Принцип работы солнечного коллектора, как выбрать для дома

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор в целом. Все система состоит из следующих элементов:

• сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
• контроллер управления (включая датчики),
• насосная группа,
• накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
• монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Все компании, которые занимаются изготовлением этих систем, дают примерно одинаковые цифры:

• Эффективность для нагрева воды (гвс) – 50-90%.
• Эффективность для отопления дома – до 30%.

Другими словами, эта система может полностью обеспечить дом горячей водой. Отопление дома может покрыть и больше заявленного процента, все зависит от самой системы и количества панелей, а также правильности их установки.

Солнечный коллектор — что это?

В силу удорожания природных ресурсов и привычных источников энергии, таких как газ, уголь и электричество, все больше домовладельцев начинают задумываться о пока еще диковинной системе отопления с использованием солнечной энергии. Возведение так называемых «экодомов» с использованием гелиосистем становится все популярнее, и данная технология медленно, но верно переходит из разряда технических новинок в категорию дорогостоящих, но эффективных альтернативных источников энергии.

Схема подключения солнечного коллектора.

Что же представляет из себя гелиосистема и насколько выгодно ее использование для отопления дома зимой? Если вспомнить законы физики, то всем известно, что солнечные лучи сильнее концентрируются на темных поверхностях и гораздо интенсивнее их нагревают, в отличие от светлых. В народе испокон веков научились применять эту особенность отдачи солнечной энергии, и фактически примитивные гелиосистемы используются повсеместно при устройстве парников, теплиц, летних душевых и так далее.

Возникает естественный вопрос: почему, если солнечная энергия так эффективна, отрасль этой технологии начала развиваться лишь недавно и не вводится в эксплуатацию повсеместно? Ответ на данный вопрос неоднозначен. Большое значение имеет расположение, часовой пояс, длина светового дня, ну, и банальная зависимость от погоды.

Схема плоского солнечного коллектора.

А потому использование гелиосистем в средней полосе не отличается высокой эффективностью, такой как в Средиземноморье, где данная технология введена в обиход повсеместно и практически сократила расходы электроэнергии в два раза.

В условиях короткого светового дня солнечный коллектор целесообразно использовать как дополнительный источник энергии, и говорить о полном переходе на солнечные батареи для генерации тепла пока еще рано. Но тем не менее, исследования в этой области набирают обороты и в силу истощения природных ресурсов становятся все более актуальны. А потому данная технология развивается, совершенствуется и занимает все более обширную нишу в индустрии отопления и энергообеспечения.

Как рассчитать площадь коллектора

Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.

Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.

Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.

Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.

Варианты создания воздушного солнечного коллектора своими руками

Изготовление традиционного воздушного солнечного коллектора для отопления дома своими руками начинается с создания каркаса из деревянных досок. Заднюю и торцевые стенки следует утеплить минватой. Корпус закрепляется на стене. Все зазоры необходимо заизолировать монтажной пеной. По боковым сторонам выполняются отверстия под патрубки для входа и выхода воздушных масс. Наружные элементы надежно обматываются теплоизоляционным материалом.

В качестве абсорбера используется перфорированный металлический лист из алюминия, который характеризуется высокой теплопроводностью и низкой стоимостью. Для увеличения селективных качеств он покрывается черной краской. Сверху укладывается лист из стекла или поликарбоната.

В качестве абсорбера для воздушного коллектора можно использовать водопроводные трубы

Абсорбер может быть выполнен из водопроводных труб прямоугольного сечения, которые устанавливаются на лист из алюминия и фиксируются к нему с помощью монтажной ленты и саморезов. Задняя стенка деревянного корпуса утепляется минеральной ватой, а боковые – пенополистиролом. Трубы окрашиваются в черный цвет и покрываются листом закаленного стекла или поликарбоната.

Еще более простая конструкция изготавливается из профнастила. Каркас выполняется из деревянных брусков. В дне проделывается выходное отверстие. На брус укладывается профнастил со множеством отверстий по всей площади изделия, которые обеспечат приток воздуха.

Хорошим решением является сооружение воздушного коллектора на окне. Это довольно эффективный вариант, позволяющий неплохо обогреть помещение. Каркас изготавливается из алюминиевых рамок и крепится к окну в виде москитной сетки. Задняя стенка выполняется из листа алюминия, в котором проделываются отверстия в нижней, (для забора холодного воздуха) и в верхней (для отведения теплого воздуха) частях. Роль абсорбера может также выполнять черная фольга, которая покрывается защитной пленкой ПВХ.

