накопитель, аккумулятор тепла.
Расширительный бак – обеспечивает работу системы отопления в нормальном режиме, вне зависимости от температуры теплоносителя циркулирующего в системе отопления.
Приборы автоматики (датчики давления и температуры).
Трубопроводы горячей и холодной воды (теплоносителя) с запорными элементами.

Схематично система отопления дома, на основе гелиоустановки, выглядит следующим образом:

Как правило, применение солнечных коллекторов позволяет снизить затраты на использование прочих источников получения тепла в весенне-осенний период времени, когда солнце уже активно, а потребность в отоплении дома еще остается.

Тем не менее, для дома, общей площадью до 100,0 м2, возможно создать полностью автономную систему отопления, но для этого нужно правильно подобрать оборудование, в соответствии с расчетом, который следует выполнить перед началом работ.

Для расчета гелиосистемы, служащей для отопления дома, необходимо знать:

Общую площадь дома (этажность) с учетом высоты помещений и их параметров (назначение – жилые комнаты, технические и иные помещения).
Количество солнечных дней в году (солнечная активность) по данным метеослужб или приведенных в специальной литературе.
Параметры теплоносителя, используемого в системе отопления (температура, вязкость, теплопроводность).

Стоимость комплекта оборудования зависит от мощности и типа коллектора, а также компании их выпускающей. Разброс цен достаточно большой и составляет от нескольких десятков тысяч рублей (25000,00 – 80000,00), до сотен тысяч (110000,00 – 180000,00).

Стоимость монтажа, который предлагают выполнить организации, специализирующиеся на подобных работах, также различна, в среднем подобные работы стоят от 50000,00 до 100000,00 рублей, в зависимости от типа коллектора и его мощности.

Использование гелиосистем для создания автономных систем теплоснабжения возможно в южных регионах, но т.к. это достаточно затратное мероприятие, то на практике, подобные установки используются в этом качестве достаточно редко.

Сезонность использования систем отопления, также определяет мощность подобных установок. Если в зимний период, когда солнечная активность ниже, чем летом, потребность в отоплении дома максимальна, и мощности коллекторов не хватает, чтобы обеспечить теплом всю имеющуюся потребность, то летом все наоборот. Излишки тепла, вырабатываемого коллекторами, нужно использовать, что позволяют сделать двух- и многоконтурные системы, позволяющие использовать получаемое тепло в системах горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, полива растений и отопления в теплицах.

Гелиосистема для отопления дома площадью 200 м2

Для жилых домов площадью 200 м2 и более, гелиосистемы могут использоваться исключительно как дополнительные, к прочим системам отопления, работающим на традиционных источниках энергии.

Комплектация таких систем аналогична рассмотренной выше, отличие заключается в том, что в такой системе, бак-накопитель тепловой энергии связан с другим источником тепла.

Таким источником, как на приведенной ниже схеме, может служить нагревательный котел, использующий различный виды топлива (уголь, газ, жидкое топливо) индивидуального использования, или централизованная система отопления, подключаемая к внутреннему контуру обогреваемого дома.

В среднем, в весенний и осенний периоды, использование гелиоустановок, в качестве дополнительного источника тепловой энергии, позволяет снизить нагрузку на основные энергоресурсы, идущие на теплоснабжения дома, на 30-40 % от общего количества потребляемого тепла.

Особенности монтажа

Помимо правильного выбора оборудования и грамотного проектирования для безупречной работы системы необходим квалифицированный монтаж. Существует много тонкостей, применение которых поможет увеличить срок эксплуатации всех элементов коллектора.

Первый нюанс касается термостатического клапана, который служит защитой от ожогов. В стандартных системах теплоснабжения этот элемент монтируют редко ввиду того, что температуру горячей воды можно регулировать на генераторе. Поэтому при проектировании гелиосистемы про клапан зачастую забывают. В регуляторе солнечной системы также можно установить ограничитель нагрева воды, но тогда эффективность оборудования будет существенно снижена. Нагретый до максимальной температуры бак обеспечит горячей водой даже в пасмурные дни.

Чтобы клапан работал правильно, его устанавливают немного дальше от водонагревателя. Близкое расположение провоцирует перегрев узла, в результате чего горячая вода перестаёт поступать в трубопровод.

Второй нюанс касается ёмкости аккумулятора ГВС. Он устанавливается в просторном месте. Это важно для беспрепятственного доступа к бачку для его обслуживания и ремонта. Нередко для бака подбирают часть помещения под лестницей или подвал. В таком случае необходимо учесть высоту потолка. Наверху водонагревателя расположен магниевый анод. Для его замены потребуется пространство над баком не менее 60 см. Если высота не позволяет производить ремонтные работы, то на этапе монтажа системы следует установить активный электрический анод.

