Как работают солнечные коллекторы различных видов. Солнечный коллектор: открытый, вакуумный, плоский

О том, сколько дармового тепла нам могут дать летние потоки солнечного света, зачастую приходит в голову летом, в период неистовой жары и раскаленных на солнце асфальта и стен. В ясную летнюю погоду на квадратный метр может падать от 600 до 800вт/ч. Это немало. Если перемножить на площадь залитого солнцем подворья или крыши, с помощью солнечного коллектора можно собрать энергию, сопоставимую по величине с потребностями на отопление дома.

Назначение солнечных коллекторов

Солнечные тепловые коллекторы дают возможность собрать энергию и направить полученное тепло в нужное русло:

• Обеспечение горячей водой для душа, ванной и кухни;
• Обогрев помещений небольшой закрытой теплицы или сада любой конструкции практически круглый год;
• Значительная добавка в контур отопления дома в морозы и почти полное обеспечение в прохладные осенние дни.

На заметку ! Среди конструкций солнечных коллекторов потребителям предлагают практически идентичные конструкции с красивыми названиями - вакуумные коллекторы и плоские солнечные коллекторы. Первые от вторых отличаются высокой ценой, более высокотехнологичной конструкцией и дороговизной ремонта. Прежде чем покупать солнечный коллектор, узнайте в Сети основные проблемы, с которыми сталкиваются пользователи тех или иных конструкций, и оцените предполагаемые затраты.

Коллектор предназначен для сбора солнечной энергии в наиболее удобном для использования виде. Условно по устройству солнечного коллектора их конструкции можно разделить на три основные группы:

1. Вакуумные многотрубные или плоские с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя. Чаще всего это стационарные конструкции, рассчитанные на сезонную работу.
2. Воздушные солнечные коллекторы, самые простые и легкие. Накопленное тепло снимается с нагреваемой поверхности коллектора потоком воздуха.
3. В третьем варианте конструкций солнечных коллекторов полученное тепло может использоваться для преобразования его в электроэнергию, начиная от термохолодильных установок, заканчивая сложными машинами с пароэлектрическими устройствами.

Последняя группа изделий редко находит спрос среди населения из-за высокой стоимости и сложности обслуживания.

Как работает полнопроточный солнечный коллектор

Самой простой разновидностью плоской конструкции солнечного коллектора является полнопроточный вариант с двухслойным поглотителем тепла. Само устройство по принципу работы схоже с дачным вариантом летнего душа, основу которого составляет бочка, обработанная по наружной поверхности битумной мастикой или черной краской.

Для увеличения количества собранной солнечной энергии конструкция солнечного коллектора выполняется в виде плоской емкости относительно небольшой толщины, в 5-7см, ширина и длина устройства зависит от конкретных потребностей в мощности коллектора. Одна из стенок выполнена из анодированного алюминия и окрашена в черный, как сажа, цвет, без единого блеска. Это так называемая приемная, или рабочая поверхность коллектора. С внутренней стороны рабочей части коллектора зачастую выполняются тонкие ребра из алюминия или пластика, улучшающие теплоотвод энергии от стенки рабочей поверхности к теплоносителю — воде или тосолу.

Для уменьшения загрязнения и потерь на рабочую поверхность устанавливаются тонкая прозрачная пленка или лист пластика или стекла, обладающие хорошими теплоизоляционными показателями. С внутренней стороны такая защита напыляется зеркальным слоем алюминия, что позволяет в итоге уменьшить потери тепла за счет отражения и конвекции.

Конструкция плоского солнечного коллектора может иметь вместо обычного алюминиевого листа стенку-сэндвич из порошкового графита, металлических волокон и армирующей смолы. У такого материала хорошая теплопроводность и высокая стойкость к окислению.

Такие конструкции в обязательном порядке монтируются на усиленном каркасе, обычно на солнечной стороне крыши или стене дома.

Вакуумные системы нагрева

При всей своей простоте, надежности и дешевизне плоские солнечные накопители обладают относительно неплохой продуктивностью тепла только в солнечный день. Для более высоких широт или ранней весной - поздней осенью теплопроизводительность его падает наполовину.

Более высокой эффективностью в сравнении с плоскими солнечными коллекторами обладают вакуумные системы. В основу конструкции заложен индивидуальный тепловой элемент — вакуумная трубка, принцип работы такого солнечного коллектора основывается на известном в физике устройстве - тепловой трубке, достаточно сложной и капризной, но эффективной в работе. Особенностью конструкции является сверхвысокая теплопроводность, благодаря которой все тепло, попавшее на один конец трубки, в считанные мгновения собирается и концентрируется на противоположном конце.

Вакуумный элемент представляет собой вытянутую колбу-трубку из прочного стекла, с внутренней стороны которого напылено зеркальное покрытие. Благодаря одностороннему зеркалу, солнечный поток энергии свободно проникает вовнутрь колбы и не может вырваться обратно, эффективно поглощается медным концом тепловой трубки, помещенной внутри корпуса колбы. Для уменьшения потерь воздух из стеклянной колбы откачан. Полученную от светового потока энергию центральный медный элемент передает в поток теплоносителя, обычно тосола, или напрямую в бак с водой.

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов

Преимущества в преобразовании солнечной энергии в варианте с тепловой трубой:

1. Эффективность поглощения и преобразования солнечного тепла в 3-4 раза выше плоских и воздушных коллекторов;
2. Отлично работает в диапазоне температур 0-50 о С, тогда как остальные виды солнечных коллекторов, по отзывам пользователей, имеют рабочий интервал от 20 о С;
3. Наименьшая чувствительность к направлению и углу падения солнечного света. Для нормальной работы солнечного коллектора достаточно быть освещенным солнцем даже под острым углом падения солнечных лучей, у остальных конструкций солнечных коллекторов при выходе за оптимальный угол освещения более чем на 20 о эффективность падает на 10% в час.
4. Малый вес конструкции солнечного накопителя позволяет установить его непосредственно на крыше, даже без специальной несущей опоры.

Важно ! Стекло колбы в теории выдерживает даже град диаметром 2-2,5см, прекрасно переносит многоцикловые нагревы-охлаждения, стойко к любым воздействиям окружающей среды и солнечного света. Но для удаления пыли с поверхности стекла мойку лучше проводить в вечернее время с помощью теплой чистой воды.