Эффективность зимой

Эффективно ли отопление дома солнечными коллекторами зимой?

Ну что же, теперь посмотрим, как различные виды солнечных коллекторов работают в условиях зимы. Напомним, что противники внедрения таких установок выдвигают следующие аргументы:

1. Засыпка панели снегом: данная проблема актуальна только для плоско-пластинчатых коллекторов. На трубках вакуумных установок, как показала практика, снег задерживается только в тех редких случаях, когда в силу особых погодных условий на их поверхности образуется изморозь. Если же во время снегопада дует хотя бы слабый ветер (от 3 м/с), панель точно останется чистой.
2. Из-за того, что коллектор окружен холодным воздухом, все тепло с коллектора улетучивается: этот аргумент опять же справедлив только в отношении плоско-пластинчатых коллекторов. Действительно, зимой производительность такой установки в сравнении с летней уменьшается пятикратно. В более совершенных вакуумных моделях прослойка вакуума позволяет сберечь до 95% усвоенного тепла. Самые современные модели даже в сильный мороз способны довести воду до кипения.
3. Коллектор легко может быть поврежден градом: в заводских условиях коллекторы изготавливаются из высокопрочных материалов. В Сети можно найти видеоролики, снятые во время испытаний панелей на ударную прочность. Коллекторы обстреливают стальными шариками и нетрудно заметить, что удар они держат очень хорошо.

Как видно, солнечные коллекторы зимой вполне работоспособны. Хотя, конечно, производительность их в сравнении с летним периодом ощутимо снижается.

Пассивные системы

В состав такой системы входят собственно гелиоколлектор и бак-накопитель. Это простейший вариант, при котором бак располагается выше солнечного нагревателя, а циркуляция теплоносителя происходит естественным путем (разогретый солнцем теплоноситель расширяется, поднимается вверх и проходит через воду бака, нагревая ее).

Нередко в подобные системы входит еще дополнительная емкость-расширитель, так называемая «аванкамера». Это емкость объемом не более 40 л, которая устанавливается в самой верхней точке системы (выше бака примерно на 1 м). Аванкамера оснащается поплавковым сантехническим механизмом (таким же, как в унитазе) и предназначена для поддержания постоянного гидродавления в системе. При превышении давления (увеличении напора воды) часть жидкости уйдет в аванкамеру и давление выровняется.

Преимущества пассивных систем:

• Простота конструкции;
• Легкость установки и подключения;
• Дешевизна.

Однако подогрев воды в пассивных контурах возможен лишь в летнее время, поскольку они не имеют дополнительного источника нагрева и не защищены от промерзания. Эти системы больше подходят для сезонного дачного использования, причем чаще всего их основой является самодельный солнечный коллектор.

Характеристики некоторых моделей коллекторов

Эти устройства хорошо известны на отечественном рынке:

1. ЯSOLAR (Россия). Абсорбер изготавливается из меди. Площадь поверхности поглощающей свет составляет два «квадрата» при габаритах 2065х1073х105 миллиметров. Внутренний объем равен 1,4 литра. Пустой коллектор весит 37 килограммов. Тепловая номинальная мощность — 1,5 кВт при условии интенсивности освещения 900 Вт/кв. м. и температуре на улице 20 °С. Применяется антибликовое стекло толщиной 3,2 миллиметра, имеющее светопрозрачность 92%. Высота теплоизоляционного слоя –60 миллиметров.
2. СОКОЛ-ЭФФЕКТ-А. Материалом изготовления абсорбера является алюминий. Размер поглощающей поверхности 2,06 «квадрата». Тепловая мощность — 1,5 кВт при интенсивности освещения 900 Вт/кв.м. и температуре на улице 20 °С. Параметры прибора 1093 х 2008 х 76,7 миллиметра при внутреннем объеме, равном 1,4 литра. Масса пустого устройства – 32 килограмма. Используется антибликовое стекло толщиной 3,2 миллиметра.
3. KAIROS VT 15B. Прибор размером 1910 х 1840 миллиметров весит 51 килограмм и насчитывает 15 трубок, у которых внешний диаметр 70 миллиметров. Рабочее давление равно 6 атмосферам. Внутренний объем составляет 4,6 литра. Нагрев прекращается при температуре 206 °С. Площадь поглощающей поверхности 1,5 «квадрата».

