Солнечный коллектор — Википедия

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.^[1]

Плоские[править | править код]

Плоский солнечный коллектор

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

При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C^{[источник не указан 943 дня]}.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Вакуумные[править | править код]

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора[править | править код]

Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.

[1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов[править | править код]

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселективные
Преимущества	Преимущества
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до −30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Недостатки	Недостатки
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
	Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы[править | править код]

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы[править | править код]

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.

В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-30 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды^[2]

В России[править | править код]

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в несколько раз.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом больше. Однако такая конструкция выше по стоимости.

[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.^[3]

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы[править | править код]

Параболоцилиндрические концентраторы.

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту^[4].

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C^[5].

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга^[6].

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %^[7].

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт^[8]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.^[9]

• А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
• Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
• Солнечный душ // Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 № 1, стр 131
• Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990

Тепловые солнечные коллекторы

Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать — сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.

к содержанию ↑

Назначение

Коллектор и солнечная батарея два разных устройства. Батарея использует преобразование солнечной энергии в электрическую, накапливающуюся в аккумуляторах и применяющуюся для бытовых нужд. Солнечные коллекторы, как и тепловой насос, предназначены для сбора и накапливания экологически чистой энергии Солнца, преобразование которой используется для нагрева воды либо отопления. В промышленных масштабах стали широко использоваться солнечные тепловые электростанции, преобразующую тепло в электроэнергию.

к содержанию ↑

Устройство

Коллекторы состоят из трех основных частей:

• панели;
• аванкамера;
• накопительный бак.

Панели представлены в виде трубчатого радиатора, помещенного в короб с наружной стенкой из стекла. Их необходимо располагать на любом хорошо освещенном месте. В радиатор панели поступает жидкость, которая затем нагревается и передвигается в аванкамеру, где холодная вода замещается горячей, что создает постоянное динамическое давление в системе. При этом холодная жидкость поступает в радиатор, а горячая в накопительный бак.

Стандартные панели легко приспособить к любым условиям. При помощи специальных монтажных профилей их можно устанавливать параллельно друг другу в ряд в неограниченном количестве. В алюминиевых монтажных профилях просверливают отверстия и крепят к панелям снизу на болты или заклепки. После завершения работы панели солнечных абсорберов вместе с монтажными профилями представляют собой единую жесткую конструкцию.

Система солнечного теплоснабжения делится на две группы: с воздушным и с жидкостным теплоносителем. Коллекторы улавливают и поглощают излучение, и, совершая преобразование ее в тепловую энергию, передают в накопительный элемент, из которой тепло распределяется по помещению. Любая из систем может дополняться вспомогательным оборудованием (циркуляционный насос, датчики давления, предохранительные клапаны).

к содержанию ↑

Принцип работы

В дневное время тепловое излучение передается теплоносителю (вода или антифриз), циркулирующему через коллектор. Нагретый теплоноситель передает энергию в бак водонагревателя, расположенного выше его и собирающего воду для горячего водоснабжения. В простой версии циркуляция воды осуществляется естественным образом благодаря разности плотности горячей и холодной воды в контуре, а для того, чтобы циркуляция не прекращалась, используется специальный насос. Циркуляционный насос предназначен для активной прокачки жидкости по конструкции.

В усложненном варианте коллектор включен в отдельный контур, наполненный водой или антифризом. Насос помогает им начать циркулировать, передавая при этом сохраненную солнечную энергию в теплоизолированный бак-аккумулятор, который позволяет запасать тепло и брать его в случае необходимости. Если энергии недостаточно, предусмотренный в конструкции бака электрический или газовый нагреватель, автоматически включается и поддерживает необходимую температуру.

к содержанию ↑

Виды

Тем, кто хочет, чтобы в его доме была система солнечного теплоснабжения, для начала следует определиться с наиболее подходящим типом коллектора.

к содержанию ↑

Коллектор плоского типа

Представлен в виде коробки, закрытой закаленным стеклом, и имеющий особый слой, поглощающий солнечное тепло. Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя. Чем больше энергии он будет получать, тем выше его эффективность. Уменьшение тепловых потерь в самой панели и обеспечение наибольшего поглощения тепла на пластинах абсорбера позволяет обеспечить максимальный сбор энергии. При отсутствии застоя плоские коллекторы способны нагреть воду до 200 °C. Они предназначены для подогрева воды в бассейнах, бытовых нужд и отопления дома.

к содержанию ↑

Коллектор вакуумного типа

Представляет собой стеклянные батареи (ряд полых трубок). Наружная батарея имеет прозрачную поверхность, а внутренняя батарея покрыта специальным слоем, который улавливает излучение. Вакуумная прослойка между внутренними и внешними батареями помогает сохранить около 90% поглощаемой энергии. Проводниками тепла являются специальные трубки. При нагревании панели происходит преобразование жидкости, находящейся в нижней части батареи в пар, который поднимаясь, предает тепло в коллектор. Этот тип системы имеет больший КПД по сравнению с коллекторами плоского типа, так как его можно использовать при низких температурах и в условиях плохой освещенности. Вакуумная солнечная батарея позволяет нагреть температуру теплоносителя до 300 °C, при использовании многослойного стеклянного покрытия и создании в коллекторах вакуума.

к содержанию ↑

Тепловой насос

Системы солнечного теплоснабжения наиболее эффективно работают с таким устройством, как тепловой насос. Предназначен для сбора энергии из окружающей среды вне зависимости от погодных условий и может устанавливаться внутри дома. В качестве источника энергии здесь могут выступать вода, воздух либо грунт. Тепловой насос может работать, используя лишь солнечные коллекторы, если достаточно солнечной электроэнергии. При использовании комбинированной системы «тепловой насос и солнечный коллектор», не имеет значения тип коллектора, однако наиболее подходящим вариантом будет солнечная вакуумная батарея.