При планировании приобретения стоит принимать ориентировочный расчет площади солнечного коллектора, исходя из соотношения: квадратный метр даст в сутки примерно 50-55литров горячей воды, но не кипятка. Более точную информацию можно узнать на сайтах компаний, занимающихся производством солнечных коллекторов. Там же можно получить сведения о стоимости изделий. Каждая фирма доказывает сверхэффективность и дешевизну своей продукции. Вакуумный прибор из 15 элементов обойдется примерно в 15-20тыс. рублей на мощность подогрева в 1,3-1,5кВт и накопительного бака 80-100литров.

К интересным особенностям подобных систем солнечных коллекторов можно отнести возможность проверки работоспособности каждой вакуумной колбы самостоятельно, без каких-либо специальных инструментов. Достаточно вечером, в неработающем состоянии, приложить ладонь к нижнему торцу трубы. Если элемент будет длительное время оставаться холодным, и в области запайки колбы не будет иней-подобного налета, — устройство считается исправным.

Горячая вода из бака может подаваться самотеком, но чаще всего устанавливают маломощный подкачивающий насос, позволяющий быстро заполнять резервуар после израсходования горячей воды. В более серьезных вариантах конструкции солнечный коллектор объединяют с теплоаккумулятором и электронной системой контроля и управления горячим водоснабжением и отоплением. Стоимость таких систем уже не менее 1000EUR. Гарантия на системы с тепловыми трубками, как правило, составляет от 5 до 25 лет, в зависимости от уровня качества материалов, применяемых в устройстве.

Воздушные коллекторы

Чем сложнее конструкция, тем она дороже в эксплуатации, и больше вероятность непредвиденной поломки. В этом вопросе конструкции коллекторов с воздушным переносом тепла являются чемпионами в простоте и надежности. По сути, воздушный коллектор - это набор вертикальных каналов или труб с матовым черным покрытием. В работе коллектора используется принцип разгона нагреваемого воздуха в вертикальной трубе.

К преимуществам и достоинствам воздушной конструкции стоит отнести:

• Самую высокую надежность и простоту конструкции;
• Маленькую массу устройства, гибкость настройки и простоту монтажа;
• Минимальный расход электроэнергии на работу вентилятора, в некоторых случая вентилятор может отключаться, и обогрев осуществляется самотёком.

Конструкция коллектора состоит из большого числа тонкостенных алюминиевых труб с зачерненной матовой поверхностью. Батарея труб имеет центральный подводящий холодный и отводящий горячий воздуховоды, в холодном устанавливается центробежный вентилятор нулевого сопротивления. В случае необходимости он может быть отключен и в таком состоянии практически не создавать сопротивление движущемуся потоку воздуха.

В устройстве есть воздухозаборник, позволяющий регулировать количество и соотношение воздуха, забираемого извне, и из отапливаемого помещения.

В теплопроизводительности воздушные коллекторы практически не уступают плоским системам, требуют вертикального расположения труб и максимальной освещенности солнцем. Мощность легко регулировать подбором количества труб теплообменника. Зачастую воздушные солнечные коллекторы являются незаменимыми в отоплении и вентиляции разнообразных складских помещений, применяются для сушки разнообразной овощной и фруктовой продукции.

Принцип работы солнечного коллектора, виды, особенности

Наша звезда по имени Солнце каждый даёт нам бесплатно неограниченное количество энергии. Причём эта энергия практически неисчерпаема. Поэтому всё больше разработок мы видим в области солнечной энергетики. В развитых странах постоянно работают над тем, как поднять эффективность устройств, преобразующих солнечный свет в энергию. Это может быть электрическая энергия или тепловая. О сборе тепловой энергии мы сегодня и будем говорить. Ведь сколько тепла на халяву можно собрать из солнечного света в летнее время. А при наличии соответствующего оборудования, и в зимний период также. В ясную погоду Солнце «одаривает» каждый квадратный метр энергией 500─800 ватт/час. То есть, солнечный коллектор компактных размеров вполне может обеспечить отопление частного дома или его горячее водоснабжение. Солнечный коллектор представляет собой систему сбора солнечного тепла, в которой теплоносителем может быть воздух, вода, антифриз и т. п. В этой статье мы рассмотрим эти виды, поговорим об их эффективность и принцип работы.

Как могут использоваться тепловые коллекторы в хозяйственной деятельности? Собранное ими тепло можно пустить на:

• Горячее водоснабжение ванной комнаты, душа, кухни;
• Система обогрева сада, теплицы и других подобных конструкций практически круглый год;
• Вспомогательный источник нагрева воды для отопительной системы осень и зимой.

Коллекторных установок по сбору солнечного тепла много. Попробуем выделить основные группы.

• Плоские или вакуумные системы. Могут иметь естественную, но чаще всего принудительную циркуляцию теплоносителя. Обычно это стационарные установки, некоторые из которых работают в летний сезон, а другие круглый год;
• Воздушные коллекторы. Тепло собирается с абсорбера при помощи воздушного потока. Циркуляция также может быть естественной или принудительной. Этот тип установок проще и дешевле остальных, но имеют самый низкий КПД;
• Третья группа систем может использовать тепло для преобразования его в электричество (пароэлектрические и термохолодильные установки). Цена на эти устройства большая и они мало распространены в частном секторе.

Принцип работы солнечных коллекторов

Принцип работы солнечного коллектора заключается в сборе тепла и передаче его теплоносителю, циркулирующему в нём. Коллектор является ключевым элементом гелиосистем. Так сказать, их сердцем. Но помимо него туда входит ещё немало компонентов, о которых будет сказано ниже. Самый распространённый вариант коллектора – это плоский. Он имеет в своём составе абсорбер, поглощающий солнечное излучение и преобразующий его в тепло. Чтобы минимизировать потери тепла, абсорбер расположен в ящик с прозрачной передней стенкой и теплоизоляцией.

Через абсорбер прогоняется или идёт самотёком теплоноситель. В этой роли используют воду, антифриз или их смесь. Циркуляция поддерживается между коллектором и накопительной ёмкостью с горячей водой. Гелиосистема управляется посредством специального регулятора. Это своеобразный контроллер солнечного коллектора. Этот регулятор отслеживает, когда жидкость в резервуаре доходит до заданной температуры. После этого включается насос и начинается циркуляция теплоносителя. В большинстве случаев абсорберы делают из змеевика и массивного металлического листа. Как правило, для этого используют медь и алюминий.

