Воздушно солнечный коллектор

Содержание

Солнечный воздушный коллектор своими руками: пошаговый процесс, как правильно сделать

Использовать неисчерпаемую и бесплатную солнечную энергию человечество начало давно. Для ее сбора существуют специальные устройства – солнечные коллекторы. С каждым годом их конструкция становится все более совершенной, но высокие цены на них пока не позволяют использовать их широко и повсюду. Поэтому люди, обладающие пытливым умом и умелыми руками, пытаются сделать солнечные коллекторы самостоятельно. И своими знаниями они готовы поделиться. В данной статье предлагается узнать, как сделать солнечный воздушный коллектор своими руками.

Солнечный воздушный коллектор своими руками

Что такое солнечный коллектор

Задача солнечного коллектора – собрать тепловую энергию солнечного излучения и передать ее какому-либо веществу, которое далее передаст ее «адресату». Это вещество называется теплоносителем и в качестве которых могут выступать либо жидкости (чаще всего это вода), либо газы (почти всегда это воздух).

Вода является более эффективным теплоносителем, так как ее теплоемкость гораздо выше, чем воздуха, но ее применение связано с определенными трудностями: сброс излишнего тепла летом или защита от замерзания зимой. Воздух не сможет передать такое количество энергии, зато конструкция воздушных коллекторов гораздо проще, они гораздо надежнее и безопасней. Да и сделать солнечный воздушный коллектор своими руками гораздо проще, чем водяной. Кстати, именно воздух является первым теплоносителем, который стал применять человек. Какие преимущества есть у воздуха, как у теплоносителя:

  • Воздух не подвержен замерзанию и закипанию.
  • Воздух не обладает токсичностью.
  • Воздух не надо наделять какими-то особыми качествами (в водных системах добавляют антифризы), он всегда доступен.

Воздушные солнечные коллекторы широко применяются в системах воздушного отопления как жилых зданий, так и подвалов, гаражей, хранилищ. В каких именно странах воздушные гелиоустановки применяются наиболее широко, очень красноречиво свидетельствует диаграмма.

Использование воздушных солнечных коллекторов в различных странах мира

Видно, что наиболее экономически развитые страны нисколько не пренебрегают возможностями Солнца по нагреву воздуха. А мы, увы, пока входим в число многих 4,3% прочих.

Устройство и принцип работы воздушного солнечного коллектора

Солнечный воздушный коллектор состоит из нескольких основных частей:

Схема работы воздушного солнечного коллектора

  • Вся конструкция коллектора помещена в прочный и герметичный корпус, который обязательно снабжен тепловым изолятором. Тепло, попавшее внутрь коллектора не должно «утекать» наружу.
  • Главная деталь любого коллектора – это солнцеприемная панель, которую еще называют поглотителем или абсорбером. Задача этой панели принять солнечную энергию, а затем передать ее воздуху, поэтому она должна быть изготовлена из материала с наибольшей теплопроводностью. Такими свойствами из доступных в быту являются медь и алюминий, реже сталь. Для лучшей теплоотдачи нижнюю часть абсорбера делают как можно большей площади, поэтому могут применяться ребра, волнистая поверхность, перфорация и другие способы. Для лучшего поглощения солнечной энергии приемная часть абсорбера окрашивается в темный матовый цвет.
  • Верхняя часть коллектора герметично закрывается прозрачной изоляцией в качестве которой может применяться закаленное стекло или оргстекло, или поликарбонатное стекло.

Солнечный коллектор ориентируют на юг и придают поверхности такой наклон, чтобы максимальное количество солнечной энергии попадало на поверхность. Как говорят специалисты – для максимальной инсоляции. Холодный наружный воздух естественно или принудительно попадает в приемную часть, проходит через ребра абсорбера и выходит с другой части, снабженную фланцем для стыковки с воздуховодом, ведущим внутрь отапливаемого помещения. Стоит отметить, что вариантов конструкций солнечных коллекторов существует масса и вышеописанная показана только для примера.

Воздушное отопление при помощи солнечных коллекторов не может в нашей климатической зоне полностью заменить основное отопление, но оно будет очень хорошим подспорьем даже в морозные зимние солнечные дни.

Цены на популярные модели солнечных коллекторов

Солнечные коллекторы

Солнечный воздушный коллектор своими руками

Определение места установки и доступной площади

Прежде всего, надо определиться с местом установки солнечного воздушного коллектора, так как это сильно может повлиять на его производительность. При этом следует учесть несколько факторов:

  • Воздушный солнечный коллектор следует располагать как можно ближе к тому месту, куда будет поступать подогретый воздух, так как потери в воздуховодах могут стать такими, что применение коллектора окажется нецелесообразным.
  • Коллектор следует располагать на южной стороне дома или другого строения и по возможности под определенным наклоном, обеспечивающим максимальную инсоляцию. Если это недоступно, то надо стараться установить как можно ближе к южной стороне. Зависимость инсоляции от азимута и угла установки показана на диаграмме.

Как влияет ориентация солнечного коллектора на инсоляцию

  • Окружающие предметы, здания строения и растения не должны мешать естественному освещению поверхности коллектора.

В выбранном месте, отвечающим всем условиям, следует посмотреть какой площади солнечный коллектор можно разместить. Очевидно, что чем больше будет площадь коллектора – тем он будет производительней.

