Принцип действия солнечного коллектора, его плюсы, минусы и применение

Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления

Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.

Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.

Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.

В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.

Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:

  • снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
  • экологичность данного вида энергии.

Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.

Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.

Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.

Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.

Основные разновидности солнечных коллекторов

Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.

КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.

Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:

  • водяные (жидкостные);
  • воздушные.

По уровню предельных температур коллекторы бывают:

  • низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
  • среднетемпературными до 80°C;
  • высокотемпературными – более 80°C.

Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.

Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:

  • плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
  • вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
  • трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
  • термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.

Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.

Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.

Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.

Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.

Принцип работы

Идея улавливать и преобразовывать световую энергию не нова. В мире достаточно давно и успешно эксплуатируются ветряные электростанции и солнечные батареи, последние в регионах с большим количеством ясных дней позволяют обеспечивать практически полностью автономное снабжение жилищ, коммерческих помещений и техники.

Классическая гелиобатарея принимает и конвертирует в электричество падающий на нее свет. Далее энергия поступает к потребляющим аппаратам. Вакуумный гелиоколлектор устроен иначе: он состоит из крепких стеклянных трубок с откачанным для образования вакуума воздухом. Трубки объединены в систему.

Внутри такой стеклянной трубки находятся один-два медных стержня с заключенным в них теплоносителем. Падающие на медь лучи разогревают ее, и тепло передается носителю. Таким образом улавливается и накапливается солнечная энергия. Конструкция позволяет обеспечить высокую энергоотдачу при низких потерях. Происходит это благодаря вакууму: поскольку нет отнимающей тепло среды, практически все оно остается в носителе. Такой солнечный коллектор сохраняет примерно 95 % уловленной им энергии.

Конструктивное решение также снижает зависимость от погоды и окружающей температуры. Зимой комплекс будет работать так же эффективно, как и летом. При текущих темпах неуклонного роста цен на органические энергоносители гелиоустановка для отопления дома окупится, в среднем, через 3–5 лет, а прослужит около 25. То есть ее владелец спустя относительно недолгое время станет получать энергию бесплатно.

2 Классификация по температурным показателям

Гелиосистемы классифицируются по различным критериям

Но в приборах, которые можно изготовить самостоятельно, следует обратить внимание на вид теплоносителя. Такие системы можно разделить на два типа:

  • использование различных жидкостей;
  • воздушные конструкции.

Первые применяются чаще всего. Они более производительные и позволяют напрямую подключить коллектор к отопительной системе. Также распространена классификация по температуре, в пределах которой может работать устройство:

  1. 1. Работающие в низкотемпературном диапазоне. Такие устройства способны нагреть теплоноситель максимум до 50 градусов. Применяются они для подогрева воды в душевых кабинах, ваннах, на кухне, для полива огорода, а также для повышения комфорта в осенний и весенний период.
  2. 2. Среднетемпературный диапазон. Могут разогреть теплоноситель до 80 градусов. Они зачастую используются для обеспечения работы отопительного оборудования в частных домах.
  3. 3. Высокотемпературные. Используются в производительных цехах и других коммерческих зданиях. Способны нагревать теплоноситель до 200—300 градусов.
Солнечная батарея своими руками Part11Солнечная батарея своими руками Part11

Последний вид гелиосистем работает благодаря очень сложному принципу передачи солнечной энергии. Оборудованию требуется много места. Если разместить его на загородной даче, тогда оно займет преобладающую часть участка. Для производства энергии понадобится специальное оборудование, поэтому сделать такую солнечную систему самостоятельно будет практически невозможно.

Способы подключения к системе отопления

Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема с водяным коллектором

В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:

  1. Летний вариант для горячего водоснабжения
  2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.


Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке

Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор. Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.

Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.

Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно

По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй – на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора.

Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе. В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.

Новым словом и эффективной альтернативой солнечным коллекторам с теплоносителем стали системы с вакуумными трубками, с принципом действия и устройства которых мы предлагаем ознакомиться.

Схема с солнечной батареей

Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.

При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.

Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.

Виды

Оборудование различается по виду теплоносителя и общей конструкции. Каждый вид имеет определенные преимущества и недостатки.

В зависимости от конструкции коллекторы делятся на следующие виды:

Открытые

Это оборудование состоит из не защищенных с внешней стороны системы трубок. Конструкция максимально простая, поэтому некоторые народные умельцы сооружают ее самостоятельно. Стоимость таких коллекторов даже в готовом виде не высокая. Однако эффективность их работы очень низкая. Отсутствие изоляции приводит к большим теплопотерям. Такие системы можно применять в основном для организации ГВС.

Закрытые

В данных моделях система трубок изолирована прозрачным стеклом с полосой пропускания 0,4 – 1,8 мкм. Это обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей. Стекло надежно защищает трубки от механического воздействия. Диапазон применения закрытых коллекторов выше открытых. Летом они обеспечивают потребности в горячей воде. В зимний период могут использоваться в качестве основных или дополнительных источников отопления.

В зависимости от общей конструкции существует дополнительная классификация солнечных коллекторов:

Плоские

Панели, покрытые прозрачным стеклом или поликарбонатом. Внутри вмонтированы медные трубки, наполненные теплоносителем. Задняя часть панели покрыта минватой с целью теплоизоляции.

Преимущества плоских коллекторов:

  • высокая производительность;
  • возможность установки под любым углом;
  • самостоятельная очищаемость от снега.

К минусам относят:

повышенную утечку тепла через лицевую сторону. Такие коллекторы эффективны как дополнительный источник тепла.

Вакуумный

По основному принципу работы они схожи с плоскими коллекторами. Но продуктивность их на порядок выше. Внутри устройства расположена стеклянная колба, наполненная техническим вакуумом. Ее стенки покрыты высокоселективным веществом, поглощающим до 96% солнечных лучей. Вакуум нагревается до + 300 градусов, одновременно препятствуя утечке тепла. Эта разновидность коллекторов способна работать даже в условиях пониженных температур. Для них главное – наличие солнечных лучей.

К минусам вакуумных коллекторов относят высокую стоимость.

Коллекторно — концентраторный

Данная разновидность коллекторов редко используется для отопления. Их основное предназначение – сушка сельхозпродукции на складах. Принцип работы коллекторно-концентратных моделей основан не на нагреве теплоносителя, а на повышении температуры воздуха.

Устройства имеют низкий КПД, поэтому использовать их в качестве основного источника тепла в доме невозможно.

Чертежи конструкций

Приступаем к работе

Прежде чем сооружать солнечный коллектор, необходимо произвести соответствующие расчеты и определить, как много энергии он должен производить. Но от самодельной установки ждать высокого КПД не стоит. Сориентировавшись, что его будет достаточно – можно приступать.

Работу можно поделить на несколько основных этапов:

  1. Изготовить короб
  2. Изготовить радиатор или теплообменник
  3. Изготовить аванкамеру и накопитель
  4. Собрать коллектор

Чтобы изготовить коробку под солнечный коллектор своими руками, следует заготовить обрезную доску толщиной 25-35 мм и в ширину 100-130 мм. Дно ее следует сделать текстолитовым, оснастив его ребрами. Оно также должно быть хорошо теплоизолированное при помощи пенопласта (но предпочтение отдают минеральной вате), накрытого оцинкованным листом.

Еще 4 эффективных способа альтернативного отопления дома

О которых вы можете узнать в нашей следующей статье

Подготовив короб, настает пора мастерить теплообменник. Следует придерживаться инструкции:

  1. Необходимо подготовить 15 тонкостенных металлических трубок длиной 160 см и две дюймовые трубы длиной 70 см
  2. В обоих утолщенных трубках сверлятся отверстия диаметра меньших трубок, в которые они будут устанавливаться. При этом нужно следить за тем, чтоб они были по одной стороне соосны, максимальный шаг между ними 4.5 см
  3. Следующий этап – все трубки нужно собрать в единую конструкцию и надежно сварить
  4. Теплообменник монтируется на лист оцинковки (ранее прикрепленный к коробу) и фиксируется при помощи стальных хомутов (можно сделать металлические зажимы)
  5. Днище короба рекомендуют покрасить в темный цвет (например, черный) – он будет лучше поглощать солнечное тепло, но чтобы снизить тепловые потери, внешние элементы красятся белым
  6. Завершить монтаж коллектора необходимо установкой покровного стекла около стенок, при этом не забыв о надежной герметизации стыков
  7. Между трубками и стеклом оставляется расстояние, равное 10-12 мм

Остается соорудить накопитель под солнечный коллектор. Его роль может исполнять герметичная емкость, объем которой варьируется около 150-400 л. Если найти одну такую бочку не удается, можно сварить между собой несколько небольших.

Как и коллектор, накопительный бак основательно изолируют от потерь тепла. Остается изготовить аванкамеру – небольшой сосуд объемом 35-40 л. Он должен оснащаться падающим воду устройством (шарнирным краном).

Остается самый ответственный и важный этап – собрать коллектор воедино. Сделать это можно таким образом:

  1. Вначале необходимо установить аванкамеру и накопитель. Необходимо следить, чтоб уровень жидкости в последнем был на 0.8 м ниже, чем в аванкамере. Так как воды в таких устройствах может собираться немало, необходимо продумать, каким образом они будут надежно перекрываться
  2. Коллектор размещается на крыше дома. Исходя из практики, рекомендуется делать это на южной стороне, наклонив установку под углом 35-40 градусов к горизонту
  3. Но нужно учитывать, что между накопителем и теплообменником расстояние не должно превышать 0.5-0.7 м, иначе потери будут слишком существенны
  4. В конце должна получиться следующая последовательность: аванкамера обязана располагаться выше накопителя, последний – выше коллектора

Наступает самый ответственный этап – необходимо соединить все составляющие воедино и подключить к готовой системе водопроводную сеть. Для этого потребуется посетить магазин сантехники и приобрести необходимые фитинги, переходники, сгоны и прочую запорную арматуру. Высоконапорные участки рекомендуют соединять трубой диаметром 0.5 дюйма, низконапорные – 1 дюйм.

Введение в эксплуатацию выполняется следующим образом:

  1. Установка заполняется водой посредством нижнего дренажного отверстия
  2. Подсоединяется аванкамера и регулируются уровни жидкости
  3. Необходимо пройтись вдоль системы и проверить, чтобы не было утечек
  4. Все готово к повседневной эксплуатации

Для Европы

Плюсы эко-коллекторов

Для чего стоит установить систему:

  1. Экологичность. В отличие от котлов на твердом или жидком топливе, здесь нет горения и, соответственно, выделения продуктов сгорания.
  2. Неисчерпаемость. Теоретически, Солнце когда-нибудь все-таки прекратит свое существование, но ученые обещают, что никто из ныне живущих этого не увидит.
  3. Значительная экономия денежных средств. Экономия на отоплении может составить до 30, а на нагреве воды – до 60 %.
  4. Удобство получения горячей воды. В летнее время мощности коллектора хватает на подогрев воды, а в зимнее может потребоваться дополнительный источник для доведения температуры воды до нужной отметки. По статистике, примерно четверть всей расходуемой в доме энергии тратится именно на получение горячей воды.
  5. Использование как теплоносителя незамерзающего антифриза. Зимой не придется переживать, что система размерзнется.
  6. Множество вариантов установки. Можно выбрать наименее используемые площади: на крыше, у стены здания, на земле.


Солнечные батареи установленные на землеИсточник europskenoviny.sk

Разновидности коллекторных устройств

В зависимости от конструктивной разновидности изделия делятся на несколько видов:

Плоские – в качестве поглотителя энергии солнца выступает алюминиевая пластина или медный элемент, поскольку данные материалы – оптимальные тепловые проводники. Пластинный компонент в обязательном порядке подлежит обработке специальным покрытием, которое обеспечивает тепловое поглощение. Крепление данного типа моделей может осуществляться в удобном месте, то есть на крыше, в области фасада, стены. Это универсальные модели, которые используются и для отопления, и для водного нагрева.