к содержанию ↑

Что лучше

Система солнечного теплоснабжения может устанавливаться на крышах любого вида. Более прочными и надежными считаются плоские коллекторы, в отличие от вакуумных, конструкция которых более хрупкая. Однако при повреждении плоского коллектора придется заменить всю абсорбирующую систему, тогда как у вакуумного замене подлежит лишь поврежденная батарея.

Эффективность вакуумного коллектора гораздо выше, чем плоского. Их можно использовать в зимнее время и они производят больше энергии в пасмурную погоду. Достаточно большое распространение получил тепловой насос, несмотря на свою высокую стоимость. Показатель выработки энергии у вакуумных коллекторов зависит от величины трубок. В норме размеры трубок должны составлять в диаметре 58 мм при длине от 1,2-2,1 метра. Достаточно сложно установить коллектор своими руками. Однако обладание определенными знаниями, а также следование подробным инструкциям по монтажу и выбору места системы, указанными при покупке оборудования существенно упростит задачу и поможет принести в дом солнечное теплоснабжение.

Оцените статью:

Загрузка…

Поделитесь с друзьями:

Солнечный коллектор для отопления дома: виды, схемы, монтаж

Солнечный свет является одним из самых мощных и легкодоступных источников энергии на нашей планете. С древних времен человечество, обожествляя дневное светило, пыталось использовать его энергию в своих практичных целях. В условиях современного развития энергосберегающих технологий солнечную энергию намного чаще, чем ранее, стали использовать в качестве источника теплоснабжения зданий и сооружений.

Применение солнечных коллекторов

Устройство, преобразующее энергию солнечного света в тепловую энергию, называют солнечным коллекторам. Солнечный коллектор может применяться как в отопительной системе здания, так и в системе горячего водоснабжения. Согласно расчетным данным, применение данных устройств в системах теплофикации зданий и сооружений дает в среднем от 30% до 60% экономии энергоносителей (газ, электричество) ежегодно, а значит, удешевляет эксплуатацию здания. Расчетная самоокупаемость систем, использующих солнечную энергию, составляет в среднем от двух до пяти лет, в зависимости от цен на энергоносители.

Солнечный коллектор для отопления дома включается в систему теплоснабжения, являясь, по сути, подогревающим теплоноситель элементом, в то время как основные источники теплофикации (газовые или электрические котлы) круглосуточно поддерживают температуру подогретого солнечным коллектором теплоносителя на уровне, необходимом по технологическим или санитарным условиям.
КПД систем альтернативного теплоснабжения выше в регионах с высокой солнечной активностью и в светлое время суток. Карта суммарной годовой солнечной радиации приведена на рисунке ниже.

Виды и различия солнечных коллекторов

На сегодняшний день распространение среди промышленно изготавливаемых солнечных коллекторов получили два вида систем:

• плоские солнечные панели;
• вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы.

Плоская солнечная панель

Является распространенным типом солнечного коллектора, используемого в современных системах гелиоэнергетики. Широкое распространение данный тип получил вследствие относительной дешевизны и простоты, как устройства, так и эксплуатации. Недостатком плоских солнечных коллекторов является значительное (до двух раз) понижение КПД в условиях отрицательных температур наружного воздуха.

Конструкция плоского солнечного коллектора.

Конструктивно представляет собой панель с площадью поглощающей поверхности 2-2,5 м2, выполненную из алюминиевых или стальных сплавов. Лицевая часть выполнена в виде листа специального гелиостекла, что обеспечивает максимальное поглощение энергии солнечного света и минимальные потери энергии с отраженными и рассеянными лучами. Непосредственно под гелиостеклом расположен поглотитель, выполняемый в виде плоской трубки из медных или алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопередачи.

Трубка, как правило, имеет радиальное оребрение, что значительно повышает коэффициент теплопередачи поглотителя. На поглотитель наносится покрытие с высоким коэффициентом поглощения в спектрах теплового излучения, что повышает общий КПД коллектора. Под поглотителем располагается слой тепловой изоляции, уменьшающий тепловые потери системы в окружающую среду. Необходимая тепловая мощность солнечного коллектора достигается включением нескольких панелей в единую солнечную батарею или коллектор.

Вакуумный (вакууммированный) трубчатый коллектор

Дорогостоящий вид солнечного коллектора вследствие сложного изготовления и ряда преимуществ перед плоскими солнечными панелями. Конструктивно представляет собой ряд парных стеклянных труб, спаянных между собой, из пространства между которыми откачан воздух. Вакуум в пространстве между трубками является прекрасным тепловым изолятором и предотвращает тепловые потери в окружающую среду от теплоносителя. В меньшую трубу вводится медная, алюминиевая или стеклянная трубка поглотителя. Трубы верхней частью вводятся в распределитель, в котором циркулирует теплоноситель. Вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы по типу распределителя подразделяются на два типа: с плоской тепловой трубой и прямоточные.

Коллекторы с плоской трубой

Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с плоской тепловой трубой — конструкция.

Представляют собой рекуперативный теплообменник, расположенный в распределителе. В этом случае теплопередача от нагретого теплоносителя вакуумной трубы к теплоносителю циркуляционного контура теплоснабжения здания происходит через стенку и теплоносители этих контуров не смешиваются. Преимущества перед прямоточными коллекторами состоят в сохранении высоких показателей работы при температуре окружающей среды до -45оС, возможности замены отдельной вакуумной трубки, вышедшей из строя, без разбора коллектора и прекращения его работы, а также в возможности регулирования угла установки каждой вакуумной трубки в пределах одного коллектора.