Что собой представляет солнечный коллектор и принцип его действия

Солнечный тепловой коллектор является техническим устройством, которое способно преобразовывать солнечную энергию в тепловую. Его применяют для получения горячей воды, которая в дальнейшем может быть использована для различных нужд. Главное отличие солнечных коллекторов от других вариантов аналогичной техники заключается в принципе изменения во время нагрева плотности воды. Холодные массы вытесняют наверх нагретый водяной поток, благодаря чему нет необходимости в использовании дополнительного насосного оборудования.

Схема принципа работы солнечного теплового коллектора

Принцип работы устройства состоит в следующем. Солнечная энергия абсорбируется в приемном устройстве, в качестве которого можно использовать медные или стеклянные поверхности темного или черного цвета. Такие материалы характеризуются хорошей способностью поглощения энергии.

Солнечные нагреватели воды удобно располагать на крыше, где много места и куда попадает максимальное количество солнечного света. Здесь такие устройства не занимают полезное пространство и никому не мешают. Далее тепло из накопителя переносится в бак с теплоносителем. Это может быть вода, антифриз или другая жидкость, которая используется в системе отопления.

В большинстве случаев применяется смесь, состоящая из 40% гликоля и 60% дистиллированной воды. Теплоноситель, который нагревается до определенной температуры, подается к радиаторам посредством системы трубопроводов.

Направление движения воды в системе может меняться благодаря смесителю. Остывшая и теплая вода постоянно сменяют друг друга. Такая естественная циркуляция происходит благодаря расширению теплой воды, которая поднимается, вытесняя холодную в нагревательный бак.

Солнечный коллектор – это устройство для преобразования солнечной энергии в тепловую

Эта система отопления должна быть оснащена теплоизоляционным слоем толщиной не менее 25-30 см, что обеспечит ее эффективную и стабильную работу. В качестве накопительной емкости для теплоносителя лучше использовать резервуар прямоугольной формы. Здесь может быть расположен дублирующий нагревательный элемент. Он будет автоматически включаться в работу, когда создаются погодные условия, которые не способствуют нагреву теплоносителя до необходимой температуры.

Отечественные производители солнечных коллекторов для дома

Популярным производителем солнечных коллекторов является компания Новый полюс, которая предлагает широкий ассортимент моделей по демократичным ценам. Особое место занимают плоские устройства, выполненные из алюминия. Теплоноситель циркулирует по медным трубкам, оснащенным двойной изоляционной защитой, благодаря чему обеспечивается эффективная работа системы при низких температурах.

Отечественная компания Новый полюс предлагает широкий ассортимент коллекторов

Оборудование для отопления дома можно приобрести в комплекте с накопительным баком, контроллером температуры и циркуляционным насосом. Средняя цена солнечного коллектора составит 20-22 тыс. руб.

Другим успешным производителем преобразователей солнечной энергии в тепловую является компания АльтЭнергия, которая выпускает плоские и вакуумные коллекторы. Первый вариант изделий может поставляться совместно с бойлером объемом 200-500 л, который работает по принципу косвенного нагрева. Вакуумные коллекторы комплектуются накопительными емкостями на 100-1000 л и циркуляционными насосами.

Плоское устройство будет стоить около 13 тыс. руб. Цена вакуумного солнечного коллектора составит 35-50 тыс. руб.

Плоский солнечный коллектор от АльтЭнергия будет стоить около 13 тыс. рублей

Отечественный производитель АНДИ Групп специализируется на изготовлении коллекторов вакуумного типа. Главной особенностью изделия является их возможность адаптироваться к сложным погодным условиям. Коллекторы способны преобразовывать энергию даже в пасмурные дни. Каждая колба имеет трехслойное покрытие, благодаря которому обеспечивается максимальное поглощение солнечного излучения. Купить солнечный коллектор можно в среднем за 25-35 тыс. руб.

Компания НПО Машиностроения выпускает ряд солнечных коллекторов, которые отличаются простой модификацией, функциональностью и доступной стоимостью. При изготовлении изделий задействуют новейшие технологии. Отличительной чертой коллекторов является наличие многослойного поглотителя, который наносится на абсорбер способом магнитного напыления. Данный слой способствует максимальному захвату и удержанию солнечной энергии, благодаря чему КПД устройств составляет 85-90%. Купить гелиосистему можно за 15-20 тыс. руб.

