Ежедневно от нашей ближайшей звезды на землю поступает столько энергии, сколько все человечество тратит в течение года в пересчете на ее ископаемые виды. Тепловая энергия переносится видимым светом и инфракрасным излучением.

Одной из попыток приручить неиссякаемый поток тепла и света из космоса является гелиосистема теплообмена. Медленно, но уверенно солнечные коллекторы для отопления дома приобретают популярность у потребителей и вытесняют традиционные источники отопления. А для набирающей обороты концепции умного дома это и вовсе неотъемлемая часть инженерного оборудования. В его широкой доступности играет роль повышение технологичности производства и, как следствие, снижение стоимости. Около 70 % мирового рынка использования гелиосистем приходится на Китай. В южных регионах этой страны едва ли не на каждой крыше можно увидеть солнечный коллектор. Цена изделий нашего восточного соседа гораздо ниже европейских, качество довольно приемлемое.

Сомнения прочь

В странах Средиземноморья, где количество солнечных дней - более 300 в году, солнечный коллектор для отопления и нагрева воды можно встретить практически на каждой крыше. Не вызывает сомнения эффективность использования этого источника тепла в южных регионах России. Климат средней полосы считается неблагоприятным для таких энергетических установок. Однако исследования и эксперименты доказывают целесообразность применения гелиосистем. Специальная работа была проведена в институте высоких температур Российской академии наук. Средние показатели интенсивности солнечного потока в зависимости от климатической зоны составляют 150-300 Вт/кв. м. Пиковые показатели достигают 1000 Вт/кв. м.

Исходными данными для расчета эффективности гелиосистемы было выбрано отношение поверхности в 2 кв. м коллектора к 100-литровому объему бака-накопителя. Вероятность ежедневного нагрева воды в системе оценивается следующими показателями:

• до температуры +37 °С - 50-90 %;
• до температуры +45 °С - 30-70 %;
• до температуры +55 °С - 20-60 %.

Эти сухие цифры говорят о том, что в холодный период года солнечный коллектор даже при наименьшем количестве солнечных дней позволяет экономить до 60 % энергии для отопления дома.

Виды преобразователей солнечной энергии

Солнечный коллектор предназначен для преобразования энергии дневного светила в тепловую энергию. Применяемые материалы и конструктивные решения направлены на максимальное поглощение энергии солнца, преобразование ее в тепловую и эффективную передачу для дальнейшего использования. В качестве теплоносителя используется как специальная незамерзающая жидкость, так и атмосферный воздух. Циркуляция теплоносителя бывает принудительной и естественной. В том случае если применяется естественная, конвекционная, система теплообмена, солнечный коллектор должен располагаться ниже бака-аккумулятора, например на прилегающем земельном участке. Такая схема применяется при необходимости отопления небольших или временных помещений. Объемные системы требуют использования насоса для циркуляции жидкости. Такую схему можно использовать и для устройства системы горячего водоснабжения.

Схема гелиоустановки

Система отопления состоит из следующих компонентов:

• Солнечный коллектор преобразует энергию солнца в тепловую.
• Подающая магистраль доставляет теплоноситель в бак-накопитель.
• Электронасос осуществляет циркуляцию жидкости-теплоносителя.

В баке-накопителе происходит передача тепла от контура гелиоустановки контуру паровой системы отопления дома. В этой емкости может быть размещен дублирующий нагревательный элемент, который автоматически включается, если погодные условия не способствуют нагреву теплоносителя до заданных параметров. Жидкость гелиоустановки соответствует противоречивым требованиям. Она должна быть морозоустойчивой, но в то же время не испаряться при высокой температуре и не быть токсичной. В большинстве установок используется теплоноситель, состоящий из 60 % дистиллированной воды и 40 % гликоля. Автоматика позволяет без участия человека поддерживать нужную температуру внутри помещения и не допускать перегрева теплоносителя.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумные системы имеют довольно сложное устройство. Основным рабочим элементом является дорогостоящая светопоглащающая трубка особой конструкции. В основу положен принцип термоса. Поверхность вакуумной трубки прозрачная. Она пропускает солнечный свет на внутреннюю трубку. Из пространства между ними откачан воздух, отсутствие газа позволяет сохранять до 97 % тепла.

В нижней части внутренней трубки находится теплоноситель - жидкость, которая при нагревании быстро переходит в газообразное состояние. В верхней части трубки происходит передача тепла коллектору, при этом теплоноситель охлаждается и, конденсируясь, возвращается в изначальное состояние. Системы с использованием вакуумных трубок обладают довольно высоким КПД при температуре ниже -37 °С и плохой освещенности. Это оборудование требует своевременной очистки от снега и монтажа строго под определенным углом. Также периодически прозрачные сегменты следует очищать от загрязнения. Вакуумный солнечный коллектор специально разрабатывался для северных широт. Он эффективно работает при отсутствии прямых солнечных лучей.

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.

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.

Воздушная гелиосистема

Отопительная система может в качестве теплоносителя использовать не только жидкость, но и атмосферный воздух. Воздушный солнечный коллектор применяется для обогрева всех типов помещений и в зависимости от конструкции бывает трех типов:

• Плоский имеет схожие принципы с подобной жидкостной конструкцией.
• Пирамидальный использует сложную систему отражающих поверхностей.
• Венецианские жалюзи располагаются между переплетами стекла и направляют теплый воздух в помещение. Применяется при ленточном остеклении зданий.

В отличие от жидкостных устройств воздушный солнечный коллектор может быть изготовлен из неметаллических материалов.

Солнечная система для горячего водоснабжения

Систему горячего водоснабжения можно подключить к баку-аккумулятору. Бак, таким образом, будет играть роль бойлера, в котором, в свою очередь, роль электрического тэна будет играть теплообменная спираль, включенная в контур системы обогрева. Посредством спирали теплоноситель начнет нагревать воду в баке. Таким образом, схема водоснабжения будет накопительной или проточно-накопительной.

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.

Установка коллектора

Сложность эксплуатации солнечной системы в том, что эффективность зависит от высоты солнца над горизонтом, времени года и суток, наличия облачности, влажности и температуры окружающего воздуха. Солнечный коллектор для отопления помещения в горизонтальной плоскости должен быть ориентирован строго на юг. Отклонения в сторону запада или востока допускаются в пределах 40°. При этом эффективность установки снизится примерно до 20 %. Важную роль играет угол наклона, который должен составлять от 35 до 45°.

Самым разумным вариантом является на стадии проектирования нового жилища предусмотреть, что на крышу будет установлен солнечный коллектор. Цена на подобное оборудование значительно выше, чем на привычное паровое отопление. Но затраты с лихвой оправдаются последующей эксплуатацией. Срок окупаемости, если дом утеплен в соответствии со всеми нормами и правилами, в среднем составляет пять лет.

Солнечный коллектор – это искусственное сооружение или устройство, предназначенное для поглощения солнечной радиации и преобразование ее в тепловую энергию, которую применяют для подогрева бытовой воды (система горячего водоснабжения).

Слово коллектор (англ. с ollect ) переводится, в данном смысле как — собирать, собиратель .

В общем конструкция установки, которая включает в себя солнечный коллектор является сложной и состоит из:

• датчика фиксации температуры в накопительном баке и солнечном коллекторе;
• накопительного или расширительного бака;
• циркуляционного насоса;
• датчики температуры для подогрева воды при условии недостаточности нагрева от солнечного коллектора;
• солнечный регулятор.

Данная установка должна иметь подключения к системе холодного и горячего водоснабжения (или к системе отопления), фото 1.

Фото 1. Общая схема работы и подключения солнечного коллектора

Существуют разные виды солнечных коллекторов:

1. Открытые солнечные коллекторы.
2. Плоские солнечные коллекторы.

Открытые солнечные коллекторы

Открытые коллекторы – оснащены поверхностью из резины или пластика, которые имеют высокий коэффициент поглощения солнечных и световых лучей. В данном коллекторе его поверхность не покрывается стеклом, фото 2 .

Фото 2. Солнечный коллектор открытого типа

Применяется в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах и позволяет снизить расход газа на обогрев до 50…70%, что в наше время весьма существенно.

Коллектор открытого типа целесообразно использовать в теплых странах. В Украине рекомендуется применять только в южных регионах страны.

Плюсы открытого коллектора:

• легкое оборудование;
• простая конструкция и ее монтаж;
• относительно низкая стоимость.

Минусы открытого коллектора:

• прямая зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и от погоды (облачности, ветра);
• применяется только для нагрева воды бассейнов и для летних душевых;
• малый срок эксплуатации (1…3 года).
• низкий КПД системы.

Вакуумный коллектор – является усовершенствуемым вариантом коллектора открытого типа, фото 3 . Особенностью данного коллектора является использования вакуума, как высокоэффективного теплоизолятора. Вакуум находится между внешним стеклом и теплопоглощающей поверхностью коллектора. Такая конструкция позволяет существенно снизить теплопотери и снизить зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и погоды (ветер, осадки, облачность). Повышение эффективности вакуумного коллектора связано также с его работай по принципу зеркального эффекта (фото 4 ), который заключается в выравнивании тепловой мощности коллектора в зависимости от высоты солнца.

Вакуумные коллекторы производятся следующих видов:

• трубчатые – представляют собой герметичные вакуумные трубы;
• плоские – представляют собой пластины, вакуум в которых поддерживается насосами.