Прямоточные коллекторы

Прямоточный вакуумный трубчатый солнечный коллектор — конструкция.

Объединяют циркуляционный и обогревающийся контур. В распределителе проходят подающий и циркуляционный трубопроводы, к которым непосредственно присоединяются вакуумные трубки. Теплоноситель подается в распределитель по подающему трубопроводу, из которого попадает в вакуумную трубку, где проходит обогрев. Нагретый теплоноситель возвращается в обратный трубопровод и уходит непосредственно на нужды теплоснабжения. Преимущества прямоточных коллекторов перед вакуумными состоят в отсутствии промежуточной стенки между теплоносителями, что снижает тепловые потери и в возможности устанавливать коллектор на любых поверхностях под любыми углами, поскольку циркуляция теплоносителя в пределах всего коллектора будет осуществляться насосом.

Принципиальные схемы и монтаж гелиосистем

Гелиосистемы могут использоваться в качестве самостоятельного источника теплоснабжения дома в регионах с высокой солнечной активностью. В регионах с более умеренным климатом необходимо предусматривать дублирующие теплогенерирующие устройства. Кроме того, солнечная энергия может использоваться на нужды горячего водоснабжения, отопления и в качестве совмещенной схемы промежуточного догрева теплоносителей. Исходя из этого, в статье представлены несколько видов принципиальных монтажных схем.

Схема с промежуточным догревом для горячего водоснабжения

В этой схеме, как и во всех последующих, имеется контур первичного нагрева холодной воды в баке-аккумуляторе (бак-накопитель 6) от солнечного коллектора 1. Рекуперативный теплообменник 8 закрытой системы первичного нагрева расположен в нижней части бака-аккумулятора, где температура нагреваемой воды наименьшая. По отношению к нагреваемой воде система работает по типу «противоток», как наиболее экономичному. В верхней части бака вода догревается до температуры, необходимой по санитарным нормам, с помощью электрического ТЭНа 7. Управление системой в целом производится через контроллер 5, на который сведены данные от датчиков температуры Т1 и Т2, позволяющие через рабочую станцию 3 в автоматическом режиме регулировать проток теплоносителя через солнечный коллектор и напряжение, а, соответственно, и температуру на электронагревателе.

Следует отметить, что вместо электронагревателя можно использовать любой другой теплогенератор (газовый, жидкотопливный или твердотопливный). Но при этом необходимо обратить внимание на максимальную синхронизацию работы гелиосистемы и теплогенератора. Бак сброса избыточного давления 4 позволяет без участия человека и разгерметизации системы компенсировать тепловое расширение теплоносителя, а автоматический воздухоодводчик 2 автоматически удаляет из первичного контура пузырьки газа.

Такие устройства, как автоматический воздухоотводчик, рабочая станция, бак сброса излишнего давления, котроллер с датчиками температуры и теплообменник являются наиболее традиционным комплектом рабочего оборудования гелиосистем.

Закрытая схема отопления с солнечным коллектором

В такой схеме гелиосистема через бак накопитель обогревает теплоноситель в обратном коллекторе отопительной системы перед подачей теплоносителя в отопительный котел. Нужно отметить, что такие схемы в средних широтах применяются достаточно редко ввиду того, что температура в обратном трубопроводе во время отопительного сезона зачастую бывает выше той, которую способен выдавать солнечный коллектор в зимнее время. Как следствие, такая схема имеет крайне низкий КПД.

Совмещенная схема теплоснабжения

В данной схеме нагрев теплоносителя как для отопления, так и для горячего водоснабжения, осуществляется в пределах одного бака-накопителя. Фактически данная схема состоит из трех контуров:

1. Контур гелиосистемы. Представляет собой рекуперативный теплообменник, на который подается нагретый теплоноситель от солнечного коллектора. Располагается в нижней части бака-накопителя.
2. Контур отопительной системы. Это закрытая, без потерь теплоносителя, система, в которую в качестве дополнительного источника теплоснабжения, введен теплообменник гелиосистемы. Отопительный котел подключается к системе отопления через бак накопитель и догревает теплоноситель до необходимой по санитарным нормам температуры.
3. Контур горячего водоснабжения. Представляет собой открытую систему с накопительным бойлером, расположенным в верхней части бака-накопителя. Обогрев воды производится от нагретого отопительным котлом и гелиосистемой теплоносителя через стенку бойлера.

Монтаж гелиосистем может производиться на крышах,

 

стенах зданий

 

или на уровне земли.

 

При монтаже на существующих строительных конструкциях необходимо уделять особое внимание нагрузкам на стены и перекрытия, которые увеличатся после монтажа и заполнения гелиосистемы. При необходимости чердачные перекрытия усиливаются дополнительными конструкциями, под расположенные на стене солнечные коллекторы подводят дополнительные опоры. Сопутствующее оборудование гелиосистем располагают, как правило, в помещении, где установлен отопительный котел.

Монтаж непосредственно коллектора необходимо производить так, чтобы он максимально облучался солнечным светом в течение дня в любое время года. Коллектор монтируется в местах, на которые не падает тень от окружающих предметов, ориентируясь по линии «запад-восток». Угол наклона коллектора к горизонтали составляет, как правило, 50-60 градусов.

Рекомендуемый угол наклона солнечного коллектора для монтажа.

Более точное значение угла наклона рассчитывают исходя из данных о наибольшей и наименьшей высоте Солнца над горизонтом в течение года в конкретной местности. Установка производится с расчетом, что угол падения солнечных лучей на коллектор будет максимально приближен к 90 градусам.

