Saules apkure privātmājai: varianti un ierīces shēmas

“Zaļās” enerģijas, ko piegādā dabas stihijas, izmantošana ļauj ievērojami samazināt komunālos izdevumus. Piemēram, ierīkojot saules apkuri privātmājai, jūs faktiski bez maksas nodrošināsiet ar siltumnesēju zemas temperatūras radiatorus un siltās grīdas sistēmas. Piekritīsiet, tas jau ir ietaupījums.

Visu par “zaļajām tehnoloģijām” jūs uzzināsiet no mūsu piedāvātā raksta. Ar mūsu palīdzību jūs viegli izpratīsiet saules iekārtu veidus, to ierīkošanas paņēmienus un ekspluatācijas specifiku. Noteikti ieinteresēsieties par kādu no populārākajiem variantiem, kas intensīvi darbojas pasaulē, bet pie mums pagaidām nav pārāk pieprasīti.

Jūsu uzmanībai piedāvātajā apskatā ir iztirzātas sistēmu konstruktīvās īpatnības, detalizēti aprakstītas pieslēguma shēmas. Ir dots saules apkures kontūra aprēķina piemērs, lai novērtētu tā izbūves realitāti. Pašdarbīgajiem meistariem palīgā ir pievienotas foto izlases un video.

“Zaļās” siltuma ražošanas tehnoloģijas

Vidēji 1 m² zemes virsmas saņem 161 W saules enerģijas stundā. Protams, pie ekvatora šis rādītājs būs daudzkārt augstāks nekā aiz polārā loka. Turklāt saules starojuma blīvums ir atkarīgs no gadalaika.

Maskavas apgabalā saules starojuma intensitāte decembrī-janvārī atšķiras no maija-jūlija vairāk nekā piecas reizes. Tomēr mūsdienu sistēmas ir tik efektīvas, ka spēj darboties praktiski jebkur uz zemes.

Mūsdienu heliosistēmas spēj efektīvi darboties mākoņainā un aukstā laikā līdz -30°C

Uzdevums izmantot saules starojuma enerģiju ar maksimālu efektivitāti tiek risināts divos veidos: tiešā sildīšana termiskajos kolektoros un saules fotoelektriskie paneļi. Saules paneļi vispirms pārvērš saules staru enerģiju elektrībā, pēc tam caur īpašu sistēmu nodod patērētājiem, piemēram, elektrokatlam.

Termiskie kolektori, sasilstot saules staru ietekmē, sasilda apkures un karstā ūdens apgādes sistēmu siltumnesēju.

Siltuma kolektori ir vairāku veidu, tostarp atvērtas un slēgtas sistēmas, plakanas un sfēriskas konstrukcijas, puslodes formas koncentratori un daudzi citi varianti. Saules kolektoros iegūtā siltumenerģija tiek izmantota karstā ūdens vai apkures sistēmas siltumnesēja uzsildīšanai.

Rūpniecība ražo plašā sortimentā kolektoru sistēmas iekļaušanai neatkarīgā apkures tīklā. Tomēr visvienkāršāko variantu vasarnīcai ir viegli izgatavot pašrocīgi:

Neskatoties uz acīmredzamo progresu risinājumu izstrādē saules enerģijas vākšanai, uzkrāšanai un izmantošanai, pastāv gan priekšrocības, gan trūkumi.

Efektīva saules enerģijas izmantošana

Visredzamākais ieguvums no saules enerģijas izmantošanas ir tās vispārējā pieejamība. Patiesībā pat visdrūmākajā un mākoņainākajā laikā saules enerģiju var savākt un izmantot.

Otrs pluss – ir nulles emisijas. Būtībā tas ir videi draudzīgākais un dabiskākais enerģijas veids. Saules baterijas un kolektori nerada troksni. Vairumā gadījumu tie tiek uzstādīti uz ēku jumtiem, neaizņemot derīgo laukumu lauku īpašumā.