Популярные модели

Мы взяли для примера 4 модели. Три из них — в пределах 10 000 рублей.

Ariston MARCO POLO GI7S 11L FFI

Это экономичная турбированной модель проточного типа. Версия нового поколения отличается:

• стильным дизайном;
• сенсорным экраном;
• многоступенчатой системой безопасности;
• стабильным функционированием при пониженном давлении.

Особенности модели «Аристон Марко Поло»:

• электронный розжиг;
• модуляция мощности;
• стабильность подогрева за счет микропроцессорного управления;
• отображение температуры на цифровом индикаторе;
• функция самодиагностики;
• в качестве топлива можно использовать любой вид газа;
• компактность;
• корпус из нержавеющей стали;
• кнопочная панель управления и ЖК-экран.

Эта безвытяжная версия адаптирована к российским условиям эксплуатации. Гарантия — 2 года. Ориентировочная цена — 17 000 рублей.

Технические параметры:

«Нева» 4505

Это одна из самых популярных мини-колонок на отечественном рынке. Ее стоимость составляет всего 4 500 рублей. Компактный прибор оснащен электронным розжигом, надежен и прост в использовании. Работает на всех видах газа: природном и сжиженном. Срок службы — 10 лет, гарантия — 2 года.

Технические параметры:

«Вектор» JSD 11 N

Розжиг колонки электронный. Уступает в производительности многим конкурентам, но компактна — ее легко разместить на тесной кухне. Миниатюрный нагреватель оснащен медным теплообменником с антикоррозионным покрытием. Есть система газ-контроля и защита от перегревания, также предусмотрено отключение при отсутствии достаточного уровня тяги. Стоимость — около 5 000 рублей.

Технические характеристики:

Grandini GWH JSQ24-С

Полутурбированная версия от итальянского бренда быстро греет воду. Работает в авторежиме, розжиг производится от батареек. Для горения забирается воздух из помещения, поэтому нужно обеспечить хорошую вентиляцию.

Преимущества:

• работает при низком давлении газа;
• имеется стабилизатор давления воды;
• инновационная конструкция горелки;
• теплообменник имеет специальное защитное покрытие;
• простота конструкции и легкий монтаж.

Технические характеристики:

Стоимость — в пределах 8 000 рублей.

Принцип работы и конструкционные особенности

Современные гелиосистемы – один из видов альтернативных источников получения тепла. Они применяются в качестве вспомогательного отопительного оборудования, перерабатывающего солнечное излучение в полезную владельцам дома энергию.

Они способны полностью обеспечить горячее водоснабжение и отопление в холодное время года только в южных регионах. И то, если занимают достаточно большую площадь и установлены на открытых, не затененных деревьями площадках.

Несмотря на большое количество разновидностей, принцип работы у них одинаковый. Любая гелиосистема представляет собой контур с последовательным расположением приборов, и поставляющих тепловую энергию, и передающих ее потребителю.

Основными рабочими элементами являются солнечные батареи на фотоэлементах или солнечные коллекторы.  Технология сборки солнечного генератора на фотопластинах несколько сложнее, чем трубчатого коллектора.

В этой статье мы рассмотрим второй вариант – коллекторную гелиосистему.

Солнечные коллекторы пока служат вспомогательными поставщиками энергии. Полностью переключать отопление дома на гелиосистему опасно из-за невозможности прогнозировать четкое количество солнечных дней

Коллекторы представляют собой систему трубок, соединенных последовательно с выходной и входной магистралью или выложенных в виде змеевика. По трубкам циркулирует техническая вода, воздушный поток или смесь воды с какой-либо незамерзающей жидкостью.

Циркуляцию стимулируют физические явления: испарение, изменение давления и плотности от перехода из одного агрегатного состояния в другое и др.

Принцип действия солнечных коллекторов основан на получении и накапливании солнечной энергии, сообщаемой теплоносителю (+)

Сбор и аккумуляция солнечной энергии производится абсорберами. Это либо сплошная металлическая пластина с зачерненной наружной поверхностью, либо система отдельных пластин, присоединенных к трубкам.

Для изготовления верхней части корпуса, крышки, используются материалы с высокой способностью к пропусканию светового потока. Это может быть оргстекло, подобные полимерные материалы, закаленные виды традиционного стекла.