Теплоносители для гелиосистем

Основным теплоносителем для систем теплоснабжения является вода. Однако ее применение в гелиосистемах ограничено температурой кристаллизации, составляющей 0оС, а значит применение воды в роли теплоносителя ограничивается климатическими зонами, где не бывает отрицательных температур. Кроме того, содержащиеся в воде соли засоряют поверхности нагрева накипью, а коррозионный агент – кислород – повреждает металлические части систем теплоснабжения и способствует разложению теплоносителя на составляющие элементы. Поэтому для гелиосистем был разработан вид теплоносителя, лишенный вышеперечисленных недостатков.

Основой такого теплоносителя является пропиленгликоль, смешанный с водой, прошедшей водоподготовку в виде деминерализации.

Кроме того, для уменьшения коррозирующего и разлагающего воздействия кислорода, в теплоноситель добавляют антиокислительные присадки, образование пузырьков газа в жидкости уменьшается добавлением пеногасителей, а стабилизаторы, добавленные в теплоноситель, помогают сохранять раствор химически однородным. Как правило, теплоносители для гелиосистем продаются уже в готовом виде. Концентрация пропиленгликогеля в них составляет от 40% и выше, что соответствует температуре кристаллизации от -30оС и ниже. Показатель кислотно-щелочного баланса (рН) для готового теплоносителя поддерживается в щелочной зоне (≥ 7,0) для уменьшения коррозирующего действия.

При эксплуатации теплоносителей гелиосистем не следует смешивать теплоносители от разных производителей, так как разные как по количественным, так и по качественным свойствам составы могут вступить в химическую реакцию, приведя гелиосистему в негодность.

Солнечная энергетика в условиях современного энергетического и экономического кризиса является одним из перспективнейших направлений технологий, направленных на сохранение невосполнимых ресурсов нашей планеты.

виды, принцип работы, устройство системы

Тепловые насосы черпают энергию из грунта, воды или воздуха, согретых солнцем. Котлы используют тепло, высвобождающееся при сгорании топлива, которое в конечном итоге тоже является продуктом преобразования солнечной энергии в ходе длительной эволюции Земли. Гелиоколлекторы в некотором смысле уникальны: они получают энергию непосредственно от солнца.

Чтобы завтра иметь возможность абсолютно бесплатно нагревать воду для ГВС или отапливать свой дом, сегодня придется все-таки потратиться на приобретение солнечных коллекторов. С учетом немалой стоимости подобного оборудования очень важно не допустить ошибку при выборе. А значит, следует заранее получить хотя бы общие представления о специфике гелиоколлекторов и нюансах их работы.

Специфика использования солнечных коллекторов

Главной особенностью гелиоколлекторов, отличающей их от теплогенераторов других типов, является цикличность их работы. Нет солнца – нет и тепловой энергии. Как следствие, в ночное время подобные установки пассивны.

Среднесуточная выработка тепла напрямую зависит от продолжительности светового дня. Последняя же определяется, во-первых, географической широтой местности, и во-вторых, временем года. В летний период, на который в северном полушарии приходится пик инсоляции, коллектор будет работать с максимальной отдачей. Зимою же его продуктивность падает, достигая минимума в декабре-январе.

В зимний период эффективность гелиоколлекторов снижается не только из-за уменьшения продолжительности светового дня, но и из-за изменения угла падения солнечных лучей. Колебания производительности солнечного коллектора в течение года следует учитывать при расчетах его вклада в систему теплоснабжения.

Еще один фактор, который может повлиять на продуктивность солнечного коллектора, – климатические особенности региона. На территории нашей страны есть немало мест, где 200 и более дней в году солнце скрыто за толстым слоем туч или за пеленой тумана. В пасмурную погоду производительность гелиоколлектора не падает до нуля, поскольку он способен улавливать рассеянные солнечные лучи, но существенно снижается.

Принцип работы и виды солнечных коллекторов

Настала пора сказать несколько слов об устройстве и принципе работы солнечного коллектора. Основным элементом его конструкции является адсорбер, представляющий собой медную пластину с приваренной к ней трубой. Поглощая тепло падающих на нее солнечных лучей, пластина (а вместе с ней и труба) быстро нагревается. Это тепло передается циркулирующему по трубе жидкому теплоносителю, а тот в свою очередь транспортирует его далее по системе.

Способность физического тела поглощать или отражать солнечные лучи зависит, прежде всего, от характера его поверхности. Например, зеркальная поверхность отлично отражает свет и тепло, а вот черная, напротив, поглощает. Именно поэтому на медную пластину адсорбера наносится черное покрытие (простейший вариант – черная краска).

Принцип работы солнечного коллектора

1. Солнечный коллектор.
2. Буферный бак.
3. Горячая вода.

4. Холодная вода.
5. Котроллер.
6. Теплообменник.

7. Помпа.
8. Горячий поток.
9. Холодный поток.

Увеличить количество получаемого от солнца тепла можно и путем правильного подбора стекла, прикрывающего адсорбер. Обычное стекло недостаточно прозрачно. Кроме того, оно бликует, отражая часть падающего на него солнечного света. В гелиоколлекторах, как правило, стараются использовать специальное стекло с пониженным содержанием железа, что повышает его прозрачность. Для снижения доли отраженного поверхностью света на стекло наносят антибликовое покрытие. А чтобы внутрь коллектора не попадали пыль и влага, которые тоже снижают пропускную способность стекла, корпус делают герметичным, а иногда даже заполняют инертным газом.

Несмотря на все эти ухищрения, КПД солнечных коллекторов все же далек от 100%, что связано с несовершенством их конструкции. Часть полученного тепла нагретая пластина адсорбера излучает в окружающую среду, нагревая контактирующий с ней воздух. Чтобы свести к минимуму теплопотери, адсорбер необходимо изолировать. Поиск эффективного способа теплоизоляции адсорбера привел инженеров к созданию нескольких разновидностей солнечных коллекторов, самыми распространенными из которых являются плоские и трубчатые вакуумные.

