Принцип действия солнечного коллектора, его плюсы, минусы и применение

Обзор цен

Кроме мирового имени на стоимость нагревателя могут влиять:

• качество сборки;
• материал абсорбера и корпуса;
• толщина и вариант укладки изоляции;
• толщина стекла и др.;

Так как, конструктивных различий, которые могут влиять на стоимость оборудования немало, то и цены колеблются в большом диапазоне. К примеру, коллектор российского производства будет стоить в пределах 21 тыс. руб. (Сокол-Эффект), вакуумный коллектор 30HP – 795 $ (тм «Atmosfera» Китай), водонагреватель VFK 150V – 690 евро (Vaillant, Германия), Solar 7000TF – 875 евро (Bosch, Германия).

Немецкие производители в комплект включают оригинальные крепежи, которые зачастую изготовлены из нержавейки или алюминия, а это также оказывает влияние на цену. В конечную стоимость войдет оплата за проведение монтажных работ, покупка необходимых расходных и вспомогательных материалов.

Период окупаемости гелиосистемы

Понять, как быстро окупаются дорогостоящие солнечные коллекторы, поможет несложный расчет. Например, это будет плоское устройство площадью 2 «квадрата» суточной производительностью 6,4 кВт·ч тепла.

Когда главным источником тепловой энергии является электрокотел, то выработанный им киловатт-час обойдется в 5 рублей (согласно ценам 2017 года), а это означает, что ежесуточно экономия на электропитании при эксплуатации плоского устройства составит 6,4х5=32 рубля, а срок окупаемости при цене устройства 20 тысяч – 625 дней (20000:32=625).

Когда основной источник тепла – газовый агрегат, киловатт-час энергии будет стоить 0,7 рубля, а суточная экономия — 6,4х0,7 = 4,48 рубля. Период окупаемости увеличится до 4464 дней или 12 лет. Если учесть, что средний срок эксплуатации коллектора составляет не больше 15 лет, то можно сделать вывод, что в данном случае гелиосистема не окупится никогда.

Типы вакуумных солнечных коллекторов

Самые популярные и востребованные типы делятся по виду конструкции коллектора.

Они бывают:

1. Вакуумная колба с тепловой трубкой. Они сложны в эксплуатации и изготовлении, т.к. в данном виде конструкции теплоизоляция вакуумного типа обеспечивается по всей колбе. Данные устройства обеспечивают наибольший КПД. Абсорбером тут является пластина, которая покрыта селективным всепоглощающим покрытием. Тепловая трубка надежно крепится к пластине и подает энергию в конденсатор (верхняя часть трубки). В свою очередь конденсатор подключается к теплообменнику коллектора. Тут и происходит нагрев теплоносителя.
2. «Колоба в колбе» с трубкой тепловой. Эта конструкция немного проще предыдущей и отличается меньшей производительностью при пониженных температурах. Абсорбирующая поверхность расположена на внутренней трубке. На тепловую трубку, изготовленную из меди, тепло передается через металлические ребра. Тепловая трубка – это наиболее эффективное устройств, предназначенное для передачи тепла.
3. «Колба в колбе». Этот вид устройства вакуумного коллектора дает возможность достигать наивысшей степени теплоизоляции покрытия (поглощающего), не мешая при этом проникновению солнечных лучей. Как и в предыдущем типе, покрытие для поглощения энергии расположено на внутренней колбе. Теплоноситель, который контактирует с поглощающей поверхностью, может нагреваться без промежуточных преобразований.

Поэтапное руководство по сборке агрегата

Схема циркуляции теплоносителя

Первый этап – установка накопителя и аванкамеры. Упомянутые агрегаты размещаются на чердаке дома. Убедитесь, что потолок в месте установки сможет выдержать вес емкостей с водой. Установите аванкамеру рядом с накопителем. Сделайте это так, чтобы уровень жидкости в аванкамере был выше уровня воды в накопительной емкости примерно на 100 см.

Второй этап – выбор места для установки солнечного обогревателя. Агрегат закрепляется на южной стене строения

Важно выдержать правильный уклон обогревателя к горизонту. Оптимальным считается значение в 45 градусов. Коллектор необходимо прикрепить к дому так, чтобы солнечные панели выглядели как продолжение кровли

Коллектор необходимо прикрепить к дому так, чтобы солнечные панели выглядели как продолжение кровли.

Третий этап – соединение отдельных элементов. Для выполнения этой задачи вам нужно купить дюймовые и полудюймовые стальные трубы. Полудюймовые вы будете использовать для соединения высоконапорных элементов системы – от места ввода воды до аванкамеры. Дюймовые трубы применяются в низконапорной части.

Предварительно трубы необходимо покрасить в белый или другой светлый цвет. Поверх краски закрепляется слой теплоизоляционного материала. В данном случае оптимально подойдет поролон. Поверх утеплителя наматывается слой полиэтилена, а затем тканой ленты. В завершении трубы снова окрашиваются в белый цвет.

Солнечный коллектор

Четвертый этап – заполнение системы жидкостью. Воду нужно подавать через специальные дренажные вентили, установленные внизу радиаторов. Это позволит избежать образования воздушных заторов. Когда из дренажа начнет течь вода, операцию можно считать завершенной.

Пятый этап – подключение аванкамеры. Данный агрегат необходимо подключить к водопроводному вводу. После подсоединения следует открыть расходный вентиль. Вы увидите, что количество воды в аванкамере начнет уменьшаться.

Ночью температура воздуха становится ниже температуры подогретой воды. В подобных условиях коллектор начнет обогревать окружающую среду и в целом работать в обратном режиме. Чтобы этого избежать, система комплектуется вентилем, позволяющим предупреждать возможность обратной циркуляции. Достаточно будет попросту перекрыть этот вентиль вечером, и энергия сохранится в системе.

При недостаточно высокой теплопроводности коллектора ее можно повысить путем добавления секций. Конструкция позволит вам сделать это безо всяких затруднений.

Можно конечно искусственно регулировать направление солнечных панелей по отношению к Солнцу, подкладывая под коллектор дополнительные конструкции

Таким образом, в самостоятельной сборке солнечного обогревателя нет ничего сложного. Больших денежных вложений такая работа тоже не требует, однако настоятельно рекомендуется покупать только высококачественные материалы от известных производителей. Подойдите к работе с максимальной ответственностью, не нарушайте приведенные рекомендации, и вы получите отличный источник тепла и горячей воды, работающий на бесплатной энергии. Удачной работы!

Модификационные особенности приборов

При изготовлении гелиоагрегатов тепловые каналы и вакуумные стеклянные трубки для солнечных коллекторов комбинируют в самых разных сочетаниях.

Самой большой популярностью у потребителей пользуются коаксиальные модели с тепловым каналом heat pipe. Покупателей привлекает лояльная цена приборов и очень простое, доступное обслуживание в течение всего срока эксплуатации.

Вакуумные приборы с каналами heat pipe демонстрируют высокую надежность и не имеют никаких ограничений по использованию даже в высоконапорных гелиотермальных комплексах.

Приборы с коаксильной колбой, содержащей прямоточные U-образные каналы, тоже входят в перечень востребованных. Их характеризуют такие параметры, как низкая теплопотеря и КПД от 70% и выше.

Ситуацию несколько портят сложный процесс ремонта, специфическое обслуживание в процессе эксплуатации и невозможность заменить отдельный испорченный узел. Если с прибором что-то случается, его демонтируют и на место ставят абсолютно новый коллектор.

Перьевые трубки конструкционно представляют собой одинарный цилиндр из стекла с утолщенными прочными стенками (в зависимости от производителя от 2,5 мм и выше). Содержащаяся внутри вставка из перьевого абсорбента плотно облегает рабочий канал, изготовленный из теплопроводящего металла.

Почти безупречную изоляцию создает вакуумное пространство внутри стеклянной емкости. Абсорбент передает поглощенное тепло без потерь и обеспечивает системе КПД до 77%.

Модели с перьевым элементом стоят несколько дороже, нежели коаксиальные, но за счет высокой эффективности обеспечивают полноценный комфорт в помещении и быстро окупаются.

Наиболее эффективными и производительными являются перьевые колбы с внутренними прямоточными каналами. Их фактический КПД порой достигает рекордных показателей в 80%.

Цена изделий довольно высока, а при проведении ремонта обязательно требуется сливать из системы весь теплоноситель и только потом приступать к устранению неполадок.

Коллектор из поликарбоната

Изготавливают из сотовых панелей, отличающихся хорошими теплоизоляционными свойствами. Толщина листов от 4 до 30 мм. Выбор толщины поликарбоната зависит от необходимой теплоотдачи. Чем толще лист и ячейки в нем, тем больше воды сможет нагреть установка.

Чтобы самому сделать гелиосистему, в частности самодельный солнечный водонагреватель из поликарбоната, понадобятся следующие материалы:

• две штанги с нарезанной резьбой;
• пропиленовые уголки, на фитингах должно быть наружное резьбовое соединение;
• пластиковые трубы ПВХ: 2 шт, длина 1,5 м, диаметр 32;
• 2 заглушки.

Трубы укладывают в корпус параллельно. Подключают к ГВС через отсекающие краны. Вдоль трубы делают тонкий надрез, в который можно вставить лист поликарбоната. Благодаря принципу термосифона вода будет самостоятельно поступать в желобки (ячейки) листа, нагреваться и уходить в накопитель, расположенный вверху всей системы нагрева. Для герметизации и фиксации листов, вставленных в трубу, используют силикон, стойкий к термическому воздействию.

Чтобы увеличить теплоэффективность коллектора из сотового поликарбоната, лист покрывают любой селективной краской. Нагрев воды после нанесения селективного покрытия ускоряется приблизительно в два раза.

Обзор моделей

«Дачник»

Эта модель стоит около 18500 руб. Этот коллектор способен нагревать воду до 95 градусов и прекрасно подходит для дачных домиков. Имеет гарантию от производителя 12 месяцев. Этого времени достаточно, чтобы убедиться в его надежности.

Данная модель обладает следующими техническими характеристиками:

1. Бак объёмом 100 литров изготовлен из высококачественной нержавеющей стали.
2. Вакуумная трубка имеет длину 150 см.
3. Диаметр трубки (внешний) 4,8 см.
4. Максимально возможное давление в трубке 0,6 Мп.
5. Конструкция устойчива к граду до 0,5 см.
6. Трубки изготавливаются из боросиликатного стекла, обладающего поглощающим эффектом.
7. Общий вес коллектора составляет 45 кг.

Комплектация:

• набор пыльников (уплотнительных) – 1 шт.;
• трубки вакуумные – 16 штук;
• станина и комплект болтов – 1 шт.;
• расширительный бак – 1 шт.;
• бак-термос на 100 л. – 1 шт.;

CP-II-20-175 от «АНДИ Групп»

В комплект входят:

• бак водяной объемом 175 л., внутренний контур выполнен из нержавеющей стали, а наружный из гальванизированной окрашенной стали;
• трубки вакуумные – 20 шт.;
• TNC-2 (контроллер).;

Теплоизоляция бака выполнена из полиуретана (50 мм.). Диаметр внутренний 36 см., внешний 46 см., рама из стали толщиной 1,5 мм., имеющая гальваническое покрытие. Чистый вес установки 86 кг.

Устройство и область применения в быту

На сегодняшний день применяются такие типы гелиоустановок: плоскопластинчатые и вакуумные

Плоскопластинчатые

Это самые простые и дешевые устройства. Они состоят из улавливающей солнечное излучение пластины (абсорбера), прозрачного покрытия и закрывающей нижнюю поверхность теплоизоляции. На обращенную к солнцу поверхность пластины наносят черную краску или особое покрытие, например, из оксида титана или черного никеля. Оно называется селективным. Наиболее эффективными являются абсорберы, изготовленные из меди.

Светопропускающее покрытие выполняют из специального профильного поликарбонатного листа (с рифлением) или закаленного стекла, почти полностью очищенного от металлических примесей.

Все зазоры между корпусом коллектора и прозрачной крышкой герметизируются, что способствует уменьшению теплопотерь вследствие конвекции.

Плоский пластинчатый коллектор

В воздушных коллекторах используемый в качестве теплоносителя воздух омывает непосредственно абсорбер – с одной или с двух сторон. В устройствах, ориентированных на применение жидкостного теплоносителя (вода, масло или антифриз), к абсорберу могут быть прикреплены медные или алюминиевые трубки, в которые этот теплоноситель подается.

Если не отбирать накапливаемое плоско-пластинчатым коллектором тепло, он сможет нагреть воду до температуры в 190 – 210 градусов.

Для повышения эффективности таких установок применяют покрытия из особых материалов, не излучающих тепло в виде инфракрасных волн.

Вакуумные

Роль абсорбера в таком коллекторе играет поверхность трубки, по которой протекает теплоноситель. При этом сама она заключена в круглый прозрачный кожух, из которого выкачан воздух. Таким образом, каждая трубка с теплоносителем окружена, подобно колбе термоса, вакуумом.

Вакуумный коллектор стоит дороже, но зато является более эффективным: с его помощью воду можно нагреть уже до 250 – 300 градусов.

Вакуумные коллекторы

Значительно повысить производительность вакуумного коллектора можно при помощи параболоцилиндрических отражателей. Это продолговатые элементы с вогнутой зеркальной поверхностью, которая в поперечном сечении образует параболу. Такие отражатели устанавливаются в коллекторе за трубками, фокусируя на них весь неусвоенный солнечный свет.

Оснащенная такими элементами установка может нагревать теплоноситель (применяется масло) до температуры в 300 – 390 градусов. Чтобы еще больше увеличить производительность коллектора, его оснащают системой слежения за солнцем.

Прочие элементы системы

Помимо собственно коллектора в гелиоустановке имеется накопительный бак с водой, которой при помощи встроенного теплообменника передается накопленная теплоносителем энергия.

Существуют системы как с естественной циркуляцией теплоносителя (накопительный бак устанавливается выше коллектора), так и с принудительной – при помощи насоса (бак можно устанавливать на любом уровне).

Гелиоколлекторы в системе отопления

Применение

В быту гелиоустановки применяются для приготовления горячей воды, в том числе для бань, подогрева бассейна либо в качестве дополнительного источника тепла для системы отопления. В промышленности сфера применения таких систем является более широкой: на их основе сооружают опреснители воды, парогенераторы (пар приводит в движение различные машины) и даже электростанции.

Конструкция солнечного коллектора

Конструкция солнечного коллектора

Рассматриваемые агрегаты имеют довольно простую конструкцию. В целом система включает в свой состав пару коллекторов, аванкамеру и накопительную емкость. Работа солнечного коллектора осуществляется по простому принципу: в процессе прохождения солнечных лучей через стекло происходит их превращение в тепло. Система организована так, что выйти из замкнутого пространства эти лучи не в состоянии.

Установка функционирует по термосифонному принципу. В процессе нагревания теплая жидкость устремляется вверх, вытесняя оттуда холодную воду и направляя ее к источнику тепла. Это позволяет отказаться даже от применения насоса, т.к. жидкость будет циркулировать сама по себе. Установка накапливает энергию солнца и на протяжение продолжительного времени сохраняет ее внутри системы.

Компоненты для сборки рассматриваемой установки продаются в специализированных магазинах. По своей сути такой коллектор является трубчатым радиатором, установленным в специальную коробку из древесины, одна из граней которой выполнена из стекла.

Для изготовления упомянутого радиатора используются трубы. Оптимальным материалом изготовления труб является сталь. Подводка и отводка делаются из труб, традиционно применяемых при устройстве водопровода. Обычно используются трубы на ¾ дюйма, также хорошо подойдут изделия на 1 дюйм.

Решетка делается из труб меньшего размера с более тонкими стенами. Рекомендованный диаметр составляет 16 мм, оптимальная толщина стенок — 1,5 мм. Каждая решетка радиатора должка включать в свой состав 5 труб длиной по 160 см каждая.

Солнечные коллекторы

Как собрать воздушный коллектор

Если же вы решились провести сборку гелиосистемы своими руками, для начала позаботьтесь обо всех необходимых инструментах.

Что потребуется в работе

1. Отвертка.

2. Разводной, трубный и торцевой ключи.

Комплект торцевых ключей

3. Сварка для пластиковых труб.

Сварка для пластиковых труб

4. Перфоратор.

Перфоратор

Технология сборки

Для сборки желательно обзавестись хотя бы одним помощником. Сам процесс можно разбить на несколько этапов.

Первый этап. Сначала соберите раму, желательно сразу в том месте, где она будет установлена. Оптимальный вариант – крыша, туда можно по отдельности передать все детали конструкции. Сама процедура монтажа рамы зависит от конкретной модели и прописывается в инструкции.

Второй этап. Прочно закрепите раму на крыше. Если крыша шиферная, то используйте брус обрешетки и толстые шурупы, если бетонная – то обычные анкера.

Обычно рамы рассчитаны на монтаж на ровные поверхности (максимум – под 20-градусным наклоном). Герметизируйте места крепления рамы к поверхности крыши, иначе они будут протекать.

Третий этап. Пожалуй, самый сложный, ведь вам предстоит поднять на крышу тяжелый и габаритный накопительный бак. Если нет возможности использовать спецтехнику, укутайте бак в плотную ткань (во избежание возможных повреждений) и поднимите его на тросе. Затем прикрепите бак к раме с помощью шурупов.

Четвертый этап. Далее вам предстоит смонтировать вспомогательные узлы. Сюда можно отнести:

• ТЭН;
• температурный датчик;
• автоматизированный воздуховод.

Каждую из деталей установите на специальную смягчающую прокладку (такие тоже идут в комплекте).

Пятый этап. Подведите водопровод. Для этого можете использовать трубы из любого материала, главное, чтобы он выдерживал температуру в 95°С тепла. Кроме того, трубы должны быть устойчивыми к низким температурам. С этой точки зрения больше всего подходит полипропилен.

Шестой этап. После подключения водопровода заполните накопительный бак водой и проверьте на герметичность. Посмотрите, не протекает ли трубопровод – оставьте на несколько часов наполненный бак, после чего внимательно все осмотрите и, в случае необходимости, устраните неисправность.

Седьмой этап. Убедившись, что герметичность всех соединений в норме, приступите к установке нагревательных элементов. Для этого оберните медную трубку листом алюминия и поместите в стеклянную вакуумную трубку. На нижнюю часть стеклянной колбы наденьте чашку-фиксатор и резиновый пыльник. Медный наконечник на другом конце трубки вставьте до упора в латунный конденсатор.

Осталось лишь защелкнуть чашку-фиксатор на кронштейне. Аналогичным образом установите остальные трубки.

Восьмой этап. Установите на конструкции монтажный блок и подведите к нему питание в 220 вольт. Затем подсоедините к этому блоку три вспомогательных узла (их вы установили на четвертом этапе работы). Несмотря на то, что монтажный блок влагозащищен, постарайтесь накрыть его козырьком или какой-либо другой защитой от атмосферных осадков. Затем подсоедините к блоку контроллер – он позволит мониторить и регулировать работу системы. Установите контроллер в любом удобном месте.

На этом монтаж вакуумного коллектора закончен. Внесите все необходимые параметры в контроллер и запустите систему.

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.

Вывод

Солнечный коллектор – изобретение современной науки, вызывающее множество любопытства и споров.

Об абсолютном переходе на подобные установки говорить рано. При этом разумные доводы в сторону использования такого метода генерации тепла, безусловно, присутствуют.

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

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