Солнечный коллектор: устройство, виды, критерии подбора, подключение к системе, плюсы и минусы, особенности работы в разных регионах

Гелиосистемы устанавливаются в частных домах, коттеджах, бассейнах, хостелах и других зданиях для обеспечения ГВС. Солнечные водонагреватели для частного

Виды и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Гглавный принцип действия солнечных коллекторов заключен в концентрации света на адсорбере, превращении его в тепло и передаче смеси воды и незамерзающей жидкости, служащей носителем.

На вид это широкая плоская конструкция, состоящая из накопителя (адсорбера) и змеевика, расположенного под ним. Для защиты адсорбера используют ударопрочное стекло или прозрачный поликарбонат.

Схема отопления

За световой день гелиосистема накапливает энергию Солнца, которая нагревает жидкость, запуская процесс естественной циркуляции. В более дорогих системах разгонять теплоноситель помогает насос.

Эффективность работы установки зависит от количества солнечного света, угла попадания лучей на накопитель, длины светового дня, степени прозрачности защитного покрытия.

Существует ряд разновидностей гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды и отопления.

Плоские высокоселективные

Самым популярным типом бытовых гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды, считаются плоские высокоселективные гелиосистемы. Они состоят из листа меди, покрытого слоем темной краски, приваренной к нему системы труб и прозрачного защитного корпуса, в качестве которого применяют антибликовый стеклянный лист. Минус плоских систем — ощутимые теплопотери. Повысить КПД позволяет герметичность корпуса, исключающая попадание внутрь влаги и пыли, и применение стекла с повышенным уровнем прозрачности.

Плоские высокоселективные

В солнечные месяцы при ярком и рассеянном свете плоские гелиоколлекторы неплохо выполняют свою задачу, не допуская существенного снижения температуры воды в нагревателе даже ночью. С укорачиванием светового дня высокоселективные системы становятся малоэффективными.

Принцип действия солнечных коллекторов этого вида следующий.

  1. Солнечные лучи попадают на накопитель.
  2. Металл аккумулирует тепло и проводит к трубкам, располагающимся под абсорбером.
  3. Температура жидкости в змеевике растет, вода поднимается.
  4. Теплая вода попадает в накопительный бак.
  5. Остывшая жидкость опускается вниз.

Подогрев продолжается все время, пока адсорбер отдает тепло, а ускорить теплообмен можно с помощью помпы.

Вакуумные трубчатые

Вакуумные гелиосистемы — это панели, в которых находятся тонкие стеклянные колбы. Каждая колба изготовлена из двух слоев стекла, между которыми образуется безвоздушное пространство. Внутри поверхность трубки покрыта слоем вещества, аккумулирующим световую энергию. В центре колбы — медный патрубок с носителем тепла, соединенный со змеевиком.

Вакуумные трубчатые

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов следующий:

  1. Накопительный слой внутри трубки поглощает солнечную радиацию.
  2. Выработанное тепло передается патрубку, в котором заключен теплоноситель.
  3. При достижении необходимой температуры содержимое патрубка испаряется и поднимается вверх, где передает тепловую энергию жидкости, циркулирующей по системе с помощью насоса.
  4. Теплоноситель конденсируется и возвращается вниз колбы, где процесс начинается снова.

Вакуум, заключенный в стеклянной колбе, дает высокую степень теплоизоляции, гарантирующую эффективную работу системы даже при низком температурном режиме.

Данный принцип работы солнечного коллектора для отопления дома обеспечивает эффективность работы системы как весной и летом, так и на протяжении года. Благодаря универсальности технология может применяться практически повсеместно:

  • в частных домах;
  • производственных зданиях;
  • офисах
  • больницах;
  • санаториях;
  • отелях;
  • спортивных комплексах;
  • для подогрева воды в бассейне и т. д.

Для теплого периода устанавливают прямоточные вакуумные гелиоустановки. Принцип действия солнечных коллекторов прямоточного типа состоит в циркуляции жидкости в системе под давлением насоса или естественным образом. Современные модели оснащены автоматикой, которая после нагрева воды в баке переключается на систему отопления.