Плоские солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы.

Конструкция плоского солнечного коллектора предельно проста: это металлический короб, покрытый сверху стеклом. Для теплоизоляции дна и стенок корпуса, как правило, используется минеральная вата. Вариант этот далеко не идеален, поскольку не исключен перенос тепла от адсорбера к стеклу посредством воздуха, находящегося внутри короба. При большой разнице температур внутри коллектора и снаружи потери тепла бывают довольно существенными. В результате плоский гелиоколлектор, прекрасно функционирующий весной и летом, зимой становится крайне неэффективным.

Устройство плоского солнечного коллектора

1. Впускной патрубок.
2. Защитное стекло.

3. Абсорбционный слой.
4. Алюминиевая рама.

5. Медные трубки.
6. Теплоизолятор.
7. Выпускной патрубок.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы.

Вакуумный солнечный коллектор представляет собой панель, состоящую из большого количества сравнительно тонких стеклянных трубок. Внутри каждой из них расположен адсорбер. Чтобы исключить перенос тепла газом (воздухом), трубки вакуумированы. Именно благодаря отсутствию газа вблизи адсорберов, вакуумные коллекторы отличаются низкими теплопотерями даже в морозную погоду.

Устройство вакуумного коллектора

1. Теплоизоляция.
2. Корпус теплообменника.
3. Теплообменник (коллектор)

4. Герметичная пробка.
5. Вакуумная трубка.
6. Конденсатор.

7. Поглощающая пластина.
8. Тепловая трубка с рабочей жидкостью.

Области применения солнечных коллекторов

Главное назначение солнечных коллекторов, как и любых других теплогенераторов, – отопление зданий и подготовка воды для системы горячего водоснабжения. Осталось выяснить, какой именно тип гелиоколлекторов лучше подходит для выполнения той или иной функции.

Плоские солнечные коллекторы, как мы выяснили, отличаются хорошей производительностью в весенне-летний период, но малоэффективны зимой. Из этого следует, что использовать их для отопления, потребность в котором появляется именно с наступлением холодов, нецелесообразно. Это, однако, не означает, что для данного оборудования вовсе не найдется дела.

У плоских коллекторов есть одно неоспоримое преимущество – они существенно дешевле вакуумных моделей, поэтому в тех случаях, когда планируется использовать солнечную энергию исключительно летом, имеет смысл приобретать именно их. Плоские гелиоколлекторы прекрасно справляются с задачей подготовки воды для ГВС в летний период. Еще чаще их используют для подогрева до комфортной температуры воды в открытых бассейнах.

Трубчатые вакуумные коллекторы более универсальны. С приходом зимних холодов их производительность снижается не столь существенно, как в случае плоских моделей, а значит, они могут использоваться круглогодично. Это дает возможность задействовать подобные гелиоколлекторы не только для горячего водоснабжения, но и в системе отопления.

Сравнение плоских и вакуумных солнечных коллекторов.

Расположение солнечных коллекторов

Эффективность гелиоколлектора напрямую зависит от количества солнечного света, попадающего на адсорбер. Из этого следует, что коллектор должен располагаться на открытом пространстве, куда никогда (или, по крайней мере, максимально долго) не падает тень от соседних зданий, деревьев, расположенных вблизи гор и т. д.

Большое значение имеет не только расположение коллектора, но и его ориентация. Самой «солнечной» стороной в нашем северном полушарии является южная, а значит, в идеале «зеркала» коллектора должны быть развернуты строго на юг. Если технически сделать этого невозможно, то следует выбрать направление, максимально приближенное к южному, – юго-запад или юго-восток.

Не следует выпускать из внимания и такой параметр, как угол наклона гелиоколлектора. Величина угла зависит от отклонения положения Солнца от зенита, которое в свою очередь определяется географической широтой той местности, в которой будет эксплуатироваться оборудование. Если угол наклона будет выставлен неправильно, то существенно возрастут оптические потери энергии, поскольку значительная часть солнечного света будет отражаться от стекла коллектора и, следовательно, не достигнет абсорбера.

Как подобрать солнечный коллектор нужной мощности

Если вы хотите, чтобы отопительная система вашего дома справлялась с задачей поддержания в помещениях комфортной температуры, а из кранов текла горячая, а не еле теплая вода, и при этом планируете использовать в качестве генератора тепла солнечный коллектор, нужно заранее вычислить необходимую мощность оборудования.

При этом потребуется учесть довольно большое количество параметров, в том числе назначение коллектора (ГВС, отопление или их комбинация), потребности объекта в тепле (суммарная площадь обогреваемых помещений или средний суточный расход горячей воды), климатические особенности региона, особенности установки коллектора.

В принципе, произвести подобные расчеты не так уж и сложно. Производительность каждой модели известна, а значит, вы без труда оцените количество коллекторов, необходимое для обеспечения дома теплом. Компании, занимающиеся выпуском солнечных коллекторов, обладают информацией (и могут предоставить ее потребителю) об изменении мощности оборудования в зависимости от географической широты местности, угла наклона «зеркал», отклонения их ориентации от южного направления и т. д., что позволяет внести необходимые поправки при расчете производительности коллектора.

При подборе необходимой мощности коллектора очень важно достичь баланса между нехваткой и избытком генерируемого тепла. Специалисты рекомендуют ориентироваться на максимально возможную мощность коллектора, т. е. использовать в расчетах показатель для самого продуктивного летнего сезона. Это идет в разрез с желанием среднестатистического пользователя взять оборудование с запасом (т. е. посчитать по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватала и в менее солнечные осенние и зимние дни.