Третий нюанс касается монтажа расширительного бачка, который компенсирует весь теплоноситель, вытесняемый из коллекторов при стагнации. При этом учитывается температурное расширение жидкости. Корректное функционирование бачка обеспечивает его правильное расположение. Монтаж производится ниже уровня насосной группы. Если расположить ёмкость выше насосов, то мембрана станет уязвимой перед воздействием высоких температур, в результате чего на ней образуется воздушный пузырь. Он подсушивает резину, ухудшая её эластичность и другие физические свойства. Это приводит к быстрому изнашиванию мембраны.

Четвёртый нюанс касается подключения гелиоконтура к баку аккумулятору. Из-за того, что тепло всегда устремляется вверх, нужно делать подключение снизу, создавая преграду на пути тёплого потока. Это достигается путём подсоединения труб к водонагревателю с созданием, так называемой петли (термопетли). При игнорировании рекомендации температура воды в баке за ночь снизится минимум на 2-8 градусов.

Пятый нюанс касается обратного клапана. При его отсутствии всё тепло, накопленное за день в гелиоконтуре, рассеется через коллекторы в ночное время суток. Для предотвращения нерационального использования ресурсов рекомендуется в нижнем подключении бака аккумулятора устанавливать обратный клапан.

Гелиосистема для нагрева воды

При использовании солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и сетях подогрева воды в бассейнах, конфигурация сети, аналогична сетям отопления, с той лишь разницей, что это может быть полностью отдельная система или являющаяся частью общей системы отопления дома.

В каком качестве работает гелиосистема, зависит от количества контуров, смонтированных при ее разработке. На схеме, приведенной выше, рассмотрен вариант устройства системы горячего водоснабжения в общей системе отопления дома площадью 200 м2 и более, когда гелиосистема является дополнительным источником получения тепла.

На заметку

Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объёмах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. На Поднебесную сегодня приходится 78% вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов от общего числа производимых в мире. На долю Европы приходится всего 9%, Турции и Израиля — 8% и остальных стран — 5%. Не удивительно, что проще и дешевле сейчас в России купить именно китайские гелиосистемы, тем более что качественный показатель у них не хуже.

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведённое в Институте высоких температур РАН с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показало, что в реальных климатических условиях России целесообразно использование солнечных водонагревателей.

Так, для установки системы с отношением площади солнечного коллектора к объёму бака-аккумулятора 2 м2/ 100 л вероятность ежедневного нагрева воды до температуры не менее чем 37°С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45°С — 30-70%, до температуры не менее чем 55°С — 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

Солнечную энергию широко используют для хозяйственных нужд в Европе. Так, общая площадь солнечных коллекторов, установленных в странах ЕС достигла 13 960 000м.кв., а в мире превысила 150 000 000 м.кв.. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12%, а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Республика Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия — 47%, далее следуют Греция — 14%, Австрия -12%, Испания — 6%, Италия — 4%, Франция — 3%.

В настоящее время в Европе функционирует:

10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м2;
22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250м2;
25 систем с площадью коллекторов от 500 до 1000 м2.

Гелиосистема своими руками

При наличии навыков работы с различным ручным инструментом, начальными знаниями физических свойств различных веществ, а также наличии свободного времени, можно сделать гелиосистему своими руками.

Здесь может быть несколько вариантов создания и построения подобной установки, это и сборка конвектора из заводских комплектующих или его изготовление полностью из подручных средств или создание простых установок, работающих на свойствах жидкостей и атмосферного воздуха.

К таким относятся ниже рассмотренные варианты конструкции.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонная гелиоустановка, это простейшая система, работающая на свойствах жидкости (воздуха) циркулировать в системе без установки специального оборудования (насоса), что обусловлено их естественной конвекцией. Данную систему можно использовать в системах горячего водоснабжения и системах подогрева воды в бассейне.

Плотность тепловой и холодной воды различается, что определяет ее перемещение в замкнутом пространстве – горячая вода поднимается вверх, холодная опускается вниз. Схема работы термосифонной системы приведена на ниже следующей схеме:

Для самостоятельного изготовления подобной системы, понадобятся:

Две емкости (бочки), одна из которых служит накопителем холодной воды и располагается несколько выше конвектора и второй емкости, служащей распределителем нагретой воды.
Система труб, обеспечивающих соединение всех элементов конструкции в единое целое.
Конвектор, который собирается из подручных средств.

Для изготовления конвектора можно использовать пластиковые бутылки, из которых собирается батарея. Подобных батарей может быть несколько, и они между собой соединяются последовательно (как на схеме, приведенной выше).

Собранные батареи из бутылок можно поместить в отдельный корпус, в который для большего поглощения солнечного тепла, помещается утеплитель, хотя можно сделать и без него.

Соединение бутылок должно быть герметичным, чтобы исключить протекание воды в местах их соединения.

Кроме пластиковых бутылок можно использовать водопроводный шланг, укладываемый змейкой в смонтированном корпусе или иные подручные материалы, которые способны нагреваться под воздействием солнечных лучей, и которые можно герметично соединить между собой.

Корпус конвектора изготавливается из имеющихся материалов (дерево, пластик, металлический или иной профиль), после чего собранная конструкция размещается на максимально освещенном участке и все ее элементы, соединяются в единое целое.