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов, предлагаемых для всесезонного отопления, идентичен действию классической отопительной системы закрытого цикла. В змеевик, расположенный под поглотителем, помещена незамерзающая жидкость, которая при нагреве двигается к накопительной емкости. Установка оснащена насосом, температурными датчиками и расширительным баком, предохраняющим систему от повышения давления в случае, если горячая вода не используется.

Благодаря этой цепочке достойно работает солнечный коллектор и зимой, позволяя владельцам существенно сократить расходы на отопление.

Концентрационные

Концентрационные гелиосистемы наиболее дорогие. Они предназначены для обогрева больших площадей, цехов на крупных предприятиях. Эффективность концентрационных гелиосистем обусловлена способом их действия — максимальным поглощением солнечной радиации и трансформацией ее в тепло.

Концентрационные

Для достижения наибольшей продуктивности в систему вводятся концентраты, содержащие параболацилиндрические отражатели. Элементы размещаются под аккумулирующей пластиной, концентрируют в себе солнечный цвет и многократно отражают энергию на поглотитель. Технология направлена на увеличение эксплуатационной температуры оборудования до +120°С…+250°С.

Воздушные

Воздушные гелиосистемы — самые простые из солнечных коллекторов, которые эксплуатируются с целью:

  • дополнительного обогрева воздуха в комнате;
  • вентиляции — воздушные гелиосистемы активно применяют фермеры, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха на складах с урожаем;
  • просушивания помещения — оборудование устанавливают в банях и крытых бассейнах.

На вид это плоская конструкция, состоящая из алюминиевой рамы, с темным листом поглотителя внутри. Под накопителем оборудована система воздуховодов, сверху — прозрачное стекло. Дополнительно система утеплена стекловатой. Принцип действия воздушных солнечных коллекторов состоит в нагреве поглощающей пластины и подаче теплого воздуха в помещение.

воздушные

Воздушные коллекторы подразделяются на системы с естественной и принудительной циркуляцией. В последнем варианте в конструкцию монтируется вентилятор.

Что такое солнечный коллектор

Солнечный коллектор — это устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую для нагрева теплоносителя. Нагретая вода может применяться для отопления или для ГВС.

Устройство солнечного коллектора отличается сравнительной простотой. Его основным элементом является адсорбер — медная пластина, которая соединяется с трубопроводом для циркуляции воды в системе. Адсорбер покрывается специальным черным покрытием для максимально эффективного поглощения солнечных лучей. При нагреве медной пластины от солнца происходит нагревание и воды в трубе. После этого она подается в систему отопления или горячего водоснабжения.

Адсорбер для защиты от внешних воздействий покрывается закаленным стеклом. Качественные характеристики стекла оказывают большое влияние на эффективность солнечного коллектора для нагрева воды. Обычное стекло оказывается недостаточно прозрачным, что приводит к увеличению потерь энергии. Кроме того, эти потери растут также за счет его бликования, в результате которого часть солнечного света отражается. Чтобы повысить КПД гелиоколлектора, для его оснащения применяют специальное стекло, состав которого отличается уменьшенным содержанием железа, что делает его более прозрачным. Также используются антибликовые покрытия. В некоторых случаях вместо стекла может использоваться поликарбонат.

Для эффективной работы солнечного коллектора он выполняется в герметичном корпусе. Это дает возможность предотвратить попадание в пространство между стеклом и пластиной адсорбера влаги и пыли, рассеивающей солнечный свет. Также в это пространство может закачиваться инертный газ, что позволяет снизить переход тепла от медной пластины к стеклу.

Специфика применения

В отличие от теплогенераторов и тепловых насосов, преобразующих энергию из согретых солнцем грунтовых вод и воздушных масс, солнечные коллекторы работают от прямых солнечных лучей, воздействующих на их поверхность. Единственный нюанс гелиоколлекторов заключается лишь в том, что ночью они находятся в пассивном режиме.

