Солнечные коллекторы для отопления дома как эко-источник энергии

Конструкция плоского коллектора

Для самостоятельного изготовления наибольший интерес представляют плоские солнечные коллекторы, предназначенные для нагрева воды. В корпусе из металла или алюминиевого сплава прямоугольной формы размещен тепловой приемник — пластина с запрессованным в ней змеевиком из медной трубки. Приемник выполняется из алюминия или меди, покрытой абсорбционным слоем черного цвета. Как и в предыдущем варианте, снизу пластина отделена от дна слоем теплоизоляционного материала, а роль крышки играет прочное стекло или поликарбонат. Ниже на рисунке изображено устройство солнечного коллектора:

Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

Особенности солнечного коллектора

Современные аппараты используются как дополнительное оборудование для отопления, которое перерабатывает солнечный свет в топливо для помещения. Но оно гарантирует хозяевам качественный обогрев воды и отопление лишь для жителей южных территорий, где большую часть года тепло. И это только в том в случае, если коллекторы имеют довольно большие размеры и поставлены на незатемненных дворах. Вне зависимости от видов агрегаты работают по одному общему принципу.

Каждая гелиосистема — это система контуров с поочередным месторасположением приборов, вырабатывающих тепло и передающих его в помещение. Ведущими рабочими органами считаются солнечные батареи на фотоэлементах.

Солнечные коллекторы лишь помогают в выработке дополнительного тепла. Всецело переводить отопление дома на такой вид небезопасно по причине невозможности предугадать точный прогноз и количество дней с безоблачной погодой.

Коллекторы представлены как система труб, объединенных поочередно с выходной и входной магистралями или же имеющих вид змеи. По соединениям протекает вода (если устройство работает от воды), смешанная с антифризом. Циркуляцию обеспечивают физические особенности жидкости: испарительные процессы, изменение давления и прочие.

Сбор и обработка энергии солнца выполняется с помощью абсорберов. Это или сплошная пластина из железа с матовой внешней поверхностью, или система нескольких пластинок, которые соединены с трубами.

Для конструирования верхней части корпуса и крышки применяются расходники со способностью принимать лучи. Довольно популярными материалами профессионалы называют оргстекло, аналогичные полимеры, жаропрочное стекло.

Стоит отметить, что полимеры недостаточно стойко выдерживают воздействие ультрафиолета. Что касается пластика, то он способен деформироваться от повышенной температуры, а это нередко приводит к разгерметизации аппарата. Вследствие этого внедрение аналогичных расходников для оборудования корпуса коллектора следует исключить.

Воду как теплоноситель хозяева могут использовать лишь только в системах, специализированных для подачи дополнительного тепла в осень и весну. В том случае, если владелец собирается использовать систему на протяжении всего года, то в самую первую осень следует долить до воды необходимое количество антифриза.

Если солнечный коллектор планируется для подогрева маленького строения, не зависимого от централизованной системы отопления жилого дома, то следует построить самую примитивную конструкцию с одним контуром и прибором для нагрева в начале магистрали. Схема настолько проста, что ее не нужно обеспечивать насосами. Но максимально ее использовать можно только в летний период.

При подключении коллектора в двухконтурную конструкцию все обстоит гораздо труднее, но и количество подходящих для использования дней значительно увеличено. Устройство начинает работать сразу же с одного контура. Основная нагрузка приходится на ведущую магистраль, которая работает от электричества или топлива.

Независимо от производителей энергии и числа ясных дней, любой солнечный аппарат пользуется большим спросом среди владельцев частных домов и дач. Они очень популярны среди людей, которые заботятся о природе и стараются окружать себя экологически чистыми предметами, без загрязнений и вредных выбросов.