Фото 3. Вакуумные солнечные коллекторы

Фото 4. Зеркальный эффект вакуумного трубчатого коллектора. Принцип работы

Трубчатые вакуумные коллекторы

Трубчатые коллекторы состоят из следующих элементов:

• корпус-рама;
• корпус теплообменника;
• стеклянные вакуумные трубки.

В зависимости от конструкции теплового канала и стеклянных трубок трубчатые вакуумные коллекторы разделяются по следующим конструктивным особенностям:

• по виду стеклянной трубки: коаксиальная или перьевая;
• по виду теплового канала (производится с тепловой трубкой «нeat pipe» (термотрубка) и с прямоточной тепловой трубкой);

Коаксиальная стеклянная трубка сделана по типу термоса – две трубки различного диаметра вставленные друг в друга, между ними выкачан воздух и создан вакуум, фото 5.

Перьевая вакуумная стеклянная трубка – трубка с одной стенкой, а внутри трубки в среде вакуума установлена часть теплового канала и абсорбера, фото 6.

Фото 5. Коаксиальная вакуумная трубка

Фото 6. Перьевые трубки вакуумного трубчатого коллектора

Трубчатые вакуумные коллекторы по виду похожи на термос, и состоят из трубки в которую помещена трубка меньшего диаметра. Воздух между поверхностями трубок выкачан, т.е. создается вакуум, который является термоизолятором для минимизации теплопотерь. Внутренняя поверхность внутренней трубки покрыта высокоселективным слоем, от которого с помощью алюминиевых пластин происходит сбор количества принятого тепла и передача его медной U-образной или коаксиальной трубке с подогреваемой жидкостью.

Из фото 7 видно, что внутри алюминиевой пластины проходят две трубки: одна с нагретой жидкостью, а вторая – с холодной жидкостью. Все трубки с жидкостью (теплоносительные трубки) объедены в целую гидравлическую систему, фото 8 .

Цилиндрическая форма трубок позволяет по максимуму собирать солнечные лучи, которые в любое время дня и года принимают солнечные лучи перпендикулярно к оси трубки – это значительно повышает эффективность работы всей системы и позволяет даже при очень слабом солнечном освещении нагревать воду в системе горячего водоснабжения.

Фото 7. Трубка вакуумного коллектора в разрезе

Фото 8. Гидравлическая система коллектора

Выпускаются трубчатые вакуумные коллекторы различной конструкции. Кратко рассмотрим самые распространенные виды вакуумных трубчатых коллекторов:

• вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система);
• вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником;
• вакуумный коллектор с термотрубками.

Система коллекторных трубок соединена с накопительным баком, через который поступает вода непосредственно к вакуумным трубкам, фото 9 , что является большим преимуществом, так как минимизируются теплопотери. Вода в трубках нагревается и поступает в теплообменник по принципу естественной конвекции, поэтому системный бак всегда располагается выше коллекторных трубок. Вода в баке, которая отдала тепло и охладилась, она естественным путем течет вниз в трубки.

Особенностью термосифонной системы является не только возможность аккумулировать определенное количество тепла, но и сохранять в баке определенное количество горячей воды некоторое время. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде широко применяется для начального нагрева воды, а затем основными системами вода подогревается до требуемой температуры.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде считается дешевым и отличается простой конструкцией.

Недостатки вакуумного коллектора с прямой теплопередачей воде:

1. Нерационально использовать солнечные коллекторы такого типа в тех регионах, где есть отрицательные температуры.
2. Не допускается в системе коллекторов давления более чем 0,2 атм, так как теплоноситель имеет прямой контакт с трубкой. Таким образом, данный коллектор не может работать в под высоким давлением.
3. Коллектор эффективно работает только при положительной температуре окружающей среды.

Фото 9. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система)

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником

Прямоточный канал позволяет снизить потери нагретой жидкости на пути к теплообменнику, фото 10 , т.е. непосредственная передача тепла теплообменнику (воде) без «посредников». При действии на трубку солнечных лучей жидкость закипает или просто нагревается, превращается в пар и переносит к теплообменнику тепловую энергию, который непосредственно находится в трубке. В теплообменнике пар конденсируется и возвращается обратно в каждую трубку коллектора. Такая система высокоэффективна и позволяет работать коллектору в экстремальных условиях, даже при температуре наружного воздуха -35°С.

Фото 10. Вакуумный трубчатый коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником

Вакуумный коллектор с термотрубками

Коллектор оснащен вместо обычных вакуумных трубок более усовершенствованными термотрубками , которые представляют собой трубку из тонкостенной меди заполненную легкокипящей жидкостью. Коллектор состоит из набора термотрубок, – при попадании солнечного света на трубки происходит кипение легкокипящей жидкости (например, иноргатик ) до температуры 250…380°С, ее пары поднимаясь в верхнюю часть трубки, которая является конденсатором отдают тепло и охлаждается до превращения в жидкость, а затем поступает снова в нижнюю часть термотрубок. Принцип работы представлен на фото 11 .