На суточную производительность гелиоустановки влияют такие факторы, как:

  • Продолжительность светового дня, которая в свою очередь зависит от географической широты региона и времени года. Так, например, в Центральной части России летом солнечный коллектор будет функционировать по максимуму, а зимой – по минимуму. Это связано не только с длительностью дня, но и изменением угла падения солнечных лучей на гелиопанели;
  • Климатические особенности региона. Как правило, на территории нашей страны имеется множество участков, над которыми больше 200 дней в году солнце скрывается за слоями туч или за пеленой тумана. Несмотря на то, что гелиоколлектор может улавливать даже рассеянные солнечные лучи, в пасмурную погоду его продуктивность значительно уменьшается.

Принцип действия гелиосистемы

Принцип работы солнечного коллектора для дома, коммерческого или офисного здания заключается в нагревании им воды для нужд отопления или ГВС. Циркуляция воды может быть естественной или принудительной.

При естественной вентиляции гелиоколлектор устанавливается ниже уровня буферного бака. Часто его устанавливают непосредственно на грунте. Такая система отличается малой производительностью, что не позволяет его использовать для нужд капитальных зданий. Обычно коллекторы с естественной циркуляцией применяют для обслуживания временных сооружений.

Наиболее распространены гелиосистемы с принудительной циркуляцией, в состав которых входят следующие виды оборудования:

  • солнечный коллектор, который преобразует энергию солнечного излучения в тепло;
  • система трубопровода, соединяющая гелиоколлектор с теплообменником;
  • циркуляционный насос, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе;
  • контроллер, обеспечивающий автоматическое управление работой оборудования.

Принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды предусматривает, что передача тепловой энергии от нагретого теплоносителя контуру ГВС или отопления осуществляется в теплообменнике. Его зачастую дополнительно оборудуют ТЭНом для подогрева теплоносителя в периоды, когда солнечной энергии недостаточно для достижения требуемой температуры.

Учитывая, как работает солнечный коллектор, особые требования предъявляются к параметрам теплоносителя. Это должна быть нетоксичная жидкость с высокой морозостойкостью, не испаряющаяся при высоких температурах. Обычно для этой цели используют водогликолевые растворы (40%).

Автоматика обеспечивает управление циркуляционным насосом и при необходимости включает дополнительный ТЭН. Это позволяет поддерживать требуемый нагрев теплоносителя для поддержания заданной температуры горячей воды или температуры внутри помещений.

Принцип работы солнечного коллектора

Хоть принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды и обогрева дома для всех типов гелиоустановок одинаков (Солнце греет адсорбер, который передает энергию носителю), при покупке системы следует учесть характеристики оборудования.

Высокоселективные коллекторы отличаются невысокой ценой и простотой эксплуатации. Летом они помогают сэкономить до 50% расходов на ГВС в Центральных регионах и в областях Средней полосы России.

Для северных областей плоские системы будут малоэффективны в связи с тем, что среднегодовой уровень инсоляции там ниже, как и температура воздуха. Поэтому на севере применяют вакуумные коллекторы, работающие с минимальной потерей тепла. Но чем короче световой день, тем ниже продуктивность системы. Также на КПД оборудования влияют погодные условия региона, угол наклона и место, где установлен коллектор, площадь отапливаемого помещения.

Как работает солнечный коллектор зимой

Одна из причин, по которой жители России с опаской относятся к гелиосистемам — уверенность в том, что гелиоколлектор зимой работать не может. Но вакуумные системы справляются со своей задачей. Они способны аккумулировать рассеянную солнечную радиацию даже в пасмурную погоду, не теряют тепловую энергию и отличаются приличным КПД.

солнечный коллектор зимой

Владельцы плоских гелиосистем описывают ряд проблем, с которыми им пришлось столкнуться в холодное время года.

  • Пластину часто засыпает снегом, особенно в безветренную погоду.
  • Имеют место большие теплопотери из-за низкой температуры.
  • Физическое повреждение градом.

