Техническая информация

Солнечная инсоляция (лат. in-sol от in – внутрь + solis – солнце) - количество солнечной энергии, поступающей на 1 м² поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам за один световой день. Данный показатель измеряется в ваттах на квадратный метр и имеет разные значения в зависимости от месяца года. Именно на основании показателя солнечной инсоляции можно рассчитать производительность гелиосистемы в различных регионах Украины.

Солнечная инсоляция в городах Украины (кВт*ч/м² * день)

На основании статистических данных создана карта солнечного потенциала разных регионов Украины.

Для удобства регионы Украины были распределены на 4 основные зоны.

Солнечная «батарея» - это различные устройства, которые позволяют преобразовать солнечную энергию в тепловую либо электрическую энергии. Эти устройства являются объектами гелиоэнергетики (от греч. Ήλιος, Helios — Солнце).

Солнечные «батареи» можно разделить на два вида:

1. Фотоэлементы - полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток.

2. Солнечные коллектора – устройства для преобразования инфракрасного излучения в тепловую энергию для нагрева теплоносителя или непосредственно воды. Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения, отопления помещений и подогрева бассейнов.

Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается высокими темпами в самых разных направлениях.

Основным параметром для правильного расчета комплектации гелиосистемы и выбора оборудования является показатель солнечной инсоляции, измеряемый в Вт/м²/день. Каждый город Украины имеет свой уровень инсоляции, который зависит от региона и времени года. Для оценки уровня инсоляции используются спутниковые данные NASA.

Производительность будет равна произведению параметра солнечной инсоляции на площадь гелиополя. Например, в г. Киеве средняя солнечная инсоляция в июле месяце равна 4,66 кВт/м²/день (угол установки 50^o ). Производительность одного солнечного коллектора площадью 4 м² будет равна: 4,66 х 4 = 18,64 кВт/день тепловой энергии в день. Данный объем тепла будет достаточен для нагрева воды объемом 500 л с температуры 17 до 45^o С.

Вакуумный солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца и нагрева теплоносителя гелиосистемы. Применяются для нагрева воды нужд горячего водоснабжения, подогрева бассейнов и поддержкой отопления помещений.

Одним из основных элементов вакуумного солнечного коллектора является вакуумная трубка, которая собственно и поглощает тепло солнечных лучей и с помощью конденсатора нагревает теплоноситель гелиосистемы.

Вакуумная трубка представляет собой два цилиндра, изготовленных из сверх прочного боросиликатного стекла, впаянные друг в друга. Внешняя трубка - прозрачная, а внутренняя имеет специальное абсорбционное покрытие для поглощения инфракрасного солнечного излучения. Между трубками создан вакуум, что позволяет значительно снизить теплопотери. Во внутреннем цилиндре находится алюминиевый теплопровод, который связан с полой медной тепловой трубкой, хранящей в себе легкозакипающую жидкость.

Солнечный свет проходит через прозрачную внешнюю трубку, поглощается алюминиевым теплопроводом во внутренней части, который передает энергию медной тепловой трубке, которая заполнена легкозакипающей жидкостю. Пары жидкости поднимаются вверх, отдавая тепло конденсатору, который нагревает теплоноситель.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом. Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой.

Одним из самых важных показателей эффективности работы солнечного коллектора является коэффициент полезного действия, который показывает, какая доля солнечного излучения, которое попадает на коллектор, может быть превращена в полезную тепловую энергию. КПД плоских коллекторов в зависимости от типа и производителя находится в диапазоне 75-85%.

Преимущества и недостатки вакуумных и плоских коллекторов

Приемущества
Низкие теплопотери Работоспособность в холодное время года до −300С Низкая парусность Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата	Высокая производительность летом Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата Возможность установки под любым углом Меньшая начальная стоимость
Недостатки
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Высокие теплопотери Низкая работоспособность в холодное время года Высокая парусность

Сравнение производительности плоского и вакуумного коллекторов в г. Киеве

Если мы говорим о работе гелиосистемы только на отопление, то нужно отметить несколько важных нюансов такой работы:

7.1. Мощность гелиосистемы ограничена потребностью в тепле летом.
Правильный расчет мощности гелиосистемы (расчет количества солнечных коллекторов) должен основываться на полезной утилизации тепла в летний период, когда присутствует максимальная солнечная инсоляция.
Учитывая постоянное повышение тарифов на энергоносители в Украине многие владельцы частных домов и организаций желают установить как можно больше солнечных коллекторов для использования бесплатной солнечной энергии на нужды отопления. Но завышение мощности гелиосистемы для покрытия нужд отопления в зимний период может привести к проблемам при эксплуатации. В летний период производительность гелиосистемы возрастет в 2,5 раза по сравнению с зимним периодом, но из потребителей тепла летом у нас остается система ГВС и бассейн. В таком случае может возникнуть проблема полезной утилизации тепла. Чтобы таких проблем не возникало производительность (мощность) гелиосистемы должна быть ограничена потребностями тепла в летний период.

7.2. Влияние угла наклона коллекторов на производительность в зимний период В зависимости от угла наклона солнечных коллекторов гелиосистема может иметь разную производительность. Для того, чтобы иметь наибольшую производительность по году солнечные коллектора устанавливаются под углом 30^o. Но зачастую, для уменьшения излишков тепла в летний период и повышения производительности в зимний период, солнечные коллектора устанавливают под углом 50-55^o C. Такой угол наклона позволяет увеличить производительность гелиосистемы до 10% в зимний период, когда солнечная инсоляция минимальна относительно всего года.

3. Использование вакуумных коллекторов поддержки отопления В гелиосистемах с поддержкой отопления необходимо использовать трубчатые вакуумные коллекторы, которые обладают значительно большей производительностью в осеннее-весенний периоды, если сравнить их с плоскими солнечными коллекторами. Именно из-за вакуумной изоляции трубчатые коллекторы наилучшим образом подходит для тех случаев, когда необходимо добиться высоких температур подающей линии, а температура окружающей среды сравнительно низкая. Используя вакуумные трубчатые коллектора появляется возможность увеличить эффективность работы на отопление в зимний период.

Выводы:

1. Гелиосистема – это энергосберегающее оборудование, позволяющее экономить энергоресурсы на тепловые нужды. Но в месте этим преимуществом гелиосистема не заменяет традиционные источники тепла.

2. Мощность гелиосистемы должна рассчитываться на основании объема потребляемого тепла в летний период.

3. Гелиосистема может выполнять функцию поддержки отопления, но не может полностью покрыть тепловые нужды на отопление.

4. Гелиосистема с функцией поддержки отопления должна комплектоваться вакуумными коллекторами.

Производительность гелиосистемы напрямую зависит от солнечной инсоляции. Летом уровень солнечной инсоляции является максимальным, в зимний период он снижается приблизительно на 65%. Соответственно снижается и производительность гелиосистемы.

При эксплуатации гелиосистемы в зимний период необходимо устанавливать вакуумные солнечные коллектора, на производительность которых не влияет температура окружающей среды за счет отсутствия теплопотерь солнечных коллекторов.

Гелиосистема не может полностью заменить работу традиционного источника тепла- котла.

Это связано с тем, что производительность гелиосистемы напрямую зависит от солнечной инсоляции в данный момент. Если котел имеет свою номинальную мощность, то мощность гелиосистемы непостоянна в разное время суток. Также нужно учитывать, что в отопительный период уровень солнечной инсоляции меньше, чем в летний период и соответственно производительность гелиосистемы будет ниже чем летом.

Таким образом, гелиосистема выполняет функцию поддержки отопления, а не замещения традиционного источника тепла.

Согласно исследованиям немецкой солнечной лаборатории (г. Фрайбург), эффективность работы солнечного коллектора, на поверхности которого находится пылевой слой, снижается в среднем на 4%. Если коллектор находится в городской среде, то пыль оседаемая на поверхности коллекторов легко смывается осадками в виде дождя.

Исключения составляют коллектора, установленные в промышленных зонах, где присутствуют выбросы. В таком случае падение эффективности работы может быть в несколько раз больше и тогда рекомендуется протирать стекло 2-3 раза в год. Мыть можно также с применением бытовых моющих средств.

Что касается снега, то при полном покрытии поверхности коллектора снеговым покром в несколько сантиметоров коллектор прекращает свою работу. Но, так как вакуумный коллектор имеет трубчатую поверхность, то этот снежный покров появляется только сверху на переднюю часть. При попадании солнечных лучей на коллектор (в том числе на заднюю часть) коллектор начнет прогревается и постепенно будет оттаивать. Так же при наличия ветра снег удаляется самостоятельно за счет наличия расстояния между вакуумными трубками.

 

Фотоэлементы	Гелиосистема
Типы фотоэлементов: Кремниевые Тонкопленочные	Типы солнечных коллекторов: Вакуумные коллектора Плоские коллектора
Назначение: Генерация электроэнергии	Назначение: Нагрев теплоносителя от сонца
Вспомогательное оборудование: Инвертор, контроллер заряда, АКБ	Вспомогательное оборудование: Насосная станция, контроллер, теплообменник
Примеры проектов	Примеры проектов
Мощность – 10 кВт Тип системы – On Grid (без АКБ)	Мощность – 8 вакуумных коллекторов (по 30 трубок)
Назначение: Генерация электроэнергии	Назначение: Нагрев воды, подогрев бассейна, поддержка отопления
Производительность: 10 000 кВт·ч электроэнергии	Производительность: 39 000 кВт·ч тепловой энергии
Результат: Продажа всего объема по "Зеленому тарифу  50 000 грн. в год	Результат: Снижение счетов за потребленный газ 39 500 грн. в год (экономия газа 5,5 тыс. м3 в год).

Термин “гелиосистема” приобретают все большую актуальность во всем мире в связи с постоянно растущими ценами на энергоносители и экологически неблагоприятной ситуацией. Проблемы энергосбережения  становятся все более острыми. Данная ситуация заставляет задуматься над более экологически чистыми и эффективными способами добычи энергии. Поэтому многие передовые компании обратили внимание на Солнце как источник энергии. Ведь солнечная энергия итак является источником жизни на нашей планете.

Гелиосистемы нашли широкое применение во многих странах мира. Согласно отчету международного энергетического агентства, суммарная площадь установленных гелиосистем в мире составляет более 500 000 м2 . Мировыми лидерами внедрения гелиосистем являются Китай, Австралия, США, Бразилия, Турция, Германия.

К 2020 г. большинство европейских государств планируют перевод теплоснабжения 70% жилого фонда на солнечную энергию.

Среди европейских стран лидерами по использованию гелиосистем на душу населения (на 1 000 человек) являются такие страны как Кипр, Греция, Турция, Германия.

В связи с резким повышением стоимости энергоносителей в последнее время, многие стали интересоваться внедрением энергосберегающих технологий для снижения потребления энергоресурсов.

Рассмотрим основные мероприятия по энергосбережению:

1. Утепление.

Это направление энергосбережение стоит на первом месте среди всех остальных. Утепление является необходимым условием при строительстве энергосберегающего  здания любого типа, а также самой надежной и быстроокупаемой инвестицией.

К утеплению относятся:

-       Наружняя теплоизоляция (утепление, фундаментов, стен зданий);

-       Внутренняя теплоизоляция (теплоизоляция полов, зарадиаторных участков стен, кровель);

-       Установка энергосберегающих окон (тройное остекленение, стеклопакеты с инертным газом, теплотражающие стекла и т.д.)

-       Теплоизоляция трубопроводов (утепление трубопроводов систем отопления и горячего водоснабжения).

2. Снижение потребления энергоресурсов:

-       Применения освещения на основе LED технологии

-       Применение электрооборудования с низким уровнем электропотребления (класс А+++);

-       Установка насосов с частотными преобразователями.

3. Применение автоматических систем управления

- наружным освещением (путем установки сумеречных реле или реле времени)

- системой отопления (применение термостатов, контроллеров для автоматического регулирования температуры в системе отопления)

 4. Использование альтернативных источников энергии

- гелиосистемы (использование солнечной энергии для приготовления горячей воды, подогрева бассейна и поддержки отопления);

- солнечные электростанции (использование солнечной энергии для генерации электроэнергии);

- тепловые насосы (получение тепла из недр Земли, воды, воздуха)

- использование биогаза для получения тепла и генерации электроэнергии.