Фото 11. Вакуумный коллектор с термотрубками. Термотрубка и ее принцип работы

Плоские вакуумные коллекторы

Вакуумный плоский коллектор отличается от обычного плоского коллектора наличием в середине системы вакуума для снижения теплопотерь, фото 12 . Плоский вакуумный коллектор имеют высокую производительность по сравнению с другими плоскими коллекторами, но его распространение ограничивает то, что он очень дорогой. Также такой коллектор очень сложно устанавливать и эксплуатировать.

Фото 12. Плоский вакуумный коллектор

Плюсы вакуумного коллектора:

• высокий КПД системы на протяжении всего года, и даже зимой. По сравнению с другими типами коллекторов, трубчатый вакуумный коллектор на протяжении целого года производит на 30…40% количества тепла больше;
• возможность работать при отрицательных температурах (не все виды);
• некоторые производители выпускают трубчатые коллекторы с поверхностью из ударопрочного стекла, выдерживающего удар града или незначительного падения;
• низкая парусность конструкции позволяет более надежно закрепить оборудование с меньшими усилием и затратами.
• более ремонтопригодная система. При повреждении одной трубки ее относительно легко заменить, что совсем не возможно в плоских коллекторах;
• возможность нагрева воды до температуры 130…200°С.

Минусы вакуумного коллектора:

• более высокая стоимость; по подсчетам производителей окупаемость системы коллектора составляет 1…5 лет;
• большие габариты и тяжелый вес;
• в пределах Украины производительность вакуумного коллектора в зимний период может снижаться за счет осадков в виде снега и инея;
• низкий срок эксплуатации, система боится града (более свойственно продукции из Китая);
• одной из главных поломок системы – недержание вакуума в системе (более свойственно продукции из Китая).

Область применения. Вакуумные солнечные коллекторы применяют для подогрева бытовой воды или в системе отопления. Вакуумный коллектор позволяет летом получать полностью горячею бытовую воду в избытке, а зимой коллектор покрывает только до 60% всего расхода горячей воды. При заполнении теплоносителя, который не замерзает, свободно можно использовать коллектор для подогрева воды и в морозы при температуре -5…-10°С.

Плоские солнечные коллекторы

– это один из самых распространенных видов солнечных коллекторов, которые работают по принципу парникового эффекта, а именно то, что сквозь стекло практически полностью все солнечные лучи проходят и попадают на поверхность солнечного коллектора (фото 13 ).

Для плоского солнечного коллектора применяется обычное или специальное закаленное стекло с коэффициентом пропускания спектрального интервала 0,4…1,8 мкм и достигает 95%, а в свою очередь в нижней части коллектора используется теплопоглощающее покрытие с эффективностью 90% (высокоселективное покрытие). Поверхность стекла применяют матовую, которая больше поглощает солнечных лучей, чем глянцевая поверхность.

Фото 13. Плоский солнечный коллектор

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов:

• корпус;
• абсорбер и теплопоглощающее покрытие;
• прозрачное защитное покрытие (обычно стекло);
• термоизолирующее покрытие (обычно минеральная вата в комбинации со светоотражающей алюминиевой фольгой);
• элементы крепления оборудования.

Корпус плоского солнечного коллектора обычно изготовляют из листового или анодированного алюминия, и предназначенный для защиты главного оборудования от внешнего воздействия и крепления к основанию скатной кровли или реже к стене дома.

Абсорбер – основной элемент плоского коллектора. Абсорбер представляет собой обычно медную пластину с теплопоглощающим покрытием. К адсорберу припаян проточный трубопровод, для отвода тепла, который может располагаться по двум схемам: «меандр» и «арфа». Абсорбер помещается в стеклянный корпус. Одна поверхность, что покрыта теплопоглощающим слоем принимает солнечное излучение, а вторая сторона (противоположная) для снижения теплопотерь утепляется специальным материалом. Отвод теплоты от теплопоглощающего покрытия осуществляется через медный или алюминиевый теплообменник, внутри которого в качестве теплоносителя помещена вода или антифриз.

В разных моделях плоских солнечных коллекторах могут быть:

• абсорбер из меди лирообразной формы, поверхность которого покрыта высокоселективным черным хромом, что дает возможность к параллельному подключению коллекторов, фото 14а ;
• абсорбер из меди, меандровый с высокоселективным покрытием «Sunselect», фото 14б;
• абсорбер из меди двойной лирообразной формы с высокоселективным покрытием «Eta plus», фото 14в.