Неудобства исчезают, когда речь заходит о вакуумном коллекторе.

  • Снег на нем задерживается редко, только при сильном обледенении.
  • Безвоздушное пространство позволяет сохранить 95% энергии.
  • Многократные тесты на ударопрочность подтвердили, что вакуумная трубка устойчива даже к граду, диаметр которого составляет 35 мм, а скорость падения около 18 м/с.

Единственное, что нужно учитывать, — накопительный бак необходимо размещать в теплом помещении либо оборудовать дополнительной теплоизоляцией.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Выбирая место для монтажа гелиосистемы, необходимо подобрать точку, наиболее освещаемую солнцем. Идеально, если это южная сторона дома. Но если такой возможности нет, для установки подойдет место, куда в течение дня не будет попадать тень от деревьев, домов по соседству, рекламных щитов и т. д.

Гелиоколлекторы, эксплуатируемые для промышленных целей, могут располагаться в открытом поле, но при условии, что на них не будет попадать грязь, налипать снег и падать тень.

Важный фактор, который должен быть учтен при подборе места для конструкции — угол наклона, зависящий от широты местности, сезона использования, ориентации коллектора относительно южной стороны.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Мощность гелиосистемы, которая необходима в том или ином случае, зависит от:

  • региона, в котором эксплуатируется оборудование;
  • нужд владельца — ГВС, отопление или то и другое;
  • роли коллектора — основное это оборудование или дополнительное;
  • места установки и уровня наклона конструкции;
  • площади помещения;
  • сезона эксплуатации.

Определить нужную мощность позволяет формула:

Pv = sin A x Pmax x S

Где Pmax — среднегодовой показатель инсоляции на 1 м2 , определенный для конкретного региона;

S — поглощающая площадь оборудования, указанная производителем;

A — уровень наклона плоскости панели по отношению к югу.

При выборе модели нужно ориентироваться на степень мощности оборудования в самое продуктивное время года — летом. Брать систему «с запасом» не стоит — излишняя выработка тепловой энергии может стать губительной для гелиосистемы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

При возникновении ряда обстоятельств солнечный коллектор может перегреться. Это явление называется стагнацией. Обычно такая ситуация возникает, когда владельцы резко сокращают потребление горячей воды, что приводит к избытку тепловой энергии, повреждающей систему.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

Решить вопрос со стагнацией можно несколькими способами.

  • Установить дополнительный резервуар для горячей воды.
  • Использовать излишки для подогрева бассейна.
  • Сбросить нагревшуюся воду небольшими порциями в грунт.
  • Закрыть накопитель от лучей. Для этого заранее монтируются автоматические роллеты.

Еще одна распространенная причина перегрева гелиоколлектора — внезапное отключение электричества в солнечный день. Насос отключается, циркуляция останавливается, тепловая энергия накапливается. Проблему решает установка бесперебойного источника питания.

Виды солнечных коллекторов

В зависимости от устройства и принципа работы солнечных коллекторов различают три основных вида этого оборудования:

  • плоские гелиоколлекторы;
  • трубчатые (вакуумные) гелиоколлекторы;
  • коллекторы-концентраторы.

В российских условиях наиболее широкое применение получили плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Классификация по температурному режиму

Солнечное оборудование для дома часто классифицируют по типу теплоносителя. Сегодня на мировом рынке можно встретить жидкостные и воздушные системы. Кроме этого, коллекторы разделяют по температурному режиму работы, то есть применяется классификация по максимальной температуре нагрева рабочих элементов. Выделяют следующие типы систем:

  • низкотемпературные — теплоноситель для солнечных коллекторов разогревается до 50℃;
  • среднетемпературные — температура циркулирующей жидкости не превышает 80℃;
  • высокотемпературные — максимальная температура материала-теплоносителя может подниматься до 300 градусов.

Первые два варианта больше всего пригодны для домашнего использования, тогда как модели коллекторов с высокотемпературным режимом работы чаще применяют в производственной и промышленной отрасли хозяйства. Это обусловлено тем, что в высокотемпературных системах нагрева воды сам процесс трансформации солнечной энергии в тепло достаточно сложный. При этом такие гелиоустановки занимают большие площади. Не каждый собственник «дачной» недвижимости может позволить себе подобную роскошь.

Плоский гелиопреобразователь

Плоский солнечный коллектор представляет собой автономную панель, состоит из трех компонентов:

  • Поглотитель солнечного излучения. Его красят черной краской или наносят специальное покрытие.
  • Верхнее прозрачное покрытие. Изготавливается из закаленного стекла или поликарбоната.
  • Система трубок, посредством которой прогревается циркулирующий в ней теплоноситель. Как правило, делается из меди.

Задняя сторона панели имеет эффективное теплоизоляционное покрытие. Одна или несколько таких панелей подключаются к подающей линии бака-аккумулятора. Этот вид системы имеет сравнительно низкую стоимость и хорошую производительность в теплые сезоны. Минусом является низкая эффективность при отрицательных температурах и ощутимые теплопотери.

Коллектор-концентратор

В южных широтах, где наибольшее количество ясных дней, получил распространение так называемый концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, расположенных на одной криволинейной поверхности и концентрирующих солнечный свет в определенной точке. Для наибольшей эффективности требуется изменение положения в двух плоскостях вслед за движением солнца по небосводу в течение дня. Солнечные коллекторы для отопления дома такой конструкции не применяются.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Жители Европы давно пришли к выводу, что использовать гелиосистемы — это выгодно, комфортно и экологично. Абсолютный лидер в области европейского прогресса — Германия, за ней идет Греция, в Австрии 15% частных домов оборудованы коллекторами для ГВС. В Европе солнечные коллекторы работают везде — в частных домах, школах, детсадах, больницах, на фермах. В Португалии, Израиле и Испании установка солнечных коллекторов, нагревающих воду, обязательна при строительстве новых домов.

Использование гелиоколлекторов

Площади, которые занимают гелиосистемы в странах Европы, Америке, Японии, Китае, — миллионы квадратных км, тогда как в России эта цифра составляет 30000 км2. Причин несколько — плохая осведомленность людей и низкий уровень достатка.

Сегодня наряду с немецкими, австрийскими и швейцарскими производителями на рынок стран СНГ выходят российские машиностроительные заводы, а также белорусские и украинские производители, которые продают гелиоустановки по ценам ниже зарубежных аналогов.

Отзывы

Мнения по поводу использования солнечных коллекторов на практике расходятся. Положительные отзывы опираются на экологическую чистоту метода и рентабельность использования такого отопления как дополнительного источника горячей воды. Подавляющее число потенциальных пользователей сомневается в способности такой техники справиться с обогревом полноценного дома.

Нередко отзывы содержат споры о целесообразности применения гелиосистем где-то кроме южных территорий. Многие считают коллекторы в средней полосе дорогостоящей игрушкой с непредсказуемой окупаемостью. Большинство видит выгоду только для обогрева теплиц, бассейнов и мелких помещений на летние периоды.

Рассказ пользователя коллектором о первом дне использования

В целом, интерес к альтернативным способам получения тепловой энергии проявляется очень активно. Массы людей, изучающих вопрос углубленно, растут с каждым днем.

В быту и на работе

Применение гелиоустановок решает проблемы с отоплением при ограниченном доступе к газу или электричеству, при недостаточной мощности центрального электроснабжения; в качестве вспомогательной системы отопления, горячего водоснабжения дома, коттеджа, дачи, бассейна позволяет сэкономить значительные средства владельцам. Область применения самая различная:

  • отопление производственных помещений;
  • отопление и горячее водоснабжение жилых зданий, предназначенных для постоянного и временного проживания.
  • отопление учреждений здравоохранения, туристических баз, спортивных комплексов, небольших автономных магазинов.
  • обогрев открытых и закрытых бассейнов;
  • отопление и горячее водоснабжение временных жилых и рабочих помещений.