Плоский солнечный коллектор на крыше частного дома

Вакуумные модельные элементы подразумевают в качестве основного компонента применение трубной системы – змеевика. Получается, что в верхней части происходит соединение нескольких отдельных трубчатых частей, в ходе чего формируется отдельная панель. Работает это устройство по принципу термоса. Этот модельный ряд оснащен прямоточным механизмом, по которому осуществляется циркуляция, а также изделиями с трубами тепловой разновидности.

Сезонный вакуумный солнечный коллектор

Наиболее распространенные модели всесезонных солнечных коллекторов с вакуумными трубками:

Количество трубок Характеристики Розничная цена, у.е.
10 Рабочая температура: -30…+180°С
Рабочее давление: 6 бар
Производительность по горячей воде зима/лето: 30-100 л/день
342…600
15 Рабочая температура: -30…+180°С
Рабочее давление: 6 бар
Производительность по горячей воде зима/лето: 50-150 л/день
420…700
20 Рабочая температура: -30…+180°С
Рабочее давление: 6 бар
Производительность по горячей воде зима/лето: 70-200 л/день
585…900
30 Рабочая температура: -30…+180°С
Рабочее давление: 6 бар
Производительность по горячей воде зима/лето: 100-300 л/день
883…1200

Солнечный коллектор для нагрева воды можно сделать своими руками, и это решение позволит сэкономить деньги, но отнимет определенное количество времени.

Строение плоского и вакуумного солнечных коллекторов

Преимущества и недостатки подобного вида изделий

Вакуумные модели

Этот ряд оснащен определенным количеством преимуществ, на которые стоит обязательно обратить внимание:

Достоинства
Невысокий показатель тепловых потерь, поскольку вакуум прекрасно справляется со своей базовой опцией
Большой диапазон рабочих температурных режимов, стойкость к морозу, потому что модель призвана выдерживать температурный показатель от –45°С
Простота и легкость в плане осуществления всех монтажных работ и подобных мероприятий, которые не отнимают много времени
Невысокий уровень парусности
Возможность функционирования в течение длительного времени

1
4

В климатической области умеренного типа данная вариация превратится в оптимальное решение

Также стоит обратить внимание на несколько отрицательных моментов представителя данного модельного ряда:

Недостатки
Необходимы регулярные снегооочистительные мероприятия
Отсутствие превышения угла наклона величины в 20°
Еще один недостаток солнечных коллекторов для нагрева воды – высокая цена

Солнечные коллекторы чаще всего устанавливают на крыше

Стоит ли отдавать предпочтение в пользу этого элемента – каждый потребитель принимает решение самостоятельно.

Плоские модели коллекторов

Если рассматривать положительные моменты в рамках функционирования подобных систем, можно выделить несколько:

Достоинства
Возможность самостоятельно очищения и удаления снега и инея
Максимальный показатель в летний период работы
Невысокая цена изделий
Осуществление монтажных мероприятий под любым углом

1
4

Если вы постоянно проживаете в теплых климатических условиях, стоит обратить внимание на плоские коллекторы. Тем не менее, этот факт не лишает их определенных минусов:

Недостатки
Высокий уровень парусности
Необходимость проведения сложных установочных мероприятий, поскольку на крышу осуществляется монтаж коллектора исключительно в собранном виде
Сокращение эффективности прибора в холодное время года из-за недостаточного показателя работоспособности
Высокий уровень тепловых потерь в ходе эксплуатации

Можно применять самодельный солнечный коллектор для нагрева воды, а можно приобрести готовую модель – от этого будет зависеть качество, продуктивность и особенности последующего функционирования.

https://youtube.com/watch?v=pBvnzgHdH9Q

Благодарности

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий