Устройство и работа гелиосистемы

Мы уже с вами рассмотрели несколько типов солнечных электростанций, разобрались в принципе работы и чем они отличаются. Если вы не читали эти статьи, то рекомендуем Вам это сделать, перейдя по ссылкам: "Как устроена автономная солнечная электростанция?", "Как устроена сетевая солнечная станция?", "Как устроена гибридная солнечная станция?" Теперь настала очередь разобраться в принципе построения и работе гелиосистем. Мы рассмотрим схему построения типовой гелиосистемы для частного дома, и разберёмся из каких элементов она состоит.
 
 
Основным элементом гелиосистемы является гелиоколлектор. Гелиоколлектор в отличие от солнечного модуля не вырабатывает электроэнергию, а поглощает тепловую энергию, переносимую видимым и ближним инфракрасным излучением. Далее поглощаемое тепло передаётся теплоносителю. Эффективное поглощение тепла происходит за счёт селективного покрытия поверхности коллектора, это тёмное напыление (обычно чёрный никель или напыление оксида титана). Есть два основных типа солнечных коллекторов, которые конструктивно отличаются между собой, это плоский коллектор и вакуумный коллектор. Мы сейчас не будем рассматривать детально их отличия в устройстве, так как задача у них одна и та же, а детальное различие их конструкций мы разберём в отдельной статье.
 
Итак, главная задача гелиосистемы — это сбор солнечного тепла и передача его с помощью теплоносителя в бак с водой. Гелиоколлектор устанавливается на открытом воздухе. Местом для установки может служить крыша, балкон, фасад здания или отдельно стоящая конструкция, главное требование - чтобы это была солнечная сторона без тени, в идеале с ориентацией на юг, чтобы коллектор работал эффективно весь день. 
 
Количество гелиоколлекторов рассчитывается, отталкиваясь от объёма нагреваемой воды. Для того, чтобы осуществить нагрев воды от гелиоколлетора, нам понадобиться бак с теплообменниками. В нашем случае на схеме изображён бак с двумя такими теплообменниками в виде змеевика, через которые и передаётся тепло от теплоносителя к нагреваемой воде. Один теплообменник подключается к гелиоколлеторам с помощью трубопровода, а второй теплообменник подключается к другому источнику тепла, например, к твердотопливному котлу, электро- или газовому котлу. Это необходимо на случай, когда не будет достаточно солнечной энергии, тогда мы можем нагреть бак до необходимой температуры вторым источником. По санитарным нормам, для того, чтобы в баке не появились бактерии, температура воды в баке должна быть не менее 55 ˚С. Зимой такая схема сможет помочь экономить на топливе или электричестве для традиционных источников энергии. Вместо второго змеевика источником может служить электрический нагреватель, как в электробойлерах.
 
Пару слов о трубопроводе. Для гелиосистемы используется специальный трубопровод с теплоизоляцией в оболочке для исключения теплопотерь и влияния внешних природных факторов. Также в этот трубопровод может быть вживлён электрический кабель для удобства подключения датчиков гелиоколлекторов, это освобождает нас от отдельной возни с прокладкой кабеля при монтаже.
 
Мы подключили наши гелиоколлекторы к баку с помощью трубопровода. Для того, чтобы передавать тепло от коллекторов к баку, необходим теплоноситель. Теплоносителем в таких системах служит незамерзающая, не токсичная жидкость на основе пропиленгликоля с антивспенивающими и антикоррозийными присадками. Теплоносителем заполняется весь трубопровод гелиосистемы вместе с теплообменником. Для того, чтобы жидкость циркулировала по трубопроводу необходима насосная группа, которая включается в контур гелиосистемы.
 
Теплоноситель в процессе работы гелиосистемы может как расширяться при нагреве, так и сужаться при охлаждении, чтобы это компенсировать и исключить излишнее давление в системе, в контур гелиосистем обязательно включают расширительный бак. Внутри этого бака находится мембрана, которая и реагирует на изменения объёма теплоносителя, компенсируя перепады.
 
Для исключения образования пузырьков воздуха, которые могут возникать при заполнении системы теплоносителем, в верхней точке на гелиоколлекторе устанавливается воздухоотводчик который, выводит в атмосферу образовавшийся в системе воздух.
 
Мы рассмотрели почти все элементы гелиосистемы, но остался ещё один очень важный элемент — контроллер гелиосистемы. Контроллер управляет насосной группой снимая и сопоставляя данные с датчиков, которые устанавливаются на выходе гелиоколлекторов, в баке-аккумуляторе в нижней и верхней частях. С помощью контроллера мы выставляем необходимую температуру нагреваемой воды, можем программировать режимы работы системы, автоматически включать ТЭН.
 
 
Теперь рассмотрим порядок работы всей системы. Предположим, что в бак у нас закачана вода и начальная тепература её 15 ˚С, необходимо нагреть её до 60 ˚С. Этот параметр может быть установлен и больше в летнее время, ведь нам желательно использовать всю энергию по максимуму, но и не допустить закипания системы. Но об этом дальше. Контроллер запускает насос, который толкает теплоноситель к гелиоколлеторам. Проходя через гелиоколлеторы теплоноситель нагревается и далее поступает в теплообменник накопительного бака, где и отдаёт тепло воде. Этот процесс происходит непрерывно до тех пор, пока вода в баке не достигнет необходимой температуры, затем контроллер отключает постоянную циркуляцию переходя на специальный алгоритм исключая перегрев, либо переключает её на сброс тепла в бассейн, тёплый пол или фанкойл.  
 
А вот на сбросе лишнего тепла стоит обязательно упомянуть. В солнечную погоду коллектор может нагреть бак до критической температуры, а теплоноситель может достигать температуры 170 ˚C запуская необратимый процесс, при котором гликоль начинает разрушаться, образовывая кислоты и твёрдые отложения, что приведёт к выходу из строя системы. Для этого в контроллере предусмотрены специальные режимы.
 
Один из таких режимов — это когда насос работает с паузами прокачивая теплоноситель, не давая ему постоянно кипеть. Это приводит к увеличению тепловых потерь и на открытом воздухе сразу рассеивается часть лишней тепловой энергии. Контроллер постоянно следит за температурой c помощью датчиков и не позволяет солнечным коллекторам нагреться до температуры парообразования (стагнации) периодически запуская насос.
 
Другой режим — это режим охлаждения бака, когда наступает вечер или пасмурная погода, насос начинает прокачивать теплоноситель отбирая часть тепла из бака и рассеивая его через внешний трубопровод и коллекторы. Это возможно при условии, когда температура коллетора будет ниже температуры воды в нижней части бака. Но если в домохозяйстве есть бассейн, то всё лишнее тепло можно направить на его подогрев. Для этого в систему циркуляции бассейна внедряется специальный внешний теплообменник, который подключается к гелиосистеме через трёхходовой клапан с электроприводом. Когда бак с водой нагрет до заданной температуры, контроллер с помощью трёхходового клапана переключает циркуляцию на контур бассейна, и всё тепло поступает на нагрев бассейна. Как только бак потеряет тепло, контроллер сразу переключит систему в исходное состояние.
 
С утилизацией лишнего тепла понятно, но существуют случаи, когда солнечной энергии недостаточно, например, в зимние пасмурные дни. Для достижения заданной температуры в баке её необходимо откуда-то брать, потому что гелиосистема не может нас обеспечить теплом круглый год на 100%. Вот для этого и нужен второй теплообменник, который греется традиционным источником тепла. Если второй источник не предусмотрен или нет возможности его подключить, то можно использовать электрический водонагреватель, как в обычном бойлере. Зимой гелиосистема выступает уже как вспомогательный источник. Например, гелиосистема с 15 ˚С нагревает воду до 35 ˚C, а недостаток покрывается котлом или ТЭНом. Такой подход может дать годовую экономию до 75%.
 
Мы рассмотрели работу типовой домашней гелиосистемы со сбросом тепла в бассейн. Существуют и другие способы утилизации лишнего тепла, но это уже тема для другой статьи. Сложность и построение гелиосистем может быть различное и зависит от поставленных задач, будь то подогрев бассейна, горячее водоснабжение, ГВС и поддержка отопления или их вариации.
 
Вакуумные гелиоколлекторы на крыше отеля "Loma Club" обеспечивают горячей водой весь отельный
комплекс, система построена компанией "Solar-Tech" в 2021 году.
 
Плоские гелиоколлекторы "Viessmann" обеспечивают бесплатной горячей водой частное домохозяйство. 
Система построена компанией "Solar-Tech" в 2021 году.   
 
Подписывайтесь на нас в социальных сетях:
24.08.2021