Принцип работы солнечного коллектора, виды, особенности

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

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

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

Если вы ни разу не имели дело с солнечными коллекторами, то внимательно отнеситесь к их выбору. К примеру, жидкостные плоские и вакуумные модели достаточно сильно отличаются друг от друга по цене и эффективности работы. Вакуумные, к примеру, делаются только фабрично, а плоские часто изготавливаются кустарным способом. Перед покупкой обязательно прочитайте отзывы о разных типах коллекторных установок. Вам станет понятно, какие результаты и сложности могут подстерегать вас в этом направлении.

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

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

Принцип работы солнечных коллекторов

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

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

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

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

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

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

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

Виды

Давайте рассмотрим основные конструкции солнечных коллекторов.

Воздушные

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

Среди плюсов воздушного коллектора можно отметить:

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

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

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

Жидкостные

В этой группе рассмотрим коллекторные системы с жидким теплоносителем.

Плоские

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

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

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

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

Вакуумные

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

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

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

В чём заключаются плюсы вакуумных коллекторов?

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

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

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

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

Устройство состоит из двух частей: собственно сам солнечный коллектор и теплообменный аккумулятор . Внутри замкнутой системы циркулирует антифриз(теплоноситель), который нагревается на солнечном свете и отдает свое тепло через специальный теплообменник, вмонтированный в бак с водой. В этом баке вода находится до тех пор, покуда её не используют, затем заливается холодная вода, вместо использованной горячей и циркуляция возобновляется. В баке-аккумуляторе может быть установлен электрический нагревательный элемент для дополнительного подогрева, в случае если вода очень активно используется а также, если небо заволокли тучи. Как правило нет необходимости часто использовать нагрев электричеством.Структура вакуумных труб для нагрева очень похожа на конструкцию обычного термоса: одна труба вставлена в другую, между ними вакуумная полость, которая создает идеальную теплоизоляцию. Из-за цилиндрической формы трубок солнечные лучи постоянно попадают перпендикулярно и передают максимум тепловой энергии. Это позволяет значительно повысить КПД для устройства.

Как вода нагревается зимой?

При отрицательной температуре окружающей среды используются вакуумные коллекторы , которые изолированы от холода окружающей среды и могут нагревать воду до температур 100-160 градусов Цельсия. Вакуумные могут применяться как для нагрева воды так и для отопления дома, что позволяет получить бесплатную чистую энергию.Есть три типа таких коллекторов: с U-образными трубами, с тепловыми трубами и с внутренним теплоносителем. Однако такие солнечные установки реально могут справиться с поддержанием тепла в доме только в переходные сезоны(весна-осень), в лютый мороз все-равно придется использовать дополнительно основное отопление(газ, уголь, теплосеть)

Выгодно ли использовать коллекторы?

Энергия солнца полностью бесплатна (на генераторы есть небольшой налог). Мы получаем нагрев обычной воды до 80 градусов Цельсия в объеме от 200 до 500 литров, в зависимости от типа установки. Солнечный коллектор работает круглый год , даже в пасмурную погоду он нагревает воду(около 15-25% от своей мощности). Нагретая вода в бойлере практически не остывает, этому способствует специальная теплоизоляция. Система может работать совместно с котлом, камином, электронагревателем в автоматическом режиме.

Самое важное:
- коллектор дает энергетическую независимость
- экономию с первых дней запуска системы
- чистая бесконечная энергия(пока не погаснет солнце)

Правильно рассчитанная система даст 100% горячей воды 7 месяцев в году. В остальные месяцы необходимо будет использовать дополнительную энергию

Монтаж солнечного коллектора

Процесс установки включает в себя необходимые расчеты по оптимизации солнечной энергии, которая доступна в данном регионе, эти параметры зависят от ширины, долготы, особенностей климата и условий использования системы.
Самые важные факторы , которые мы можем изменить - это солнечного коллектора и ориентация установки(азимут). При установке коллектора на крышу дома угол наклона будет задан кровлей крыши. Наибольшее количество энергии впитывается под углом в 45 градусов , поэтому необходимо ориентироваться на угол наклона солнца относительно горизонта в вашей местности. Для наших широт оптимальными являются углы наклона между 30 и 45 градусами. Очень важной частью является поддерживающая установка - именно она будет нести опору для солнечного коллектора, она должна выдерживать порывы ветра и надежно фиксировать гелиосистему.