Фото 14. Устройство плоских коллекторов: а) абсорбер из меди лирообразной формы; абсорбер из меди, меандровый; в) абсорбер из меди двойной лирообразной формы

В плоских солнечных коллекторах используют следующие виды стекол , фото 15 :

• обычное стекло;
• специальное закаленное стекло. Особенностью является повышенная прочность на удар и высокая рассеянность.
• антирефлексное стекло – это стекло, на обеих поверхностях которого нанесен специальный слой элиминирующий отражение солнечного света и поэтому максимальное количество этого излучения попадает на абсорбер (до 96%);
• полярное стекло (самоочищающееся стекло); поверхность такого стекла покрыта специальным слоем диоксид титана, что приводит к выгоранию на солнце всего органического мусора, который оседает на поверхность коллектора, а дождь смывает его остатки, оставляя стекло чистым.

В более дорогих версиях плоского солнечного коллектора вместо обычного защитного стекла применяется стекло из поликарбоната, которое также хорошо пропускает солнечные лучи, но является более стойким к ударам.

Фото 15. Поглощающая способность и отражение солнечных лучей: антирефлексное стекло (слева) и специальное закаленное стекло (справа)

Очень важно, чтобы плоские коллекторы имели хорошую теплоизоляцию, которая снижает потери тепла. Обычно теплоизоляция плоских коллекторов устанавливается толщиной 20…60 мм изготовленной из минеральной ваты и светоотражающей алюминиевой пленки.

Для нашего региона, летом в Украине максимальная производительность плоского солнечного коллектора составляет 50 л (температура 50…60°С) за 1 день с 1 м 2 коллектора.

Плюсы плоских солнечных коллекторов:

1. Высокая производительность (КПД более 50%).
2. Простая и надежная конструкция.
3. Высокая долговечность оборудования (более 50 лет; производитель обычно дает гарантию на 10 лет эксплуатации).
4. Возможность работы круглый год.
5. Эффективно работают при необходимости нагрева воды выше на 20…40°С от температуры окружающей среды.

Минусы плоских солнечных коллекторов:

1. Низкая производительность в зимнее время и в неблагоприятную для коллектора погоду (по сравнению с вакуумным коллектором).
2. Максимальна эффективность плоского коллектора достигается только при попадании солнечных лучей под прямым углом, т.е. в полдень.
3. Требует периодической очистки от пыли, грязи, снега.
4. При повреждении коллектора, необходимо проводить полную замену устройства, а не отдельного элемента, как это происходит в трубчатых вакуумных коллекторах.

Как уже выше отмечалось, что плоские коллекторы устанавливают обычно на кровлю или на стены домов. Оптимальным решение является установка солнечного коллектора на стадии строительства дома, что позволяет существенно снизить расход денежных средств на кровельные материалы.

В данном случае плоские коллекторы просто встраивают в каркас кровли, фото 16 и их можно использовать в комплексе с солнечными батареями и мансардными окнами (с далека трудно отличить это окно или коллектор). Такой конструкцией коллекторов, размер которых совпадает с основными типовыми размерами мансардных окон, занимаются такие производители как ROTO (Германия) и VELUX (Дания).

Фото 16. Встроенный плоский коллектор на кровле

В табл. 1 приведены для сравнения самые главные преимущества и недостатки вакуумного и плоского коллекторов.

Таблица 1

Сравнительная таблица преимуществ и недостатков трубчатого вакуумного и плоского коллекторов

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

На фото 17 представлен график сравнения тепловой эффективности разных солнечных коллекторов.

Фото 17. График сравнения тепловой эффективности разных солнечных коллекторов при солнечном излучении мощностью 600 Вт/м2: 1 – вакуумный коллектор (трубчатого типа); 2 – плоский солнечный коллектор (селективное покрытие); 3 – солнечный коллектор открытого типа

Параметры, по которым определяют эффективность работы теплопоглощающего покрытия:

а – коэффициент поглощения (адсорбции) – это отношение количества поглощающей энергии ко всей «приходящей» энергии. Нормальное значение коэффициента а лежит в пределах 0,8…0,98;

е – коэффициент излучения (эмиссии) – это отношения количества излученной энергии к поглощенной. Нормальное значение е лежит в пределах 0,95…1,02, что зависит от вида покрытия;

а/е – коэффициент селективности. Чем выше значение коэффициента селективности, тем лучшая поглощающая способность теплопоглощающей поверхности.

Публикацию подготовил – эксперт

Конев Александр Анатольевич

Люди постоянно задумывались над эффективным использованием солнечной энергии. Поэтому за последний десяток лет в Европе активно стали использовать гелиосистемы, которые позволяют обогревать помещение за счет солнечного света. На первый взгляд эта идея может показаться не слишком правдоподобной, однако это не так. Сегодня солнечный способен полностью обогреть ваш дом. Несмотря на то что это весьма дорогостоящее оборудование, его все чаще и чаще применяют в частном секторе.