Saules apkures efektivitāte mūsu platuma grādos ir diezgan zema, kas izskaidrojams ar nepietiekamo saulaino dienu skaitu sistēmas regulārai darbībai (+)

Trūkumi, kas saistīti ar saules enerģijas izmantošanu, ir apgaismojuma nepastāvībā. Tumsā nav ko vākt, situāciju pasliktina tas, ka apkures sezonas maksimums iekrīt gada īsākajās gaišajās dienās. Jāseko līdzi paneļu optiskajai tīrībai, neliels piesārņojums krasi samazina lietderības koeficientu.

Turklāt nevar teikt, ka saules enerģijas sistēmas ekspluatācija ir pilnīgi bezmaksas, pastāv pastāvīgas izmaksas par iekārtu nolietojumu, cirkulācijas sūkņa un vadības elektronikas darbību.

Būtisks trūkums apkurei, kas balstīta uz saules kolektoru izmantošanu, ir nespēja uzkrāt siltumenerģiju. Shēmā ir iekļauta tikai izplešanās tvertne (+)

Atvērtie saules kolektori

Atvērts saules kolektors ir no ārējām ietekmēm neaizsargāta cauruļu sistēma, pa kuru cirkulē tieši no saules uzkarsēts siltumnesējs.

Kā siltumnesējs tiek izmantots ūdens, gāze, gaiss, antifrīzs. Caurules vai nu tiek nostiprinātas uz nesošās paneļa kā spolīte, vai arī pievienotas paralēlās rindās pie izplūdes atzarojuma.

Atvērtā tipa saules kolektori nespēj tikt galā ar privātmājas apkuri. Izolācijas trūkuma dēļ siltumnesējs ātri atdziest. Tos izmanto vasarā galvenokārt ūdens sildīšanai dušās vai baseinos.

Atvērtiem kolektoriem parasti nav nekādas izolācijas. Konstrukcija ir ļoti vienkārša, tāpēc tai ir zema cena un to bieži izgatavo pašu spēkiem.

Izolācijas trūkuma dēļ tie praktiski nesaglabā no saules iegūto enerģiju, tiem ir zems lietderības koeficients. Tos izmanto galvenokārt vasarā ūdens uzsildīšanai baseinos vai vasaras dušās.

Tos uzstāda saulainos un siltos reģionos, pie nelielām apkārtējā gaisa un uzsildāmā ūdens temperatūras svārstībām. Tie labi darbojas tikai saulainā, bezvēja laikā.

Vienkāršākais saules kolektors ar siltuma uztvērēju, kas izgatavots no polimēru cauruļu ruļļa, nodrošinās uzkarsēta ūdens piegādi vasarnīcā laistīšanai un sadzīves vajadzībām

Cauruļveida kolektoru paveidi

Cauruļveida saules kolektori tiek salikti no atsevišķām caurulēm, pa kurām cirkulē ūdens, gāze vai tvaiks. Šī ir viena no atvērta tipa saules sistēmu šķirnēm. Tomēr siltumnesējs jau ir daudz labāk aizsargāts no ārējās negatīvās ietekmes. Īpaši vakuuma iekārtās, kas sakārtotas pēc termosu principa.

Katra caurule tiek pieslēgta sistēmai atsevišķi, paralēli viena otrai. Ja viena caurule sabojājas, to ir viegli nomainīt pret jaunu. Visa konstrukcija var tikt salikta tieši uz ēkas jumta, kas ievērojami atvieglo uzstādīšanu.

Cauruļveida kolektoram ir modulāra struktūra. Galvenais elements ir vakuuma caurule, cauruļu skaits svārstās no 18 līdz 30, kas ļauj precīzi izvēlēties sistēmas jaudu.

Būtisks cauruļveida saules kolektoru plus ir to galveno elementu cilindriskā forma, pateicoties kurai saules starojums tiek uztverts visu gaismas dienu, neizmantojot dārgas sekošanas sistēmas saules kustībai.

Īpašs daudzslāņu pārklājums rada sava veida optisko slazdu saules stariem. Diagrammā daļēji parādīta vakuuma kolbas ārējā siena, kas atstaro starus uz iekšējās kolbas sienām (+)

Pēc cauruļu konstrukcijas izšķir spalvu un koaksiālos saules kolektorus.