Типичные способы установки солнечных коллекторов:

Наклонный (на крышу с углом ската)
Горизонтальный (на плоскую крышу);
Свободностоящий (с опорной структурой)

В завершение можно сказать, что независимые энергетические системы быстро набирают популярность. А солнечные коллекторы, как элемент энергонезависимой структуры дома удачно вписывается в «зеленые» технологии и бесплатные источники энергии .

< Предыдущая

Содержание

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

Солнечный коллектор для отопления дома

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

Принцип работы

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

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

Принцип работы самодельного солнечного коллектора

Летний вариант конструкции

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

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

Солнечный коллектор из металлопластиковых труб

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

Можно ли использовать солнечный коллектор зимой

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

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

Солнечный коллектор на крыше дома в зимнее время года

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

Устройство и виды

Условно данные системы можно классифицировать на два вида :

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

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

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

Воздушный солнечный коллектор

Конструкция солнечного коллектора может быть нескольких видов, основные :

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

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

Плоский коллектор

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

Особенность конструкции состоит в следующем :

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

Составная часть плоского солнечного коллектора

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

Вакуумный коллектор

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

Особенности конструкции :

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

Воздушная солнечная система из вакуумных трубок

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

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

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

Изготовление самодельного солнечного коллектора

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

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

Схема размеров и расположения солнечного воздушного коллектора

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

Подведем итоги

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

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

Резка и зачистка медных труб для солнечного коллектора

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

Плюсы и минусы гелиосистемы

Из положительных сторон выделяют :

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

К отрицательным моментам можно отнести :

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

Солнечный коллектор – это особое устройство, предназначенное для превращения энергии солнца в тепло. В отличие от солнечных батарей, работающих на принципе фотоэффекта и вырабатывающих ток, коллекторы предназначены для нагрева жидкости-теплоносителя. Поэтому их широко применяют в системах ГВС и отопительных коммуникациях частных домов. Существует две разновидности данных агрегатов, таким образом, устройство солнечного коллектора и особенности работы напрямую зависят от его типа.

Принцип работы же всех коллекторов, по сути, одинаков. Солнечные лучи падают на внешнюю поверхность коллектора, нагревая находящийся в нем теплоноситель. Разогретый теплоноситель по тонким трубкам поступает в накопительный бак, заполненный водой. Причем трубки для теплоносителя проходят через весь объем бака, за счет чего обеспечивается равномерный прогрев жидкости. По мере протекания через бак теплоноситель остывает и подается обратно в коллектор уже в холодном состоянии, где вновь нагревается. Таким образом гарантируется постоянная циркуляция горячего теплоносителя через накопительный бак с водой. Вода из бака может использоваться для купания, мытья посуды и прочих бытовых нужд или же подаваться в отопительные радиторы.

Плоские коллекторы

Основной элемент такого коллектора – плоский абсорбер (теплопоглотитель) со змеевидной трубкой для теплоносителя. Абсорбер имеет вид металлической пластины, верхняя часть которой обязательно выкрашена в черный цвет (для максимально полного поглощения солнечных лучей). К нижней плоскости пластины приварена тонкая металлическая трубка, изогнутая в виде змеевика. Именно по этой трубке и циркулирует теплоноситель (обычно это вода, реже – антифриз). Сварочные швы проходят по всей длине змеевика для обеспечения полного теплового контакта.

Такой абсорбер помещается в корпус, изготовленный из тонких алюминиевых профилей. Верхняя часть корпуса закрывается особо прочным закаленным стеклом с максимальной светопроницаемостью (иногда для этих целей используется сотовый поликарбонат). Обязательное условие – наличие надежной теплоизоляции между абсорбером и стенками корпуса. Это необходимо для предотвращения теплопотерь в окружающую среду.

Вакуумные коллекторы

Отличие вакуумного солнечного коллектора от плоского только одно, но принципиальное. Это отличие – устройство абсорбера. В вакуумных моделях он представляет собой системы вакуумированных трубок из особого стекла. Внутри каждой трубки находится медный стержень с теплопередающей жидкостью.

Причем трубки такого солнечного коллектора различаются по конструктивным особенностям:

Коаксиальные. Больше всего они напоминают классические термосы. Стеклянные колбы с двойными стенками (между ними – вакуум), внутри которых запаяна трубка из меди с легко вскипающей жидкостью. Теплопередача идет непосредственно от самой колбы, ее стенки имеют теплопоглощающее покрытие. При нагревании жидкость испаряется, передавая тепло далее в систему. Затем пар в виде конднесата оседает на дно трубки, после чего циклический процесс возобновляется.
Перьевые. Это колбы с одной, но толстой и прочной стенкой. Внутри - теплопоглощающая трубка (также из меди), снабженная гофропластиной с абсорбционным слоем. За счет такого устройства вакуум формируется в тепловом канале, причем сам канал (равно как и абсорбер) частично интегрирован в колбу.