Теплоноситель проходит по змеевику и идёт процесс теплообмена. Есть исполнения в виде двух сваренных листов металла, между которыми проходит жидкость-теплоноситель. Для изготовления коллекторов, нагревающих воду для бассейна, часто используют пластиковые трубы в качестве змеевика. Соответственно, и нагрев теплоносителя здесь происходит значительно меньше.

Теперь стоит поговорить о том, что включают в себя подобные гелиосистемы. В состав коллекторной установки входят следующие компоненты:

• Коллектор;
• Расширительный бак;
• Температурные датчики (в коллекторе, накопителе, для подогрева воды и т. п.);
• Система подключения для подключения холодному водоснабжению;
• Регулятор;
• Система стока горячей воды;
• Насос.

Используя стандартные решения для отопления дома, можно постоянно получать в своё распоряжение необходимый объём горячей воды. Если используется солнечный коллектор, то в какой-то момент его мощности хватает для нагрева необходимого количества воды, а в следующий момент он простаивает или его выработка значительно снижена.

Поэтому чаще всего солнечные коллекторы, как правило, интегрируются в систему отопления с котлами на традиционных источниках энергии. С их интеграцией проблем не возникает, поскольку коллекторные системы могут быть легко установлены на здании. Пока ещё гелиотехнологии недостаточно развиты для того, чтобы эффективно работать без обычных электрических или газовых котлов.

Виды

Давайте рассмотрим основные конструкции солнечных коллекторов.

Воздушные

Как понятно из названия, теплоносителем в таких коллекторах является воздух. Такие конструкции очень просты, надёжны и обходятся недорого. Очень часто их делают своими руками без особых проблем. Абсорбер в таких коллекторах представляет собой батарею вертикальных трубок (каналов), которые выкрашены в чёрный матовый цвет. В основе функционирования такой системы лежит прогон воздуха по этим трубам для его нагрева.

Среди плюсов воздушного коллектора можно отметить:

• Простота и высокая надёжность;
• Простой монтаж, дешевизна;
• Расход электричества минимален (на вентилятор) или его нет (когда воздух идёт самотёком).

Конструкция этой системы обычно делается из алюминиевых трубок с тонкой стенкой. Часто в сети можно встретить примеры, где работает солнечный коллектор из пивных банок. При этом поверхность этих банок окрашена в чёрный матовый цвет. В этой батарее есть воздуховоды для подачи холодного и отвода нагретого воздуха. В холодном подводе ставится вентилятор с, так называемым, нулевым сопротивлением. При необходимости он отключается, и воздух идёт самотёком. А этот вентилятор должен создавать для него как можно меньшее сопротивление. Воздухозаборник позволяет изменять количество воздуха, который забирается из помещения, а также извне.

По производительности и эффективности воздушные коллекторы несколько уступают плоским жидкостным установкам. Они могут хорошо нагреть помещение, только при максимальной освещённости солнечным светом. Мощность таких систем регулируется в зависимости от числа труб в абсорбере. Очень часто подобные установки применяют в системах отопления и сушки хозяйственных, складских помещений, хранятся овощи и фрукты.

Жидкостные

В этой группе рассмотрим коллекторные системы с жидким теплоносителем.

Плоские

Плоский солнечный коллектор имеет в своём составе абсорбер, корпус и теплоизоляцией и прозрачным покрытием с одной стороны. В роли прозрачного покрытия может использоваться стекло, поликарбонат. В самодельных установках иногда можно встретить прозрачный пластик или полиэтилен. Лучше всего использовать стекло, которое хорошо пропускает коротковолновые солнечные лучи. Кроме того, у обычного прозрачного стекла без напыления небольшое отражение лучей от поверхности.

Помимо пропускания света, прозрачное стекло или другой материал должны защищать абсорбер от воздействия окружающей среды. При фабричном производстве корпусов используется алюминий или оцинкованная сталь. В последнее время встречаются установки, в которых корпус выполнен из синтетических материалов.

Теплоизоляция корпуса делается внутри с оборотной стороны и по бокам. Это позволяет значительно понизить потери тепла. В качестве изоляционного материала может быть использован полиуретан или минеральная вата. А также часто используют стекловолокно, стеклопластик, стекловату прочие подобные материалы.

Плоские коллекторные установки привлекают отличным соотношением цены и производительности. Стоит также отметить различные способы их монтажа. Они ставятся на крыше, на стене здания. Могут быть и отдельно стоящие установки. Чтобы снизить потери от конвекции в корпусе коллектора, производители использует разные методы. Один из таких методов предполагает откачку воздуха в помещение.

Вакуумные

Плоские коллекторы выгодны по цене, привлекают простотой и надёжностью, но эффективно работают только в солнечный день. Кроме того, они становятся бесполезными зимой. Даже осенью и весной эффективность таких систем сильно падает. Если вы хотите использовать коллектор в северных широтах в любое время года, придётся покупать вакуумный аппарат.

Вакуумные коллекторы (часто их ещё называют трубчатыми) обладают высокой эффективностью. Сердцем системы являются вакуумные трубки. Принцип действия – это известная из физики тепловая трубка. Такая конструкция обладает высокой теплопроводностью. Тепло на одном конце трубки собирается и передаётся на противоположный конец.

Один элемент такого коллектора является своеобразной колбой из стекла высокой прочности. Внутри оно имеет зеркальное напыление. Поскольку зеркало одностороннее, то лучи солнца попадают внутрь колбы и не выходят обратно. В результате медная тепловая трубка поглощает максимальное количество солнечной энергии. А чтобы тепло не терялось в окружающую среду, трубка помещена в другую трубку, а между ними создан вакуум. Тепловую энергия, получаемую от солнца, медная трубка передаёт теплоносителю (тосол, масло) внутри себя самой. Он, в свою очередь, передаёт тепло воде во внешнем контуре. Это называется схема косвенного нагрева. И также тепло трубка может отдавать напрямую воде, циркулирующей в системе. Это схема прямого нагрева.

В чём заключаются плюсы вакуумных коллекторов?

• В три─четыре раза более эффективны, чем плоские модели;
• Работают даже в зимнее время года;
• Имеют небольшую чувствительность к углу падения света от солнца. Даже при острых углах падения эти системы функционируют нормально;
• Конструкция весит немного и может быть установлена прямо на крыше дома без создания несущих конструкций.