Типы солнечных коллекторов

Воздушный солнечный коллектор

Подвижные аккумуляторно-образующие системы. Преимущество данных систем в том, что они имеют специальный датчик, который поворачивает светопоглощающую поверхность вслед за перемещением солнца. Таким образом, лучи постоянно подают на коллектор под прямым углом. Несмотря на это, система не является популярной, поскольку ее стоимость значительно выше.
Плоское светопоглощающее устройство. По сути – это небольшой черный ящик со стеклянной поверхностью, который накапливает энергию попадающих на него лучей. Модель является весьма распространенной ввиду своей функциональности и относительно доступной стоимости.
Трубчатый коллектор. Такая система состоит из большого количества ровно уложенных трубочек черного цвета, которые заполнены теплоносителем. Разница в температуре теплоносителя верхних и нижних трубок стимулирует его циркуляцию. Преимущество круглых элементов системы в том, что они имеют большую площадь поглощающей поверхности – это положительно влияет на КПД системы.

Строение солнечного трубчатого коллектора

Вакуумный солнечный коллектор для отопления. По сути, это подвид трубчатой системы. Разница лишь в том, что черная трубка проходит внутри другой – стеклянной трубы, большего диаметра. Между стенками вакуумные коллекторы для отопления имеют вакуумное пространство, которое является своеобразной теплоизоляцией.
Коллектор-концентратор излучения. Данная система является одной из наиболее сложных технически. Прежде всего, она оснащена специальными рефлекторами, которые «собирают» (фокусируют) солнечные лучи с большого пространства, и направляют их на значительно меньший по площади принимающий элемент. На плотность потока солнечной энергии влияют также специальные зеркала. Еще одним достоинством системы являются датчики, которые следят за перемещением солнца, способствуя увеличению результативности работы коллектора.

Коллектор-концентратор излучения

Еще раз про целесообразность

Использовать для отопления вместо привычных энергоресурсов энергию солнца выгодно. В зависимости от выбранного типа гелиосистемы, экономия на потреблении платного тепла может составлять до 100%.

Вариант полной замены системы отопления – использование коллекторов с вакуумными трубками. Это достаточно дорогостоящий проект на начальном этапе. В дальнейшем он может гарантировать полную энергетическую независимость, окупив себя за 6-8 лет.

Изобретательность домашних мастеров не знает границ – в качестве лабиринта для циркуляции жидкости внутри коллектора можно приспособить обычный шланг

Срок службы гелиоустановок до 25 лет. Они требуют незначительного ухода – периодического очищения поверхностей от снега, пыли, мусора. Что касается ремонта, то его можно проводить собственными силами. Существенный недостаток – плоские коллекторы и солнечные батареи «боятся» ураганов.

Такое отопление безопасно для жителей дома и окружающей среды. Оно совершенно бесплатное и не зависит от курса валют, цен на энергоресурсы.

Солнечные батареи и панели – современный и недорогой способ отопления

Солнечные панели – это современный и экологичный способ отапливать свое жилье. Если разумно использовать энергию солнца, то можно превратить обычный жилой дом в уютный экологичный домик с минимальными расходами на оплату коммунальных услуг.

Основными преимуществами использования солнечных панелей для отопления дома являются:

Экономичное потребление и уменьшение расходов на оплату коммунальных услуг;
Нет необходимости оформлять разрешения или делать какие-то документы, согласовывая все это в разных инстанциях;
Автономность – при достаточном количестве солнечных панелей можно полностью отказаться от использования общих коммуникаций;
Это экологически чистый источник энергии.

Как и в предыдущих случаях, главный минус использования такой системы отопления – большие первоначальные вложения. Срок окупаемости солнечных панелей составляет минимум 10-15 лет.

Трубчатые солнечные коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы

Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.

Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.

При цилиндрической форме трубки солнечные лучи всегда падают перпендикулярно поверхности

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.

Свое название система получила от перьевого абсорбера, который плотно обхватывает тепловой канал из теплопроводящего металла

Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.

Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

Поскольку легкоиспаряющаяся жидкость естественным образом стекает на дно термотрубки, минимальный угол наклона составляет 20°

Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.

В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.

Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.

При прямоточном подключении давление в системе не может быть высоким, так как внутри колбы технический вакуум

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.

Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.

Достоинства:

низкие теплопотери;
способность работать при температуре до -30⁰С;
эффективная производительность в течение всего светового дня;
хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
возможность производства высокой температуры теплоносителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Обладает следующими недостатками:

не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
высокая стоимость.

Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.

Трубчатые коллекторы относятся к гелиоустановкам открытого типа, потому не подходят для круглогодичного использования в системах отопления

Разновидности коллекторов

Гелиосистема — это система преобразования солнечной энергии в любую другую, в том числе и тепловую энергию. Существует несколько основных типов коллекторов, которые отличаются между собой конструктивно: воздушный, плоский, коллекторно-концентратный и вакуумный. Помимо конструктивных отличий они еще отличаются по эффективности, но при этом и сложность установки у них разная.

Воздушный. Эта система основывается на эффекте парника. То есть некий короб, внутренняя часть которого окрашивается в черный цвет для лучшего нагрева, а сверху его закрывают стеклом или иным прозрачным материалом. Воздушный поток можно перемещать с помощью нагнетателя. Из плюсов такой гелиосистемы можно отнести легкость и простоту монтажа, нет необходимости в каких-то специальных устройствах. Стоит взять в расчет, что теплоносителем является воздух, а значит, полностью исключена возможность протечки. К минусам относится невысокий КПД из-за прямой зависимости от погодных условий, невозможность использовать зимой в северных широтах. Такой коллектор чаще используют, как дополнение к основному.
Плоская гелиосистема. Это уже профессиональное оборудование, которое представляет собой панели, защищенные сзади теплоизоляцией, а сверху покрытые рельефным поликарбонатом или закаленным стеклом. Увеличить нагревательный эффект позволяет дополнительное оптическое покрытие. Внутри такой панели проходит теплопроводная система труб, которая и разносит тепло по дому. Из минусов стоит взять в расчет достаточно большие теплопотери, несмотря на присутствие теплоизоляции в устройстве, поэтому, данная система проявит себя во всей красе лишь в южных широтах, а также большая парусность и сложность монтажа. Положительная сторона плоской модели — в высокой производительности в подходящих условиях.
Коллекторно-концентратная система. Расчет сделан на параболоцилиндрический отражатель, вмонтированный под прозрачной поверхностью. Такая гелиосистема нагревает не какой-то конкретный теплоноситель, а прогревает сразу воздух в помещении. Эффективность такого устройства повышают датчики слежения за солнцем.
Вакуумный метод. Данная конструкция схожа с плоской гелиосистемой. Стеклянные трубки размещены на темном покрытии в специальных секциях, но эффективность вакуумной схемы превышает все остальные. Расчет сделан по принципу термоса. Это полностью исключает возможность теплопотери. Внутри стеклянной колбы размещен медный стержень, при этом колба имеет двойное остекление, между которым как раз и находится вакуум. Даже зимой, когда температура окружающей среды находится в отрицательных значениях, вакуумная гелиосистема отлично работает. К минусам можно отнести то, что данную установку вряд ли получится собрать самостоятельно из-за технически сложного устройства, а так же особенностей монтажа.

Как выбрать гелиоустановку

Выбор вида гелиоустановки и ее мощности зависит от того назначения, для которого она предназначена и района проживания: количество солнечных дней в году и минимальная температура воздуха зимой. Так как в наших широтах зимой имеют место отрицательные температуры, то лучшим выбором будут двухконтурные установки с теплоносителем в виде незамерзающей жидкости.

Если с помощью гелиосистемы будет осуществляться только горячее водоснабжение дома, тогда потребуется установка меньшей мощности и соответственно меньшая площадь солнечного коллектора. Если же с помощью солнечной энергии предполагается и отапливать дом, то здесь мощность установки и площадь коллекторов должна быть значительно большей. Так площади солнечного коллектора 4-6 м2 будет достаточно, чтобы обеспечить на 50-70% горячее водоснабжение в доме. Площади 10-12 м2 уже должно полностью хватать для горячего водоснабжения и частично – для отопления.