Однако если вы пойдете по пути выбора солнечного коллектора повышенной мощности, то на пике его производительности, т. е. в теплую солнечную погоду, вы столкнетесь с серьезной проблемой: тепла будет производиться больше, чем потребляться, а это грозит перегревом контура и прочими малоприятными последствиями. Существует два варианта решения этой задачи: либо устанавливать маломощный солнечный коллектор и в зимний период параллельно подключать резервные источники тепла, либо приобрести модель с большим запасом по мощности и предусмотреть при этом пути сброса избыточного тепла в весенне-летний сезон.

Стагнация системы

Поговорим чуть подробнее о проблемах, связанных с переизбытком генерируемого тепла. Итак, предположим, что вы установили достаточно мощный гелиоколлектор, способный полностью обеспечить теплом отопительную систему вашего дома. Но наступило лето, и потребность в отоплении отпала. Если у электрического котла можно отключить электропитание, у газового – перекрыть подачу топлива, то над солнцем мы не властны – «выключить» его, когда стало слишком жарко, нам не под силу.

Стагнация системы – одна из главных потенциальных проблем солнечных коллекторов. Если из контура коллектора забирается недостаточно тепла, происходит перегрев теплоносителя. В определенный момент последний может закипеть, что приведет к прекращению его циркуляции по контуру. Когда теплоноситель остынет и конденсируется, работа системы возобновится. Однако далеко не все виды теплоносителей спокойно переносят переход из жидкого состояния в газообразное и обратно. Некоторые в результате перегрева приобретают желеобразную консистенцию, что делает невозможной дальнейшую эксплуатацию контура.

Избежать стагнации поможет лишь стабильный отвод производимого коллектором тепла. Если расчет мощности оборудования сделан правильно, вероятность возникновения проблем практически нулевая.

Однако даже в этом случае не исключено возникновение форс-мажорных обстоятельств, поэтому следует заранее предусмотреть способы защиты от перегрева:

1. Установка резервной емкости для накопления горячей воды. Если вода в основном баке системы горячего водоснабжения достигла установленного максимума, а гелиоколлектор продолжает поставлять тепло, автоматически произойдет переключение, и вода начнет греться уже в резервной емкости. Созданный запас теплой воды можно будет использовать для бытовых нужд позже, в пасмурную погоду.

2. Подогрев воды в бассейне. У владельцев домов с бассейном (не важно, крытым или размещенным под открытым небом) имеется прекрасная возможность отводить излишки тепловой энергии. Объем бассейна несравнимо больше объема любого бытового накопителя, из чего следует, что вода в нем не нагреется так сильно, что уже не сможет поглощать тепло.

3. Слив горячей воды. При отсутствии возможности тратить избыток тепла с пользой можно попросту сливать небольшими порциями нагретую воду из накопительного резервуара для ГВС в канализацию. Поступающая при этом в емкость холодная вода будет понижать температуру всего объема, что позволит продолжать отводить тепло от контура.

4. Внешний теплообменник с вентилятором. Если гелиоколлектор обладает большой производительностью, избыток тепла может быть тоже очень велик. В этом случае система оборудуется дополнительным контуром, заполненным хладагентом. Этот дополнительный контур сопряжен с системой посредством теплообменника, оснащенного вентилятором и монтируемого за пределами здания. При возникновении риска перегрева избыточное тепло поступает в дополнительный контур и через теплообменник «выбрасывается» в воздух.

5. Сброс тепла в грунт. Если помимо солнечного коллектора в доме имеется грунтовый тепловой насос, избыток тепла можно направить в скважину. При этом вы решаете сразу две задачи: с одной стороны, защищаете контур коллектора от перегрева, с другой – восстанавливаете истощенный за зиму запас тепла в грунте.

6. Изоляция гелиоколлектора от прямых солнечных лучей. Этот способ с технической точки зрения один из самых простых. Конечно, забираться на крышу и занавешивать коллектор вручную не стоит – это тяжело и небезопасно. Гораздо рациональнее установить дистанционно управляемый заслон, наподобие рольставень. Можно даже подключить блок управления заслоном к контроллеру – при опасном повышении температуры в контуре коллектор будет закрываться автоматически.

7. Слив теплоносителя. Этот способ можно считать кардинальным, но в то же время он довольно прост. При возникновении риска перегрева теплоноситель посредством насоса сливается в специальную емкость, интегрированную в контур системы. Когда условия вновь станут благоприятными, насос вернет теплоноситель в контур, и работа коллектора будет восстановлена.

Другие компоненты системы

Недостаточно просто собрать излучаемое солнцем тепло. Нужно его еще транспортировать, накопить, передать потребителям, нужно контролировать все эти процессы и т. д. А это означает, что помимо расположенных на крыше коллеторов система содержит множество других компонентов, может быть менее заметных, но при этом не менее важных. Остановим ваше внимание лишь на некоторых из них.

Теплоноситель

Функцию теплоносителя в контуре коллектора может выполнять либо вода, либо незамерзающая жидкость.

Вода имеет ряд недостатков, накладывающих определенные ограничения на использование ее в качестве теплоносителя в гелиоколлекторах:

• Во-первых, при отрицательных температурах она застывает. Чтобы замерзший теплоноситель не разорвал трубы контура, с приближением холодов его придется сливать, а значит, зимой вы не получите от коллектора даже небольших количеств тепловой энергии.
• Во-вторых, не слишком высокая температура кипения воды может стать причиной частых стагнаций в летний период.

Незамерзающая жидкость в отличие от воды обладает значительно более низкой температурой замерзания и несравнимо более высокой температурой кипения, что повышает удобство использования ее в качестве теплоносителя. Однако при высоких температурах «незамерзайка» может претерпеть необратимые изменения, поэтому ее следует оберегать от чрезмерного перегрева.