Стоит отметить, что запас прочности стекла позволяет выдержать удары градин до 2 сантиметров в диаметре. Кроме того, оно выдерживает многократные циклы нагрев-охлаждение. Периодически нужно очищать поверхность трубок. Это делается мойкой тёплой водой, лучше в вечернее время. Многие спрашивают, а как рассчитать площадь солнечного коллектора для нагрева определённого объёма воды. Можно сказать, что коллектор площадью один квадратный метр даёт в сутки около 60 литров воды температурой 60─70 градусов.

Хотя эти данные могут значительно отличаться для продукции различных производителей. Полезным можно назвать такую возможность, как самостоятельную проверку вакуумных трубок. Их работоспособность можно оценить без специального инструмента. Для этого к нижнему торцу трубки неработающей системы нужно приложить ладонь. Трубка считается нормальной, если место прикосновения долго остаётся холодным и не появляется никакого налёта в области прикосновения.

Вода из накопительной ёмкости может подаваться, как самотёком, так и с помощью насоса небольшой мощности. С последним резервуар заполняется значительно быстрее. Есть довольно сложные конструкции, где солнечный коллектор соединяется тепловым накопителем, системой отопления, горячего водоснабжения и электроникой для управления. Стоимость подобных систем может доходить до нескольких тысяч евро. Производители заявляют, что срок службы устройств составляет до 25─30 лет.

Каждый день солнце поставляет человеку неограниченный энергетический потенциал. При этом он будет доступен для человечества еще на протяжении многих лет. Это толкает человека придумывать и воплощать в реальность новые устройства, способные трансформировать солнечное излучение в полезную для человека энергию. Последняя может и электрическую лампочку питать, а может обогревать помещение.

Примером устройства, которое способно превращать солнечную энергию в тепло, является солнечный коллектор – отзывы о нем доказывают эффективность системы. После того, как энергия, полученная от солнца, превращается в тепловую энергию, она передается теплоносителю. Все это делает возможным использование солнца для обогрева помещения, подогрева воды, а также подогрева бассейнов и прочих конструкций.

Нагрев воды и солнце

Для того чтобы солнце могло нагреть воду, имеются некоторые предпосылки. В течение года расход остается практически на одном и том же уровне. Поэтому именно энергию солнца эффективнее всего использовать в качестве источника энергии для нагрева воды. Если установить солнечные коллекторы правильно, то они способны поднимать температуру воды процентов на 50, а то и 65. Если же заводить речь о летних месяцах, тогда показатели подогрева могут достигать 100 процентов.

Это все говорит о том, что традиционные системы, которые используют электричество или газ, можно будет вовсе не включать. Это, естественно, будет плюсом, ведь в летние месяцы обогрев помещений не нужен, а посему традиционные системы будут иметь низкий КПД. Это еще одно доказательство эффективности использования солнечных коллекторов. Кроме всего прочего, от такой системы может питаться посудомоечная машина, работающая на теплой воде.

Современные солнечные водонагревательные установки отличаются своей простотой и технологическим новшеством, которые позволяют жить комфортно, не принося вред окружающей среде.

Принцип работы термических солнечных установок

В качестве сердца термических солнечных установок выступает коллектор. Наиболее распространена его плоская форма. Состоит коллектор из покрытого избирательного абсорбера, который в свою очередь поглощает солнечные лучи, трансформируя их в тепловую энергию. Для того чтобы свести к минимуму термические потери, такой коллектор помещается в термоизолированный ящик с прозрачными стенками.

Теплоноситель, роль которого в основном выполняет смесь воды и антифриза, протекает через абсорбер. Циркуляция производится между резервуаром с горячей водой и коллектором. Запуск в действие термической солнечной установки производится посредством специального регулятора. Когда в коллекторе температура превышает температуру жидкости в резервуаре, включается насос, и теплоноситель переносит тепловую энергию в резервуар из коллектора.

Чаще всего абсорберы создают из большого количества металлических пластинок. Теплоноситель передается по трубкам к этим пластинкам, где и происходит процесс теплообмена. Если заводить речь о листовом абсорбере, то здесь два металлических листа сваривают между собой таким образом, чтобы между ними мог циркулировать теплоноситель. Обычно в таком случае в качестве исходного материала используют алюминий и медь.

Если нужны солнечные коллекторы для бассейнов, то применяют искусственные материалы, ведь параметры термостойкости здесь несколько ниже. Существуют и комбинированные аппараты, которые не нуждаются в циркуляционных насосах. В таком случае вода нагревается прямо в коллекторе.

Из чего состоит солнечная установка

Вообще конструкция солнечной установки, используемой для нагрева воды, является достаточно сложной. Сюда входят:

• датчики температуры в накопителе и коллекторе;
• подключение системы к холодной воде;
• расширительный бак;
• солнечный регулятор;
• циркуляционный насос;
• водосток горячих вод;
• датчики температуры для подогрева воды.

Обыкновенное отопление способно таким образом обеспечить первичную цель, что человек получит в свое распоряжение достаточные объемы горячей воды. Что касается солнечных установок, то они либо вовсе не производят никакой полезной энергии, либо ее количество недостаточное для удовлетворения потребностей. Но такую установку, работающую от солнца, без проблем можно интегрировать в техническое оснащение практически любого здания. Это позволит дополнить традиционную систему отопления резервным источником как минимум на 20 лет.

С точки зрения биологии оптимальными принято считать технологии, в которых комбинировано потребление современных котлов и солнечной энергии. Период энергетической амортизации в таком случае, будет составлять около двух лет.

Это существенно отличает такую технологию от традиционных методов отопления, в которой для работы всей системы нужно запитать ее определенным количеством энергии. При этом, если говорить о традиционном отоплении, то период амортизации можно и не ждать, поскольку он не наступит никогда.

Эффективные абсорберы

Абсорберы в основном делают черного цвета, ведь именно данный цвет располагает самым большим коэффициентом поглощения солнечных лучей. Последний показатель отображает, какое количество коротковолновых лучей абсорбер поглощает, а какое отражает. Поскольку при этом устройство нагревается, то это является признаком отдачи абсорбером в виде длинноволновых лучей большой части принятой энергии. Все данные об этом можно найти в коэффициенте излучения.

Для минимизации потерь тепловой энергии используют абсорберы, конструкция которых имеет органическое покрытие. Такое оборудование позволяет получить наибольшее количество энергии из лучей солнца, после чего трансформировать его в тепло. Вдобавок в процессе работы сокращается эмиссия теплового излучения. Как правило, у обычного покрытия коэффициент абсорбции составляет 90 процентов.