Установка и ориентация

Солнечные коллекторы на крыше дома и перед бассейном

Солнечные коллекторы, в зависимости от их вида и площади, можно установить как на крыше дома, так и на открытой площадке возле дома, обязательно с южной стороны

Очень важное значение имеет и угол их наклона. Чем он ближе к значению 90° по отношению к солнечным лучам, тем лучше будет нагреваться теплоноситель в них

Наилучшим вариантом здесь были бы системы с автоматическим регулированием угла наклона. Но такие гелиосистемы имеют большую стоимость. Если же коллекторы закрепляются неподвижно, то они должны быть ориентированы на юг или максимально близко к этому направлению.

Срок окупаемости

Окупаемость гелиосистем зависит, как от самой их стоимости, так и он цены на традиционный виды энергии, которые используются для отопления в той или иной местности. Для Европы, где гелиоустановки пользуются наибольшей популярностью, срок окупаемости, в среднем, составляет до 5 лет. Для средней полосы России, а также сопредельных стран он будет, как минимум, в два раза больше. Хотя, учитывая постоянный рост цен на энергоносители, со временем, он будет сокращаться. При этом, необходимо учитывать, что даже используя гелиоустановки, как дополнительное отопление или для горячего водоснабжения можно экономить от 40 до 70% топлива других, традиционных видов.

Видео по теме:

Разновидности коллекторов

Воздушный

Воздушный. Эта система основывается на эффекте парника. То есть некий короб, внутренняя часть которого окрашивается в черный цвет для лучшего нагрева, а сверху его закрывают стеклом или иным прозрачным материалом. Воздушный поток можно перемещать с помощью нагнетателя. Из плюсов такой гелиосистемы можно отнести легкость и простоту монтажа, нет необходимости в каких-то специальных устройствах. Стоит взять в расчет, что теплоносителем является воздух, а значит, полностью исключена возможность протечки. К минусам относится невысокий КПД из-за прямой зависимости от погодных условий, невозможность использовать зимой в северных широтах. Такой коллектор чаще используют, как дополнение к основному.

Плоская гелиосистема

Плоская гелиосистема. Это уже профессиональное оборудование, которое представляет собой панели, защищенные сзади теплоизоляцией, а сверху покрытые рельефным поликарбонатом или закаленным стеклом. Увеличить нагревательный эффект позволяет дополнительное оптическое покрытие. Внутри такой панели проходит теплопроводная система труб, которая и разносит тепло по дому. Из минусов стоит взять в расчет достаточно большие теплопотери, несмотря на присутствие теплоизоляции в устройстве, поэтому, данная система проявит себя во всей красе лишь в южных широтах, а также большая парусность и сложность монтажа. Положительная сторона плоской модели — в высокой производительности в подходящих условиях.

Коллекторно-концентратная система

Коллекторно-концентратная система. Расчет сделан на параболоцилиндрический отражатель, вмонтированный под прозрачной поверхностью. Такая гелиосистема нагревает не какой-то конкретный теплоноситель, а прогревает сразу воздух в помещении. Эффективность такого устройства повышают датчики слежения за солнцем.

Вакуумный метод

Вакуумный метод. Данная конструкция схожа с плоской гелиосистемой. Стеклянные трубки размещены на темном покрытии в специальных секциях, но эффективность вакуумной схемы превышает все остальные. Расчет сделан по принципу термоса. Это полностью исключает возможность теплопотери. Внутри стеклянной колбы размещен медный стержень, при этом колба имеет двойное остекление, между которым как раз и находится вакуум. Даже зимой, когда температура окружающей среды находится в отрицательных значениях, вакуумная гелиосистема отлично работает. К минусам можно отнести то, что данную установку вряд ли получится собрать самостоятельно из-за технически сложного устройства, а так же особенностей монтажа.

Элементы гелиосистемы

Модули коллекторов можно установить на горизонтальной или вертикальной плоскости, закрепить на крыше или встроить в нее. Для этого понадобятся различного рода крепежные элементы, поставляемые производителями отдельно. Однотипные модули допускают возможность соединения в «батарею»

При монтаже особое внимание следует уделить расположению модулей. Понятно, что максимально эффективная работа будет в том случае, если солнечные лучи падают на поверхность строго перпендикулярно

Сделать следящее устройство, разворачивающее модули, в принципе возможно, такие разработки есть, но на практике эти решения почти не применяются: стоимость аппаратуры окажется выше цены всей гелиосистемы. Следует учесть и то, что Солнце зимой поднимается ниже, чем летом, а значит, оптимальный угол наклона модулей различается. В северных районах их можно поставить вертикально и улавливать лучи, отраженные от снежного наста. Если для работы достаточно одного—пяти модулей, их обычно соединяют последовательно, один за другим. При одновременной установке большого количества модулей возможно параллельное соединение отдельных частей системы с целью уменьшения потерь на сопротивление протеканию теплоносителя. Сами по себе солнечные коллекторы — всего лишь часть системы, причем не самая дорогая. Для обеспечения горячей водой необходим теплоизолированный накопительный бак с устройствами контроля и управления.

В одноконтурных системах в коллектор поступает та вода, которая в дальнейшем расходуется из бака. Преимущества — простота, высокий КПД, недостатки — повышенные требования к чистоте и жесткости воды, образование накипи и коррозия от растворенного в воде кислорода. К тому же зимой вода может замерзнуть, повредив установку.

В двухконтурных системах используется отдельный контур теплоносителя, который передает энергию воде с помощью теплообменника, обычно змеевика, встроенного в бак. В качестве теплоносителя, как правило, используют специальные антифризы с низкой температурой замерзания. Преимущества — высокая надежность и долговечность системы, высокая коррозионная стойкость и отсутствие выпадения солей в контуре. Недостаток — немного уменьшается эффективность работы и требуется периодическая, раз в пять—семь лет, замена антифриза.

Помимо этого, различают системы с естественной циркуляцией (термосифонные), когда горячий теплоноситель поднимается в бак, располагающийся выше коллектора, и системы с принудительной циркуляцией, у которых в контур встраивается небольшой насос. Также по типу заполнения теплоносителем различают системы постоянного заполнения и самоопорожняющиеся. В первом случае (при двухконтурной системе) в конструкцию вводится мембранный бак, компенсирующий тепловое расширение, и клапан для удаления воздуха из системы. В самоопорожняющихся коллекторах объем контура больше объема теплоносителя. При отключении насоса гелиоконтура жидкость из коллектора сливается в бак. Такой тип системы особенно удобен при периодическом проживании: теплоноситель служит дольше. За работой системы в целом следит контроллер, управляющий циркуляционными насосами и нагревательными элементами. Часто большинство элементов системы собраны с баком воедино, что упрощает монтаж и техническое обслуживание. На коллекторе и внутри бака устанавливают датчики температуры. Система включается, когда температура теплоносителя в коллекторе начинает превышать температуру воды в баке. Понятно, что, если теплоноситель холоднее воды, включать циркуляцию бессмысленно. Иногда предусматриваются и другие датчики, измеряющие температуру в помещении и на улице. В современных установках контроллер — сложное электронное устройство, позволяющее работать по различным программам. Чтобы получить больше тепла и не зависеть от солнечной погоды, баки оснащают системами дополнительного подогрева: тэном, а иногда и еще несколькими контурами, которые могут работать от котла или теплового насоса. Тут есть еще одно интересное преимущество. Днем основной приток энергии придет от коллектора, а ночью, возможно, потребуется дополнительный электроподогрев. При использовании многотарифного счетчика горячая вода будет доступна в любое время суток, а затраты на электричество существенно снизятся.