Выбор конструкции абсорбера коллектора

Абсорбер (поглотитель) – важнейшая часть любого солнечного коллектора и от его конструкции во многом будет зависеть производительность. У заводских моделей применяются детали из специальных сплавов, имеющих особое высокоселективное покрытие, но это в основном и определяет высокую цену. Наша же задача – найти такой материал, который доступен и, тем не менее, будет хорошо справляться со своей функцией – улавливать солнечное тепло и передавать его воздуху.

И таким доступным материалом является обычная алюминиевая банка из-под Кока-Колы, пива или других напитков. Как собрать нужное количество пустой тары мы описывать не будем, а лучше сосредоточимся на тех замечательных свойствах, которые позволяют использовать алюминиевые банки в качестве абсорбера:

Алюминиевая банка для напитков — идеальный материал для абсорбера коллектора

  • Во-первых, банки изготовлены из алюминия (очень редко встречаются стальные), а он имеет очень высокую теплопроводность.
  • Во-вторых, все банки из-под любых напитков имеют одинаковые размеры: нижний диаметр 66 мм, верхний диаметр 59 мм, высота у банки 0,5 л – 168 мм.
  • В-третьих, банки сделаны таким образом, чтобы в упаковке они размещались друг над другом, то есть они замечательно стыкуются.
  • И, наконец, тонкий алюминий, из которого сделаны банки, легко обрабатывается доступным инструментом.

По мере накопления нужного количества алюминиевых банок их надо тщательно отмывать с моющим средством и просушивать. Иначе в дальнейшем они будут источать неприятный запах, с которым будет справиться сложнее.

Изготовление корпуса коллектора и его теплоизоляция

В зависимости от доступной площади размещения коллектора рассчитываются его габаритные размеры. В данной статье предлагается сделать солнечный воздушный коллектор размером 8 на 8 алюминиевых банок 0,5 л, что по габаритным размерам составит примерно 1400*670 мм. Одного листа фанеры толщиной 21 мм стандартного размера 1525*1525 мм хватит на изготовление всего солнечного коллектора, а толщина фанеры обеспечит необходимую прочность и жесткость конструкции.

Для изготовления корпуса необходимо:

Тщательно разметить лист фанеры. Для коллектора понадобится:

  • Задняя стенка размером 1400*670 мм.
  • Две боковые стенки 1400*116 мм.
  • Две торцевые стенки 630*116 мм.
  • Две направляющие для банок 630*116 мм.

При разметке стоит учесть то, что для дальнейшей обработки краев деталей надо давать припуск по 3—5 мм с каждой стороны. Чтобы нарезка происходила без сбоев лучше линии прочерчивать ярким маркером.

Резать фанеру лучше всего дисковой пилой, причем чем меньше будут зубья у диска – тем лучше. Для более ровного реза можно воспользоваться направляющей, в качестве которой можно использовать лист ДСП с заводской кромкой. Направляющую можно притянуть к листу фанеры струбцинами.

Для ровного реза кромки фанеры лучше всего подходит дисковая пила совместно с направляющей

Если рез будет идти поперек волокон, то лучше предварительно острым ножом по металлической линейке прорезать верхний слой, так меньше будет сколов. После раскроя листа на детали если кромки неровные – их можно обработать фрезерной машиной по шаблону до идеально ровных и перпендикулярных.

Пришло время собирать каркас. Для этого надо:

  • К задней стенке коллектора прикрепить две боковые стенки. Крепить можно мебельными шурупами 6,3*50 мм – их еще называют конфирматами. Только перед этим обязательно надо предварительно пройтись сверлом диаметром 4 мм. Для крепления можно использовать и обычные шурупы, и различные уголки. Коллектор должен иметь герметичный корпус, поэтому целесообразно промазывать скрепляемые поверхности силиконовым герметиком.

Мебельные шурупы-конфирматы вполне подходят для соединения деталей из фанеры толщиной 21 мм

  • К задней стенке, а затем и к боковым крепятся торцевые стенки. После этого проверяется правильность сборки и размеры.

Задние и боковые стенки коллектора необходимо обязательно утеплить и для этого как нельзя лучше подходит экструдированный пенополистирол (ЭППС) толщиной 2 см. Перед тем как приклеивать утеплитель к стенкам, необходимо обработать фанеру антисептическим средством или просто покрасить, так как в этих местах может конденсироваться влага.

Плиты из экструдированного пенополистирола отлично подходят для теплоизоляции солнечного коллектора

Листы ЭППС можно приклеить к поверхности фанеры монтажной пеной, акриловыми «жидкими гвоздями», клеем «Мастер», клеем «Момент», — в любом случае он будет надежно держаться. Главное, чтобы в описании клея пенопласт был указан в качестве одной из склеиваемых поверхностей. Во время клейки утеплителя надо добиться того, чтобы все стыки были полностью закрыты. При необходимости в дальнейшем они могут «задуваться» монтажной пеной.

После того как вся внутренняя поверхность коллектора будет утеплена, ее можно обклеить отражающей теплоизоляцией, которая представляет собой основу из стеклоткани или вспененного полиэтилена и алюминиевую фольгу. Очень часто эти материалы имеют клеящую основу, что очень удобно, а если нет, то можно приклеить на любой подходящий для этого состав. Стыки обязательно надо проклеить алюминиевым скотчем.

Стыки теплоотражающего слоя должны скрепляться алюминиевым скотчем

Изготовление направляющих для абсорбера

Чтобы колонны из алюминиевых банок точно держали свою геометрию, необходимо изготовить для них направляющие. Для этого ранее были вырезаны два куска фанеры 630*116 мм, которые надо разметить и высверлить следующим образом:

  • От верхней части отступить 53 мм и прочертить линию параллельную длинной стороне.
  • Полученную линию разделить на 9 равных отрезков, то есть по 70 мм, поставить метки. Они будут центрами отверстий.
  • Сверлом для дерева коронка-чашка диаметром 57 мм надо высверлить отверстия в фанере. Но перед этим лучше померить в нижней части банки диаметр опорного кольца устойчивости, так как размеры могут варьироваться. При необходимости выбрать другое сверло. Банка должна входить в отверстие достаточно плотно. При работе на сверло сильно не нажимают и периодически дают ему отдохнуть.

Сверло коронка-чашка просто незаменимо для отверстий большого диаметра в фанере

  • Аналогично делается разметка на верхней направляющей. Диаметр головной части банки немного больше (57,4), чем заднего опорного кольца, поэтому перед высверливанием лучше померить его штангенциркулем и подобрать соответствующую коронку-чашку, а после примерить верх банки.

Изготовление абсорберов

Для подготовки банок к монтажу следует выполнить ряд операций:

  • Все банки надо проверить постоянным магнитом. Очень редко, но встречаются банки из стали, которые надо отсортировать.
  • В верхней части банки ножницами по металлу делаются надрезы от отверстия к краям, а затем эти «язычки» заправляются внутрь. Работать следует в перчатках, чтобы избежать порезов от острых краев алюминия. Направить острые язычки внутрь банки и выровнять края отверстия поможет кусок полимерной трубы, зажатой в тисках. Подобным образом обрабатываем все 64 банки.

Ножницами по металлу лучше всего раскрывать верхнюю часть банки

  • Настало время заняться нижней частью. Для этого коническим сверлом по металлу в донышке просверливаются три отверстия диаметром примерно 20 мм расположенные под 120° друг к другу. Для того чтобы не помять банку, ее надо поместить в упругую оправку (например, кусок трубной изоляции) и не сжимать сильно руками. Так обрабатываются все банки.

Коническое сверло вырезает очень ровные отверстия в донышке банки

  • Для склеивания банок лучше всего воспользоваться высокотемпературным клеем-герметиком High Heat Mortar на основе силикатного цемента. Его применяют для герметизации печей, каминов, дымоходов. Возможно, его огнестойкость для коллектора будет избыточной, но «запас карман не тянет».

Такой герметик для печей и каминов отлично подходит и для изготовления абсорбера

  • Для того чтобы банки во время склеивания выдерживали линию, надо изготовить шаблон из двух ровных досок, скрепленных между собой под углом в 90°. Для прилегания банок к поверхности шаблон ставят наклонно и опирают о стену.

Шаблон очень помогает в сборке

  • Перед склеиванием банки обезжиривают любым доступным растворителем (ацетон, № 646, 647). Эту работу лучше делать на улице.
  • Перед началом следующего этапа на руки надо надеть резиновые перчатки, а рядом иметь емкость с водой. Склеиваемые поверхности увлажняются, из пистолета выдавливается ровной «колбаской» клей-герметик на нижнюю часть банки, а затем она стыкуется с верхней частью банки, находящейся ниже.

Клей-герметик наносится на верхнюю часть банки

  • Увлажненным пальцем в перчатке разравнивается выдавившийся клей так, чтобы весь стык и поверхность рядом с ним была укрыта клеем. Затем все эти операции повторяются для всех банок одного столбика (8 штук). После этого все банки ставятся в шаблон, выравниваются и прижимаются сверху грузом.
  • После того как клей затвердеет, столбик снимают и аккуратно укладывают на горизонтальную поверхность. Подобным образом собирают другие столбики из банок.

Заготовки для абсорбера окончательно высыхают на горизонтальной поверхности

  • Пока полностью высыхают заготовки можно окрасить заднюю стенку солнечного коллектора и направляющие для банок в черный матовый цвет. В хороших автомагазинах всегда можно найти такую краску, предназначенную для глушителей или тормозных барабанов.

Такую краску можно всегда найти в хорошем автомагазине

  • Боковые стенки коллектора окрашивать не надо, поэтому их надо закрыть газетами, прикрепленными малярным скотчем. После обезжиривания поверхностей краску наносят в два слоя.

Сборка воздушного солнечного коллектора

  • Пора начать сборку батареи абсорбера. Для этого каждый столбик укладывается в соответствующую направляющую вначале снизу, а затем сверху. Перед стыковкой банки промазываются герметиком, а потом увлажненным пальцем герметик разравнивается. На этом этапе надо быть особенно внимательным. Собирать лучше на горизонтальной поверхности. После сборки и проверки всех соединений можно аккуратно стянуть две направляющие резиновым жгутом и оставить высыхать.
  • Когда вся конструкция поглотителя высохнет ее можно аккуратно поднять и поместить поверх короба так, чтобы расстояния сверху и снизу были одинаковыми. После этого делается разметка положения направляющих, ведь для их монтажа в короб придется вырезать канавку в утеплителе так, чтобы они плотно сели и уперлись в фанерный лист задней стенки. После монтажа направляющие планки крепятся с торцов через боковины мебельными шурупами-конфирматами. После этого все стыки заделываются герметиком.

Поглотитель (абсорбер) смонтирован на свое штатное место

  • Для входа и выхода воздуха сразу надо предусмотреть отверстия, которые лучше всего сделать в задней стенке. Лучше всего для этого воспользоваться готовыми решениями в системе пластиковых вентиляционных каналов, а именно пластины настенные с фланцем, которые можно легко вмонтировать в заднюю стенку в местах входа и выхода не занятых адсорбером. Для этого в фанерном листе и утеплителе прорезается прямоугольное отверстие по размерам пластины, а затем она крепится к стенке на шурупы через слой герметика.

Настенные пластины с фланцем из системы вентиляционных каналов ПВХ отлично подходят для воздушного солнечного коллектора

  • Если возникнет необходимость перейти на круглый воздуховод, вмонтировать канальный вентилятор, сделать поворот и т. д., то в ассортименте производителей есть любые трубы и фасонные части, которые следует подгонять уже по месту.
  • Верхнюю и нижнюю лицевую часть солнечного коллектора в местах входа и выхода воздуховодов необходимо облицевать. Для этого очень хорошо подходит вагонка, но ее сначала надо обрезать точно по размеру, а потом подрезать утеплитель на боковых и торцевых стенках коллектора ровно на толщину вагонки. После этого она приклеивается на герметик, им же обрабатываются все стыки.

Места входа и выхода удобно облицевать кусками пластиковой вагонки

  • Для покраски коллектор ставится на упоры в положение близкое к вертикальному. Перед окраской поверхности обезжириваются и высушиваются. Краска наносится в несколько слоев до тех пор, пока она не укроет всю видимую поверхность. Каждый слой наносится так, чтобы не образовывались потеки. Поверхность должна получиться насыщенно-черной и матовой.

Покраска коллектора

  • После высыхания краски самое время смонтировать переднее стекло. Для этих целей лучше всего подойдёт акриловое оргстекло или поликарбонатное стекло. Вначале лист стекла прикладывается к поверхности, намечаются его размеры, а после уже он вырезается. Края сразу надо обработать наждачной бумагой и подогнать точно по размеру. Перед монтажом его надо тщательно очистить, особенно нижнюю поверхность и поместить в отсек с адсорбером несколько пакетиков с силикагелем. Он предотвратит появление конденсата на внутренней поверхности стекла.
  • Перед тем как крепить стекло, надо все примыкающие к нему части: периметр короба и направляющие обработать герметиком. Причем необязательно герметик наносить на всю поверхность, достаточно только на торцы фанерных листов. Крепить лучше всего шурупами с пресс-шайбой, предварительно высверлив перед этим отверстия. Желательно еще и прикрыть кромку стекла специальным угловым мебельным профилем.

Для облицовки краев отлично подходит угловой мебельный профиль

  • Для крепления воздушного солнечного коллектора, к нему можно прикрутить кронштейны на заднюю стенку. На этом сборка самого коллектора закончена.

Подключение солнечного воздушного коллектора

Воздушный солнечный коллектор может как интегрироваться в существующую систему вентиляции, так и работать совершенно отдельно. Даже при отсутствии принудительной вентиляции неумолимые физические законы все равно будут «продвигать» нагретый воздух через коллектор, но процесс этот будет идти довольно вяло, поэтому желателен вентилятор с производительностью не менее 150 кубических метров в час.

Применение вентилятора обнажает два важных вопроса:

  1. Где вентилятор ставить: на входе или выходе коллектора? Если коллектор поднимет температуру на выходе до 60—70 °C (а такое вполне возможно), то вентилятор, стоящий там долго не протянет. С другой стороны – вентилятор, стоящий на улице подвергается атмосферным воздействиям и им сложнее управлять. В большинстве случаев его все-таки ставят внутри помещения, а в жаркие дни, когда воздух и так нагрет – вентилятор просто не включают либо подключают его через тепловое реле.

Чаще всего вентилятор монтируют внутри помещения

  1. Применение вентилятора заставляет сомневаться некоторых скептиков в целесообразности воздушного отопления. Не проще ли электроэнергию, потраченную на вращение двигателя вентилятора, направить на подогрев помещения? Но практика показывает, что вышеописанная конструкция коллектора все равно эффективна и выгодна. Разница температур наружно воздуха и на выходе из коллектора может достигать 35 °C.

При эксплуатации воздушного коллектора возникает еще один резонный вопрос: в ночное время, когда инсоляции коллектора нет, даже при неработающем вентиляторе холодный воздух будет проникать в помещение. Решение этого вопроса довольно простое. Среди комплектующих для вентиляционных систем можно найти специальные обратные клапаны, которые открываются только под напором воздушного потока. При неработающем вентиляторе клапан будет закрыт. Важно только правильно его установить, чтобы он не перекрывал воздуховод. Существуют и модели вентиляторов со встроенным клапаном, на которые следует обратить внимание.

Обратный клапан исключит несанкционированный доступ в помещение холодного воздуха ночью

Для быстрого прогрева теплым воздухом можно продумать систему рециркуляции, когда воздух из помещения проходит через коллектор и возвращается в то же помещение. В этом случае оправдано ставить вентилятор, который будет нагнетать воздух в коллектор, а не создавать в нем разрежение. Недостатком рециркуляции является отсутствие притока свежего воздуха.

Эксплуатация и уход за солнечным воздушным коллектором

Чтобы коллектор служил долго и безотказно необходимо соблюдать два простых правила:

  • Периодически надо очищать и промывать лицевое стекло солнечного коллектора.
  • В жаркие летние дни, когда нет надобности в подогреве воздуха, лучше накрыть коллектор плотной светлой тканью во избежание перегрева поверхности абсорбера.
  • Чтобы вентилятор не работал вхолостую, периодически стоит проверять плотность соединений воздуховодов и их целостность.

Узнайте, как сделать солнечную батарею своими руками, а также рассмотрите принцип и порядок сборки, из нашей новой статьи.

Заключение

Подводя итоги статьи, стоит обратить внимание на несколько пунктов:

  • Предложенная в этой статье модель солнечного воздушного коллектора доказала на практике свою эффективность и успешно эксплуатируется во всем мире.
  • По желанию можно изготовить более мощный солнечный коллектор или соединить их несколько последовательно.
  • Воздушные солнечные коллекторы можно использовать периодически. Например, для подогрева воздуха в теплицах ранней весной или для сушки сельскохозяйственной продукции осенью.

Видео: Как сделать воздушный солнечный коллектор (англ)

Видео: Слайд-шоу об изготовлении солнечного коллектора из алюминиевых банок

Источник: https://stroyday.ru/stroitelstvo-doma/pechi-i-sistemy-otopleniya/solnechnyj-vozdushnyj-kollektor-svoimi-rukami.html

Панельные воздушные солнечные коллекторы для отопления дома — это источник дополнительной тепловой энергии. Модули подходят для жилых домов, теплиц, дач, коттеджей, турбаз. Один блок в среднем вырабатывает около 1,5 кВт/час, чего более чем достаточно для поддержания комфортной температуры в весенне-осенний период.
Воздушные коллекторы в зимнее время года сокращают расход топлива (газа, электричества), на котором работает котёл до 52%. Летом модуль работает на поддержание влажностного микроклимата и кондиционирование помещений.

Принцип обогрева и его эффективность

Абсорберы воздушных коллекторов делают черного цвета, для увеличения интенсивности нагрева под воздействием солнечного излучения. Температура воздуха в коллекторе достигает 70-80°С. Тепла с избытком хватает для полноценного обогрева помещений небольшой площади.
Принцип действия воздухонагревателя следующий:

  • воздух закачивается с улицы в корпус коллектора принудительным способом;
  • внутри блока установлены абсорберы, отражающие тепло, поднимающие температуру внутри ящика до 70-80°С;
  • происходит нагрев воздуха;
  • разогретые воздушные массы принудительно нагнетаются в отапливаемые помещения.

В заводских моделях обеспечение циркуляции воздуха осуществляется при помощи вентиляторов, подключенных к солнечным батареям. Как только ультрафиолетовое излучение становится достаточно интенсивным, чтобы выработать некоторое количество электроэнергии, турбины включаются. Коллекторы начинают работать на обогрев. Зимой интенсивность излучения Солнца снижается.
Дом не сможет полностью функционировать на солнечном воздушном отоплении. Воздухонагреватели используются как дополнительный источник тепла. При правильных расчетах одна установка (данные взяты из технических характеристик воздушных солнечных коллекторов Solar Fox) обеспечит следующую экономию, за отопительный сезон:

  • газ до 315 м³;
  • дрова до 3,9 м³.

Система солнечного воздушного обогрева компенсирует около 30% необходимого для здания тепла. Полная окупаемость достигается в течение 2-3 лет. Если учесть, что принцип работы связан с использованием установки и для кондиционирования воздуха, а в течение года вырабатывается около 4000 кВт, целесообразность использования становится еще очевиднее.

В странах ЕС широкое распространение получило конструкторское решение «солнечная стена». Конструкция заключается в следующем:

  • в здании одна из стен изготавливается из аккумулирующего материала;
  • перед панелью устанавливается стеклянная перегородка;
  • в течение дня тепло аккумулируется, после чего отдается в помещение ночью.

Для усиления конвекции, солнечный коллектор делается не во всю стену. Вверху и внизу предусматривают раздвижные шторки.
На КПД воздушного коллектора существенно влияет время года. Так, в декабре коэффициент полезного действия поддерживается на уровне 50%, в октябре и марте увеличивается до 75%.

Солнечный коллектор — водяной или воздушный

Каждый из нагревателей эффективен, отличается только основное предназначение и принцип работы:

  • Водяной коллектор — применяется для обеспечения потребностей в ГВС и низкотемпературных систем теплых полов. Эффективность работы в зимний период существенно снижается. Вакуумные и панельные коллекторы косвенного нагрева, подсоединенные к буферной емкости, продолжают аккумулировать тепло в течение всего года. Главный недостаток, высокая стоимость гелиоколлектора, монтажа и обвязки.
  • Воздушный вентиляционный коллектор — отличается простой конструкцией и устройством, которое при желании можно изготовить самостоятельно. Основное предназначение: обогрев помещений. Конечно, существуют схемы, позволяющие использовать полученное тепло для ГВС, но при этом эффективность воздушных коллекторов падает практически вдвое. Преимущества: низкая стоимость комплекта и установки.

Солнечные воздушные системы отопления работают только днем. Нагрев воздуха начинается даже в пасмурную погоду, при сильной облачности и во время дождя. Работа воздухонагревателей зимой не прекращается.

Как и из чего сделать воздушный коллектор

Главное достоинство солнечных воздухонагревателей, в простоте конструкции. При желании можно сделать самодельное солнечное воздушное отопление частного дома, затратив на это минимум средств.
Для начала потребуется сделать расчеты производительности, затем подобрать тип конструкции и выбрать материалы для изготовления. Корпус и абсорберы можно изготовить из подручных средств, существенно сэкономив бюджет.

Как сделать расчёты коллектора

Вычисления выполняются следующим образом:

  • каждый м² от площади коллектора даст 1,5 кВт/час тепловой энергии, при условии, что будет солнечная погода;
  • для полноценного обогрева помещения требуется 1 кВт тепловой энергии на 10 м².

Приблизительный расчет мощности покажет, что для отопления жилого дома на 100 м² необходимо установить коллекторы общей площадью 7-8 м².
Для обеспечения максимальной производительности надо определить сторону дома с максимальной интенсивностью ультрафиолетового излучения. Практика показывает, что оптимальное место для установки — это скат кровли или южная стена здания.

Типы конструкции коллектора

Классификация осуществляется по различиям корпуса коллекторов. Заводской воздухонагреватель обычно имеет надувной каркас, с двумя съемными панелями. При необходимости модуль легко демонтируется, разбирается и переносится на другое место. Сделать своими руками конструкцию надувного типа навряд ли получится.
В домашних условиях выполняют сборку неразборного корпуса. Это деревянный ящик с абсорбером, радиатором и верхним прозрачным экраном. При изготовлении используют подручные средства: профнастил, алюминиевые пивные банки, обычное стекло.

Материалы для изготовления коллектора

Для изготовления модулей для нагрева жилого или хозяйственного здания потребуются несколько комплектующих:

  • Внешний блок — собирается из фанеры, ДСП и деревянных брусков. По внешнему виду напоминает обыкновенный коробок.
  • Дно — изготавливают из профнастила. Лист металла обрабатывают специальной черной краской с высоким коэффициентом светопоглащения. Абсорбирующую поверхность можно сделать из разрезанных алюминиевых банок. Дно обшивают изоляционным материалом, чтобы избежать тепловых потерь.
  • Ребра радиатора — используются для лучшей абсорбции тепла. При изготовлении используют тонкие листы алюминия, меди. Можно установить уже готовый радиатор из старого холодильника.
  • Крышка коллектора — делается из сотового поликарбоната, отличающегося хорошей светопропускной способностью и одновременно удерживающая тепло внутри коллектора. Чтобы сэкономить, в качестве покрытия можно использовать обычное стекло. Теплоэффективность при этом будет нижем чем у коллекторов, закрытых поликарбонатом.
  • Теплоизоляция корпуса — по периметру каркас обшивают пенополистиролом.


Для нагнетания воздуха в отапливаемые помещения устанавливают 2-4 вентилятора. Подойдут кулеры, снятые со старого компьютера.

Установка и подключение воздушного коллектора

Для монтажа воздухонагревателей нужно подготовить поверхность стены, сделав 4 отверстия под воздуховоды. Внутри здания гофрированные трубы разводят по комнатам, направляя в сторону пола.
Самодельные воздушные солнечные коллекторы для отопления дома подключаются к электросети, через трансформатор. При наличии навыков в качестве источника питания можно установить аккумулятор на солнечных батареях.
Теплоэффективность изготовленных своими руками воздухонагревателей существенно ниже, чем у заводской продукции. При отсутствии специальных навыков лучше использовать готовые модули. Как показывают реальные отзывы о коллекторах, оптимальный вариант для покупки из представленных на отечественном рынке: Solar Fox, Солнцедар и ЯSolar-Air.
Воздухонагреватели не используются в качестве основного источника тепла и выполняют исключительно вспомогательную функцию. В домах с солнечными воздушными коллекторами изначально устанавливают котел, покрывающий потребности в отоплении на 100%.
При грамотных расчетах и интенсивной эксплуатации, вложения окупятся в течение 1-2 лет. В случае самостоятельного изготовления коллектора, затраты вернутся уже в середине первого отопительного сезона.

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.

При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение «запаса мощности» по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой) Используется также аллюминиевый экран.

Вакуумные

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Основная статья: Солнечный водонагреватель

Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.

В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.

В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые Плоские высокоселлективные
+ +
Низкие теплопотери Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до -30С Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Неспособность к самоочистке от снега Высокие тепло потери
Относительно высокая начальная стоимость проекта Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20° Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы представляют собой чаще всего простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом, избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов. Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещенности и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции.

Применение

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 м²/1000 чел.

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляет­ся, в основном, в Красно­дарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.

Солнечные башни

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно 1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту.

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C.

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около 0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Параболические концентраторы

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга .

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 % .

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Специфика использования солнечных коллекторов

Главной особенностью гелиоколлекторов, отличающей их от теплогенераторов других типов, является цикличность их работы. Нет солнца – нет и тепловой энергии. Как следствие, в ночное время подобные установки пассивны.