В процессе производства абсорберы покрывают специальным лаком, который наносится не на всю поверхность из-за высокого уровня эмиссии. Элементы, выполненные из оксида алюминия, окрашенного никелем, черного никеля или хрома, указывают на частичное покрытие. Достаточно новым принято считать технологию с использованием слоя, состоящего из титана-оксида-нитрида, напыляемого в вакуумном коллекторе. Данный слой позволяет не только сократить уровень эмиссии, а в некоторых случаях вовсе ее ликвидировать.

Плоские коллекторы

Конструкция плоского коллектора предполагает наличие абсорбера, корпуса, прозрачного покрытия и теплоизоляции. Для прозрачного покрытия чаще всего используют безосколочное стекло, обладающее высоким коэффициентом пропуска коротковолновых солнечных лучей. Одновременно с этим снижается отражение с поверхности стеклянного слоя. Ко всему прозрачное покрытие коллектора способствует отводу тепла через процесс конвекцию.

Таким образом, прозрачное покрытие вместе с корпусом способно защитить абсорбер от неблагоприятных погодных и природных условий. Достаточно часто в производстве корпусов применяют оцинкованную сталь или алюминий, а в некоторых случаях – даже синтетические материалы. За счет наличия на обратной стороне и стенках абсорбера теплоизоляционного слоя существенно сокращаются потери тепла. В основном роль изоляционного материала играет минеральная вата или пена из полиуретана, изредка можно встретить минеральное волокно, куда относят стеклопластик, стекловату, стекловолокно и т.д.

Плоские солнечные коллекторы для отопления дома всегда отличались прекрасными показателями соотношения мощности и цены. Кроме этого, они предлагают большой выбор способа установки, ведь можно заказать себе отдельно стоящие коллекторы, можно встроенные в крышу, а можно и расположенные над кровлей.

Для сокращения потерь от процесса конвекции внутри корпуса коллектора используется множество способов, один из которых предполагает откачку теплого воздуха из коллектора в помещение. Такой коллектор называется вакуумным, и особенностью его является то, что процедуру вакуумирования он должен проходить регулярно каждые 1-3 года.

Трубные вакуумные коллекторы

Данный вид вакуумных коллекторов предполагает расположение полос абсорбера в стеклянных вакуумных ударопрочных трубках. Теплоноситель в таком случае проходит через абсорбер по принципу труба в трубе, или же по трубе U-образной формы. В таком случае солнечный коллектор будет состоять из множества небольших труб, соединенных между собой в единую систему. В таком коллекторе жидкость начинает испаряться при достаточно низких температурах, когда она находится в тепловой трубе.

В процессе нагрева жидкость испаряется. Получившийся пар, поднимаясь по тепловым трубам, подает в сборную трубу через теплообменник большое количество тепла, в результате, теплоноситель стекает вниз. Та жидкость, которая образовалась в результате конденсата, обратно попадает в тепловую трубу. Чтобы происходило испарение и конденсация, трубки должны располагаться под небольшим углом.

Различают два вида соединения коллектора с солнечным циклом. Либо процесс протекает в теплообменнике, к которому подходят все трубы, либо все сосредотачивается в сборной трубе. В первом случае соединение называют сырым, а в последнем – сухим. Сухое соединение дает возможность осуществления процесса только в части труб, не используя на полную мощность солнечный цикл. Преимуществом такого вакуумного коллектора считается возможность работы системы с высоким коэффициентом полезного действия, низким излучением и при высоких температурах абсорбера.

Как насчет цены и выбора?

Достаточно часто недостатком использования подобных систем принято считать низкий уровень рентабельности, или полное ее отсутствие. Это же является причиной отказа от использования в процессе жизнедеятельности человека возобновляемого источника энергии. Но ведь и работа котла, технология которого была разработана в 70-е годы прошлого века, подвергается некоторым сомнениям со стороны экономической выгоды.

Кроме всего прочего, нужно помнить большущий вклад солнечных установок в состояние окружающей среды всей планеты. Приемлемая стоимость использования традиционных источников энергии только скрывает реальную картину. В цену такого оборудования также можно вносить отсутствие вреда для человека и окружающей среды. А вдобавок, традиционная энергия со временем будет дорожать, поскольку она располагает таким свойством, как исчерпаемость .

Что касается солнечной энергии, то ее поставки происходят абсолютно бесплатно. Но человек при первом знакомстве с данными технологиями может посчитать, что первичные затраты на установку такого оборудования могут быть чрезмерно высокими. После установки все, что нужно будет от потребителя, – это мизерные затраты на работу и обслуживание насоса.

Можно с уверенностью говорить, что люди, вкладывающие сегодня свои средства в солнечные установки, являются инвесторами в будущее.

Для правильного выбора коллектора главное – ориентироваться на температурную зону. Таким образом, для производства тепла не подойдет незакрытый коллектор. Иногда важно и расположение здания, что существенно будет сказываться на выборе типа коллектора. Наверное, самым важным фактором является стоимость установок.

Цена является наиболее высокой среди представленных на рынке. После вакуумного следует плоский, цена которого ниже предыдущего типа в три раза. Поэтому каждый выбирает для себя что-то наиболее подходящее. Даже с хорошим коллектором система может работать неэффективно. Главным критерием является качество всех составных частей системы и правильный ее монтаж.

О чем говорят отзывы

«Год назад приобрел себе такое оборудование с монтажом у хорошей компании. Результатами вполне удовлетворен. Заплатить, правда, пришлось немалую сумму, зато горд за сохранение окружающей среды».

«Поскольку средств на установку подобной системы не было, было принято решение сделать все своими руками. Результатами вполне доволен. По сравнению с услугами профессиональной компании расходы были ниже как минимум в два раза».

Любой солнечный коллектор - это особый вид климатической техники. Она используется для производства горячей воды, чтобы в дальнейшем использовать её для различных нужд. Возможность внедрения возобновляемых бесплатных источников энергии в производственный цикл становится главным отличием коллекторов от другой подобной техники. Принцип изменения плотности воды во время её нагрева - вот на чём основана работа таких устройств. Это означает, что осуществляется движение воды наверх, для дальнейшего подогрева выталкиваются более холодные участки воды. Так что нет необходимости использовать какое-либо дополнительное насосное оборудование.

