Солнечные коллекторы принцип действия. Что такое солнечный коллектор и как он работает. Изготовление самодельного солнечного коллектора

В настоящее время производители предлагают гелиосистемы, позволяющие получать горячую воду и отапливать дом без привычных энергетических затрат - исключительно за счет солнечного излучения.

Единственный недостаток таких систем - зависимость от уровня инсоляции, и в ряде регионов они могут работать с полной эффективностью лишь в теплое время года, когда солнечного излучения достаточно.

Но даже это является существенным подспорьем для владельца загородного дома. Кроме того, на рынке уже имеются всесезонные гелиосистемы, которые способны как минимум наполовину закрыть проблему с отоплением в холодное время года - и это при условии довольно суровой зимы и не слишком высокого уровня инсоляции. Ниже мы рассмотрим классификацию гелиосистем и принцип работы солнечного коллектора.

Принцип работы гелиосистемы с солнечным коллектором, предназначенной для горячего водоснабжения и отопления: 1 - солнечный коллектор; 2 - гидроаккумулятор; 3 - бойлер; 4 - горячая вода

Классификация и виды гелиосистем для отопления

Современные гелиосистемы делятся на одно- и двухконтурные.

• В одноконтурной роль теплоносителя играет вода. Такая система используется только в теплое время года, при наступлении холодов воду из нее необходимо сливать.
• В двухконтурной роль теплоносителя выполняет антифриз, который способен выдерживать очень низкие температуры. Такая система может эксплуатироваться круглогодично.

Различают также термосифонные и циркулярные гелиосистемы.

В термосифонной используется естественное течение жидкости: теплая жидкость поднимается, а холодная - опускается. При этом накопительный бак должен располагаться над коллектором, что не всегда возможно.

К примеру, если речь идет об оснащении гелиосистемой существующего дома, приходится учитывать мощность перекрытий: не всякие способны выдержать дополнительный вес накопительного бака.

Опять же если коллектор размещается на скатах крыши, то накопительный бак, установленный над коллектором, может представлять собой слишком оригинальный архитектурный «изыск».

• Циркулярная система действует благодаря насосу, что очень удобно: накопительный бак может располагаться каким угодно образом.

Принцип работы и особенности солнечного коллектора

Основой гелиосистемы является гелиоустановка. Принцип работы солнечного коллектора известен давно.

Чуть ли не на каждой даче в жаркие летние дни для подогрева воды использовали металлический или пластиковый бак, выкрашенный черной краской и установленный на крыше душевой кабины.

Вода в нем прогревается под воздействием солнечных лучей и уже горячая поступает в систему водоснабжения. Подобные солнечные коллекторы по сей день применяют во многих арабских странах: уровень инсоляции в том регионе позволяет подогревать таким образом воду практически круглый год.

И в поселках нередко можно увидеть огромные черные баки, установленные на крышах домов.

Современному солнечному коллектору не нужен такой высокий уровень инсоляции. Более того, он может работать даже в пасмурный день, хотя, конечно, не столь эффективно, как при ясном небе.

А гелиоустановки с незамерзающей жидкостью (к примеру, такие, как на рис. 1.2, - с этанолом) способны работать и зимой. Единственное, что требуется, - счищать с них снег.

Рис. 1.2. Устройство солнечного коллектора с незамерзающей жидкостью: 1 - пары этанола; 2- вакуум (0,1 мбар); 3 - теплообменник; 4 - жидкий этанол




Конструкция нуждается в очистке не только в холодное время года. Любое загрязнение снижает эффективность коллектора, поэтому периодически его требуется промывать, удаляя пыль и грязь, которые мешают проникновению солнечных лучей.

Видео: работа солнечного коллектора зимой

Стоимость гелиоустановки, который можно эксплуатировать круглогодично, довольно высока. Но даже при недостаточной инсоляции (при большом количестве пасмурных дней и снежной зиме) он окупается в течение пяти лет.
А если уровень инсоляции немного выше, чем в среднерусской полосе, то период окупаемости сокращается до двух-трех лет.

Гарантийный же срок службы такого коллектора - до 30 лет, что делает подобную систему весьма привлекательной.

Устройство всесезонного солнечного коллектора



Всесезонная гелиоустановка устроена по принципу сосуда Дьюара или обычного бытового термоса: внутри одной трубы находится другая, а теплоизоляцией между ними служит вакуум.

Из таких труб, расположенных параллельно, и состоит устройство. Внутренняя труба имеет специальное покрытие (гелиотан), удерживающее солнечную энергию.

Трубы изготавливаются из ситала (стеклокристаллический материал с пониженным содержанием железа, что значительно уменьшает теплопотери) и стали. В них находится медная пластина с гелиотановым покрытием.

Подобный вакуумный коллектор с тепловой трубой стоит дороже остальных моделей, зато суровой зимой коллектору всё нипочем: он сохраняет работоспособность при температурах до -45 °С.

Все, что ему требуется, - немного солнечного света, пусть даже рассеянного. За счет высокоселективного покрытия внутренней трубы вода в системе может прогреваться до +48 °С при морозе на улице.

Плоские солнечные коллекторы




Нередко применяются и плоские солнечные коллекторы, которые привлекают потребителей умеренной ценой и высоким КПД (98 %). В них поглотителем тепла служат металлические пластины (обычно из меди, так как она отлично проводит тепло и устойчива к коррозии).

Поверхность пластин имеет специальное покрытие, как и внутренние трубы «термосовидных» коллекторов. Пластины расположены в ситаловых панелях, а дно и боковые стенки коллектора защищены от теплопотерь с помощью различных теплоизоляционных материалов.

Плоские коллекторы используются в прямоточных гелиосистемах, то есть в таких где тепло передается от солнца к теплоносителю напрямую.

В качестве рабочей жидкости (теплоносителя) в коллекторах используется антифриз или вода.

Теплоноситель, циркулирующий в коллекторе, прогревается под воздействием солнечных лучей и передает тепло воде (или другой рабочей жидкости) в теплообменнике.

В вакуумном коллекторе с тепловой трубой теплоносителем служит жидкость с низкой температурой кипения. Закипая под воздействием солнечных лучей, эта жидкость испаряется, пар поднимается вверх, нагревает воду (или другую рабочую жидкость) в теплообменнике и, охлаждаясь, преобразуется в конденсат, стекающий обратно в трубу

Воздушный солнечный коллектор

Cхема устройства воздушного коллектора: 1 - перфорированные пластины; 2 - окружающий воздух; 3 - воздушное пространство; 4 - вентилятор; 5 - подогретый воздух.




Для поддержания в доме комфортной температуры в прохладное время года (весной и осенью) подходит воздушный солнечный коллектор. Это очень простое устройство, предназначенное для сезонной работы. Оно может служить отличным подспорьем при организации отопительной системы, не зависящей от внешних ресурсов.

Воздух в системе циркулирует за счет вентилятора, который может быть подключен к солнечной батарее для электропитания. Сам коллектор представляет собой ящик, в котором содержится нагревательный элемент - перфорированные пластины, выкрашенные в черный цвет для лучшего поглощения солнечного излучения.

Сверху ящик закрывается прозрачной панелью из стекла или оргстекла, снизу находится слой теплоизоляционного материала, предотвращающий теплопотери.

Подобную систему можно приобрести относительно недорого, а можно без особого труда изготовить самостоятельно.

Работа воздушного солнечного коллектора характеризуется низким КПД. Однако в качестве дополнительной (вспомогательной) системы отопления для межсезонья он отлично подходит.

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

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.

Различные солнечные коллекторы появились на рынке достаточно давно. Это устройства, использующие энергию солнца для нагрева воды на домашние нужды. Но приобрести популярность среди пользователей им мешает высокая стоимость, это беда всех альтернативных источников энергии. Например, общие затраты на приобретение и монтаж установки, что обеспечит нужды средней семьи, составят 5000$. Но выход есть: можно сделать солнечный коллектор своими руками из доступных по цене материалов. Какими способами это реализовать, будет рассказано в данном материале.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип действия коллектора основан на поглощении (абсорбции) тепловой энергии солнца специальным приемным устройством и передачей его с минимальными потерями теплоносителю. В качестве приемника используются медные или стеклянные трубки, окрашенные в черный цвет.

Ведь известно, что лучше всего абсорбируют тепло предметы, имеющие темную или черную окраску. Теплоносителем чаще всего выступает вода, иногда – воздух. По конструкции солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения бывают таких видов:

• воздушные;
• водяные плоские;
• водяные вакуумные.

Среди прочих воздушный солнечный коллектор отличается простотой конструкции и, соответственно, самой низкой ценой. Он представляет собой панель – приемник солнечной радиации из металла, заключенный в герметичный корпус. Стальной лист для лучшей теплоотдачи снабжен с задней стороны ребрами и уложен на дно с тепловой изоляцией. Спереди установлено прозрачное стекло, а по бокам корпуса имеются проемы с фланцами для подключения воздуховодов или других панелей, как показано на схеме:

Воздух, поступающий через проем с одной стороны, проходит между стальными ребрами и, получив от них тепло, выходит с другой.

Надо сказать, что установка солнечных коллекторов с нагревом воздуха имеет свои особенности. Из-за их невысокой эффективности для обогрева помещений нужно применять несколько подобных панелей, объединенных в батарею. Кроме того, обязательно понадобится вентилятор, поскольку нагретый воздух из коллекторов, находящихся на кровле, самостоятельно вниз не пойдет. Принципиальная схема воздушной системы показана ниже на рисунке:

Простое устройство и принцип работы позволяют выполнять изготовление коллекторов воздушного типа своими руками. Но потребуется много материала для нескольких коллекторов, а подогреть воду с их помощью все равно не получится. По этим причинам домашние умельцы предпочитают заниматься водяными нагревателями.

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.

Данный вид – самый популярный среди покупателей из-за оптимального соотношения цена - качество, а среди домашних мастеров - по причине относительно несложной конструкции. Но применять такой коллектор для отопления можно лишь в южных регионах, с понижением температуры наружного воздуха его производительность значительно падает из-за высоких тепловых потерь через корпус.

Устройство вакуумного коллектора

Еще один вид водяных солнечных нагревателей изготавливается с применением современных технологий и передовых технических решений, а потому относится к высокой ценовой категории. Таких решений в коллекторе реализовано два:

• тепловая изоляция с помощью вакуума;
• использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.

Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:

Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.

Благодаря своему устройству вакуумные нагреватели не боятся низких температур и сохраняют свою работоспособность даже на морозе, а потому могут применяться в северных регионах. Интенсивность нагрева воды в этом случае ниже, чем летом, так как зимой на землю поступает меньше тепла от солнца, часто мешает облачность. Понятно, что изготовить стеклянную колбу с откачанным воздухом в домашних условиях просто нереально.

Примечание. Существуют вакуумные трубки для коллектора, заполняемые напрямую теплоносителем. Их недостаток – последовательное подключение, при выходе из строя одной колбы придется менять весь водонагреватель.

Как изготовить солнечный коллектор?

Прежде чем приступить к работе, следует определиться с габаритами будущего водогрейного аппарата. Произвести точный расчет площади теплообмена непросто, многое зависит от интенсивности солнечного излучения в данном регионе, расположения дома, материала нагревательного контура и так далее. Правильным будет сказать, что чем больше тепловой коллектор, тем лучше. Однако, его размеры наверняка ограничиваются местом, где планируется его устанавливать. Значит, надо исходить из площади этого места.

Корпус проще всего изготовить из древесины, проложив на дно слой пенопласта или минеральной ваты. Также для этой цели удобно использовать створки старых деревянных окон, где сохранилось хотя бы одно стекло. Выбор материала для приемника тепла неожиданно широк, чего только не используют мастера-умельцы, чтобы собрать коллектор. Вот перечень популярных вариантов:

• тонкостенные медные трубки;
• различные полимерные трубы с тонкими стенками, желательно черного цвета. Хорошо подойдет полиэтиленовая РЕХ труба для водопровода;
• трубки из алюминия. Правда, соединять их сложнее, чем медные;
• стальные панельные радиаторы;
• черный садовый шланг.

Примечание. Кроме перечисленных, существует масса экзотических версий. Например,воздушный солнечный коллектор из пивных банок или пластиковых бутылок. Подобные прототипы отличаются оригинальностью, но требуют значительного вложения труда при сомнительной отдаче.

В собранный деревянный корпус или старую оконную створку с приделанным дном и уложенным утеплителем надо поместить металлический лист, накрывающий всю площадь будущего нагревателя. Хорошо, если найдется лист алюминия, но подойдет и тонкая сталь. Ее необходимо окрасить в черный цвет, а затем уложить трубы в виде змеевика.

Без сомнения, коллектор для нагрева воды лучше всего получится из медных труб, они отлично передают тепло и прослужат долгие годы.Змеевик плотно прикрепляется к металлическому экрану скобами или любым другим доступным способом, наружу выводятся 2 штуцера для подачи воды.

Поскольку это плоский, а не вакуумный коллектор, то поглотитель тепла нужно закрыть сверху светопрозрачной конструкцией – стеклом или поликарбонатом. Последний легче обрабатывается и надежнее в эксплуатации, не разобьется от ударов града.

После сборки солнечный коллектор надо установить на место и подключить к накопительному баку для воды. Когда позволяют условия монтажа, то можно организовать естественную циркуляцию воды между баком и нагревателем, в противном случае в систему включается циркуляционный насос.

Заключение

Осуществлять отопление дома солнечными коллекторами, сделанными своими руками, – привлекательная перспектива для многих домовладельцев. Жителям южных районов этот вариант более доступен, только придется заполнить систему антифризом и как следует утеплить корпус. На севере самодельный коллектор поможет нагреть воду на хозяйственные нужды, но для обогрева дома его не хватит. Сказывается холод и короткий световой день.

О том, сколько дармового тепла нам могут дать летние потоки солнечного света, зачастую приходит в голову летом, в период неистовой жары и раскаленных на солнце асфальта и стен. В ясную летнюю погоду на квадратный метр может падать от 600 до 800вт/ч. Это немало. Если перемножить на площадь залитого солнцем подворья или крыши, с помощью солнечного коллектора можно собрать энергию, сопоставимую по величине с потребностями на отопление дома.

Назначение солнечных коллекторов

Солнечные тепловые коллекторы дают возможность собрать энергию и направить полученное тепло в нужное русло:

• Обеспечение горячей водой для душа, ванной и кухни;
• Обогрев помещений небольшой закрытой теплицы или сада любой конструкции практически круглый год;
• Значительная добавка в контур отопления дома в морозы и почти полное обеспечение в прохладные осенние дни.

На заметку ! Среди конструкций солнечных коллекторов потребителям предлагают практически идентичные конструкции с красивыми названиями - вакуумные коллекторы и плоские солнечные коллекторы. Первые от вторых отличаются высокой ценой, более высокотехнологичной конструкцией и дороговизной ремонта. Прежде чем покупать солнечный коллектор, узнайте в Сети основные проблемы, с которыми сталкиваются пользователи тех или иных конструкций, и оцените предполагаемые затраты.

Коллектор предназначен для сбора солнечной энергии в наиболее удобном для использования виде. Условно по устройству солнечного коллектора их конструкции можно разделить на три основные группы:

1. Вакуумные многотрубные или плоские с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя. Чаще всего это стационарные конструкции, рассчитанные на сезонную работу.
2. Воздушные солнечные коллекторы, самые простые и легкие. Накопленное тепло снимается с нагреваемой поверхности коллектора потоком воздуха.
3. В третьем варианте конструкций солнечных коллекторов полученное тепло может использоваться для преобразования его в электроэнергию, начиная от термохолодильных установок, заканчивая сложными машинами с пароэлектрическими устройствами.

Последняя группа изделий редко находит спрос среди населения из-за высокой стоимости и сложности обслуживания.

Как работает полнопроточный солнечный коллектор

Самой простой разновидностью плоской конструкции солнечного коллектора является полнопроточный вариант с двухслойным поглотителем тепла. Само устройство по принципу работы схоже с дачным вариантом летнего душа, основу которого составляет бочка, обработанная по наружной поверхности битумной мастикой или черной краской.

Для увеличения количества собранной солнечной энергии конструкция солнечного коллектора выполняется в виде плоской емкости относительно небольшой толщины, в 5-7см, ширина и длина устройства зависит от конкретных потребностей в мощности коллектора. Одна из стенок выполнена из анодированного алюминия и окрашена в черный, как сажа, цвет, без единого блеска. Это так называемая приемная, или рабочая поверхность коллектора. С внутренней стороны рабочей части коллектора зачастую выполняются тонкие ребра из алюминия или пластика, улучшающие теплоотвод энергии от стенки рабочей поверхности к теплоносителю — воде или тосолу.

Для уменьшения загрязнения и потерь на рабочую поверхность устанавливаются тонкая прозрачная пленка или лист пластика или стекла, обладающие хорошими теплоизоляционными показателями. С внутренней стороны такая защита напыляется зеркальным слоем алюминия, что позволяет в итоге уменьшить потери тепла за счет отражения и конвекции.

Конструкция плоского солнечного коллектора может иметь вместо обычного алюминиевого листа стенку-сэндвич из порошкового графита, металлических волокон и армирующей смолы. У такого материала хорошая теплопроводность и высокая стойкость к окислению.

Такие конструкции в обязательном порядке монтируются на усиленном каркасе, обычно на солнечной стороне крыши или стене дома.

Вакуумные системы нагрева

При всей своей простоте, надежности и дешевизне плоские солнечные накопители обладают относительно неплохой продуктивностью тепла только в солнечный день. Для более высоких широт или ранней весной - поздней осенью теплопроизводительность его падает наполовину.

Более высокой эффективностью в сравнении с плоскими солнечными коллекторами обладают вакуумные системы. В основу конструкции заложен индивидуальный тепловой элемент — вакуумная трубка, принцип работы такого солнечного коллектора основывается на известном в физике устройстве - тепловой трубке, достаточно сложной и капризной, но эффективной в работе. Особенностью конструкции является сверхвысокая теплопроводность, благодаря которой все тепло, попавшее на один конец трубки, в считанные мгновения собирается и концентрируется на противоположном конце.

Вакуумный элемент представляет собой вытянутую колбу-трубку из прочного стекла, с внутренней стороны которого напылено зеркальное покрытие. Благодаря одностороннему зеркалу, солнечный поток энергии свободно проникает вовнутрь колбы и не может вырваться обратно, эффективно поглощается медным концом тепловой трубки, помещенной внутри корпуса колбы. Для уменьшения потерь воздух из стеклянной колбы откачан. Полученную от светового потока энергию центральный медный элемент передает в поток теплоносителя, обычно тосола, или напрямую в бак с водой.

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов

Преимущества в преобразовании солнечной энергии в варианте с тепловой трубой:

1. Эффективность поглощения и преобразования солнечного тепла в 3-4 раза выше плоских и воздушных коллекторов;
2. Отлично работает в диапазоне температур 0-50 о С, тогда как остальные виды солнечных коллекторов, по отзывам пользователей, имеют рабочий интервал от 20 о С;
3. Наименьшая чувствительность к направлению и углу падения солнечного света. Для нормальной работы солнечного коллектора достаточно быть освещенным солнцем даже под острым углом падения солнечных лучей, у остальных конструкций солнечных коллекторов при выходе за оптимальный угол освещения более чем на 20 о эффективность падает на 10% в час.
4. Малый вес конструкции солнечного накопителя позволяет установить его непосредственно на крыше, даже без специальной несущей опоры.