Koaksiālā caurule ir Djūara trauks jeb visiem pazīstams termoss. Tā izgatavota no divām kolbām, starp kurām ir izsūknēts gaiss. Uz iekšējās kolbas iekšējās virsmas ir uzklāts augstselektīvs pārklājums, kas efektīvi absorbē saules enerģiju.

Ar cilindrisku caurules formu saules stari vienmēr krīt perpendikulāri virsmai

Siltumenerģija no iekšējā selektīvā slāņa tiek nodota siltuma caurulei vai iekšējam siltummainim no alumīnija plāksnēm. Šajā posmā notiek nevēlami siltuma zudumi.

Spalvu caurule ir stikla cilindrs ar iekšpusē ievietotu spalvu absorberi.

Sistēma savu nosaukumu ieguvusi no spalvu absorbera, kas cieši aptver siltuma kanālu no siltumvadoša metāla.

Labas siltumizolācijas nolūkā no caurules ir izsūknēts gaiss. Siltuma pārnese no absorbera notiek bez zudumiem, tāpēc spalvu cauruļu lietderības koeficients ir augstāks.

Pēc siltuma pārneses veida ir divas sistēmas: tiešās plūsmas un ar termosifonu (heat pipe). Termosifons ir noslēgts trauks ar viegli iztvaikojošu šķidrumu.

Tā kā viegli iztvaikojošs šķidrums dabiski plūst uz termocaurules dibenu, minimālais slīpuma leņķis ir 20°.

Termocaurules iekšpusē atrodas viegli iztvaikojošs šķidrums, kas uztver siltumu no kolbas iekšējās sienas vai no spalvu absorbenta. Temperatūras ietekmē šķidrums uzvārās un tvaika veidā paceļas augšup. Pēc tam, kad siltums ir nodots apkures vai karstā ūdens sistēmas siltumnesējam, tvaiks kondensējas šķidrumā un plūst lejup.

Par viegli iztvaikojošu šķidrumu bieži izmanto ūdeni zemā spiedienā. Tiešās plūsmas sistēmā tiek izmantota U-veida caurule, pa kuru cirkulē ūdens vai apkures sistēmas siltumnesējs.

Viena U-veida caurules puse ir paredzēta aukstajam siltumnesējam, otra atvada uzsildīto. Sildot, siltumnesējs izplešas un nonāk uzkrāšanas tvertnē, nodrošinot dabisku cirkulāciju. Tāpat kā sistēmām ar termocauruli, minimālajam slīpuma leņķim jābūt vismaz 20°.

Izmantojot tiešās plūsmas pieslēgumu, spiediens sistēmā nevar būt augsts, jo kolbas iekšpusē ir tehniskais vakuums.

Tiešās plūsmas sistēmas ir efektīvākas, jo tās uzreiz silda siltumnesēju. Ja saules kolektoru sistēmas ir plānots lietot visu gadu, tajās tiek iesūknēts speciāls antifrīzs.

Cauruļveida saules kolektoru izmantošanai ir vairākas priekšrocības un trūkumi. Cauruļveida saules kolektora konstrukcija sastāv no vienādiem elementiem, kurus ir salīdzinoši viegli nomainīt.

Priekšrocības:

• zemi siltuma zudumi;
• spēja darboties temperatūrā līdz -30 °C;
• efektīva veiktspēja visas dienasgaismas stundās;
• laba darbspēja reģionos ar mērenu un aukstu klimatu;
• zems vēja pretestības koeficients, pamatojoties uz cauruļveida sistēmu spēju izlaist caur sevi gaisa masas;
• iespēja ražot augstu siltumnesēja temperatūru.

Konstruktīvi cauruļveida konstrukcijai ir ierobežota apertūras virsma.

Tai ir šādi trūkumi:

• nav spējīga pašattīrīties no sniega, ledus, sarmas;
• augstas izmaksas.

Neskatoties uz sākotnēji augstajām izmaksām, cauruļveida kolektori ātrāk atmaksājas. Tiem ir ilgs kalpošanas laiks.

Cauruļveida kolektori pieder pie atvērtā tipa saules iekārtām, tāpēc tie nav piemēroti visu gadu lietošanai apkures sistēmās (+)

Plakanās slēgtās sistēmas

Plakanais kolektors sastāv no alumīnija rāmja, speciāla absorbējošā slāņa – absorbera, caurspīdīga pārklājuma, cauruļvada un izolācijas.

Kā absorbētāju izmanto melnētu lokšņu varu, kas izceļas ar ideālu siltumvadītspēju saules sistēmu izveidei. Absorbējot saules enerģiju, absorbētājs nodod iegūto enerģiju siltumnesējam, kas cirkulē pie absorbētāja esošajā cauruļu sistēmā.

Ārpusē slēgtais panelis ir aizsargāts ar caurspīdīgu pārklājumu. Tas ir izgatavots no triecienizturīga rūdīta stikla ar caurlaidības joslu 0,4–1,8 µm. Šajā diapazonā ir maksimālais saules starojums. Triecienizturīgais stikls kalpo kā laba aizsardzība pret krusu. Aizmugurējā pusē viss panelis ir droši siltināts.

Plakanie saules kolektori izceļas ar maksimālu produktivitāti un vienkāršu konstrukciju. To efektivitāte ir palielināta, pateicoties absorbētāja izmantošanai. Tie spēj uztvert izkliedēto un tiešo saules starojumu.

Slēgto plakano paneļu priekšrocību sarakstā ir:

• vienkārša konstrukcija;
• laba veiktspēja reģionos ar siltu klimatu;
• iespēja uzstādīt jebkurā leņķī, ja ir ierīces slīpuma leņķa maiņai;
• spēja pašattīrīties no sniega un sarma;
• zema cena.

Plakanie saules kolektori ir īpaši izdevīgi, ja to izmantošana ir plānota jau projektēšanas stadijā. Kvalitatīvu izstrādājumu kalpošanas laiks ir 50 gadi.

Pie trūkumiem var minēt:

• augsti siltuma zudumi;
• liels svars;
• liela vēja iedarbība, paneļiem atrodoties leņķī pret horizontu;
• produktivitātes ierobežojumi, ja temperatūras starpība pārsniedz 40°C.

Slēgto kolektoru pielietojuma joma ir ievērojami plašāka nekā atvērtā tipa saules iekārtām. Vasarā tie spēj pilnībā apmierināt vajadzību pēc karstā ūdens. Vēsās dienās, kas nav iekļautas apkures sezonā, tie var darboties gāzes un elektrisko sildītāju vietā.

Tiem, kas vēlas izgatavot saules kolektoru pašu rokām vasarnīcas apkures ierīkošanai, iesakām iepazīties ar praksē pārbaudītām shēmām un soli pa solim montāžas instrukcijām.

Saules kolektoru raksturlielumu salīdzinājums

Vissvarīgākais saules kolektora rādītājs ir lietderības koeficients. Dažādas konstrukcijas saules kolektoru lietderīgā produktivitāte ir atkarīga no temperatūras starpības. Turklāt plakanie kolektori ir ievērojami lētāki nekā cauruļveida kolektori.

Lietderības koeficienta vērtības ir atkarīgas no saules kolektora izgatavošanas kvalitātes. Grafika mērķis ir parādīt dažādu sistēmu izmantošanas efektivitāti atkarībā no temperatūras starpības.

Izvēloties saules kolektoru, ir vērts pievērst uzmanību vairākiem parametriem, kas parāda ierīces efektivitāti un jaudu.

Saules kolektoriem ir vairāki svarīgi raksturlielumi:

• absorbcijas koeficients – parāda absorbētās enerģijas attiecību pret kopējo enerģiju;
• emisijas koeficients – parāda nodotās enerģijas attiecību pret absorbēto;
• kopējā un apertūras platība;
• lietderības koeficients.

Apertūras platība ir saules kolektora darba platība. Plakanajam kolektoram apertūras platība ir maksimāla. Apertūras platība ir vienāda ar absorbētāja platību.

Pieslēgšanas veidi apkures sistēmai

Tā kā saules enerģijas ierīces nevar nodrošināt stabilu un nepārtrauktu enerģijas piegādi, ir nepieciešama sistēma, kas ir izturīga pret šiem trūkumiem.

Krievijas vidējai joslai saules ierīces nevar garantēt stabilu enerģijas pieplūdumu, tāpēc tās tiek izmantotas kā papildu sistēma. Integrēšana esošajā apkures un karstā ūdens apgādes sistēmā atšķiras saules kolektoram un saules baterijai.

Shēma ar ūdens kolektoru

Atkarībā no siltuma kolektora izmantošanas mērķiem tiek pielietotas dažādas pieslēgšanas sistēmas. Variantu var būt vairāki:

1. Vasaras variants karstā ūdens apgādei
2. Ziemas variants apkurei un karstā ūdens apgādei

Vasaras variants ir visvienkāršākais un var iztikt pat bez cirkulācijas sūkņa, izmantojot dabisku ūdens cirkulāciju.

Ūdens tiek uzsildīts saules kolektorā un siltuma izplešanās dēļ nonāk akumulācijas tvertnē vai boilerī. Tajā notiek dabiska cirkulācija: karstā ūdens vietā no tvertnes tiek ievilkts auksts ūdens.

Ziemā pie negatīvām temperatūrām tieša ūdens uzsildīšana nav iespējama. Pa slēgtu kontūru cirkulē īpašs antifrīzs, nodrošinot siltuma pārnesi no kolektora uz siltummaini tvertnē.

Tāpat kā jebkura sistēma, kas balstīta uz dabisku cirkulāciju, tā darbojas ne īpaši efektīvi, prasot nepieciešamo slīpumu ievērošanu. Turklāt akumulācijas tvertnei jābūt augstākai par saules kolektoru. Lai ūdens pēc iespējas ilgāk paliktu karsts, tvertne rūpīgi jāizolē.

Ja Jūs patiešām vēlaties panākt maksimāli efektīvu saules kolektora darbību, pieslēgšanas shēma kļūs sarežģītāka.

Lai naktī kolektors nepārvērstos par dzesēšanas radiatoru, ir nepieciešams piespiedu kārtā pārtraukt ūdens cirkulāciju.

Pa saules kolektora sistēmu cirkulē nesasalstošs siltumnesējs. Piespiedu cirkulāciju nodrošina sūknis, kuru vada kontrolieris.

Kontrolieris vada cirkulācijas sūkņa darbību, pamatojoties uz vismaz divu temperatūras sensoru rādījumiem. Pirmais sensors mēra temperatūru akumulācijas tvertnē, otrais – uz saules kolektora karstā siltumnesēja padeves caurules.

Tiklīdz tvertnes temperatūra pārsniedz dzesēšanas šķidruma temperatūru, kolektorā kontrolieris izslēdz cirkulācijas sūkni, pārtraucot dzesēšanas šķidruma cirkulāciju sistēmā. Savukārt, kad temperatūra uzglabāšanas tvertnē pazeminās zem iestatītās vērtības, tiek ieslēgts apkures katls.

Par jaunu vārdu un efektīvu alternatīvu saules kolektoriem ar dzesēšanas šķidrumu ir kļuvušas sistēmas ar vakuuma caurulēm, kuru darbības principu un ierīci mēs piedāvājam iepazīties.

Shēma ar saules bateriju

Būtu vilinoši piemērot līdzīgu saules baterijas pieslēguma shēmu elektrotīklam, kā tas ir realizēts saules kolektora gadījumā, uzkrājot dienā saņemto enerģiju. Diemžēl privātmājas elektroapgādes sistēmai izveidot pietiekamas jaudas akumulatoru bloku ir ļoti dārgi. Tāpēc pieslēguma shēma izskatās šādi.

Samazinoties elektriskās strāvas jaudai no saules baterijas, AVR bloks (automātiskā rezerves ieslēgšana) nodrošina patērētāju pieslēgšanu kopējam elektrotīklam.

No saules paneļiem lādiņš nonāk lādēšanas kontrolierī, kas veic vairākas funkcijas: nodrošina pastāvīgu akumulatoru uzlādi un stabilizē spriegumu. Tālāk elektriskā strāva nonāk invertorā, kur notiek līdzstrāvas 12V vai 24V pārveidošana maiņstrāvā 220V.

Diemžēl mūsu elektrotīkli nav pielāgoti enerģijas saņemšanai, tie var darboties tikai vienā virzienā no avota līdz patērētājam. Šī iemesla dēļ jūs nevarēsiet pārdot saražoto elektroenerģiju vai vismaz likt skaitītājam griezties pretējā virzienā.

Saules bateriju izmantošana ir izdevīga ar to, ka tās nodrošina universālāku enerģijas veidu, bet tajā pašā laikā tās nevar salīdzināties efektivitātes ziņā ar saules kolektoriem. Tomēr pēdējiem nav iespējas uzkrāt enerģiju atšķirībā no saules fotoelektriskajām baterijām.

Nepieciešamās jaudas aprēķina piemērs

Aprēķinot nepieciešamo saules kolektora jaudu, ļoti bieži kļūdaini tiek veikti aprēķini, balstoties uz saules enerģijas ieplūdi aukstākajos gada mēnešos.

Problēma ir tā, ka pārējos gada mēnešos visa sistēma pastāvīgi pārkarsīs. Vasarā siltumnesēja temperatūra saules kolektora izejā var sasniegt 200°C, sildot tvaiku vai gāzi, 120°C antifrīzu, 150°C ūdeni. Ja siltumnesējs uzvārās, tas daļēji iztvaiko. Rezultātā tas būs jāmaina.

Ražotāji iesaka vadīties no šādiem skaitļiem:

• karstā ūdens apgādes nodrošinājums ne vairāk kā 70%;
• apkures sistēmas nodrošinājums ne vairāk kā 30%.

Pārējo nepieciešamo siltumu jāražo standarta apkures iekārtām. Tomēr ar šādiem rādītājiem gadā vidēji tiek ietaupīti apmēram 40% uz apkuri un karstā ūdens apgādi.

Vienas vakuuma sistēmas caurules saražotā jauda ir atkarīga no ģeogrāfiskās atrašanās vietas. Saules enerģijas rādītāju, kas gadā krīt uz 1 m² zemes, sauc par insolāciju.

Zinot caurules garumu un diametru, var aprēķināt apertūru – efektīvo absorbcijas laukumu. Atliek piemērot absorbcijas un emisijas koeficientus, lai aprēķinātu vienas caurules jaudu gadā.

Aprēķina piemērs:

Standarta caurules garums ir 1800 mm, efektīvais – 1600 mm. Diametrs 58 mm. Apertūra – caurules radītais noēnotais laukums. Tātad ēnas taisnstūra laukums būs:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Vidējās caurules lietderības koeficients ir 80%, saules insolācija Maskavai ir aptuveni 1170 kWh/m² gadā. Tātad viena caurule gadā saražos:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Jāatzīmē, ka šis ir ļoti aptuvens aprēķins. Saražotās enerģijas daudzums ir atkarīgs no iekārtas orientācijas, leņķa, vidējās gada temperatūras utt.

Ar visiem alternatīvo enerģijas avotu veidiem un to izmantošanas veidiem Jūs varat iepazīties piedāvātajā rakstā.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Video #1. Saules kolektora darbības demonstrācija ziemas laikā:

Video #2. Dažādu saules kolektoru modeļu salīdzinājums:

Visā savas pastāvēšanas laikā cilvēce katru gadu patērē arvien vairāk enerģijas. Mēģinājumi izmantot bezmaksas saules starojumu tika veikti jau sen, bet tikai pēdējā laikā ir kļuvis iespējams efektīvi izmantot sauli mūsu platuma grādos. Neapšaubāmi, nākotne pieder heliosistēmām.

Vai vēlaties pastāstīt par interesantām iezīmēm saules apkures organizēšanā lauku mājai vai vasarnīcai? Lūdzu, rakstiet komentārus zemāk esošajā blokā. Šeit varat arī uzdot jautājumu, atstāt foto ar sistēmas montāžas procesa demonstrāciju, dalīties ar noderīgu informāciju.