Очевидно, что у вакуумного вида солнечного коллектора гораздо более сложное устройство, чем у плоского аналога. Более того, помимо разных типов стеклянных трубок для них используют и разные теплоканалы (трубки из меди, в которых проходит теплоноситель).

Так, теплоканалы вида «heat pipe» («горячая труба») представляют собой герметичные трубки с легко вскипающей жидкостью. При нагревании она испаряется, движется вверх канала и отдает там набранную тепловую энергию, конденсируясь в особом теплосборном узле. Остыв, жидкость стекает в нижнюю часть канала, повторяя цикл. А теплоноситель самого солнечного коллектора забирает отданное тепло, передавая его дальше в систему.

Очень востребованы и прямоточные каналы. Во внутренней части колбы располагаются две объединенные трубки из меди. Одна из них служит для подачи жидкости в колбу, другая – для выхода жидкости. В процессе прохода через колбу жидкость нагревается.

Виды теплоканалов и трубок могут комбинироваться между собой в различных вариациях. Причем каждое такое сочетание трубки/канала обладает своими эксплуатационными особенностями, достоинствами и недостатками.

Видео про солнечные коллекторы:

Воздушные коллекторы

Воздушные варианты солнечного коллектора известны гораздо меньше, чем вакуумные или плоские модели. Тем не менее, они достаточно неплохо зарекомендовали себя в осушительных установках, в комплексах воздушного отопления и в системах рекуперации воздуха. Схема работы и устройство такого коллектора очень просты.

Теплоносителем, как ясно из названия, является не жидкость, а обычный воздух. Конструктивно воздушный коллектор представляет собой плоскую панель с ребристой (иногда – дополнительно перфорированной) поверхностью или же систему трубок из металла хорошей теплопроводности. Воздух в коллекторе нагревается благодаря непосредственному контакту с металлом (который прогревается под солнечными лучами). С помещением коллектор соединяется через воздуховоды (один – для забора воздуха, второй – для подачи), в которых установлены вентиляторы для обеспечения циркуляции воздушных масс.

Про солнечные коллекторы в наше время, слышали, почти все. В общих чертах, почти все понимают, что это устройство, которое помогает преобразовать энергию солнца в тепло. Однако, на самом деле, практически, практически, никто не знает, «что это такое и как оно работает».

Национальная энциклопедия строительства ProfiDom.com.ua публикует краткий курс – «ликбез» по основам теории солнечных коллекторов.

Принцип работы солнечных коллекторов уникален. Если в котлах нагрев жидкости происходит за счёт энергии, высвобождающейся при сгорании топлива, а в тепловых насосах - тепла почвы, воздуха или воды, то гелиоколлекторы получают его напрямую от главного источника тепла в Солнечной системе - Солнца.
Источник этот - неиссякаемый, экологичный, доступный всем на Земле и, что немаловажно, бесплатный. Правда, чтобы эффективно использовать его в бытовых целях для нагрева воды или теплоносителя, понадобится вложиться не только в сами солнечные коллекторы, но и в разнообразное оборудование, обслуживающее их. При этом. необходимо заранее учесть ряд специфических нюансов работы гелиоколлекторов и предусмотреть варианты защиты от некоторых из них.

Характерная черта солнечных коллекторов, отличающая их от других видов теплогенераторов, - их сезонность. Коллектор получает тепловую энергию из солнечных лучей, соответственно, нет солнца - нет тепла. Гелиоколлекторы вносят свой вклад в систему теплоснабжения только в светлое время суток, то есть днём, ночью же они пассивны. Продолжительность светового дня тоже играет роль: чем он короче, тем меньше коллектор получит энергии за сутки. Поэтому, один и тот же гелиоколлектор в разное время года будет получать разное количество тепла. Изменение производительности коллектора в зависимости от сезона - один из важнейших факторов, который необходимо учитывать при расчётах.

Пик эффективности солнечных коллекторов совпадает с пиком инсоляции. Больше всего тепла коллекторы приносят в период с мая по август. В межсезонье продуктивность коллекторов падает и достигает минимума к декабрю-январю. Однако, у приборов разных типов это снижение эффективности неодинаково. Дело в том, что производительность коллектора зависит от двух параметров - сколько энергии он получит от солнца и сколько тепла при этом потеряет из-за несовершенства конструкции. Поэтому производители принимают меры по повышению теплопоглощения - с одной стороны, и по снижению теплопотерь - с другой.