Насос адаптированный для гелиосистем

Для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя по контуру коллектора необходим насос, адаптированный для гелиосистем.

Теплообменник для ГВС

Перенос тепла от контура гелиоколлектора к воде, используемой в ГВС, или к теплоносителю системы отопления осуществляется посредством теплообменника. Как правило, для накопления горячей воды используют резервуар большого объема с уже встроенным теплообменником. Рационально использовать баки с двумя и более теплообменниками: это позволит забирать тепло не только у солнечного коллектора, но и у других источников (газовый или электрический котел, тепловой насос и т. д.).

Автоматика

Такой сложной системе не обойтись без автоматики, осуществляющий контроль и управление процессом. Контроллер позволяет автоматизировать работу коллектора: он осуществляет анализ температуры в контуре и накопительном резервуаре, управляет насосом и клапанами, ответственными за движение теплоносителя по контуру. При перегреве теплоносителя в контуре и воды в баке контроллер отдаст команду на сброс тепла в альтернативный теплоприемник – дополнительный резервуар с водой или уличный воздушный теплообменник.

Если в конце светового дня температура воды в накопительной емкости превысит температуру теплоносителя в контуре коллектора, автоматика остановит циркуляцию теплоносителя по контуру, чтобы накопленное тепло не выбрасывалось в атмосферу через сам коллектор. Современные контроллеры дают возможность удаленно следить за работой системы и при необходимости вносить корректировки.

Сегодня не составит труда найти на рынке гелиоколлектор и любой из компонентов, необходимых для его работы. Вполне реально собрать систему из купленных по отдельности элементов. Однако производители предлагают уже готовые комплекты, которые включают в себя коллектор, насосы, накопительные резервуары, управляющую автоматику и т. д. Приобретение такого комплекта – это не только экономия вашего времени, но и гарантия работоспособности системы.

Если вы заметили ошибку, не рабочее видео или ссылку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Воздушный солнечный коллектор для отопления дома своими руками: принцип работы, сборка устройства

Солнце — мощный источник энергии, который люди научились использовать для своих нужд. Простейший пример того, как солнечные лучи могут применяться с пользой, — ёмкость для душа, выкрашенная в чёрный цвет. Более сложная и функциональная конструкция, которую можно сделать своими руками, — воздушный солнечный коллектор. С помощью такого оборудования можно не только подогревать воду, но и отапливать дом.

Отопление дома с помощью солнечного коллектора не единственная его функция

Принцип действия

Все солнечные коллекторы работают по одному принципу: энергия ультрафиолетовых лучей преобразуется в тепло. Основной элемент конструкции — коллектор, внутри которого находятся тонкие трубки с теплоносителем. В качестве последнего обычно используют антифриз или воду.

Теплоноситель перемещается по трубкам и нагревается под воздействием солнечных лучей. По трубкам он циркулирует внутри бака, в котором находится вода. В то время как основной объём жидкости нагревается, теплоноситель остывает, и за счёт этого происходит его циркуляция по трубам. Принцип похож на то, как функционирует система охлаждения в автомобилях: избыточное тепло отводится от двигателя и расходуется, например, на поддержание температуры в салоне.

Отличие воздушно-солнечного коллектора от системы охлаждения в авто состоит в следующем: тепло не просто отводится из одного места в другое, а выполняет определённую функцию. С каждым годом солнечные коллекторы получают всё большее распространение, и учёные уверены, что именно за этими приборами будущее.

В скором времени, скорее всего, солнечные батареи будут в каждом частном доме

Интересные факты, свидетельствующие о том, что в скором времени солнечные лучи везде будут использоваться как источник энергии:

• воздушный солнечный коллектор для отопления дома устроен сравнительно просто, и его можно сделать своими руками;
• полученную энергию можно аккумулировать и направлять на различные нужды;
• тепло не нуждается в транспортировке, а применяется там же, где и было получено;
• процесс преобразования солнечной энергии в тепловую безвреден для окружающей среды;
• коллекторы не нуждаются в дорогостоящем обслуживании, уход за ними минимален;
• солнечная энергия бесконечна и практически бесплатна.

Но у этого источника тепла есть и минусы. Один из них — невозможность получать энергию солнца ночью. Другие недостатки:

• эффективность работы оборудования прямо зависит от характеристик инсоляции, т.е. в пасмурную погоду, а также в период, когда световой день короткий, тепловой энергии удаётся получить меньше;
• создание и установка коллектора потребуют финансовых и временных затрат;
• в зимний период КПД заметно снижается.

В этом видео вы узнаете, все о воздушном солнечном коллекторе:

Классификация устройств

Солнечные коллекторы подразделяются на двухконтурные и одноконтурные. Первый тип более распространён. В устройстве с двумя контурами по одному из них циркулирует вода, по второму — теплоноситель. Такой коллектор используется круглогодично.

Что касается одноконтурного оборудования, оно пригодно к применению только в безморозный период, так как внутри теплоносителя находится вода, способная замёрзнуть и разрушить трубки.

По принципу работы коллекторы также делятся на несколько групп:

• воздушные;
• плоские;
• вакуумные;
• концентраторы.

Существуют несколько видов моделей, например, воздушные

Воздушные модели

Особенность этих коллекторов — невысокая эффективность. Воздух плохо проводит тепло, хотя он и способен нагреваться. Главное преимущество — возможность круглогодичного использования. Поскольку воздух не замерзает, нет риска, что трубки будут повреждены. Конструктивно этот тип коллектора отличается надёжностью и простотой. Такое оборудование подходит для отопления разных типов помещений, включая:

• жилые дома;
• подвалы;
• овощехранилища;
• цеха;
• гаражи;
• склады.