Как работает коллектор в системе отопления

Чаще всего гелиосистемы используют для своей работы обычную воду, а так же антифриз . Если по сравнению с коллектором температура воды в нижней части ниже, включается обогрев. Вода перемещается по системе благодаря встроенному насосу. Нагрев воды в накопителе происходит через теплообменник , обычно коллекторы нагреваются только до определённой температуры.

При необходимости направление воды в системе меняется благодаря смесителю. Таким образом, остывающая и тёплая вода время от времени сменяют друг друга. За счёт расширения тёплой воды происходит замена жидкости в системах с естественной циркуляцией . При нагреве тёплая вода поднимается вверх, холодная выталкивается в нагревательный бак.

Обязательно наличие теплоизоляционного слоя толщиной как минимум 25−30 сантиметров , иначе система не сможет работать стабильно. Что касается резервуара, то лучше всего использовать прямоугольную форму. При соблюдении этого условия вода будет равномерно распределяться по всем имеющимся участкам. Так что работа системы в целом станет более полноценной.

Отопление домов солнечными коллекторами

Затраты на обогрев частного дома могут снизиться до 50−90 процентов , если правильно смонтировать солнечные коллекторы. Весна-осень - период, когда обогрев происходит особенно активно, хотя в принципе система работает в любое время года.

Главные параметры, которые нужно рассчитывать при выборе коллектора:

• площадь гелиосистемы
• количество тепловой энергии

Если система будет использоваться в зимний период, то и расчёты проводятся соответственно. Ведь в зимние морозы требуется гораздо больше энергии и затрат для того, чтобы помещение было комфортным для проживания.

Достаточно часто солнечные коллекторы выступают лишь дополнительными источниками тепла. Автономное использование гелиосистемами тоже возможно, если теплоизоляция дома выполнена правильно.

Естественная циркуляция воды за счёт конвекционных потоков - лишь один из принципов, по которому может быть организована гелиосистема. Из-за пассивной циркуляции воды этот вариант менее эффективен, чем все остальные. Бак обязательно примыкает к коллектору, но в то же время находится выше него.

Дополнительные электрические циркуляционные насосы используются в системах с принудительной циркуляцией. В данном случае сами коллекторы становятся более эффективными, поскольку более эффективно используется вода . Но к обслуживанию такие устройства более требовательны, всё зависит от электрической энергии, за счёт которой всё работает.

Подключение коллекторов к системе отопления

От того, какой тип циркуляции используется в той или иной системе, зависит то, как будет производиться подключение к отопительной системе. Подключение к системе с естественной циркуляцией - один из самых простых способов. Здесь главным принципом становится только нагрев воды в системе отопления.

Выше уровня коллектора подключается накопительный бак . Верхний вывод, таким образом, должен подключаться ко входу горячей воды в систему отопления, а нижний к обратке. На входе в солнечный коллектор для отопления в таком случае могут возникнуть воздушные пробки. Потому такие системы стоят дешевле, чем вариант с использованием насосов.

С использованием автоматики можно подключить солнечный коллектор к системе с принудительной циркуляцией. Эти системы обладают своими особенностями :

1. Контроллер управляет насосом на основе показаний специальных датчиков.
2. Когда по этим датчикам температура достигает заданного значения, обогрев прекращается
3. Бак-накопитель, обратка и выход коллектора - места, где обязательно устанавливаются такие датчики
4. Вместе с такой системой лучше использовать дополнительные источники тепла. Например, твердотопливные или газовые котлы.

На степень нагрева воды в системе в таких случаях влияет местоположение коллектора по отношению к солнцу, а так же уровень его наклона. Лучше с самого начала устанавливать коллекторы так, чтобы под прямыми солнечными лучами они находились большую часть дня. Объём бака в морозный период лучше выбирать около 40 см³ , если не планируется подключать дополнительные источники тепла. Иначе в пасмурные дни система будет работать не совсем эффективно.

Довольно сложно рассчитать количество квадратных метров, которые необходимы для той или иной системы коллекторов. Здесь важны не только наклон крыши и сторона, значение приобретают уровень солнечной радиации в данном регионе, объём накопителя. Потому все расчёты лучше доверить квалифицированным специалистам.

Сейчас производством солнечных коллекторов занимаются разные производители. Выбирая ту или иную марку, надо обязательно обратить внимание на её производительность. В перерасчёте на м2 у каждой торговой марки она может быть своя. И в некоторых случаях разница становится действительно заметной.

Коллекторы из поликарбоната

Листы ячеистого поликарбоната или полипропилена - главные элементы, из которых состоят такие коллекторы. К торцам листов крепится непосредственно сам коллектор. Только в специальном жестяном крытом коробе необходимо осуществлять монтаж подобной системы. В качестве крышки следует использовать дополнительный лист из поликарбоната . Можно сделать и стеклянную крышку, но, если светопроницаемость будет излишний, поликарбонат создаст парниковый эффект, так что всё будет похоже на двойное остекление. Так что лучше всё делать полностью из поликарбоната, так система будет работать стабильнее.

Дополнительная информация о структуре

Сам солнечный коллектор становится главным элементом в системе нагрева воды. Эта конструкция может быть отнесена к одной из трёх групп:

• плоские коллекторы
• вакуумные коллекторы
• водяные коллекторы

Алюминиевая рама становится основой для плоских коллекторов . Внутри неё располагаются медные трубки, сверху их покрывает специальный поглощающий материал. Снизу находится теплоизоляция. Закалённое стекло практически полностью закрывает эту конструкцию, само стекло всегда отличается большой пропускной способностью относительно света. Такие системы можно включать только в определённое время года, а можно пользоваться ими круглый год.

Рама с вакуумными трубками из боросиликатного стекла - вот что используется для изготовления вакуумных коллекторов . Ещё одна колба со специальным поглощающим покрытием имеется при этом внутри каждой отдельной трубки. Медная трубка с теплоносителем под низким давлением располагается в самих колбах. В теплообменник с жидкостью помещается конец медной трубки, именно туда выделяется тепловая энергия, которая аккумулируется в системе.

Конструкция типа «морская трубка» тоже является отдельной разновидностью вакуумных коллекторов. Бак для воды и трубки в этом случае находятся на раме. Внутри каждой трубки находится ещё одна трубка, между ними обязательно устраивается специальное вакуумное пространство. Слоем абсорбента покрыты вакуумные трубки, более того, они заполнены водой. Когда происходит нагрев, вода поднимается в бак. Холодная опускается к трубкам для нагрева. Такие системы ещё называются водяными солнечными коллекторами.