Общие сведения

Как было отмечено выше, сегодня гелиосистемы только набирают свою популярность. В первую очередь это обусловлено недоверием потребителей к такому оборудованию. В принципе, это понятно, но если более подробно разобраться в данной теме, станет ясно, что все это реально и довольно эффективно. Еще один ограничивающий фактор - высокая стоимость монтажа и оборудования. Действительно, солнечный коллектор для отопления стоит немало, но окупается он достаточно быстро. Вы наверняка подумали, что в местах, где яркий солнечный свет появляется редко, использовать такую технику бессмысленно. Но это не совсем так. Поглощающих способностей и мощности пластин обычно достаточно для того, чтобы греть дом даже в пасмурные и дождливые дни. Но, естественно, эффективность работы в солнечных местах значительно выше.

Устройство бытового коллектора

В качестве теплоносителя может выступать вода, воздух, антифриз или любая другая жидкость с высоким коэффициентом теплоотдачи. После нагревания носитель циркулирует по коллектору и передает накопленную энергию в специальный бак. Уже оттуда потребитель получает горячую воду. В самом простом варианте циркуляция воды осуществляется естественно, что достигается благодаря разности температур в накопительном баке и коллекторе. В более сложном варианте устанавливается насос, обеспечивающий принудительную циркуляцию по контуру. Конечно, нужно понимать, что с повышением температуры теплоносителя эффективность коллектора снижается, а если мощности недостаточно, то имеет смысл установки электрического нагревательного элемента, который будет доводить воздух до нужной температуры.

Свобода или нет?

Солнечные коллекторы для дома делают владельцев полностью независимыми. Во-первых, нет необходимости использовать электрический или газовый котел. Если последний вариант еще более приемлем, то цены на электроэнергию в нашей стране настолько велики, что обогреть большой дом проблемно и дорого. Гелиосистема хоть и зависима от электроэнергии, но потребляет ее минимальное количество. Обусловлено это тем, что солнечная энергия превращается в тепловую без непосредственного участия электроэнергии. Конечно, чтобы не остаться без отопления в случае отключения электричества, рекомендуется установить генератор и выпрямитель. Многие в настоящее время солнечные коллекторы для дома рассматривают в качестве так как они полностью зависимы от климатических условий, что не является их сильной стороной.

Плоский солнечный коллектор и его особенности

Такие системы являются одними из самых популярных. Давайте вкратце рассмотрим их конструкцию и принцип работы. Мы имеем абсорбер - элемент, поглощающий солнечную энергию. На него нанесено специальное прозрачное покрытие, а также изолирующий слой. Абсорбер соединяется непосредственно с теплопроводящей системой. Цвет поверхности обычно черный, что позволяет несколько увеличить эффективность работы.

Трубки, которые необходимы для передачи теплоносителя, изготовлены из меди. В случае простоя коллектора вода может быть нагрета до 190 градусов по Цельсию. Естественно, чем выше интенсивность и количество солнечной энергии, тем выше эффективность такой гелиосистемы. Тем не менее нередко плоский солнечный коллектор оснащается оптическими приборами для более эффективного сбора энергии. Абсорбент должен иметь высокий показатель теплопроводности, поэтому часто устанавливают медные и алюминиевые экраны.

Воздушный солнечный коллектор

Такая гелиосистема используется для нагрева воздуха в помещении. По большому счету, это обычный плоский коллектор, который используется для отопления помещения. Через поглотитель проходит воздух. Процесс может проходить как принудительно, так и естественной конвекцией. Но поглотитель с установленной выглядит более выгодно на фоне обычного. Это обусловлено тем, что избыточная турбулентность потока увеличивает его теплопроводность, чего нам и необходимо добиться. Но чего-то сверхъестественного ожидать от таких систем не стоит. Они могут прогреть воздух на 17 градусов выше наружной температуры. К преимуществам такой гелиосистемы стоит отнести ее простоту и надежность. При должном уходе воздушный солнечный коллектор может прослужить более 20 лет. Но использовать такую систему в качестве основного отопления не рекомендуют.

О вакуумных гелиосистемах

Это одно из самых дорогостоящих решений. Конструкция такого изделия достаточно сложная, поэтому монтаж осуществляется только специалистами. Такая система позволяет добиться температуры теплоносителя до 300 градусов во время простоя. Конечно, получить такие высокие показатели специалистам было очень непросто. Во-первых, постарались уменьшить теплопотери за счет многослойного стеклянного покрытия и создания вакуума в системе.

В нашем случае солнечная труба несколько похожа на обычный бытовой термос. Только внешняя часть прозрачная, а на внутренней трубка имеет специальное покрытие, позволяющее улавливать солнечную энергию. Между трубками вакуум, благодаря которому и удается добиться минимальных потерь тепла. В конечном итоге можно говорить о высоком КПД таких систем по сравнению с плоскими и воздушными. При этом такой коллектор способен функционировать в условиях слабой освещенности.

Что говорят потребители?

Мы уже немного разобрались с тем, какой может быть солнечный коллектор. Отзывы покупателей практически всегда отличаются. Кто-то очень доволен инновационными системами, другие же, напротив, жалеют потраченных впустую денег. Но в целом картина выглядит неплохо. Примерно 75% покупателей отзываются хорошо о системе. Кстати, воздушные коллекторы покупаются редко, по крайней мере, на территории России, поэтому о них сказать ничего нельзя. А вот вакуумные гелиосистемы показали себя, как надежные поставщики тепла в дом. Но тут стоит отметить, что многое зависит от специалистов, устанавливающих такое сложное и дорогостоящее оборудование. Если что-то будет сделано неверно, то эффективность работы системы будет ниже. В Европе же ситуация несколько другая. Люди с удовольствием устанавливают гелиосистемы, так как цены на них там несколько ниже, а распространенность выше. Однако их очень редко используют в качестве основного источника тепла, так как нельзя утверждать, что лучшая альтернатива газу или углю - это солнечный коллектор. Отзывы, кстати, и говорят о том, что это очень дорого и не всегда целесообразно.

О применении в Европе и России

Как было отмечено немного выше, воздушный солнечный коллектор для отопления в ряде европейских стран активно используется в течение нескольких лет. Но гелиосистемы нашли свое применение и в промышленности. В частности, речь идет о текстильной и пищевой промышленности, где такое решение выглядит особо потенциальным. Так, уже к 2000 году суммарная площадь солнечных коллекторов составляла порядка 14 миллионов кубических метров, в то время как во всем мире эта цифра достигала 71 млн м 3 .

В России же ситуация выглядит не так хорошо. Дело в том, что такие системы позволяют нагревать примерно 100 литров воды в сутки с вероятностью 80%. Это обусловлено небольшой дневной суммой солнечного излучения. Лучшими регионами для установки коллекторов стали Забайкалье, Сибирь и Приморье, где ежедневное количество солнечной радиации выше, чем по центральной части России. В принципе, наблюдается некая тенденция незначительного увеличения спроса.

О солнечных башнях

Как ни странно, идея получения энергии от солнца и дальнейшее ее использование в промышленности впервые была предложена советским ученым еще в 1930 году. По сути, это большая башня, имеющая центральный приемник на самом верху. Система представляла собой определенное количество гелиостатов, которые управлялись одновременно по двум координатам. Однако это устройство использовалось в качестве отражателя солнечных лучей непосредственно на приемник, что значительно увеличивало эффективность такой системы. Только вот строить такие башни начали в США. Но всего было построено пара солнечных башен. Сегодня же крайне важно правильно выполнить расчет солнечного коллектора для отопления. Только после этого можно рассчитывать на высокую эффективность установки.

Заключение

Вот мы и поговорили с вами о том, что такое солнечный коллектор для отопления. Отзывы, как вы видите, отличаются в зависимости от правильности монтажа и места размещения. Одно можно сказать точно - это хорошее решение, но только в качестве альтернативного источника тепла. Дело в том, что полностью полагаться на солнечную энергию нельзя, по этой простой причине техника, зависящая от климатических условий, не пользуется особой популярностью. Гелиосистемы постепенно набирают популярность хотя бы потому, что это полностью безотходный и, что самое главное, экологический способ обогрева и получения Солнечный коллектор самодельный для отопления малоэффективен, поэтому лучше купить качественное изделие. Помните о том, требуют специализированного регулярного обслуживания и не терпят механических повреждений. Поэтому если собираетесь установить такую роскошь, будьте готовы к затратам.

Солнечный вакуумный коллектор (преобразователь тепловой энергии солнца) обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов, при степени вакуума 10ֿ, составляет 98 %. Солнечные коллекторы обычно устанавливаются непосредственно на крыше зданий таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши для сбора энергии. Коллекторы монтируются практически под любым углом, от 5 до 90 градусов. Минимальный угол наклона необходим для обеспечения циркуляции теплоносителя Срок службы вакуумных коллекторов — не менее 20 лет.

Резервуар-теплообменник представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный водонагреватель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая таким образом вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Блок управления предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе и резервуаре-теплообменнике, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через теплообменник, определяет направление подачи тепла (на ГВС или на отопление). В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить:

• Круглогодичное горячее водоснабжение;
• Сезонное отопление с экономией традиционных источников тепловой энергии до 80% (в зависимости от географической широты и климатических условий).