Основной элемент коллектора — ребристая панель, выполняющая функции теплоприёмника. Обычно она изготовлена из стали, алюминия или меди. Внутри панель разделена на ячейки. Воздух циркулирует между рёбрами и подогревается, отдавая тепло в помещение. Охлаждённый теплоноситель перемещается обратно в основную часть коллектора.

Воздушный солнечный коллектор из пивных банок : последствия работы после зимы:

В России воздушный коллектор в качестве основного источника отопления целесообразно использовать на юге, и только в маленьких помещениях, предназначенных для временного проживания. В остальных случаях, а также в регионах с суровым климатом, лучше применить модель другого типа.

Плоский источник тепла

Основное достоинство плоского солнечного коллектора — простота конструкции. Оборудование довольно надёжно, но имеет сравнительно низкий коэффициент полезного действия. Устройство собрано по принципу сэндвича и включает в себя следующие элементы:

• защитное стекло;
• медные трубки, заполненные теплоносителем;
• теплоизоляционный слой;
• алюминиевую раму;
• крепёж;
• абсорбент.

В качестве поглощающей поверхности (абсорбента) выступает пластина. Её окрашивают в чёрный цвет, чтобы поглощение солнечных лучей было максимальным. Стекло применяется для создания парникового эффекта. Благодаря ему тепло не уходит, а нагревает абсорбент. Такую конструкцию несложно собрать самостоятельно, а служить она может более 10 лет.

Существует модель на вакууме, которая имеет свои особенности

Оборудование на вакуумных элементах

Коллекторы вакуумного типа имеют в своей основе запаянные трубки, наполненные теплоносителем, и теплосборник. Трубки выполнены из стекла, покрытого специальным напылением, позволяющим лучше аккумулировать тепло. Благодаря вакууму предотвращаются потери тепла. В процессе циркуляции жидкость из вакуумных трубок поступает сначала в теплосборник, а затем в накопительный бак с водой. Охлаждённый теплоноситель возвращается обратно в систему.

У вакуумного (вакуумированного) устройства более высокий коэффициент полезного действия, чем у плоского и воздушного. С помощью этого коллектора удобно нагревать воду. Конструкция хороша тем, что трубки можно добавлять и убирать, когда увеличивается или уменьшается потребность в горячей воде.

Мой воздушный коллектор-сборка перед экспуатацией:

Существует много вариантов вакуумных устройств, в том числе такие, где стеклянные трубки находятся одна в другой, а в наружной находится вода. Недостаток моделей этого типа — сложность изготовления. Создать вакуум в домашних условиях нереально. На предприятиях есть такая возможность, тем не менее процесс изготовления вакуумированных коллекторов обходится недёшево.

Сборка своими руками

Коллектор, работающий на солнечной энергии, можно как собрать, так и купить в готовом виде. Второй вариант неудобен тем, что с увеличением площади поглощения возрастает цена. При этом от размеров поглощающей поверхности зависит мощность. Сборка воздушного коллектора своими руками — оптимальный вариант для тех, кто не желает переплачивать. Для изготовления не нужны дорогие инструменты и материалы: в простейшем варианте отопительное устройство собирается из алюминиевых банок.

Выбирая из разных типов конструкций, лучше остановиться на воздушном или плоском устройстве. Главное — суметь предотвратить потери тепла. Если получится это сделать, конструкция окупится за несколько недель.

Первый этап — выбор места, где будет стоять устройство. Оно должно освещаться солнцем как можно дольше. Панели ориентируют на юг, причем желательно, чтобы их можно было поворачивать, регулируя угол наклона. Так удастся добиваться максимального уровня инсоляции в разное время года. Например, зимой солнце находится ниже над горизонтом, чем летом.

Воздушный солнечный коллектор:

Для уменьшения потерь тепла коллектор располагают как можно ближе к помещению, которое планируют обогревать. В частности, можно установить его на фронтон или южную сторону кровли. Ещё один важный момент — тени от ограждений, деревьев и других высоких объектов. Зимой они бывают длиннее, и нужно это учитывать. Коллектор следует ставить так, чтобы тени не попадали на него в любое время года.

Когда выбрано место, приступают к изготовлению. Алюминиевые банки подходят лучше, чем что-либо другое, потому что металл хорошо нагревается и проводит тепло. Ёмкости без проблем стыкуются между собой, так как имеют одинаковые размеры, а при необходимости их можно резать и сгибать.

Данную систему отопления можно собрать и своими руками

Собрав достаточное количество алюминиевых банок, прорезают в них отверстия с обеих сторон. Стыкуют между собой и склеивают места соединений герметиком. Конструкцию из банок окрашивают чёрной краской и укладывают в панель. Затем присоединяют трубки для отведения и подведения воздуха. Подойдут элементы, предназначенные для монтажа вентиляционных систем. С задней стороны панели монтируют теплоизоляционный материал, с передней — укрепляют стекло или сотовый поликарбонат. Готовый коллектор может работать без дополнительного оборудования, но для повышения эффективности можно подключить к нему вентилятор.

Другой вариант — объединить устройство с вентиляционной системой жилого помещения. Проходя через систему, воздух будет нагреваться на 30-35 градусов.

Самодельный коллектор даёт возможность организовать водяное отопление дома. В этом случае функцию теплоприёмников выполняют полиэтиленовые шланги, металлические трубы, алюминиевые или чугунные батареи. Для круглогодичного использования сооружают двухконтурный коллектор. Теплоноситель — антифриз или тосол.

Собрав солнечный коллектор воздуха своими руками, можно полностью покрыть потребность в горячей воде и уменьшить расходы на обогрев помещения.

Воздушный солнечный коллектор из профнастила своими руками: