Принцип работы солнечного коллектора, как выбрать для дома

Наша компания предлагает купить водонагреватели, сплит-системы и солнечные коллекторы для нагрева воды и автономных систем теплоснабжения по выгодной стоимости. В каталоге фирмы представлен большой ассортимент оборудования для отопления и ГВС различной мощности производства России, Китая и Австрии. Все солнечные коллекторы и водонагреватели проточного и накопительного типа (бойлеры) имеют гарантию качества.

Исследованиями установлено, что ясным днем за 1 час 1 м2 поверхности Земли получает около 1000 ватт энергии от солнца. Эти данные усредненные и зависят от широты местности и времени года. Современные солнечные коллекторы позволяют частично улавливать эту энергию и использовать ее для нужд дома, офиса, бизнеса. При этом потребность в использовании топлива отсутствует.

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор в целом

. Все система состоит из следующих элементов:

• сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
• контроллер управления (включая датчики),
• насосная группа,
• накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
• монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Исследование образцов

Давайте ближе познакомимся с несколькими образцами коллекторов обоих типов.

ЯSolar

Плоский коллектор российского производства ЯSolar.

СОКОЛ-ЭФФЕКТ-А

Солнечный коллектор Сокол-Эффект-А.

KAIROS VT 15B ARISTON

Вакуумный итальянский коллектор KAIROS VT 15B ARISTON.

Абсорбер, самая важная часть системы

Часть солнечного коллектора, которая принимает, аккумулирует и передает тепло теплоносителю называется абсорбером. Именно от этого элемента зависит КПД всей системы.

Изготавливают этот элемент из меди, алюминия или стекла, с последующим покрытием. Как раз от покрытия больше зависит эффективность работы абсорбера, чем от материала, из которого он изготовлен. Ниже, на фото, вы можете посмотреть какие покрытия бывают и как эффективно они могут поглощать тепло.

В описании системы указано максимально возможное поглощение солнечной энергии попадающей на абсорбер. «α» — это максимально возможный процент поглощения. «ε» — это процент отражающегося тепла.

По типу строения

Абсорберы отличаются и по типу устройства, сейчас их всего два вида:

Перьевые

— устроены следующим образом. Пластины соединяют между собой трубки с теплоносителем. Сами трубки могут быть соединены между собой в одну систему несколькими способами. Это простой тип абсорбера, который можно сделать своими руками.

Цилиндрические

— в этом случае покрытие наносится на стеклянную поверхность колбы и применяется в вакуумных коллекторах. Благодаря этому устройству тепла концентрируется больше как раз в центре трубки где расположен тепло съемник, или стержень. Работает эта система с более высоким КПД, нежели перьевая.

Принцип действия

Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.

Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Вакуумные

Эти системы работают немного по другому, это обусловлено их конструкцией. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка играет защитную роль. Они изготовлена из высокопрочного стекла. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло.

Плюсы и минусы

Как у любого технического устройства, так и у солнечного коллектора, есть свои плюсы и минусы, как по возможности использования и эксплуатации, так и по иным параметрам и показателям. В зависимости от конструкции устройства, плюсы и минусы, разнятся, поэтому необходимо их рассмотреть в отдельности друг от друга.

Плоские солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

1. При использовании в южных регионах с теплым климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
2. При осадках в виде снега, имеют способность к самоочищению;
3. Обладают высоким КПД, при использовании в летний период;
4. Относительно низкая стоимость, в сравнении с аналогами другой конструкции.

Недостатками являются:

1. Значительные тепловые потери, вызванные конструктивными особенностями устройства;
2. Низкий КПД при работе в осенне-весенний период;
3. Сложность транспортировки и монтажа готовых изделий;
4. Высокая парусность конструкции, создает опасность повреждения ее элементов, в процессе эксплуатации;
5. Сложность и трудозатратность выполнения ремонтных работ.

Вакуумные солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

1. При использовании в регионах с холодным и умеренным климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
2. Незначительные тепловые потери, в процессе эксплуатации, в сравнении с аналогами другой конструкции;
3. Способность работать при низких и отрицательных температурах окружающего воздуха;
4. Способность работать при низкой солнечной активности в утренние и вечерние часы, а также при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода);
5. Легкий и удобный монтаж, транспортабельность конструкций;
6. Надежность в процессе эксплуатации.

Недостатками являются:

1. Относительно высокая стоимость;
2. Жесткие требования к монтажу, определяющие расположение коллектора в пространстве по отношению к поверхности земли.

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

• Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
• Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
• Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет. Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Теплоносители для гелиосистем

Основным теплоносителем для систем теплоснабжения является вода. Однако ее применение в гелиосистемах ограничено температурой кристаллизации, составляющей 0оС, а значит применение воды в роли теплоносителя ограничивается климатическими зонами, где не бывает отрицательных температур. Кроме того, содержащиеся в воде соли засоряют поверхности нагрева накипью, а коррозионный агент – кислород – повреждает металлические части систем теплоснабжения и способствует разложению теплоносителя на составляющие элементы. Поэтому для гелиосистем был разработан вид теплоносителя, лишенный вышеперечисленных недостатков.

Основой такого теплоносителя является пропиленгликоль, смешанный с водой, прошедшей водоподготовку в виде деминерализации.

Кроме того, для уменьшения коррозирующего и разлагающего воздействия кислорода, в теплоноситель добавляют антиокислительные присадки, образование пузырьков газа в жидкости уменьшается добавлением пеногасителей, а стабилизаторы, добавленные в теплоноситель, помогают сохранять раствор химически однородным. Как правило, теплоносители для гелиосистем продаются уже в готовом виде. Концентрация пропиленгликогеля в них составляет от 40% и выше, что соответствует температуре кристаллизации от -30оС и ниже. Показатель кислотно-щелочного баланса (рН) для готового теплоносителя поддерживается в щелочной зоне (≥ 7,0) для уменьшения коррозирующего действия.

При эксплуатации теплоносителей гелиосистем не следует смешивать теплоносители от разных производителей, так как разные как по количественным, так и по качественным свойствам составы могут вступить в химическую реакцию, приведя гелиосистему в негодность.

Солнечная энергетика в условиях современного энергетического и экономического кризиса является одним из перспективнейших направлений технологий, направленных на сохранение невосполнимых ресурсов нашей планеты.

Как установить солнечный коллектор

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

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

Подробное видео установки

Посмотреть все строительные мифы

Температурное деление оборудования нагрева воды

Потребителю предлагается уйма различных вариантов устройств, но основное их различие состоит в величинах достигаемых ими температур. По такому принципу они делаться на коллекторы трех основных типов:

• Первый – низких температур (они дают невысокие температуры до 50 градусов Цельсия) основной расчет применения – подогрев бассейна или другие варианты, когда воду нет нужды греть очень сильно.
• Далее идут коллекторы средних температур (они поднимают температуру от 50 до 80 градусов) основной расчет применения – для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

Коллекторы средних температур применяются для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

• Третий вид коллекторы высоких температур (применяют в промышленности для генерации электричества с последующим распространением в центральную электрическую сеть).

Немного из использование систем на практике

Решил добавить этот раздел так как появились данные реального использования. Мой хороший знакомый установил ее 3 года назад (Украина, Киевская область).

Используется гелиосистема для отопления дома 100 кв м и горячей воды на 6 человек. Расходы на газ составляли для отопления и горячей воды 33 400 грн

в год. Было принято решение приобрести солнечный коллектор.

В комплекте собраны 6 плоских коллекторов и накопительный бак на 1000 литров. Результат:

• — 100%
  в течение 6 «теплых» месяцев по нагрузке на ГВС (температура 55 градусов),
• — 50%
  в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на ГВС,
• — 25%
  в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на отопление в поддерживающем режиме.

Итоговая сумма экономии за год составила 11 300 грн

(в пересчете на рубли сумму нужно умножить на 2.2).

Вся система стояла 94000 грн

. При такой стоимости газа она окупится за 8.4 года. Производители дают гарантию 15 лет, так что 7 лет минимум будет идти чистая прибыль.

Эффективность системы можно было значительно увеличить, купив вакуумные модели. Также, низкотемпературные системы отопления, такие как теплые полы, которые работают на температуре 30-40 градусов, будут более производительные.

Советы по монтажу

Несколько рекомендаций помогут увеличить производительность коллектора отопления:

1. Ящик с радиатором лучше установить не жестко, а с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси. Это даст возможность в течение всего сезона располагать его под прямым углом к направлению солнечных лучей. В этом случае обвязку выполняют гибкой подводкой.
2. Для стравливания воздуха в нижнюю часть контура следует врезать вентили.
3. Трубы с горячей водой необходимо утеплить.
4. В ночное время доступ воды в бак во избежание теплопотерь следует перекрывать.

Не забудьте на вводе в аванкамеру (перед поплавковым краном) установить вентиль. При наступлении холодов его необходимо будет перекрыть, а систему – сдренировать.

Видео описание

Видео-пример прикладного использования солнечного коллектора для дачного дома:

• На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
• При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
• Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
• Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.

Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелео-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.

Эффективность тепловых насосов

Многие насосы не только используются для получения тепла, но и работают в обратном режиме, охлаждая помещение в жаркий день, правда, для этого требуется дополнительное оборудование. Для определения эффективности прибегнем к сравнению с традиционными системами, т.е. тепловыми котлами и холодильными установками. Коэффициент трансформации показывает, какую тепловую мощность насос производит на один затраченный киловатт электроэнергии, и зависит от нескольких параметров. Чем меньше разность температур в первичном контуре и между ним и нагреваемой жидкостью, тем он выше. Обычно низкотемпературный теплоноситель в контуре теплового насоса уменьшает свою температуру на 3—5 °С. Отбирать больше тепла невыгодно, дешевле увеличить прокачиваемый объем теплоносителя.

Тепловой насос Vaillant geoTherm типа «вода-вода»

Высокотемпературный теплоноситель способен максимально нагреваться до 50—60 °С, а во многих случаях достаточно и 35 °С. Коэффициент трансформации записывается в форме: B0/W50 или, к примеру, A35/W20. Цифры означают расчетную температуру в первичном и отопительном контурах, буквы — тип теплоносителя (от английских слов «brine», «water» и «atmosphere» — «рассол», «вода» и «воздух»). Таким образом, в первом случае перед нами тепловой насос типа «рассол-вода», работающий на отопление, а во втором — «воздух-вода», включенный в режим охлаждения. Средний коэффициент трансформации для насосов типа «воздух-вода» составляет 2,5—3,5 (A2/W35), «вода-вода» — 5—6 (W10/W35), «рассол-вода» — 4—5 (BO/W35). При дальнейшем увеличении температуры на каждый градус коэффициент уменьшается примерно на 2,5 %.

Тепловой насос Stiebel Eltron в котельной дома

Разновидности

Современные солнечные коллекторы бывают водяными и воздушными. У первых в качестве теплоносителя используется вода, антифриз или иная жидкость с подходящими свойства. Циркулируя по внутренним трубкам, она передает тепло в теплообменник системы отопления. Внутри воздушной модификации аналогичным образом нагревается поток воздуха, который затем поступает на нужды обогрева.

Схематическое устройство плоского солнечного коллектора Источник tildacdn.com