Производительность солнечного коллектора

Одним из главных факторов, влияющих на уровень производительности гелиосистем, является интенсивность солярной радиации, излучаемой Солнцем на протяжении светового дня. Кроме уровня инсоляции (количество полезного солнечного излучения на единицу площади), на производительность солнечного коллектора влияют и второстепенные факторы: номинальный объем теплоаккумулирующей емкости, материал теплообменника и площадь абсорберов. При выборе солнечного коллектора для дома обращайте внимание на технические характеристики: коэффициенты теплопотерь, параметры оптического КПД, а также апертурную и общую площадь гелиоустановки. Исходя из этих параметров, можно провести анализ эффективности работы и рассчитать максимально допустимую мощность. Если использовать тепловой насос и солнечный коллектор, то можно добиться высокой производительности круглый год.

Воздушные коллекторы

Солнечный коллектор воздушного типа гораздо менее распространен. Применяется он не для подогрева воды, а для нагрева и кондиционирования воздуха. Роль теплоносителя в нем играет собственно воздух, нагреваемый солнечными лучами. По сути, данный коллектор представляет собой ребристую металлическую панель, выкрашенную в черный цвет. Принцип работы его основан на естественной или принудительной подаче в помещения воздуха, который прогревается под панелью под действием солнечных лучей.

Изготовление солнечного коллектора своими руками

Одним из недостатков гелиоколлекторов промышленного производства считается их высокая стоимость. Действительно далеко не каждый имеет свободные средства, чтобы отдать их за наличие горячей воды у себя на даче. Вариант солнечного водонагревателя можно решить, изготовив его своими руками. Характеристики такого водонагревателя будут сильно уступать заводскому, но для того чтобы в условиях дачи умыться и помыть посуду, температуры и расхода воды вполне хватит.

Для изготовления солнечного коллектора своими руками подбираются материалы, которые лежат без дела в подсобном помещении или, в крайнем случае, их можно дешево купить в обычном хозяйственном магазине. Выигрыш в расходах по сравнению с покупкой промышленного образца весьма ощутимый.

Для самостоятельного изготовления в качестве прототипа берется плоский солнечный коллектор. Вакуумный коллектор частным порядком изготовить практически невозможно. Основной задачей в изготовлении самодельного солнечного коллектора будет подбор подходящих материалов для адсорбера — главного конструктивного узла, отвечающего за работоспособность устройства. Существуют варианты, где мастера из народа вместо дорогих меди и алюминия применяют дешевые подручные материалы.

После сборки приемник света из банок окрашивается в черный цвет и может накапливать тепловую энергию в дневное время суток.

приемник света из банок

Кроме приведенных выше вариантов изготовления солнечных самодельных водогрейных устройств, существует много придуманных народными умельцами конструкций: из пластиковых бутылок, резинового шланга и других.

Существует стойкое мнение, что применение солнечных коллекторов дает зримый эффект лишь в южных районах, где много солнечных дней. Однако если обратить внимание на географию пользователей гелиоустановками, то можно найти положительные отзывы от людей, проживающих недалеко от Москвы, а это далеко не юг. С совершенствованием технологии производства солнечных коллекторов и ростом цен на газ, география их применения будет все больше расширяться, в том числе и на широтах ближе к северу.

Солнечный коллектор своими руками

Простейший солнечный преобразователь предусматривает непосредственную передачу тепла солнечного света циркулирующий внутри системы труб воде. Подобную продукцию производила отечественная промышленность в начале этого века. Солнечные коллекторы для дома изготавливались из медной трубки диаметром до 20 мм. Для удобства монтажа и использования она закручивалась в плоскую спираль, имеющую на обоих концах штуцер для подсоединения магистрального трубопровода либо просто садового шланга. Такую спираль можно было разместить на скате крыши дачного домика. Объема горячей воды вполне хватало, чтобы принять душ в конце дня и помыть посуду. Подобный солнечный коллектор своими руками можно сделать из черной пластиковой трубы. Плоский гелиопреобразователь изготавливается с помощью теплообменника от старого холодильника.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...