В емкость накопитель наливается холодная вода и по истечении определенного времени, из емкости распределителя, можно осуществлять разбор нагретой воды.

Воздушная гелиосистема

Одной из простых конструкций, которую можно также изготовить самостоятельно, является воздушная гелиосистема. Данная установка может быть использована для частичного обогрева в южных регионах страны, где воздух прогревается значительно, а потребность в обогреве жилья – невелика.

Принцип действия воздушного коллектора, аналогичен принципу действия термосифонной системы, рассмотренной ранее. Отличительная особенность лишь в теплоносителе, что отражается на устройстве коллектора.

Для того, чтобы изготовить самостоятельно воздушный коллектор можно использовать подручные материалы, это: водопроводные трубы или жестяные банки, профилированный металлический лист или иной материал имеющий профильное сечение.

Схема работы воздушного коллектора приведена на схеме:

Из имеющихся в наличии материалов, как и в случае с термосифонной системой, изготавливается корпус коллектора. При помощи металлического профиля, жестяных банок или путем использования водопроводных труб, создаются ребра, разделяющие воздушный поток на отдельные составные части.

Внутри корпуса укладывается утеплитель, а с наружной стороны, корпус закрывается стеклом, служащим теплоизолятором внутреннего воздуха от наружной среды.

При использовании металлического профиля или иной конструкции, как на приведенной схеме, ребра, разделяющие потоки воздуха могут быть совмещены с панелью, являющейся приемником солнечного тепла. При использовании жестяных банок и водопроводных труб, эту функции выполняют они сами.

С торцов корпуса предусматриваются места крепления коллекторов друг с другом (если их несколько) и для крепления с воздуховодами, обеспечивающими подачу холодного и отвод теплого воздуха.

Самые простые варианты гелиоколлекторов для летнего душа

Элементарность самых непритязательных вариантов солнечных коллекторов не означает их неэффективность. Несмотря на порой хлипкую не привлекательную конструкцию, часто собранную из хлама, они свои функции выполняют.

Рекомендации:

абсорбер желательно поместить в герметичный корпус, как минимум обернуть полиэтиленом;
передняя крышка должна быть прозрачной, а если она является частью абсорбера, то можно применять темный или матовый материал, рекомендованный и для других частей;
задняя стенка должна обрабатываться особо — на нее ставят черный материал или фольгу отражающие свет, сохраняющие тепло внутри;
лучший материал для змеевика, корпуса, деталей — металл. На солнце он будет не просто нагреваться, а раскаляться.

Впрочем, даже если не придерживаться некоторых указанных выше советов, коллектор будет выполнять свои функции. Рассмотрим яркие примеры.

Простой резиновый шланг, полипропиленовые трубы в герметичном корпусе:

Выше на последнем фото отличное решение — черное ограниченное пространство создает эффект духовки, змеевик толстый, его стенки тонкие, нагревается быстро.

Из ПЭТ бутылок, бутылей

Элементарный способ — гелиоколлекторы из пластиковых бутылок. Конечно же, их крайне рекомендовано выкрасить в черный цвет, подойдет даже обычный баллончик с краской. В одном из вариантов бутылки используются как кожух для труб змеевика.

Схема системы с ПЭТ бутылками:

Тут пластиковые бутылки с черным уплотнителем выступают кожухом для змеевика:

Где купить

Гелиосистемы в целом и их составные элементы, являются специфическим товаром, для приобретения который лучше всего обратиться в организацию, которая специализируется на реализации товаров в этой отрасли энергетики.

Оптимальный вариант, в этом случае, это найти дилера компании, производящей гелиосистемы, и заключить договор поставки.

При невозможности сделать это, и при желании снизить затраты на приобретение оборудования, можно обратиться к сети интернет, где присутствует достаточно большое количество предложений о продаже гелиоустановок, как полной комплектации, так и их отдельных элементов.

Советы по эксплуатации

Эксплуатация гелиоустановок производится в соответствии с особенностями конструкции. Основной задачей владельца является поддержание чистоты, удаление пыли или снега. В некоторых случаях требуется периодически изменять положение панелей в соответствии с сезонным изменением расположения Солнца. Ремонт или замена отдельных элементов производится по мере возникновения необходимости, все работы можно выполнять как самостоятельно, так и с помощью привлеченных специалистов.

Использование в Крыму

Крым, это регион нашей страны, расположенный в зоне активного солнечного излучения, поэтому использованию гелиосистем здесь всегда уделялось особое внимание.

В промышленных масштабах, гелиоэнергетика Крыма развивалась как энергетическая система, обеспечивающая электрической энергией промышленные предприятия и бытовых потребителей. На полуострове запущены и успешно работают 13 солнечных электростанций общей установленной мощностью более 280,0 МВт.

Получение тепловой энергии за счет использования гелиосистем, также широко применяется, как на отдельных промышленных предприятиях, так и в частном секторе, где с их использованием осуществляется отопление и горячее водоснабжение.