Важно ! Стекло колбы в теории выдерживает даже град диаметром 2-2,5см, прекрасно переносит многоцикловые нагревы-охлаждения, стойко к любым воздействиям окружающей среды и солнечного света. Но для удаления пыли с поверхности стекла мойку лучше проводить в вечернее время с помощью теплой чистой воды.

При планировании приобретения стоит принимать ориентировочный расчет площади солнечного коллектора, исходя из соотношения: квадратный метр даст в сутки примерно 50-55литров горячей воды, но не кипятка. Более точную информацию можно узнать на сайтах компаний, занимающихся производством солнечных коллекторов. Там же можно получить сведения о стоимости изделий. Каждая фирма доказывает сверхэффективность и дешевизну своей продукции. Вакуумный прибор из 15 элементов обойдется примерно в 15-20тыс. рублей на мощность подогрева в 1,3-1,5кВт и накопительного бака 80-100литров.

К интересным особенностям подобных систем солнечных коллекторов можно отнести возможность проверки работоспособности каждой вакуумной колбы самостоятельно, без каких-либо специальных инструментов. Достаточно вечером, в неработающем состоянии, приложить ладонь к нижнему торцу трубы. Если элемент будет длительное время оставаться холодным, и в области запайки колбы не будет иней-подобного налета, — устройство считается исправным.

Горячая вода из бака может подаваться самотеком, но чаще всего устанавливают маломощный подкачивающий насос, позволяющий быстро заполнять резервуар после израсходования горячей воды. В более серьезных вариантах конструкции солнечный коллектор объединяют с теплоаккумулятором и электронной системой контроля и управления горячим водоснабжением и отоплением. Стоимость таких систем уже не менее 1000EUR. Гарантия на системы с тепловыми трубками, как правило, составляет от 5 до 25 лет, в зависимости от уровня качества материалов, применяемых в устройстве.

Воздушные коллекторы

Чем сложнее конструкция, тем она дороже в эксплуатации, и больше вероятность непредвиденной поломки. В этом вопросе конструкции коллекторов с воздушным переносом тепла являются чемпионами в простоте и надежности. По сути, воздушный коллектор - это набор вертикальных каналов или труб с матовым черным покрытием. В работе коллектора используется принцип разгона нагреваемого воздуха в вертикальной трубе.

К преимуществам и достоинствам воздушной конструкции стоит отнести:

• Самую высокую надежность и простоту конструкции;
• Маленькую массу устройства, гибкость настройки и простоту монтажа;
• Минимальный расход электроэнергии на работу вентилятора, в некоторых случая вентилятор может отключаться, и обогрев осуществляется самотёком.

Конструкция коллектора состоит из большого числа тонкостенных алюминиевых труб с зачерненной матовой поверхностью. Батарея труб имеет центральный подводящий холодный и отводящий горячий воздуховоды, в холодном устанавливается центробежный вентилятор нулевого сопротивления. В случае необходимости он может быть отключен и в таком состоянии практически не создавать сопротивление движущемуся потоку воздуха.

В устройстве есть воздухозаборник, позволяющий регулировать количество и соотношение воздуха, забираемого извне, и из отапливаемого помещения.

В теплопроизводительности воздушные коллекторы практически не уступают плоским системам, требуют вертикального расположения труб и максимальной освещенности солнцем. Мощность легко регулировать подбором количества труб теплообменника. Зачастую воздушные солнечные коллекторы являются незаменимыми в отоплении и вентиляции разнообразных складских помещений, применяются для сушки разнообразной овощной и фруктовой продукции.