Солнечные коллекторы для отопления дома, принцип работы гелиосистемы, особенности подключения коллекторов

Какой солнечный коллектор лучше выбрать

Однозначного ответа на данный вопрос нет, поскольку каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками:

Например, плоские коллекторы считают более прочными и надежными благодаря более простой конструкции, тогда вакуумные солнечные коллекторы для отопления потенциально более хрупки.
Несмотря на то, что воздушный коллектор обладает меньшим КПД, он более прост в управлении и не боится проблем, связанных с замерзанием теплоносителя и воды.
Если плоский коллектор выходит из строя, то замене подлежит вся абсорбирующая система. При повреждении коллектора вакуумного типа, необходимо заменить лишь вышедшие из строя трубки.

Отопление солнечными коллекторами зачастую имеет следующую принципиальную схему работы

Эффективность плоских коллекторов выше при необходимости нагрева воды на 20-40 градусов свыше температуры наружного воздуха, тогда как вакуумные коллекторы эффективней справляются с задачей нагрева до более высоких температур, что весьма актуально, если преимущественно используется солнечный коллектор зимой для отопления.
Также вакуумные коллекторы вырабатывают больше энергии при пасмурной погоде и меньше ее теряют в зимний период от контактов с холодным окружающим воздухом.
Если средний срок службы коллекторов составляет около 15-30лет, то этот показатель отдельно для вакуумных систем несколько ниже.

Дополнительные особенности выбора вакуумных коллекторов

Необходимо знать, что величины трубок вакуумных коллекторов напрямую влияют на показатель выработки энергии. Так, чем они тоньше и меньше, тем меньше тепловой энергии сможет приносить такая система. Нормальным считается диаметр трубок в 58 мм при длине 1,2-2,1 м.

Кроме того, такие коллекторы могут быть с обычными медными нагревательными трубками, передающими тепло, и с U-образными трубками, образующими миниконтуры передачи тепла в внутри каждой стеклянной трубки. Именно последние считаются наиболее продвинутыми в технологическом плане на сегодняшний день.

U-образная трубка вакуумного коллектора

Мы рассмотрели особенности различных видов солнечных коллекторов отопления и надеемся, что наши рекомендации позволят вам существенно сэкономить на использовании природных теплоносителей. Смело используйте альтернативные источники энергии, поскольку именно за ними наше будущее.

Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок

По конструктивному исполнению солнечные коллекторы могут быть плоскими или вакуумными. Последний вариант является более распространенным типом, который характеризуется простотой монтажа, высокой эффективностью, способностью обеспечить необходимым количеством тепла весь дом. Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома, цена которого превышает стоимость плоского изделия, представлен сложной конструкцией, которую можно использовать для полноценного обогрева помещения и нагрева воды в любой сезон года.

По типу конструкции солнечные коллекторы бывают вакуумными и плоскими

Существует особый тип установки, который называется коллектор-концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, которые располагаются на одной криволинейной поверхности, где концентрируется в определенных точках солнечный свет. Для получения максимального эффекта необходимо изменять вслед за движением солнца положение устройства, которое может находиться в двух плоскостях.

В зависимости от теплоносителя различают жидкостные и воздушные конструкции. В первом случае используется дистиллированная вода или антифриз, а во втором – нагретый воздух.

По варианту применения теплоносителя различают пассивные и активные системы. В первом варианте солнечный коллектор используется совместно с баком накопителем. Такая система приемлема для горячего водоснабжения и не комплектуется дополнительными инженерными элементами. Активный вариант предполагает установку солнечного коллектора и других технических устройств, таких как насос, бак-накопитель, защитные клапаны, дополнительные приборы нагрева теплоносителя. Такая система может применяться и для горячего водоснабжения, и для отопления дома.

По виду использования коллекторы могут быть пассивными и активными

Способ передачи тепла может быть косвенным или прямым. Первый вариант предполагает наличие аккумулирующего бака, в котором выполняется передача тепловой энергии, полученной наружным контуром от солнечного излучения, внутреннему контуру, циркулирующему в системах отопления и ГВС. В прямоточных системах, которые применяются для горячего водоснабжения, циркуляция воды в контуре коллектора происходит под воздействием разности температур и благодаря наличию дополнительных элементов в виде клапанов и кранов.

Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя

Воздушные или водяные солнечные коллекторы для отопления дома можно классифицировать по степени нагревания его рабочих органов и теплоносителя. В зависимости от этого критерия различают низко-, средне- и высокотемпературные установки. Низкотемпературные варианты способны обеспечить нагрев теплоносителя до 50 °С. Такие тепловые коллекторы используются для подогревания воды в душевых летом, в емкостях для полива, для создания комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.

Среднетемпературные системы обеспечивают нагрев теплоносителя до 80 °С. Такие установки употребляются для обогрева помещений, для бассейнов. Солнечные коллекторы данной категории наиболее целесообразно устанавливать при обустройстве частного дома. Высокотемпературные системы способны нагреть теплоноситель до температуры 250-300 °С. Такие устройства рекомендуется использовать в промышленных масштабах. Их применяют для обогрева коммерческих зданий, производственных цехов и других технологических помещений.

Высокотемпературные системы предполагают сложный процесс преобразования и передачи тепловой энергии. Конструкции имеют внушительные габариты, требующие много свободного пространства для их монтажа. Процесс изготовления системы является весьма трудоемким и затратным, что связано с использованием специализированного оборудования. Самостоятельно выполнить такой вариант не удастся.

По температуре нагрева коллекторы классифицируются на низко-, средне- и высокотемпературные

Плюсы и минусы

Как у любого технического устройства, так и у солнечного коллектора, есть свои плюсы и минусы, как по возможности использования и эксплуатации, так и по иным параметрам и показателям. В зависимости от конструкции устройства, плюсы и минусы, разнятся, поэтому необходимо их рассмотреть в отдельности друг от друга.

Плоские солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

При использовании в южных регионах с теплым климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
При осадках в виде снега, имеют способность к самоочищению;
Обладают высоким КПД, при использовании в летний период;
Относительно низкая стоимость, в сравнении с аналогами другой конструкции.

Недостатками являются:

Значительные тепловые потери, вызванные конструктивными особенностями устройства;
Низкий КПД при работе в осенне-весенний период;
Сложность транспортировки и монтажа готовых изделий;
Высокая парусность конструкции, создает опасность повреждения ее элементов, в процессе эксплуатации;
Сложность и трудозатратность выполнения ремонтных работ.

Вакуумные солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

При использовании в регионах с холодным и умеренным климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
Незначительные тепловые потери, в процессе эксплуатации, в сравнении с аналогами другой конструкции;
Способность работать при низких и отрицательных температурах окружающего воздуха;
Способность работать при низкой солнечной активности в утренние и вечерние часы, а также при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода);
Легкий и удобный монтаж, транспортабельность конструкций;
Надежность в процессе эксплуатации.

Недостатками являются:

Относительно высокая стоимость;
Жесткие требования к монтажу, определяющие расположение коллектора в пространстве по отношению к поверхности земли.

Коллектор Станилова: «солнечное отопление» в доме

Установки для отопления дома или решения проблем горячего водоснабжения (полного или частичного), собираемые на основе чертежей изобретателя из Болгарии С. Станилова, относятся к универсальным конструкциям, работа которых основана на парниковом эффекте.

Поэтому солнечные лучи, попадая в замкнутое и герметично изолированное пространство, не имеют выхода, что и порождает термосифонный эффект, при котором нагретая жидкость в трубках начинает свое движение вверх, вытесняя при этом жидкость с более низкой температурой к месту нагрева.

Основным преимуществом работы такой установки является то, что накопленная ей энергия не теряется, а аккумулируется и сохраняется определенное время.

Представляет собой конструкцию трубчатого типа, заключенную в специальную деревянную раму. Как правило, одновременно применяется два коллектора в союзе с накопителем и аванкамерой.

Для изготовления радиатора-коллектора используются стальные трубки, которые обязательно соединяются сваркой. Поэтому применение медных или алюминиевых изделий, особенно при изготовлении конструкции своими руками, представляется проблематичным.

Для соединения коллектора с накопительной емкостью рекомендуется использовать также стальные трубы диаметром от 3/4 до 1 дюйма.

Элементы установки и особенности монтажа

Для изготовления солнечного водонагревателя своими руками также потребуются:

деревянная рама;
стекло для изготовления светопрозрачной крышки;
оргалит или металлический лист для дна коллектора, который впоследствии обязательно потребуется теплоизолировать;
усилитель для днища, в роли которого можно использовать брус с размерами не более 30?50 мм;
металлические трубки, из которых будет свариваться радиатор коллектора из расчета, что для изготовления одного требуется в среднем 15 единиц при длине 1,60 м;
теплоотражатель, для изготовления которого вполне пригоден оцинкованный лист;
соединительные муфты и хомуты;
теплоизоляционные материалы (пенопласт, минеральная вата и любые другие).

Потребуется и накопительный бак, для которого в зависимости от потребностей и мощности самого коллектора используются емкости от 150 до 400 л. В принципе, можно установить не один бак, а несколько, суммарным объемом соответствующих расчетному.

Обязательно емкости следует теплоизолировать, например, изготовив для них специальный утепленный короб, установить который можно не только на крыше здания, но и на чердаке.

Функции аванкамеры, составного элемента данной конструкции, сводятся к созданию избыточного давления, составляющего не менее 80-100 мм рт. ст. Она представляет собой емкость объемом 30-40 л, оснащенную поплавковым клапаном, обеспечивающим ее работу в автономном режиме.

При монтаже аванкамеры обязательно должно соблюдаться условие, при котором уровень жидкости в ней превышал бы уровень воды в накопителе на 0,8-1,1 м, кроме того, располагаться они должны в непосредственной близости друг от друга.

Короб, в котором будет располагаться коллектор, должен обязательно теплоизолироваться, а для уменьшения теплопотерь внешние его стороны рекомендуется окрашивать в белый цвет, стеклянная крышка обязательно должна быть герметичной.

Сами трубы и днище должны иметь селективный слой краски для увеличения светопоглощающей способности.

Как работает солнечный коллектор?

Установку коллектора предпочтительнее выполнять на южной стороне скатной крыши, на плоской кровле его следует монтировать под углом от 35° до 45°. Далее можно приступать к заполнению системы.

После этого аванкамеру нужно соединить с водопроводным вводом и открыть кран для снижения уровня воды. Как только сработает поплавковый клапан, расходный кран закрывают. Нагретая вода поступает в верхнюю часть накопителя, откуда она уже может отбираться, а ее место заполняет новая порция холодной.

Регулирует этот процесс поплавок, который и запускает процесс долива воды в систему, как только уровень в аванкамере снизится. Для того чтобы исключить возможность обратной отдачи тепла используется вентиль, который следует перекрывать ночью или в пасмурные дни.

Непосредственно к сантехническим приборам вода подключается с обязательным использованием смесителей, так как пиковые значения температур могут достигать 70 °C и даже выше.

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

Плоские закрытые солнечные коллекторы

Плоский коллектор состоит из алюминиевого каркаса, специального поглощающего слоя – абсорбера, прозрачного покрытия, трубопровода и утеплителя.

В качестве абсорбера применяют зачерненную листовую медь, отличающуюся идеальной для создания гелиосистем теплопроводностью. При поглощении солнечной энергии абсорбером происходит передача полученной им солнечной энергии теплоносителю, циркулирующему по примыкающей к абсорберу системе трубок.

С наружной стороны закрытая панель защищена прозрачным покрытием. Оно изготовлено из противоударного закаленного стекла, имеющего полосу пропускания 0,4-1,8мкм. На такой диапазон приходится максимум солнечного излучения. Противоударное стекло служит хорошей защитой от града. С тыльной стороны вся панель надежно утеплена.

Плоские солнечные коллекторы отличаются максимальной производительностью и простой конструкцией. КПД их увеличен за счет применения абсорбера. Они способны улавливать рассеянное и прямое солнечное излучение

В перечне преимуществ закрытых плоских панелей числятся:

простота конструкции;
хорошая производительность в регионах с теплым климатом;
возможность установки под любым углом при наличии приспособлений для изменения угла наклона;
способность самоочищаться от снега и инея;
низкая цена.

Плоские солнечные коллекторы особенно выгодны, если их применение запланировано еще на стадии проектирования. Срок службы у качественных изделий составляет 50 лет.

К недостаткам можно отнести:

высокие теплопотери;
большой вес;
высокая парусность при расположении панелей под углом к горизонту;
ограничения в производительности при перепадах температуры более 40°С.

Сфера применения закрытых коллекторов значительно шире, чем гелиоустановок открытого типа. Летом они способны полностью удовлетворить потребность в горячей воде. В прохладные дни, не включенные коммунальщиками в отопительный период, они могут поработать вместо газовых и электрообогревателей.

Солнечные коллекторы

Гелиоустановки, т.е. устройства для получения энергии от Солнца, можно разделить на солнечные батареи, вырабатывающие электричество, и коллекторы, используемые для нагрева воды. Несмотря на все конструкторские ухищрения, КПД солнечной батареи до сих пор остается не слишком высоким. Вероятно, в дальнейшем ситуация изменится, но пока к ним прибегают крайне редко. А вот с помощью солнечного коллектора вполне реально собрать довольно ощутимое количество тепла, причем практически бесплатно.

Солнечный коллектор Buderus, установленный на крыше дома

Плоский, или плоскопанельный коллектор представляет собой короб, накрытый стеклом. Внутри размещается змеевик — изогнутая медная трубка, к которой приварены пластины — абсорберы. Возможно и более сложное строение в виде параллельно расположенных трубок. Это делается для уменьшения сопротивления, возникающего при прохождении теплоносителя. Солнце нагревает пластины, те передают тепло трубке, а она в свою очередь — циркулирующей в ней жидкости. Конструкция проста, но часть энергии неизбежно рассеется в окружающий воздух за счет конвекции. Для сбора максимальною количества энергии требуется обеспечить как можно большее поглощение тепла на пластинах абсорбера и уменьшить тепловые потери в самой панели. Общеизвестно, что лучше всего поглощают тепло черные тела, но использование обычной краски не дает хороших результатов.

Солнечный коллектор Bosch

Оптимизация солнечной системы Bosch при приготовлении горячей воды и для отопления.

Солнечный коллектор Vaillant auroStep plus на крыше дома

Полностью избавиться от конвекционных потерь в плоском коллекторе не удастся. Как ни крути, абсорбер будет отдавать часть энергии «на улицу», в воздух. В большинстве случаев с этим приходится смириться, хотя производители и предпринимают различные ухищрения с целью минимизации потерь. В современных моделях корпус тщательно герметизируют. Это препятствует попаданию внутрь пыли и влаги, увеличивает коррозионную стойкость элементов и препятствует образованию конденсата на внутренней поверхности стекла. Конденсат, в соответствии с законами физики, выпадает по утрам и препятствует прохождению солнечных лучей. Днем-то он, конечно, испарится, но до этого панель будет работать не в полную силу.

Плоский солнечный коллектор Bosch

Иногда корпус заполняют инертным аргоном. Теплопроводность аргона ниже, значит, потери еще снижаются. Конвективные потери неизбежно возрастают при уменьшении температуры окружающего воздуха. При отрицательных температурах эффективность плоских коллекторов невелика: солнца обычно и так немного, а большая часть собранного на абсорбере тепла уйдет впустую, в воздух. Способ избавиться от таких потерь прост — надо удалить воздух.