Разные конструкции - разный КПД
На рынке наиболее распространены гелиоколлекторы двух основных конструкций - плоские и вакуумные трубчатые, последние, также, принято подразделять на прямопроточные и с эффектом «тепловой трубки». Эти различия вызваны как раз поиском решений проблем получения и сохранения тепла солнечного излучения. Проблемы эти кроются в самом принципе работы коллекторов.

Как известно, солнечные лучи нагревают объекты неодинаково, и во многом, это зависит от поверхности. Одни покрытия отражают большую часть светового потока, другие, напротив, поглощают. Максимальным коэффициентом поглощения светового излучения обладают поверхности с чёрным покрытием, что и используется в гелиоколлекторах.

Основный рабочий элемент в их конструкции - абсорбер (поглотитель), представляющий собой обычно медную пластину с приваренной трубкой. Поверхность абсорбера, обращённая к солнцу, имеет специальное чёрное покрытие, чтобы лучи могли передать ей как можно больше тепловой энергии.

Пластина, а с ней и трубка быстро нагреваются, а циркулирующая по трубке жидкость забирает это тепло и транспортирует далее в систему. Но горячая пластина абсорбера начинает сама излучать тепло в окружающую среду и нагревать контактирующий с ней воздух. Чтобы этого не происходило, абсорбер изолируют от открытой атмосферы. Меры, увеличивающие количество получаемого от солнца тепла, обычно касаются стекла и абсорбера. У обычных стёкол есть ряд недостатков - они могут бликовать (то есть отражать часть солнечного света вместо того, чтобы пропускать его внутрь), к тому же часть лучей не попадает внутрь из-за их недостаточной прозрачности.

Поэтому, в высокотехнологичных гелиоколлекторах применяются специально разработанные стёкла с пониженным содержанием железа, отличающиеся большей прозрачностью, по сравнению с обычными. Они пропускают больше света, а значит, коллектор получит дополнительную тепловую энергию. Помимо этого, стекло часто снабжают антибликовым покрытием - оно уменьшает долю отражённого поверхностью света и тоже способствует увеличению производительности коллектора. Важна также и чистота - запылённое или запотевшее стекло, очевидно, пропускает меньше света. Чтобы внутрь коллектора не забивалась пыль и не попадала влага, его корпус нередко делают герметичным и даже заполняют инертным газом. Правда, эти меры нужны только для плоских коллекторов - у вакуумных моделей, о которых речь пойдёт ниже, таких проблем нет.

Что касается абсорбера, то здесь все технологии направлены на повышение его поглощающей способности. В дешёвых гелиоколлекторах пластину абсорбера нередко просто красят чёрной краской. Эффект от такого решения, конечно, есть, но незначительный, к тому же, краска может бликовать, а качество покрытия со временем ухудшается. Более дорогие технологичные модели коллекторов снабжены абсорберами с особым высокоселективным покрытием, которое не бликует, служит долго и очень хорошо поглощает солнечное излучение.

Но основные различия в конструкциях солнечных коллекторов заключаются в способах теплоизоляции. Плоский коллектор представляет собой прямоугольный металлический короб, закрытый сверху стеклом. Стенки и дно короба теплоизолированы - обычно минеральной ватой. Однако, такая изоляция несовершенна, потому что не исключает переноса тепла от абсорбера к стеклу посредством содержащегося внутри коллектора газа, да и минеральная вата тоже не исключает полностью теплопотери через корпус.

Поэтому, в вопросе сохранения тепла плоским коллектором важное значение имеет разница температур внутри коллектора и снаружи. Летом, когда воздух на улице хорошо прогрет, потери тепла малы, и коллектор почти всю энергию, полученную от солнца, направляет в систему. Но стоит уличной температуре снизиться, - и коллектор, который в межсезонье и зимой и так получает меньше тепла, начинает всё больше терять собранной энергии.

В результате, плоские коллекторы очень эффективны в конце весны и летом, но в холодную погоду собирают крайне мало тепла. Вакуумные трубчатые коллекторы обладают более совершенной теплоизоляцией. У них абсорберы расположены внутри стеклянных трубок, между стенками которых - вакуум. Перенос тепла газовой средой в таком коллекторе невозможен, ввиду отсутствия самого газа, как такового. Поэтому, теплопотери вакуумных коллекторов минимальны даже при сильных морозах.