Конструкция элементов

вакуумный коллектор

Конструкция коллекторов с вакуумными трубами состоит из параллельных рядов прозрачных трубчатых профилей. Используются трубы типа ”стекло-стекло”. Внутренняя труба покрыта специальным селективным слоем, который хорошо абсорбирует солнечную энергию и препятствует потерям тепла. Такие трубы функционируют и в пасмурную погоду, и при отрицательной температуре, они преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло. Трубки обычно выполнены из боросиликатного стекла.

Конструкция вакуумных труб похожа на конструкцию термоса: одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Между ними вакуум, который представляет совершенную термоизоляцию. Для всесезонных систем в коллекторах применяются вакуумные трубы с встроенными термотрубками (тепловыми трубками). Термотрубка – это закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова.

Приемник солнечного коллектора медный с полиуретановой изоляцией, закрыт нержавеющим листом. Передача тепла происходит через медную „гильзу“ приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника.

Резервуар-теплообменник

Конструктивно выполнен в виде бойлера-накопителя. Предназначен для накопления и сохранения тепла, и обычно включает в себя одну или две внутренние теплообменные спирали. Остальное оборудование системы обычно включает насос, манометр, клапан давления, вентили, кран регулировки налива воды, соединители, манометр, вентиль безопасности на 6 атм., набор для безопасного подсоединения к отопительной системе. Как опция бак может оснащаться электронагревателем мощностью от 1 до 3 кВт.

При одновременной потребности в горячей воде и отоплении, солнечная энергия распределяется между нагревом главного котла и горячим водоснабжением. При достижении заданной температуры, автоматика переключает подачу тепла на отопительный контур. Такая последовательность работы системы может быть изменена на прямо противоположную, в зависимости от климатической зоны или времени года. Система сконструирована таким образом, что к ней легко могут подсоединяться другие нагревательные системы.

Системный контроллер для солнечных водонагревательных систем

Контроллер предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе, в резервуаре-теплообменнике и выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток.

Контроллер выполняет следующие основные функции:

• Индикацию температуры коллектора;
• Индикацию температуры в резервуаре;
• Индикацию температуры обратного потока теплоносителя;
• Установка температуры включения принудительной циркуляции теплоносителя;
• Установка времени включения и выключения системы отопления;
• Установка температуры и времени дополнительного подогрева;
• Установка температуры «антизамерзания»;
• Индикацию повреждения датчиков.

Типы гелиосистем

Различают два типа гелиосистем: сезонные и круглогодичные (всесезонные)

К сезонным системам относятся вакуумные коллекторы с прямой теплопередачей солнечной энергии воде. В таких системах вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком. Из него вода протекает прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно.

К преимуществам этой системы относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Минусом можно считать несколько больший объем воды контура теплообменника (60-200 литров). Основным преимуществом остается низкая стоимость и высокий КПД, до 98 %.

К всесезонным системам относятся вакуумные коллекторы с термотрубками. Принцип действия таких коллекторов прост и припоминает работу установки центрального отопления. Это закрытая система, в которой, через верхнюю часть коллектора и змеевик протекает, незамерзающая жидкость. Эта жидкость забирает тепло из медных наконечников, а затем горячая жидкость перекачивается через змеевик бака-аккумулятора и нагревает воду в баке. Цикл передачи тепла из коллектора к аккумулятору длится до тех пор, пока длится день (и температура на выходе коллектора выше температуры в баке на уровне теплообменника). Работу насоса контролирует электронный контроллер. Датчики контроллера находятся в коллекторе и в баке-аккумуляторе. Они измеряют температуру в системе. Кроме того, расширительный бак предохраняет систему от слишком высокого давления, возникающего при возрастании температуры и не использовании воды потребителями.

Область применения

• Обеспечение горячим водоснабжением жилых домов, коттеджей, дачных домиков, гостиниц, ресторанов, теплиц, бассейнов и т.д.;
• Отопление помещений в весенне-осенний период и экономия энергоносителей системы отопления в зимний период до 50%.
• Поддерживающее отопление помещений при применении с технологией «теплый пол»

Продолжить чтение

Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление с вакуумными солнечными коллекторами В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится темная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет…

Комплект для солнечного теплоснабжения с вакуумными коллекторами и аккумулирующим баком Водонагревательная система c активной циркуляцией. Для холодного климата России наиболее подходят системы солнечного горячего водоснабжения, в которых теплоаккумулирующий бак находится в теплом доме. Коллекторы размещаются на крыше или на отдельной…

Интегрированная система с вакуумным коллектором и баком Suntask STH Интегрированные системы, в которых солнечные вакуумные трубки входят прямо в бак-накопитель тепла, дешевле сплит-систем. Подробное описание особенностей, преимуществ и недостатков интегрированных систем солнечных коллекторов описано в статье "Вакуумные коллекторы с баком".…

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.