Для того чтобы исключить потери энергии с тыльной стороны прибора в короб укладывается теплоизоляция

Надо сказать, что полимерные материалы довольно плохо переносят влияние ультрафиолетовых лучей. Все виды пластика имеют достаточно высокий коэффициент теплового расширения, что часто приводит к разгерметизации корпуса. Поэтому использование подобных материалов для изготовления корпуса коллектора стоит ограничить.

Вода в качестве теплоносителя может применяться только в системах, предназначенных для поставки дополнительного тепла в осенне/весенний период. Если планируется круглогодичное использование гелиосистемы перед первым похолоданием техническую воду меняют на смесь ее с антифризом.

В воздушных гелиосистемах в качестве теплоносителя используется воздух. Каналы для его движения можно сделать из обычного профлиста (+)

Если солнечный коллектор устанавливается для обогрева небольшого строения, не имеющего связи с автономным отоплением коттеджа или с централизованными сетями, сооружается простейшая одноконтурная система с нагревательным прибором в начале ее.

В цепочку не включают циркуляционные насосы и нагревательные устройства. Схема предельно проста, но работать она может лишь солнечным летом.

При включении коллектора в двухконтурное техническое сооружение все гораздо сложнее, но и диапазон пригодных для применения дней существенно увеличен. Коллектор обрабатывает только один контур. Преобладающая нагрузка возлагается на основной отопительный агрегат, работающий на электроэнергии или любом виде топлива.

Для изготовления солнечного коллектора можно воспользоваться готовой схемой, можно построить собственную пилотную модель и опробовать ее на практике (+)

Несмотря на прямую зависимость производительности солнечных приборов от количества солнечных дней, они востребованы, и спрос на солнечные устройства стабильно повышается. Популярны они среди народных умельцев, стремящихся направить все виды природной энергии в полезное русло.

Принципы функционирования нагревательных коллекторов

Одной из основных конструкций солнечных отопительных коллекторов являются устройства вакуумного типа. Исходя из названия очевидно, что такие устройства будут собирать лучистую солнечную энергию и передавать ее для нагрева воды или другого теплоносителя. Собственно так и обстоит в реальности.

Системы автономного обогрева, имеющие в своем составе солнечные коллекторы состоят из следующих основных составных частей:

• Собственно солнечный нагревательный коллектор – то есть устройство которое размещается на прямых солнечных лучах и служит для нагрева теплоносителя,
• Контур теплообмена: система трубопроводов, по которой перемещается горячий теплоноситель, постепенно передавая свое тепло в обогреваемые помещения,
• Тепловой аккумулятор: это бак для воды, в котором нагретая вода запасается впрок.

Итак солнечный коллектор, состоящий из труб, в которых находится пока еще не нагретый теплоносителя находится под действием прямых солнечных лучей. Жидкость-теплоноситель (обычно вода, но возможно и специальный антифриз) поступает в коллектор, нагревается там и передается в контур теплообмена, который смонтирован внутри теплового аккумулятора. Нагретый теплоноситель, перемещаясь внутри трубопроводов контура теплообмена нагревает воду в тепловом аккумуляторе. Нагретая вода в баке с функцией аккумуляции тепла хранится вплоть до возникновения необходимости ее использования, например до подачи в контуры отопительной домашней системы и в отопительные радиаторы или в контуры горячего домашнего водоснабжения, например для умывания.

Циркуляция водоснабжения в отопительном коллекторе

Поскольку солнечная энергия воздействует на коллектор совершенно бесплатно, то в системе в любой момент времени имеется нагретая вода, которая подогревается постоянно циркулирующим теплоносителем.

Естественно, что бак теплового аккумулятора должен иметь отличную теплоизоляцию, способствующую сохранению температуры нагретой воды в течении как можно более долгого времени. Это позволит избежать падения температуры воды ночью, когда солнечный нагрев отсутствует или в периоды пасмурной погоды. Для обеспечения бесперебойной работы такой системы в совсем уж облачные или дождливые дни в бак теплового аккумулятора может быть вмонтирован обыкновенный электрический водонагреватель.

Для того, чтобы теплоноситель постоянно переносил тепло солнечных лучей для нагрева воды – он должен постоянно циркулировать. В системах с солнечными коллекторами циркуляция жидкого теплоносителя может быть принудительной (с подачей насосами) или естественной (смотеком).