Солнечные коллекторы: виды, принцип работы, устройство системы

Требования к установке

Эффективность работы гелиосистемы зависит от соблюдения рекомендаций по их установке. Коллектор должен располагаться на открытом пространстве, куда не падает тень от зданий, деревьев, гор.

Большое значение имеет ориентация. В северном полушарии «зеркала» должны быть развернуты строго на юг. Если технически сделать этого невозможно, следует юго-запад или юго-восток.

Важный параметр – оптимальный угол наклона плоскости. Его величина зависит от отклонения положения солнца от зенита. Определяется этот параметр географической широтой местности. Если угол наклона выставить неправильно, возрастут оптические потери энергии, поскольку значительная часть лучей будет отражаться и не достигнет абсорбера.

Подключение к отопительной системе

Способ подключения зависит от того, какой тип циркуляции используется. Проще всего подключиться к системе с естественной циркуляцией. Главный принцип в этом варианте – нагрев воды.

Выше уровня коллектора подключается накопительный бак. Верхний вывод подключают ко входу горячей воды, а нижний к обратке. На входе в коллектор могут возникнуть воздушные пробки.

Подключение к системе с принудительной циркуляцией несколько иное:

1. Контроллер управляет насосом на основе показаний датчиков.
2. Когда температура достигает заданного значения, нагрев прекращается.
3. Бак-накопитель, обратка и выход коллектора — места, где устанавливаются такие датчики вместе с такой системой лучше использовать дополнительные источники тепла. Например, твердотопливные или газовые котлы. На степень нагрева воды в системе в таких случаях влияет местоположение коллектора по отношению к солнцу, и уровень наклона.

Мнение эксперта Торсунов Павел Максимович Опытный строитель с 10-летним стажем

Лучше устанавливать коллекторы так, чтобы под прямыми солнечными лучами они находились большую часть дня. Если не планируется подключать дополнительные источники тепла, объем бака в регионах с суровым климатом лучше выбирать около 40 см3. Иначе в пасмурные дни система будет работать не эффективно.

Виды и различия солнечных коллекторов

На сегодняшний день распространение среди промышленно изготавливаемых солнечных коллекторов получили два вида систем:

• плоские солнечные панели;
• вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы.

Плоская солнечная панель

Является распространенным типом солнечного коллектора, используемого в современных системах гелиоэнергетики. Широкое распространение данный тип получил вследствие относительной дешевизны и простоты, как устройства, так и эксплуатации. Недостатком плоских солнечных коллекторов является значительное (до двух раз) понижение КПД в условиях отрицательных температур наружного воздуха.

Конструкция плоского солнечного коллектора.

Конструктивно представляет собой панель с площадью поглощающей поверхности 2-2,5 м2, выполненную из алюминиевых или стальных сплавов. Лицевая часть выполнена в виде листа специального гелиостекла, что обеспечивает максимальное поглощение энергии солнечного света и минимальные потери энергии с отраженными и рассеянными лучами. Непосредственно под гелиостеклом расположен поглотитель, выполняемый в виде плоской трубки из медных или алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопередачи.

Трубка, как правило, имеет радиальное оребрение, что значительно повышает коэффициент теплопередачи поглотителя. На поглотитель наносится покрытие с высоким коэффициентом поглощения в спектрах теплового излучения, что повышает общий КПД коллектора. Под поглотителем располагается слой тепловой изоляции, уменьшающий тепловые потери системы в окружающую среду. Необходимая тепловая мощность солнечного коллектора достигается включением нескольких панелей в единую солнечную батарею или коллектор.

Вакуумный (вакууммированный) трубчатый коллектор

Дорогостоящий вид солнечного коллектора вследствие сложного изготовления и ряда преимуществ перед плоскими солнечными панелями. Конструктивно представляет собой ряд парных стеклянных труб, спаянных между собой, из пространства между которыми откачан воздух. Вакуум в пространстве между трубками является прекрасным тепловым изолятором и предотвращает тепловые потери в окружающую среду от теплоносителя. В меньшую трубу вводится медная, алюминиевая или стеклянная трубка поглотителя. Трубы верхней частью вводятся в распределитель, в котором циркулирует теплоноситель. Вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы по типу распределителя подразделяются на два типа: с плоской тепловой трубой и прямоточные.

Коллекторы с плоской трубой

Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с плоской тепловой трубой — конструкция.

Представляют собой рекуперативный теплообменник, расположенный в распределителе. В этом случае теплопередача от нагретого теплоносителя вакуумной трубы к теплоносителю циркуляционного контура теплоснабжения здания происходит через стенку и теплоносители этих контуров не смешиваются. Преимущества перед прямоточными коллекторами состоят в сохранении высоких показателей работы при температуре окружающей среды до -45оС, возможности замены отдельной вакуумной трубки, вышедшей из строя, без разбора коллектора и прекращения его работы, а также в возможности регулирования угла установки каждой вакуумной трубки в пределах одного коллектора.

Прямоточные коллекторы

Прямоточный вакуумный трубчатый солнечный коллектор — конструкция.

Объединяют циркуляционный и обогревающийся контур. В распределителе проходят подающий и циркуляционный трубопроводы, к которым непосредственно присоединяются вакуумные трубки. Теплоноситель подается в распределитель по подающему трубопроводу, из которого попадает в вакуумную трубку, где проходит обогрев. Нагретый теплоноситель возвращается в обратный трубопровод и уходит непосредственно на нужды теплоснабжения. Преимущества прямоточных коллекторов перед вакуумными состоят в отсутствии промежуточной стенки между теплоносителями, что снижает тепловые потери и в возможности устанавливать коллектор на любых поверхностях под любыми углами, поскольку циркуляция теплоносителя в пределах всего коллектора будет осуществляться насосом.

Как выбрать солнечный коллектор?

Чего мы ждем от солнечного коллектора? Чтобы отопительная система коттеджа справлялась с задачей поддержания в комнатах комфортной температуры, а из кранов текла горячая, а не чуть теплая вода. Для полноценного использования солнечного коллектора, необходимо до покупки рассчитать требуемую мощность оборудования

Стоит обязательно принять во внимание:

• назначение коллектора (ГВС, отопление или их комбинация)
• потребность здания в тепле (общий размер обогреваемых помещений или среднесуточные затраты горячей воды)
• климатические особенности региона
• особенности монтажа коллектора.

Производство солнечных коллекторов не обходится без маркировки на них конкретного уровня производительности

Компании, которые занимаются изготовлением солнечных коллекторов, предоставят вам более полную информацию об изменении мощности оборудования в зависимости от географической широты населенного пункта, угла наклона «зеркал», отклонения их ориентации от южного направления и другие.В процессе выбора уровня мощности коллектора очень важно достичь баланса между недостатком и избытком накапливаемого тепла. Эксперты советуют отталкиваться от максимально возможной мощности коллектора, т. е

пользоваться во время расчетов самым продуктивным летним сезоном. Однако, этот вариант противоположен мнению среднестатистического пользователя о том, что нужно покупать оборудование с запасом (т. е. вести расчеты по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватило и в менее солнечные осенние и зимние дни.Но, если идти таким путем, то на пике его производительности, т. е. в летом, у вас возникнет серьезная проблема: тепла будет генерироваться больше, чем использоваться. Все это может стать причиной перегрева контура и других неприятностей. Есть два варианта решения этакой проблемы:

е. пользоваться во время расчетов самым продуктивным летним сезоном. Однако, этот вариант противоположен мнению среднестатистического пользователя о том, что нужно покупать оборудование с запасом (т. е. вести расчеты по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватило и в менее солнечные осенние и зимние дни.Но, если идти таким путем, то на пике его производительности, т. е. в летом, у вас возникнет серьезная проблема: тепла будет генерироваться больше, чем использоваться. Все это может стать причиной перегрева контура и других неприятностей. Есть два варианта решения этакой проблемы:

• установка маломощного солнечного коллектора с подключением в зимние месяцы резервных источников тепла
• покупка модели с большим запасом по мощности и предусмотрением варианта сброса избыточного тепла в теплое время года.

Повышаем эффективность работы солнечного коллектора в холодную пору.

Использование простой системы для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время возможно, если в качестве теплоносителя применяется антифриз, а бак-накопитель дополнен вспомогательным обогревательным элементом (например, ТЭНом). При использовании антифриза изменяется конструкция бака – в него монтируется змеевик (чаще всего медный), благодаря которому происходит циркуляции теплоносителя в баке. Хорошая проводимость металла позволяет отдавать тепло антифриза воде в баке.

В конструкцию рекомендуется включить циркуляционный насос и расширительный бак. Иногда для разделения воды, которая используется для отопления (техническая) и личного использования (питьевая) в бак монтируют внутренний резервуар. Он располагается в верхней части бака (где собирается горячая вода) и подключен к системе водоснабжения (с помощью вентиля забирается горячая вода, а резервуар заполняется холодной жидкостью). При этом система отопления подключена к основному баку.

В зависимости от внешней температуры, площади коллектора, географической точки, времени года, типа коллектора, и множества других факторов колеблется и эффективность работы системы (т.е. стабильность вырабатываемого уровня энергии).

Кроме более привычных пользователям устройств, существует и воздушный солнечный коллектор, схема работы которого предполагает, что теплоносителем в системе является воздух, который нагревается от абсорбера и подается в отапливаемое помещение с помощью вентилятора.

Вакуумные водонагреватели косвенного нагрева

Принцип действия таких водонагревателей напоминает работу установки центрального отопления. Это закрытая система, которая работает под давлением. Ещё такие системы называют всесезонными или раздельными. За счёт использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается большая эффективность при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Применяются вакуумные тепловые трубки HP (Heate Pipe). Это более продвинутый тип трубки, который может работать при низких, до -50°С температурах. Коллектор и бак-накопитель расположены раздельно и соединены трубопроводом. Для соединения используют медную или удобную в монтаже гофрированную трубу из нержавеющей стали, которая не боится разморозки.

Водонагреватель обычно монтируется на крыше, а бак-накопитель внутри здания. Теплоноситель циркулирует принудительно, для этого система использует электрические насосы, клапаны и контроллеры.

И хотя подобная установка является энергозависимой, многолетний опыт эксплуатации показывает, что при использовании её в комплексе с солнечными электрическими панелями, обеспечивающими питание циркуляционного насоса, такая система может длительное время работать и при отключении электричества.

Системы с открытым контуром

Если через коллектор, в котором происходит передача тепла от вакуумных трубок, используется вода, которая циркулирует между ним и баком-накопителем, она называется системой с открытым контуром.

Такая схема наиболее проста и эффективна и снижает эксплуатационные расходы, однако солевые отложения и коррозия со временем могут вывести её из строя. Коллекторы с открытым контуром популярны в регионах с круглогодичными положительными температурами или при сезонном использовании. Хотя они и способны противостоять умеренно отрицательным (до -20°С) температурам без повреждения.

Системы с закрытым контуром

В этих системах косвенного нагрева теплоносителем первого контура является антифриз, который и передаёт энергию бытовой воде через теплообменник внутри бака-теплоаккумулятора. Они дороже, но при этом и более эффективны. Системы с закрытым контуром имеют хорошую защиту от замораживания, поэтому они безальтернативны для тех районов, где влияние отрицательных внешних температур носит продолжительный характер.

Принцип работы и виды солнечных коллекторов

Настала пора сказать несколько слов об устройстве и принципе работы солнечного коллектора. Основным элементом его конструкции является адсорбер, представляющий собой медную пластину с приваренной к ней трубой. Поглощая тепло падающих на нее солнечных лучей, пластина (а вместе с ней и труба) быстро нагревается. Это тепло передается циркулирующему по трубе жидкому теплоносителю, а тот в свою очередь транспортирует его далее по системе.

Способность физического тела поглощать или отражать солнечные лучи зависит, прежде всего, от характера его поверхности. Например, зеркальная поверхность отлично отражает свет и тепло, а вот черная, напротив, поглощает. Именно поэтому на медную пластину адсорбера наносится черное покрытие (простейший вариант – черная краска).

Принцип работы солнечного коллектора

1. Солнечный коллектор. 2. Буферный бак. 3. Горячая вода.

4. Холодная вода. 5. Котроллер. 6. Теплообменник.

7. Помпа. 8. Горячий поток. 9. Холодный поток.

Увеличить количество получаемого от солнца тепла можно и путем правильного подбора стекла, прикрывающего адсорбер. Обычное стекло недостаточно прозрачно. Кроме того, оно бликует, отражая часть падающего на него солнечного света. В гелиоколлекторах, как правило, стараются использовать специальное стекло с пониженным содержанием железа, что повышает его прозрачность. Для снижения доли отраженного поверхностью света на стекло наносят антибликовое покрытие. А чтобы внутрь коллектора не попадали пыль и влага, которые тоже снижают пропускную способность стекла, корпус делают герметичным, а иногда даже заполняют инертным газом.

Несмотря на все эти ухищрения, КПД солнечных коллекторов все же далек от 100%, что связано с несовершенством их конструкции. Часть полученного тепла нагретая пластина адсорбера излучает в окружающую среду, нагревая контактирующий с ней воздух. Чтобы свести к минимуму теплопотери, адсорбер необходимо изолировать. Поиск эффективного способа теплоизоляции адсорбера привел инженеров к созданию нескольких разновидностей солнечных коллекторов, самыми распространенными из которых являются плоские и трубчатые вакуумные.

Плоские солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы. Конструкция плоского солнечного коллектора предельно проста: это металлический короб, покрытый сверху стеклом. Для теплоизоляции дна и стенок корпуса, как правило, используется минеральная вата. Вариант этот далеко не идеален, поскольку не исключен перенос тепла от адсорбера к стеклу посредством воздуха, находящегося внутри короба. При большой разнице температур внутри коллектора и снаружи потери тепла бывают довольно существенными. В результате плоский гелиоколлектор, прекрасно функционирующий весной и летом, зимой становится крайне неэффективным.

Устройство плоского солнечного коллектора

1. Впускной патрубок. 2. Защитное стекло.

3. Абсорбционный слой. 4. Алюминиевая рама.

5. Медные трубки. 6. Теплоизолятор. 7. Выпускной патрубок.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы. Вакуумный солнечный коллектор представляет собой панель, состоящую из большого количества сравнительно тонких стеклянных трубок. Внутри каждой из них расположен адсорбер. Чтобы исключить перенос тепла газом (воздухом), трубки вакуумированы. Именно благодаря отсутствию газа вблизи адсорберов, вакуумные коллекторы отличаются низкими теплопотерями даже в морозную погоду.

Устройство вакуумного коллектора

1. Теплоизоляция. 2. Корпус теплообменника. 3. Теплообменник (коллектор)

4. Герметичная пробка. 5. Вакуумная трубка. 6. Конденсатор.

7. Поглощающая пластина. 8. Тепловая трубка с рабочей жидкостью.

Основные достоинства и преимущества оборудования

Оборудование этого класса считается самым эффективным из всех альтернативных источников энергии. Однако оно имеет высокую стоимость, что заставляет умельцев собирать солнечный агрегат своими руками. Но даже не тот факт, что КПД приборов достигает 90% является их главным преимуществом.

Самым важным качеством воздушных коллекторов считается их безопасность для окружающей среды, значит, и здоровья человека. Отказавшись от обычных отопительных приборов и заменив их альтернативными удается сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 2 тонны в год.

Основные типы и их эффективность

Еще одним плюсом является экономичность. Установка такого прибора в собственном доме позволит сократить расходы на отопление и горячее водоснабжение на 90% в год. Использование агрегата в комплексе с газовым котлом дает дополнительную экономию и увеличивает долговечность системы в 2 раза.

Конечно же к достоинствам коллекторов солнечных и в том числе Azuro следует отнести следующие характеристики:

• Небольшой вес;
• Простота в установке и эксплуатации;
• Несложная конструкция;
• Относительно низкая стоимость.

Однако и некоторые недостатки у воздушных солнечных коллекторов имеются. В первую очередь это зависимость КПД от разности температур и уровня освещения. Для вакуумных коллекторов солнечных Azuro еще и низкая надежность из-за высокой подверженности градобитию. В итоге повреждение трубок может привести к попаданию воздуха в прослойку между ними.

Характеристики, которые помогут сделать правильный выбор

Приобретая воздушный коллектор нужно ориентироваться на то для решения каких задач предполагается его использовать. Отводится ли ему роль вспомогательного прибора для нагрева воды или же он будет использоваться как основной агрегат. Для каждого из случаев потребуется определенная модель солнечного коллектора для дома, причем их характеристика и цена будут значительно отличаться.

Советы по выбору и обустройству

Но кроме этого нужно обратить внимание и на такие характеристики, как:

• Габариты конструкции;
• Размер активной площади;
• Оптический КПД;
• Угловой коэффициент;
• Потери тепла;
• Вид теплоносителя;
• Надежность.

Поскольку агрегат устанавливается на крыше здания, то он должен иметь габаритную площадь, соответствующую размерам объекта

При этом важно знать, что вакуумные солнечные коллекторы занимают на 30% больше площади, чем плоские при одинаковом уровне поглощения солнечной энергии

Угловой коэффициент зависит от наклона падающих на него лучей. Для повышения КПД прибора следует выбирать наибольший угол наклона, что особенно актуально для солнечного коллектора, собранного своими руками.

Обзор популярных моделей

Продукция компании Viessmann

Производство отопительной техники, использующей альтернативные источники энергии, осуществляется не только зарубежными, но и отечественными компаниями. Среди них первое место принадлежит известному во всем мире бренду Viessmann. Коллекторы этого производителя выпускаются в двух модификациях:

1. Плоские;
2. Трубчатые.

Первые отличаются высоким КПД благодаря высокочувствительному гелиотитановому покрытию, которое эффективно поглощает солнечную энергию.

Корпус устройства выполнен из высокопрочных алюминиевых рам и гелиостекла, что позволило добиться длительных сроков эксплуатации. Воздушный коллектор этого производителя оснащен удобной системой монтажных соединений, поэтому его установку сможет выполнить даже новичок.

Коллектор для бассейна марки Azuro

Неплохо зарекомендовала себя и продукция таких компаний, как:

• Unisol Neo 2.1;
• Azuro;
• CBK HP 30.

Коллекторы Unisol Neo 2.1 относятся к панельным моделям. Они используются в системах косвенного нагрева и имеют площадь 1,9 м² и все 35 кг.

Модули устройства могут быть размещены не только поверх крыши, но и в кровельном пироге. При этом температура теплоносителя в них достигает 120°C. Стоимость одного модуля колеблется в пределах 60-65 тысяч рублей.

Коллекторы марки Azuro отличаются большей площадью поглощения, достигающей 2,5 м². Его модуль включает в себя 15 колб, что дает возможность разогревать первичный теплоноситель до 320°C. Монтаж коллектора солнечного Azuro производится с применением кронштейнов или непосредственно на кровлю. Цена такого устройства достигает 145 тысяч рублей.

Более дешевый солнечный коллектор российского производства выпускается под маркой CBK HP 30. От состоит из 30 трубок, но при этом площадь модуля составляет всего 3 м². Устройство этой модели имеет один из самых высоких КПД достигающий 95% при стоимости не более 800 долларов.

Бак-аккумулятор тепла

Резервуар накопитель по своему устройству напоминает обычный бойлер. Он предназначен для накопления и сохранения тепла и обычно включает в себя одну или две внутренние спирали теплообменников. Сам бак выполнен из нержавеющей стали в пенополиуретановой изоляции в стальном корпусе.

Если нагретая вода не расходуется, бак выполняет функцию теплоаккумулятора и хранит её нагретой, позволяя пользоваться горячей водой даже в тёмное время суток, когда солнечный коллектор не работает.

Получаемая в некоторые дни вода может иметь недостаточную из-за продолжительной пасмурной погоды или малого в зимнее время количества солнечных часов температуру. Поэтому в бак-теплоаккумулятор может устанавливаться дублирующий электрический автоматический водонагреватель мощностью 1-2,5 кВт. В случае снижения температуры в баке ниже установленной он автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

При одновременной потребности в горячей воде и отоплении, солнечная энергия распределяется между нагревом помещения и горячим водоснабжением. При достижении заданной температуры, автоматика переключает подачу тепла на отопительный контур.

Такая последовательность работы может быть изменена на прямо противоположную, в зависимости от климатической зоны или времени года. Система сконструирована таким образом, что с ней легко сочетаются другие нагревательные системы, например, контур ГВС отопительного котла.

Таким образом, активная система с закрытым контуром представляет собой комплексную автоматизированную систему преобразования и сохранения тепла, полученного как путём преобразования энергии солнца, так и других источников тепла.

Например, к ней легко можно подключить традиционный электрический или газовый водонагреватель, который страхует систему при неблагоприятных погодных условиях. Система обладает малой инерционностью и достаточно быстро выходит на рабочий режим, позволяя обеспечить горячее водоснабжение круглогодично, а сезонное отопление с экономией до 40% традиционного топлива в зависимости от географической широты местности и климатических условий.

Вывод

Солнечный коллектор – изобретение современной науки, вызывающее множество любопытства и споров. Об абсолютном переходе на подобные установки говорить рано. При этом разумные доводы в сторону использования такого метода генерации тепла, безусловно, присутствуют.

В условиях истощения ресурсов природы коллекторы солнечного света становятся все актуальнее. Технология продолжает идти по пути развития, совершенствования, распространения в массы.

Производство гелиосистем набирает обороты. Количество моделей на разные потребности увеличивается. Даже при обширных сомнениях народа в таком отоплении, ниша растет и занимает все более устойчивые позиции.