Бак-аккумулятор выступает вторым элементом, который обязательно присутствует в любой системе. Именно он используется для хранения воды, в дальнейшем потребляющейся для различных нужд. Наружную часть бака лучше утеплить отдельным слоем толщиной минимум в 3 сантиметра, иначе в холодное время года он не сможет сохранить тепло. Бойлер для солнечного коллектора тоже подождёт.

На что следует обратить внимание

Любые гелиоустановки характеризуются номинальной мощностью , которая обозначается в киловаттах. Это количество энергии, которое вырабатывается при ярком солнце в зените. Это означает, что эффективность системы будет снижаться утром и вечером. Ночью, скорее всего, можно будет использовать горячую воду только из бойлера , где вода копилась на протяжении целого дня.

Выбирая модель коллектора, обратите внимание на то, можно ли его использовать в зимний период. И на то, какая мощность должна быть у системы, к которой коллектор подключается. Установка коллекторов обычно осуществляется на крышу или на каркас, который монтируется отдельно.

Гелиосистема для загородного дома (видео)

Содержание

Современный рынок предлагает большое разнообразие нагревательных приборов, но их стоимость бывает слишком высока. Особенно если нужен не один, а два-три нагревательных бака. Цены на коммунальные услуги постоянно растут, люди вынуждены искать способы сэкономить на отоплении, и подогреве горячей воды. Есть альтернативный источник отопления, поэтому можно сделать солнечный коллектор своими руками, который будет использовать энергию солнца для домашних нужд. Это экономичный вариант для отопления помещений и обеспечения жилых домов теплой водой.

Солнечный коллектор для отопления дома

В отечественных магазинах можно найти подобное оборудование, но цена будет даже выше, чем сумма, потраченная на установку привычной системы отопления. Солнечный коллектор можно изготовить самостоятельно, используя подручные материалы, которые всегда найдутся в арсенале запасливого хозяина: жестяные листы, банки, пластиковые бутылки, листы поликарбоната, стеклянные трубки, прочее.

Принцип работы

Самодельные коллекторы прекрасно подходят для отопления, подогрева воды в небольших домах, коттеджах, подогрева бассейнов. Решив собрать дома своими руками подобный агрегат, нужно вспомнить физические законы, разобраться в принципе его работы:

• Приемное устройство поглощает (абсорбирует) солнечную энергию: в качестве таковых могут быть использованы медные или стеклянные поверхности черного либо темного цвета. Именно эти материалы обладают большей абсорбцией и оптимальны для подогрева воды или других жидкостей.
• Тепло от абсорбера передается на бак с теплоносителем: водой, антифризом, другой специальной жидкостью, которая будет обогревать ваш дом.
• Теплоноситель по трубам подается в радиаторы, используется для хозяйственных нужд (горячая вода на кухне, в ванной комнате).

Летний вариант конструкции

Можно сделать солнечный коллектор своими руками достаточно быстро, это не очень сложная работа. Для применения его на даче, в летнее время, вам не понадобятся сложные схемы и особое оборудование:

• Если вода нужна только на улице (летний душ, горячая вода для стирки, бассейна, мытья посуды, прочих хозяйственных потребностей), бак тоже устанавливается на улице.
• Когда вода нужна в доме, бак будет установлен внутри.
• В такой системе происходит естественная циркуляция жидкости, поэтому бак нужно устанавливать на 8-10 сантиметров выше уровня батареи.
• Для соединения бака с батареей (абсорбером) понадобятся трубы определенного диаметра.
• При большой протяженности системы лучше установить насос, который будет усиливать движение теплоносителя.

Важно! Если планируете применять солнечный коллектор для нагрева воды не только летом, но и в холодное время года, схема будет другой, нужно учесть некоторые нюансы.

Можно ли использовать солнечный коллектор зимой

Для круглогодичного использования устройства, нужно подробнее узнать, как работает солнечный коллектор зимой. Главное отличие - теплоноситель. Поскольку вода может замерзать в трубах контура, ее нужно заменить антифризом. Работает принцип косвенного нагрева с установкой дополнительно бойлера. Далее схема такова:

• После того как антифриз нагреется, он поступит от батареи, расположенной на улице, в змеевик бака с водой и нагреет ее.
• Затем теплая вода будет подаваться в систему, остывшая возвращаться обратно.
• Обязательно нужно установить датчик давления (манометр), воздухоотводчик, расширительный клапан для сброса избыточного давления.
• Как и в летнем варианте, для улучшения циркуляции необходимо предусмотреть наличие циркуляционного насоса.

Нужно знать! Существуют разные схемы коллекторов, которые можно изготовить самостоятельно, они различаются конструкционными особенностями, имеют достоинства и недостатки.

Устройство и виды

Условно данные системы можно классифицировать на два вида :

• жидкостные (о которых мы говорим в данном материале);
• воздушные солнечные коллекторы, в которых используется не жидкость, а нагретый воздух.

Также они разделяются по КПД, ведь обеспечивают различную теплоотдачу. Это зависит от материалов, используемых для изготовления батареи, ее площади. Оптимальным местом расположения абсорбера является крыша :

• попадает максимальное количество солнечного света,
• имеет большую площадь,
• установленная на крыше батарея не занимает полезное пространство, никому не мешает.

Конструкция солнечного коллектора может быть нескольких видов, основные :

• вакуумный отопительный коллектор, имеющий самую сложную конструкцию. Вакуумные солнечные коллекторы отлично подходят для обогрева помещений, нагрева воды в любое время года, они полностью обеспечат небольшой дом, коттедж;
• плоский солнечный коллектор может быть жидкостным и вакуумным. Это наиболее распространенный тип поскольку достаточно прост в монтаже, при этом эффективен, может обеспечивать дом необходимым количеством тепла для обогрева помещений, водой для хозяйственных нужд;
• термосифонный - в качестве абсорбера используются стеклянные или металлические трубки;
• трубчатый - самый простой тип, изготовить который можно для дачи, достаточно примитивный, не подходит для использования в зимнее время.

Нас интересует конструкция, которая обеспечивает наличие горячей воды и отопления в доме в любое время года, остановимся на двух оптимальных вариантах, рассмотрим устройство вакуумного солнечного коллектора и плоского.

Плоский коллектор

Это наиболее распространенный вид коллектора, который можно изготовить самостоятельно. Хорошо подходит для использования в теплое время года для подогрева воды, зимой коэффициент полезного действия снижается.

Особенность конструкции состоит в следующем :

• корпус имеет плоскую прямоугольную или квадратную форму, выполнен из металла или другого материала, имеющего высокий показатель теплопроводности, покрыт черной краской;
• внутри располагают пластину, в которой уложен змеевик из медной трубки небольшого сечения;
• по трубкам циркулирует теплоноситель: вода, пропилен-гликоль, антифриз, другие подходящие жидкости;
• также внутри корпуса укладывают теплоизоляционный материал, который минимизирует потери тепла;
• собирая коллектор такого типа, нужно запастись листом поликарбоната или стекла, который будет служить крышкой и выполнять две функции: препятствовать проникновению мусора, осадков, усиливать подогрев.

Важно! Перед тем как собрать конструкцию, нужно проверить швы на герметичность, дабы не допустить попадания влаги, пыли внутрь агрегата, выветривания теплого воздуха.
Совет по уходу! Чтобы избежать снижения КПД, нужно регулярно протирать стеклянную поверхность от пыли, загрязнений.

Вакуумный коллектор

Для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы вакуумного типа. Благодаря конструкционным особенностям они являются более мощными: способны вырабатывать тепловую энергию, которой хватит на подогрев воды и отопление помещений.

Особенности конструкции :

• минимизировать потери позволяют трубки, которые помещаются в колбах с выкачанным воздухом;
• сверху трубки покрыты абсорбционным материалом, поглощающим световую энергию, внутри - наполнены антифризом (хладагентом);
• концы трубок соединены с трубой, по которой проходит теплоноситель;
• при нагреве антифриз закипает, преобразуется в пар, который, в свою очередь, поднимается вверх и нагревает теплоноситель;
• у данной конструкции есть недостаток: если хоть одна трубка выйдет из строя, ремонт становится довольно проблематичным, так как они соединены последовательно. Придется производить замену всех «внутренностей».

Такой воздушный солнечный коллектор для отопления будет более эффективен и пригоден для того, чтобы поддерживать температуру в системе в любой сезон. Хотя в холодное время КПД работающего коллектора может незначительно снижаться из-за короткого светового дня и малой световой активности.

Совет по уходу! Обратите внимание на внутреннюю поверхность накопительного бака для воды, она со временем покрывается накипью, нужна очистка. Периодичность зависит от качества воды в местности.

Примите к сведению: изготовить в кустарных условиях вакуумные трубки с выкачанным воздухом нереально, их придется купить. Это несколько увеличит затраты на обустройство такого типа коллектора.

Изготовление самодельного солнечного коллектора

Если вы заинтересовались вопросом, как сделать солнечный коллектор, рассмотрим основные этапы изготовления плоских конструкций :

• Для начала нужно рассчитать габариты будущего обогревателя, исходя из площади отапливаемого помещения. Они также будут зависеть от уровня активности солнца в конкретном регионе, расположения дома, местности, используемых материалов и других факторов. Но отправная точка - все-таки площадь поверхности, на которой он будет установлен.
• Продумать, из чего будет изготовлен абсорбер (приемник). Для этих целей можно использовать медные и алюминиевые трубки, стальные плоские батареи, свернутый резиновый шланг и др.
• Приемник должен быть окрашен в черный цвет.
• Затем нужно изготовить корпус коллектора, для этого подойдут различные материалы. Наиболее распространенный - древесина, можно использовать стекло. Если есть старые окна с остеклением - идеальный вариант.
• Между днищем корпуса и абсорбером нужно проложить теплоизоляционный материал (минеральную вату или пенопласт), который будет препятствовать потерям тепла.
• Всю площадь нагревателя закрыть металлическим листом (из алюминия или тонкой стали), который будет усиливать эффект.
• Сверху уложить трубы змеевика, прикрепить к металлическому листу при помощи строительных скоб или другими способами, концы змеевика вывести наружу.
• Сверху тепловые солнечные коллекторы накрывают светопропускающим материалом, чаще всего стеклом. Можно использовать прозрачный поликарбонат, который более практичен: стоек к механическим ударам, неприхотлив в уходе.
• Бак для воды нужно покрыть изолирующим материалом или покрасить черной краской, чтобы замедлить процесс остывания воды.
• Смонтировать нагревательный элемент на месте и подключить при помощи труб к накопительному баку с водой.
• Провести пусковые работы, проверить разводку по всей длине на наличие течи из-за некачественных соединений.

Важно! Для лучшего теплообмена необходимо оставлять между стеклом и нагревательными трубками расстояние примерно 10-15 мм. Все стыки должны быть хорошо загерметизированы.

Подведем итоги

В условиях тотального подорожания коммунальных услуг можно использовать альтернативные способы обогрева помещений, подогрева воды для хозяйственных нужд. В других странах солнечные коллекторы применяются для отопления довольно давно.

Если вы не хотите платить большие деньги за промышленный водяной коллектор, его можно собрать самостоятельно, используя подручные материалы. Хотите, чтобы конструкция была более солидной и действительно могла удовлетворять потребности в горячей воде и отапливала ваш дом? Тогда придется посетить строительный магазин, подготовиться к сборке более основательно: приобрести вакуумные колбы, специальные трубки, листы стекла или поликарбоната, другие комплектующие.

Когда будете решать вопрос, какая система оптимальная, принимайте во внимание: солнечные коллекторы, как любое техническое решение, имеют плюсы и минусы, которые обязательно нужно учитывать.

Плюсы и минусы гелиосистемы

Из положительных сторон выделяют :

• экологически чистый вид энергии, получаемый бесплатно;
• снижение расходов на оплату коммунальных услуг за централизованный подогрев воды до 40-50 %;
• небольшой срок окупаемости;
• возможность подогревать воду для хозяйственных нужд и отапливать небольшие помещения d зимний период;
• широкий выбор материалов, простота сборки конструкций.

К отрицательным моментам можно отнести :

• трудозатраты на создание светового коллектора;
• понижение коэффициента полезного действия в зимнее время, что делает практически невозможным использование таких систем в северных широтах;
• нужны профилактический уход и очистка;
• в холодное время необходимо использовать антифриз, что влечет дополнительные расходы.