Среднесуточная выработка тепла напрямую зависит от продолжительности светового дня. Последняя же определяется, во-первых, географической широтой местности, и во-вторых, временем года. В летний период, на который в северном полушарии приходится пик инсоляции, коллектор будет работать с максимальной отдачей. Зимою же его продуктивность падает, достигая минимума в декабре-январе.

В зимний период эффективность гелиоколлекторов снижается не только из-за уменьшения продолжительности светового дня, но и из-за изменения угла падения солнечных лучей. Колебания производительности солнечного коллектора в течение года следует учитывать при расчетах его вклада в систему теплоснабжения.

Еще один фактор, который может повлиять на продуктивность солнечного коллектора, – климатические особенности региона. На территории нашей страны есть немало мест, где 200 и более дней в году солнце скрыто за толстым слоем туч или за пеленой тумана. В пасмурную погоду производительность гелиоколлектора не падает до нуля, поскольку он способен улавливать рассеянные солнечные лучи, но существенно снижается.

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.

Области применения солнечных коллекторов

Главное назначение солнечных коллекторов, как и любых других теплогенераторов, – отопление зданий и подготовка воды для системы горячего водоснабжения. Осталось выяснить, какой именно тип гелиоколлекторов лучше подходит для выполнения той или иной функции.

Плоские солнечные коллекторы, как мы выяснили, отличаются хорошей производительностью в весенне-летний период, но малоэффективны зимой. Из этого следует, что использовать их для отопления, потребность в котором появляется именно с наступлением холодов, нецелесообразно. Это, однако, не означает, что для данного оборудования вовсе не найдется дела.

У плоских коллекторов есть одно неоспоримое преимущество – они существенно дешевле вакуумных моделей, поэтому в тех случаях, когда планируется использовать солнечную энергию исключительно летом, имеет смысл приобретать именно их. Плоские гелиоколлекторы прекрасно справляются с задачей подготовки воды для ГВС в летний период. Еще чаще их используют для подогрева до комфортной температуры воды в открытых бассейнах.

Трубчатые вакуумные коллекторы более универсальны. С приходом зимних холодов их производительность снижается не столь существенно, как в случае плоских моделей, а значит, они могут использоваться круглогодично. Это дает возможность задействовать подобные гелиоколлекторы не только для горячего водоснабжения, но и в системе отопления.

Сравнение плоских и вакуумных солнечных коллекторов.

Расположение солнечных коллекторов

Эффективность гелиоколлектора напрямую зависит от количества солнечного света, попадающего на адсорбер. Из этого следует, что коллектор должен располагаться на открытом пространстве, куда никогда (или, по крайней мере, максимально долго) не падает тень от соседних зданий, деревьев, расположенных вблизи гор и т. д.

Большое значение имеет не только расположение коллектора, но и его ориентация. Самой «солнечной» стороной в нашем северном полушарии является южная, а значит, в идеале «зеркала» коллектора должны быть развернуты строго на юг. Если технически сделать этого невозможно, то следует выбрать направление, максимально приближенное к южному, – юго-запад или юго-восток.

Не следует выпускать из внимания и такой параметр, как угол наклона гелиоколлектора. Величина угла зависит от отклонения положения Солнца от зенита, которое в свою очередь определяется географической широтой той местности, в которой будет эксплуатироваться оборудование. Если угол наклона будет выставлен неправильно, то существенно возрастут оптические потери энергии, поскольку значительная часть солнечного света будет отражаться от стекла коллектора и, следовательно, не достигнет абсорбера.

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.


Стагнация системы

Поговорим чуть подробнее о проблемах, связанных с переизбытком генерируемого тепла. Итак, предположим, что вы установили достаточно мощный гелиоколлектор, способный полностью обеспечить теплом отопительную систему вашего дома. Но наступило лето, и потребность в отоплении отпала. Если у электрического котла можно отключить электропитание, у газового – перекрыть подачу топлива, то над солнцем мы не властны – «выключить» его, когда стало слишком жарко, нам не под силу.

Стагнация системы – одна из главных потенциальных проблем солнечных коллекторов. Если из контура коллектора забирается недостаточно тепла, происходит перегрев теплоносителя. В определенный момент последний может закипеть, что приведет к прекращению его циркуляции по контуру. Когда теплоноситель остынет и конденсируется, работа системы возобновится. Однако далеко не все виды теплоносителей спокойно переносят переход из жидкого состояния в газообразное и обратно. Некоторые в результате перегрева приобретают желеобразную консистенцию, что делает невозможной дальнейшую эксплуатацию контура.

Избежать стагнации поможет лишь стабильный отвод производимого коллектором тепла. Если расчет мощности оборудования сделан правильно, вероятность возникновения проблем практически нулевая.

Однако даже в этом случае не исключено возникновение форс-мажорных обстоятельств, поэтому следует заранее предусмотреть способы защиты от перегрева:

1. Установка резервной емкости для накопления горячей воды. Если вода в основном баке системы горячего водоснабжения достигла установленного максимума, а гелиоколлектор продолжает поставлять тепло, автоматически произойдет переключение, и вода начнет греться уже в резервной емкости. Созданный запас теплой воды можно будет использовать для бытовых нужд позже, в пасмурную погоду.

2. Подогрев воды в бассейне. У владельцев домов с бассейном (не важно, крытым или размещенным под открытым небом) имеется прекрасная возможность отводить излишки тепловой энергии. Объем бассейна несравнимо больше объема любого бытового накопителя, из чего следует, что вода в нем не нагреется так сильно, что уже не сможет поглощать тепло.

3. Слив горячей воды. При отсутствии возможности тратить избыток тепла с пользой можно попросту сливать небольшими порциями нагретую воду из накопительного резервуара для ГВС в канализацию. Поступающая при этом в емкость холодная вода будет понижать температуру всего объема, что позволит продолжать отводить тепло от контура.

4. Внешний теплообменник с вентилятором. Если гелиоколлектор обладает большой производительностью, избыток тепла может быть тоже очень велик. В этом случае система оборудуется дополнительным контуром, заполненным хладагентом. Этот дополнительный контур сопряжен с системой посредством теплообменника, оснащенного вентилятором и монтируемого за пределами здания. При возникновении риска перегрева избыточное тепло поступает в дополнительный контур и через теплообменник «выбрасывается» в воздух.

5. Сброс тепла в грунт. Если помимо солнечного коллектора в доме имеется грунтовый тепловой насос, избыток тепла можно направить в скважину. При этом вы решаете сразу две задачи: с одной стороны, защищаете контур коллектора от перегрева, с другой – восстанавливаете истощенный за зиму запас тепла в грунте.

6. Изоляция гелиоколлектора от прямых солнечных лучей. Этот способ с технической точки зрения один из самых простых. Конечно, забираться на крышу и занавешивать коллектор вручную не стоит – это тяжело и небезопасно. Гораздо рациональнее установить дистанционно управляемый заслон, наподобие рольставень. Можно даже подключить блок управления заслоном к контроллеру – при опасном повышении температуры в контуре коллектор будет закрываться автоматически.

7. Слив теплоносителя. Этот способ можно считать кардинальным, но в то же время он довольно прост. При возникновении риска перегрева теплоноситель посредством насоса сливается в специальную емкость, интегрированную в контур системы. Когда условия вновь станут благоприятными, насос вернет теплоноситель в контур, и работа коллектора будет восстановлена.

Другие компоненты системы

Недостаточно просто собрать излучаемое солнцем тепло. Нужно его еще транспортировать, накопить, передать потребителям, нужно контролировать все эти процессы и т. д. А это означает, что помимо расположенных на крыше коллеторов система содержит множество других компонентов, может быть менее заметных, но при этом не менее важных. Остановим ваше внимание лишь на некоторых из них.

Теплоноситель

Функцию теплоносителя в контуре коллектора может выполнять либо вода, либо незамерзающая жидкость.

Вода имеет ряд недостатков, накладывающих определенные ограничения на использование ее в качестве теплоносителя в гелиоколлекторах:

  • Во-первых, при отрицательных температурах она застывает. Чтобы замерзший теплоноситель не разорвал трубы контура, с приближением холодов его придется сливать, а значит, зимой вы не получите от коллектора даже небольших количеств тепловой энергии.
  • Во-вторых, не слишком высокая температура кипения воды может стать причиной частых стагнаций в летний период.

Незамерзающая жидкость в отличие от воды обладает значительно более низкой температурой замерзания и несравнимо более высокой температурой кипения, что повышает удобство использования ее в качестве теплоносителя. Однако при высоких температурах «незамерзайка» может претерпеть необратимые изменения, поэтому ее следует оберегать от чрезмерного перегрева.

Насос адаптированный для гелиосистем

Для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя по контуру коллектора необходим насос, адаптированный для гелиосистем.

Теплообменник для ГВС

Перенос тепла от контура гелиоколлектора к воде, используемой в ГВС, или к теплоносителю системы отопления осуществляется посредством теплообменника. Как правило, для накопления горячей воды используют резервуар большого объема с уже встроенным теплообменником. Рационально использовать баки с двумя и более теплообменниками: это позволит забирать тепло не только у солнечного коллектора, но и у других источников (газовый или электрический котел, тепловой насос и т. д.).

Автоматика

Такой сложной системе не обойтись без автоматики, осуществляющий контроль и управление процессом. Контроллер позволяет автоматизировать работу коллектора: он осуществляет анализ температуры в контуре и накопительном резервуаре, управляет насосом и клапанами, ответственными за движение теплоносителя по контуру. При перегреве теплоносителя в контуре и воды в баке контроллер отдаст команду на сброс тепла в альтернативный теплоприемник – дополнительный резервуар с водой или уличный воздушный теплообменник.

Если в конце светового дня температура воды в накопительной емкости превысит температуру теплоносителя в контуре коллектора, автоматика остановит циркуляцию теплоносителя по контуру, чтобы накопленное тепло не выбрасывалось в атмосферу через сам коллектор. Современные контроллеры дают возможность удаленно следить за работой системы и при необходимости вносить корректировки.

Сегодня не составит труда найти на рынке гелиоколлектор и любой из компонентов, необходимых для его работы. Вполне реально собрать систему из купленных по отдельности элементов. Однако производители предлагают уже готовые комплекты, которые включают в себя коллектор, насосы, накопительные резервуары, управляющую автоматику и т. д. Приобретение такого комплекта – это не только экономия вашего времени, но и гарантия работоспособности системы.

Если вы заметили ошибку, не рабочее видео или ссылку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter. Поделиться: 0

Источник: https://srbu.ru/otoplenie/1552-solnechnye-kollektory-vidy-printsip-raboty-ustrojstvo.html

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *