Как работает солнечный коллектор для отопления дома

Повышение рабочей температуры

Очевидный способ повысить температуру воды на выходе — снизить потери тепла при передаче ее от коллектора. Для этого трубы облачают в защитные чехлы из вспененного каучука или полипропилена, защищают места соединения, прокладку ведут только внутри здания.

Поскольку трубка коллектора нагревается в концентрированном пучке света, температура жидкости внутри может быть очень высокой (более 200 °С). Соответственно, если уменьшить проток нагреваемой воды, температура со временем увеличится. К сожалению, на сегодняшний день существует очень мало автоматизированных систем, поддерживающих температуру на нужном уровне. Как вариант используются устройства с компрессором и испарителем — небольшие тепловые насосы. В таком случае на выходе в ГВС или отопление температура воды будет придерживаться заданных значений за счет изменения мощности агрегата.

рмнт.ру

Исследование образцов

Давайте ближе познакомимся с несколькими образцами коллекторов обоих типов.

ЯSolar

Плоский коллектор российского производства ЯSolar.

СОКОЛ-ЭФФЕКТ-А

Солнечный коллектор Сокол-Эффект-А.

KAIROS VT 15B ARISTON

Вакуумный итальянский коллектор KAIROS VT 15B ARISTON.

Плоские коллекторы

Плоские гелиоколлекторы — это металлическая рама, на которой, если смотреть снизу-вверх, закреплены:

Схема плоского коллектора

• пластина корпуса;
• слой термоизоляции;
• светоотражающий слой (присутствует не во всех моделях) ;
• пластина теплосборника (теплопоглотителя или еще называют адсорбирующая пластина), к которой припаяны теплообменные трубки;
• прозрачная светопропускающая крышка (закаленное стекло с 95% коэффициентом пропускания света или не менее прозрачный поликарбонат).

Также на корпусе имеется выпускной и впускной патрубок — через них циркулирует теплоноситель.

Есть модели открытые — без крышки. Единственное их достоинство — низкая цена, но они очень неэффективны и совершенно неработоспособны при отрицательных температурах. Из-за того, что крышки нет, абсорбционное покрытие быстро разрушается, так что служат открытые коллекторы несколько сезонов, а из-за своих особенностей могут использоваться для подогрева воды в бассейне или в душе. Для отопления они бесполезны.

Внешний вид плоского коллектора

Принцип работы плоского солнечного коллектора следующий: солнечные лучи почти полностью проходят через верхнее защитное стекло. От этих лучей нагревается теплопоглотитель. Тепло, понятное дело излучается, но наружу почти не выходит: прозрачное для солнечных лучей стекло, тепло не пропускает (позиция «в» на диаграммах). Получается, что тепловая энергия не рассеивается, а сохраняется внутри панели. От этого тепла нагреваются теплообменные трубки, а от них тепло передается циркулирующему по ним теплоносителю.

Правила расположения плоских коллекторов

Коллекторы этого типа должны располагаться под углом 90o по отношению к падающим лучам света. Чем точнее выставлен этот угол, тем больше тепла собирает система. Понятно, что на неподвижной крыше постоянно выдерживать этот угол нереально, но расположить панель нужно так, чтобы на нее как можно больше времени падал свет. Есть довольно дорогие устройства, которые изменяют положение панели по отношению к солнцу, поддерживая оптимальный угол падения солнечных лучей. Они называются системами слежения.

Гелиоустановки показывают большую эффективность, если лучи солнца падают под прямым углом

От чего зависит цена

Цена плоского коллектора во многом зависит от использованных материалов. Так корпус может быть алюминиевый или из оцинкованной стали. Корпус из алюминия предпочтительнее, но стоит дороже. Бывают еще корпуса из полимера. Они характеризуются высокой прочностью и надежностью.

Большое влияние на эффективность оказывают  теплообменные трубки и материал пластины-теплосборника. Они бывают алюминиевыми (такие панели стоят дешевле) и медными. Медные более дорогие, но и более долговечные, также они имеют более высокий КПД. Для России, даже для южных ее регионов,  использовать желательно именно их. Так как инсоляция даже на юге редко бывает чрезмерной, скорее ее не всегда хватает для отопления.

Цена на плоский коллектор зависит от материалов, из которых он сделан

Важно также покрытие пластины теплосборника: чем ближе к абсолютному черному цвету оно будет, тем меньше отразится лучей и больше получится в результате тепла. Потому технологи постоянно работают над усовершенствованием этого покрытия

В первых моделях это была обычная черная краска, сегодня же  — напыление черного никеля.

Пластиковые коллекторы

В отдельный вид можно выделить пластиковые солнечные коллекторы. В простейшем варианте это две панели из поликарбоната, которые закреплены на раме из алюминия. Между ними наварены или наплавлены ребра, создающие в панели лабиринт для тока воды. В верхней части панели расположено впускное отверстие, в нижней — выпускное. В верхнее заливается холодная вода, которая, проходя по лабиринту, нагревается и выходит с более высокой температурой через нижнее. Система применяется для нагрева воды в летний период. Из-за малого гидравлического сопротивления очень хорошо функционирует в самотечной системе. Такой вид солнечного водонагревателя — идеальный вариант снабжения горячей водой дачи в огородный сезон.

Пластиковые коллекторы служат для нагрева воды. Отличный вариант для летнего домика или дачи

Но иногда пластиковыми солнечными коллекторами называют полноценные коллекторы для отопления. Просто в них верхняя крышка выполнена не из стекла, а из того же поликарбоната или другого пластика, хорошо пропускающего солнечные лучи. Такие модели меньше подвержены риску: пластики более прочные, чем стекло (даже закаленное).

Как подобрать солнечный коллектор нужной мощности

Если вы хотите, чтобы отопительная система вашего дома справлялась с задачей поддержания в помещениях комфортной температуры, а из кранов текла горячая, а не еле теплая вода, и при этом планируете использовать в качестве генератора тепла солнечный коллектор, нужно заранее вычислить необходимую мощность оборудования.

При этом потребуется учесть довольно большое количество параметров, в том числе назначение коллектора (ГВС, отопление или их комбинация), потребности объекта в тепле (суммарная площадь обогреваемых помещений или средний суточный расход горячей воды), климатические особенности региона, особенности установки коллектора.

В принципе, произвести подобные расчеты не так уж и сложно. Производительность каждой модели известна, а значит, вы без труда оцените количество коллекторов, необходимое для обеспечения дома теплом. Компании, занимающиеся выпуском солнечных коллекторов, обладают информацией (и могут предоставить ее потребителю) об изменении мощности оборудования в зависимости от географической широты местности, угла наклона «зеркал», отклонения их ориентации от южного направления и т. д., что позволяет внести необходимые поправки при расчете производительности коллектора.

При подборе необходимой мощности коллектора очень важно достичь баланса между нехваткой и избытком генерируемого тепла. Специалисты рекомендуют ориентироваться на максимально возможную мощность коллектора, т

е. использовать в расчетах показатель для самого продуктивного летнего сезона. Это идет в разрез с желанием среднестатистического пользователя взять оборудование с запасом (т. е. посчитать по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватала и в менее солнечные осенние и зимние дни.

Однако если вы пойдете по пути выбора солнечного коллектора повышенной мощности, то на пике его производительности, т. е. в теплую солнечную погоду, вы столкнетесь с серьезной проблемой: тепла будет производиться больше, чем потребляться, а это грозит перегревом контура и прочими малоприятными последствиями. Существует два варианта решения этой задачи: либо устанавливать маломощный солнечный коллектор и в зимний период параллельно подключать резервные источники тепла, либо приобрести модель с большим запасом по мощности и предусмотреть при этом пути сброса избыточного тепла в весенне-летний сезон.

Как установить солнечный коллектор

Установить эту систему можно и самостоятельно. Для этого необходимо понимать главный принцип установки – максимум солнечного света.

1. Выбираем место. Оно должно быть с солнечной стороны. Для этого достаточно понаблюдать несколько дней какой место на участке солнце освещает максимально долго (нужно избегать попадания тени от деревьев или построек). Выбрать начальную точку и конечную, солнечный коллектор направить по центру этих точек. Так мы получим максимальный охват теплового излучения.
2. Угол наклона. Это важный этап установки, от которого зависит ее эффективность. Как правило такие данные дает производитель систем, но, в среднем это 45 градусов. Нельзя устанавливать под большим или меньшим углом, так как тогда снизится поглощающая площадь.
3. Подключаем остальное оборудование. Это насосная группа с контроллером, накопительный бак и соединительные трубки. Это все подключается согласно инструкции. Ничего сложно здесь нет, так как принцип устройства достаточно простой.

Подробное видео установки

Основные мифы о гелиосистемах, что правда и что нет

Миф первый — эти системы очень дорогие. Это не совсем так, в связи с их востребованностью во многих странах появляются производители бюджетных систем, что снижает их стоимость.

Миф второй — солнечные коллекторы окупятся лет через 60. Это неправда, такие цифры в расчетах действительно присутствуют, однако эти вычисление не учитывают таких моментов как инфляция и повышение цен на коммунальные услуги. Только в нашей стране, где огромные запасы природных энергоносителей, за последние 20 лет цена на горячую воду выросла в 40 раз. На данный момент еще нет реальных практических данный использования их в частном секторе. Но, на некоторых форумах можно найти обсуждения, где есть конкретные цифры за последние годы. Исходя из них можно утверждать что система окупится за 8-10 лет, что, при заявленном сроке эксплуатации производителями в 25 лет, вполне неплохо.

Миф третий — гелиосистемы, использующие ультрафиолетовое излучение работают эффективнее. Это не правда, скорее всего это маркетинговый ход производителей или самих продавцов. Этот миф вам развеет школьник 8 класса, а все банально просто, в солнечных лучах только два излучения: ультрафиолетовое — которое передает свет, и инфракрасное — которое передает тепло. То есть, по сути, все без исключения гелиосистемы работают на инфракрасном излучении. Посмотреть все строительные мифы

Отличие солнечных батарей от коллекторов

Прежде чем продолжить описание основных характеристик и сферы применения гелиосистем для нагрева воды, нужно разобраться, чем отличаются солнечные батареи от коллекторов.

1) Солнечная батарея — устройство, которое генерирует электричество из энергии Солнца при помощи высокочувствительных фотоэлементов, объединенных в единую автономную систему. Поскольку фотоэлектрические преобразователи производят постоянный ток, дополнительно используется инвертор, который позволяет получить переменный ток, пригодный для бытовых нужд: электроснабжения и освещения.

2) Солнечный коллектор — функциональная сплит-система, главной задачей которой является поглощение ближнего инфракрасного излучения и видимого солнечного света. Батареи генерируют ток, а коллекторы нагревают жидкость внутри трубок. В этом их главное отличие.

Теплоноситель для солнечных коллекторов подбирается с учетом времени года, а также особенностей эксплуатации. Для многофункциональных конструкций обычно используют антифриз (незамерзающая жидкость), а системы сезонного типа заполняют водой. Сегодня можно купить и более универсальный вариант — гибридный солнечный коллектор. Это устройство привлекательно тем, что одновременно производит электроэнергию и нагревает воду. Преимущества его использования очевидны: фотоэлектрические модули охлаждаются активной системой отвода тепла, благодаря чему генерируется вдвое больше электроэнергии, а излишки теплоресурсов расходуются на нагрев воды.

https://youtube.com/watch?v=9eCJvdirj5s

Виды

Существует множество видов солнечных коллекторов, все они отличаются между собой особенностью конструкций, но одинаково выполняют роль теплоносителя и используются для обогрева домов. На сегодняшний день различают следующие типы устройств:

Плоский

Считается самым распространенным вариантом для установки в современных системах гелиоэнергетики. Он состоит из абсорбера, термоизолирующего покрытия, прозрачного слоя и теплоносительной трубки. Популярность данного вида обусловлена простотой монтажа и доступной ценой, но в отличие от других коллекторов для него характерно небольшое КПД. Внешне устройство имеет вид стальной или алюминиевой панели площадью от 2 до 2,5 м2.

Снаружи панель покрывают листами из гелиостекла, это позволяет максимально поглощать энергию солнца и поставлять ее с минимальными потерями. Под стеклом располагается специальный поглотитель в виде плоской трубки, его изготавливают из сплавов алюминия или меди. Трубка оснащена радиальным оребрением, поэтому во время рабочего процесса наблюдается высокий КПД.

Вакуумный

Это дорогостоящее устройство, которое имеет отличные эксплуатационные характеристики. Батарея представляет собой ряд, состоящий из парных стеклянных трубок. Из пространства между ними откачивают воздух и выполняют спайку, образованный таким образом вакуум служит хорошим теплоизолятором и снижает потери энергии. Верхние трубки вставляются в распределитель, где циркулирует сам теплоноситель. В зависимости от распределения тепла такие коллекторы бывают прямоточные и с плоской трубкой.

Воздушный

Данное устройство предназначено для топки зданий за счет нагрева воздушных масс. Потоки воздуха поступают в систему через поглотитель и естественным путем или принудительно поставляются в теплообменник. Недостатком коллектора считается то, что в отличие от жидких видов, в нем тепло проводится не так хорошо. Но подобная система характеризуется несложной конструкцией и легко управляется. Если соблюдать все правила эксплуатации, то коллектор исправно прослужит более 20 лет.

Водяной

Внешне имеет сходство с вакуумным устройством, но в его конструкции в трубках под определенным углом располагается жидкость. Трубки присоединяются к баку, из которого горячая вода передается в систему и возвращается. Главным достоинством агрегата является, то что для его монтажа не нужно применять дополнительные элементы. Некоторые модели таких коллекторов могут также работать и без бака. Во время эксплуатации водяного коллектора при температурном режиме ниже -10 С необходимо заливать незамерзающую жидкость.

Как выбрать?

Перед тем как заняться установкой солнечного коллектора, необходимо правильно подобрать соответствующий вид устройства, так как от этого будет зависеть эффективность его работы и коэффициент теплообмена.

Поэтому, отправляясь за покупкой, стоит учесть следующие нюансы:

Лучше всего отдавать предпочтение плоским моделям, так как они считаются самыми прочными и имеют положительные отзывы потребителей. Их агрегат способен нагревать воду свыше 40 С, но если батарея выходит из строя, то придется заменять всю систему адсорбции. Вакуумные виды устройств характеризуются быстрым повреждениям трубок и очень чувствительны к внешним воздействиям. Но стоит заметить, что ремонт изделия выполняется просто, так как заменяется только конкретная колба. Зато в зимнее время года такие батареи хорошо поддерживают температуру, в этом их плюс.

• Что же касается воздушных коллекторов, то они редко выходят из строя и не требуют ремонта. Кроме этого, они надежно выдерживают низкую температуру и долговечны в использовании. Единственное, что подобные устройства не подойдут для отопления больших зданий, так как слабо прогревают помещения.
• Немаловажным показателем для выбора является и размер трубок, от которого зависит эффективность преобразования солнечной энергии. Трубка мелкого диаметра снижает процесс выработки энергии. Поэтому желательно приобретать коллекторы, имеющие в конструкции несколько больших колб шириной до 6 см и длиной до 2 м.

Особое внимание следует уделять мощности батарей. Системы с низким сохранением тепла нельзя использовать при низкой температуре

В частности, это касается моделей с водяной тепло подачей.
Монтаж установки должен выполняться после предварительного проектирования. Для этого нужно знать размеры батарей, которые бы подходили для крепления к крыше.
Можно покупать коллекторы как с вертикальным, так и горизонтальным расположением. При этом вертикальные конструкции издавать от проблем с очисткой от снега, но их КПД будет низким. Чтобы этого избежать, нужно до установки предусмотреть место для исхода осадков.

Расчет

Солнечная энергия является идеальным источником для отопления зданий. Чтобы ее максимально преобразить в тепло, необходимо точно рассчитать затраты ресурсов и мощность установок, учитывая тип агрегата и его месторасположение. В первую очередь нужно знать какое количество энергии попадает на поверхность панели. Как известно, на 1 м2 поверхности попадает около 1367 Вт солнечной энергии, но проходя сквозь слои атмосферы, мощность теряется до 500 Вт. В связи с этим для средних расчетов берется условное значение 800 Вт.

Солнечный коллектор является рабочей станцией, основание которой защищено антибликовым покрытием и стеклом. Благодаря тому, что основание покрыто черной краской, наблюдается 100% поглощение энергии. Так как в состав батарей входит теплоизоляция, то можно определить коэффициент потери тепла. Для каждого материала он разный, но изоляцию коллекторов часто выполняют на основе минваты, поэтому для простых расчетов берется показатель 0,045. Предполагая то, что температурная разница между внешним и внутренним слоем теплоизоляции не превышает 50 С, потери энергии составят: 0,045: 0,1 × 50 = 22,5 Вт.

Аналогичны будут потери и для труб, поэтому суммарный показатель получится 45 Вт. Поэтому чтобы нагреть 1 л воды на 1 С, потребуется мощность энергии в 1,16 Вт. Определив эти величины, можно легко узнать объем жидкости, который можно нагреть батареей с рабочей площадью 1 м2 за один час: 800: 1,16 = 689,65. Чтобы улучшить теплопередачу, агрегаты лучше всего размещать с ориентацией на юг.

Важным расчетом считается, и рабочая площадь батареи. Для этого количество нужной энергии нужно разделить на 800 Вт и получится искомое значение

Но стоит обратить внимание, что данный показатель соответствует площади агрегата, рассчитанного на обслуживание одного человека. Поэтому если в доме проживает семья, состоящая из двух, трех и более человек, то значение следует увеличить