Принцип работы солнечного коллектора

Поэтому все более активно внедряются в эксплуатацию специальные устройства, позволяющие направлять солнечную энергию на решение практических задач. Одним из таких устройств является солнечный коллектор. Его можно эффективно использовать для целей отопления или получения горячей воды.

Чтобы правильно подобрать гелиосистему и максимально эффективно использовать ее возможности, нужно понимать принцип работы солнечного коллектора для отопления дома и горячего водоснабжения.

Что такое солнечный коллектор

Солнечный коллектор — это устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую для нагрева теплоносителя. Нагретая вода может применяться для отопления или для ГВС.

Устройство солнечного коллектора отличается сравнительной простотой. Его основным элементом является адсорбер — медная пластина, которая соединяется с трубопроводом для циркуляции воды в системе. Адсорбер покрывается специальным черным покрытием для максимально эффективного поглощения солнечных лучей. При нагреве медной пластины от солнца происходит нагревание и воды в трубе. После этого она подается в систему отопления или горячего водоснабжения.

Адсорбер для защиты от внешних воздействий покрывается закаленным стеклом. Качественные характеристики стекла оказывают большое влияние на эффективность солнечного коллектора для нагрева воды. Обычное стекло оказывается недостаточно прозрачным, что приводит к увеличению потерь энергии. Кроме того, эти потери растут также за счет его бликования, в результате которого часть солнечного света отражается. Чтобы повысить КПД гелиоколлектора, для его оснащения применяют специальное стекло, состав которого отличается уменьшенным содержанием железа, что делает его более прозрачным. Также используются антибликовые покрытия. В некоторых случаях вместо стекла может использоваться поликарбонат.

Для эффективной работы солнечного коллектора он выполняется в герметичном корпусе. Это дает возможность предотвратить попадание в пространство между стеклом и пластиной адсорбера влаги и пыли, рассеивающей солнечный свет. Также в это пространство может закачиваться инертный газ, что позволяет снизить переход тепла от медной пластины к стеклу.

Принцип действия гелиосистемы

Принцип работы солнечного коллектора для дома, коммерческого или офисного здания заключается в нагревании им воды для нужд отопления или ГВС. Циркуляция воды может быть естественной или принудительной.

При естественной вентиляции гелиоколлектор устанавливается ниже уровня буферного бака. Часто его устанавливают непосредственно на грунте. Такая система отличается малой производительностью, что не позволяет его использовать для нужд капитальных зданий. Обычно коллекторы с естественной циркуляцией применяют для обслуживания временных сооружений.

Наиболее распространены гелиосистемы с принудительной циркуляцией, в состав которых входят следующие виды оборудования:

• солнечный коллектор, который преобразует энергию солнечного излучения в тепло;
• система трубопровода, соединяющая гелиоколлектор с теплообменником;
• циркуляционный насос, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе;
• контроллер, обеспечивающий автоматическое управление работой оборудования.

Принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды предусматривает, что передача тепловой энергии от нагретого теплоносителя контуру ГВС или отопления осуществляется в теплообменнике. Его зачастую дополнительно оборудуют ТЭНом для подогрева теплоносителя в периоды, когда солнечной энергии недостаточно для достижения требуемой температуры.

Учитывая, как работает солнечный коллектор, особые требования предъявляются к параметрам теплоносителя. Это должна быть нетоксичная жидкость с высокой морозостойкостью, не испаряющаяся при высоких температурах. Обычно для этой цели используют водогликолевые растворы (40%).

Автоматика обеспечивает управление циркуляционным насосом и при необходимости включает дополнительный ТЭН. Это позволяет поддерживать требуемый нагрев теплоносителя для поддержания заданной температуры горячей воды или температуры внутри помещений.

Виды солнечных коллекторов

В зависимости от устройства и принципа работы солнечных коллекторов различают три основных вида этого оборудования:

• плоские гелиоколлекторы;
• трубчатые (вакуумные) гелиоколлекторы;
• коллекторы-концентраторы.

В российских условиях наиболее широкое применение получили плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов, помещенных в алюминиевый корпус:

• медная пластина адсорбера на всю площадь корпуса;
• защитное стекло или поликарбонат;
• змеевик из медных трубок, расположенный под адсорбером.

Работает солнечный коллектор для нагрева воды этого типа очень просто. Адсорбер нагревается от солнца и отдает тепловую энергию змеевику, по которому циркулирует теплоноситель.

Благодаря простой конструкции плоский коллектор стоит относительно недорого и не требует сложного обслуживания. Однако его недостатком является достаточно высокий уровень тепловых потерь. Для их снижения применяется теплоизоляция задней поверхности. Для этой цели чаще всего используется минеральная вата или другие эффективные утеплители. Однако полностью решить проблему не удается. Наиболее высокие потери тепла наблюдаются при значительной разнице температуры внутри корпуса и снаружи. Это делает плоские коллекторы малоэффективными в холодное время года.

Принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Трубчатый (вакуумный) солнечный коллектор отличается более сложным устройством. Он выполняется в виде панели, состоящей из множества небольших стеклянных трубок. Внутри каждой стеклянной трубки располагается пластина адсорбера, поглощающая солнечное излучение, к которой подведена медная труба с теплоносителем. Из каждой стеклянной трубки откачивается воздух. Благодаря вакуумированию сохраняется до 97% тепловой энергии.

За счет более сложного устройства вакуумный солнечный коллектор стоит дороже. В процессе эксплуатации приходится чаще выполнять очистку сегментов панели от загрязнений и снега зимой. Однако при этом оборудование эффективно работает в северных широтах. Вакуумный коллектор поддерживает достаточно высокий уровень КПД даже при температуре воздуха ниже -37 °C и в условиях недостаточной освещенности (при условии правильной установки под определенным углом).

Особенности применения солнечных коллекторов

Учитывая, как работает солнечный коллектор для нагрева воды, максимальная эффективность оборудования достигается при условии интенсивного солнечного излучения. Лучше всего гелиоколлекторы работают в южных широтах. Однако и в средней полосе они демонстрируют высокую эффективность. Их применение позволяет экономить до 60% энергии на отопление и горячее водоснабжение объектов. При благоприятных же погодных условиях солнечные коллекторы обеспечивают работу системы отопления и ГВС в автономном режиме.

Плоские солнечные коллекторы демонстрируют высокую эффективность в теплое время года. С наступлением осенних холодов их эффективность уменьшается, а зимой — снижается кардинально. Однако при этом они значительно дешевле вакуумных моделей и являются намного более простыми в обслуживании. Поэтому гелиоколлекторы плоского типа оптимально подходят для объектов, на которых необходимость в получении горячей воды существует в течение теплого сезона. В том числе их применяют на дачах, на туристических объектах, используют для подогрева воды в открытых бассейнах и т.д.

Трубчатые вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. В зимний период их эффективность снижается намного меньше, что дает возможность применять их в качестве источников тепловой энергии для отопления помещений.

Важным условием для высокой эффективности солнечного коллектора является его правильная установка. Располагать оборудование необходимо таким образом, чтобы на него не падала тень от соседних строений, деревьев и других объектов. Кроме того, панель должна быть ориентирована лицевой поверхностью в сторону юга. Если это невозможно реализовать технически, то нужно задать максимально приближенное к югу направление.

Таким образом, при условии правильного выбора и установки гелиоколлектора он поможет с максимальной эффективностью использовать солнечную энергию и сократить затраты на отопление и горячее водоснабжение.

Как работает солнечный коллектор

Счета за горячую воду и отопление в России становятся все внушительнее. Это заставляет жителей страны все чаще искать альтернативные источники энергии, и первое, на что падает их выбор — гелиосистемы. Оборудование может эксплуатироваться как сезонно, так и на протяжении всего года. Чтобы подобрать гелиосистему, нужно понимать, как работает солнечный коллектор для нагрева воды и теплоснабжения, и поможет ли технология сэкономить.

Виды и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Гглавный принцип действия солнечных коллекторов заключен в концентрации света на адсорбере, превращении его в тепло и передаче смеси воды и незамерзающей жидкости, служащей носителем.

На вид это широкая плоская конструкция, состоящая из накопителя (адсорбера) и змеевика, расположенного под ним. Для защиты адсорбера используют ударопрочное стекло или прозрачный поликарбонат.

За световой день гелиосистема накапливает энергию Солнца, которая нагревает жидкость, запуская процесс естественной циркуляции. В более дорогих системах разгонять теплоноситель помогает насос.

Эффективность работы установки зависит от количества солнечного света, угла попадания лучей на накопитель, длины светового дня, степени прозрачности защитного покрытия.

Существует ряд разновидностей гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды и отопления.

Плоские высокоселективные

Самым популярным типом бытовых гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды, считаются плоские высокоселективные гелиосистемы. Они состоят из листа меди, покрытого слоем темной краски, приваренной к нему системы труб и прозрачного защитного корпуса, в качестве которого применяют антибликовый стеклянный лист. Минус плоских систем — ощутимые теплопотери. Повысить КПД позволяет герметичность корпуса, исключающая попадание внутрь влаги и пыли, и применение стекла с повышенным уровнем прозрачности.

В солнечные месяцы при ярком и рассеянном свете плоские гелиоколлекторы неплохо выполняют свою задачу, не допуская существенного снижения температуры воды в нагревателе даже ночью. С укорачиванием светового дня высокоселективные системы становятся малоэффективными.

Принцип действия солнечных коллекторов этого вида следующий.

1. Солнечные лучи попадают на накопитель.
2. Металл аккумулирует тепло и проводит к трубкам, располагающимся под абсорбером.
3. Температура жидкости в змеевике растет, вода поднимается.
4. Теплая вода попадает в накопительный бак.
5. Остывшая жидкость опускается вниз.

Подогрев продолжается все время, пока адсорбер отдает тепло, а ускорить теплообмен можно с помощью помпы.

Вакуумные трубчатые

Вакуумные гелиосистемы — это панели, в которых находятся тонкие стеклянные колбы. Каждая колба изготовлена из двух слоев стекла, между которыми образуется безвоздушное пространство. Внутри поверхность трубки покрыта слоем вещества, аккумулирующим световую энергию. В центре колбы — медный патрубок с носителем тепла, соединенный со змеевиком.

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов следующий:

1. Накопительный слой внутри трубки поглощает солнечную радиацию.
2. Выработанное тепло передается патрубку, в котором заключен теплоноситель.
3. При достижении необходимой температуры содержимое патрубка испаряется и поднимается вверх, где передает тепловую энергию жидкости, циркулирующей по системе с помощью насоса.
4. Теплоноситель конденсируется и возвращается вниз колбы, где процесс начинается снова.

Вакуум, заключенный в стеклянной колбе, дает высокую степень теплоизоляции, гарантирующую эффективную работу системы даже при низком температурном режиме.

Данный принцип работы солнечного коллектора для отопления дома обеспечивает эффективность работы системы как весной и летом, так и на протяжении года. Благодаря универсальности технология может применяться практически повсеместно:

• в частных домах;
• производственных зданиях;
• офисах
• больницах;
• санаториях;
• отелях;
• спортивных комплексах;
• для подогрева воды в бассейне и т. д.

Для теплого периода устанавливают прямоточные вакуумные гелиоустановки. Принцип действия солнечных коллекторов прямоточного типа состоит в циркуляции жидкости в системе под давлением насоса или естественным образом. Современные модели оснащены автоматикой, которая после нагрева воды в баке переключается на систему отопления.

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов, предлагаемых для всесезонного отопления, идентичен действию классической отопительной системы закрытого цикла. В змеевик, расположенный под поглотителем, помещена незамерзающая жидкость, которая при нагреве двигается к накопительной емкости. Установка оснащена насосом, температурными датчиками и расширительным баком, предохраняющим систему от повышения давления в случае, если горячая вода не используется.

Благодаря этой цепочке достойно работает солнечный коллектор и зимой, позволяя владельцам существенно сократить расходы на отопление.

Концентрационные

Концентрационные гелиосистемы наиболее дорогие. Они предназначены для обогрева больших площадей, цехов на крупных предприятиях. Эффективность концентрационных гелиосистем обусловлена способом их действия — максимальным поглощением солнечной радиации и трансформацией ее в тепло.

Для достижения наибольшей продуктивности в систему вводятся концентраты, содержащие параболацилиндрические отражатели. Элементы размещаются под аккумулирующей пластиной, концентрируют в себе солнечный цвет и многократно отражают энергию на поглотитель. Технология направлена на увеличение эксплуатационной температуры оборудования до +120°С…+250°С.

Воздушные

Воздушные гелиосистемы — самые простые из солнечных коллекторов, которые эксплуатируются с целью:

• дополнительного обогрева воздуха в комнате;
• вентиляции — воздушные гелиосистемы активно применяют фермеры, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха на складах с урожаем;
• просушивания помещения — оборудование устанавливают в банях и крытых бассейнах.

На вид это плоская конструкция, состоящая из алюминиевой рамы, с темным листом поглотителя внутри. Под накопителем оборудована система воздуховодов, сверху — прозрачное стекло. Дополнительно система утеплена стекловатой. Принцип действия воздушных солнечных коллекторов состоит в нагреве поглощающей пластины и подаче теплого воздуха в помещение.

Воздушные коллекторы подразделяются на системы с естественной и принудительной циркуляцией. В последнем варианте в конструкцию монтируется вентилятор.

Принцип работы солнечного коллектора

Хоть принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды и обогрева дома для всех типов гелиоустановок одинаков (Солнце греет адсорбер, который передает энергию носителю), при покупке системы следует учесть характеристики оборудования.

Высокоселективные коллекторы отличаются невысокой ценой и простотой эксплуатации. Летом они помогают сэкономить до 50% расходов на ГВС в Центральных регионах и в областях Средней полосы России.

Для северных областей плоские системы будут малоэффективны в связи с тем, что среднегодовой уровень инсоляции там ниже, как и температура воздуха. Поэтому на севере применяют вакуумные коллекторы, работающие с минимальной потерей тепла. Но чем короче световой день, тем ниже продуктивность системы. Также на КПД оборудования влияют погодные условия региона, угол наклона и место, где установлен коллектор, площадь отапливаемого помещения.

Как работает солнечный коллектор зимой

Одна из причин, по которой жители России с опаской относятся к гелиосистемам — уверенность в том, что гелиоколлектор зимой работать не может. Но вакуумные системы справляются со своей задачей. Они способны аккумулировать рассеянную солнечную радиацию даже в пасмурную погоду, не теряют тепловую энергию и отличаются приличным КПД.

Владельцы плоских гелиосистем описывают ряд проблем, с которыми им пришлось столкнуться в холодное время года.

• Пластину часто засыпает снегом, особенно в безветренную погоду.
• Имеют место большие теплопотери из-за низкой температуры.
• Физическое повреждение градом.

Неудобства исчезают, когда речь заходит о вакуумном коллекторе.

• Снег на нем задерживается редко, только при сильном обледенении.
• Безвоздушное пространство позволяет сохранить 95% энергии.
• Многократные тесты на ударопрочность подтвердили, что вакуумная трубка устойчива даже к граду, диаметр которого составляет 35 мм, а скорость падения около 18 м/с.

Единственное, что нужно учитывать, — накопительный бак необходимо размещать в теплом помещении либо оборудовать дополнительной теплоизоляцией.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Выбирая место для монтажа гелиосистемы, необходимо подобрать точку, наиболее освещаемую солнцем. Идеально, если это южная сторона дома. Но если такой возможности нет, для установки подойдет место, куда в течение дня не будет попадать тень от деревьев, домов по соседству, рекламных щитов и т. д.

Гелиоколлекторы, эксплуатируемые для промышленных целей, могут располагаться в открытом поле, но при условии, что на них не будет попадать грязь, налипать снег и падать тень.

Важный фактор, который должен быть учтен при подборе места для конструкции — угол наклона, зависящий от широты местности, сезона использования, ориентации коллектора относительно южной стороны.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Мощность гелиосистемы, которая необходима в том или ином случае, зависит от:

• региона, в котором эксплуатируется оборудование;
• нужд владельца — ГВС, отопление или то и другое;
• роли коллектора — основное это оборудование или дополнительное;
• места установки и уровня наклона конструкции;
• площади помещения;
• сезона эксплуатации.

Определить нужную мощность позволяет формула:

Pv = sin A x Pmax x S

Где Pmax — среднегодовой показатель инсоляции на 1 м 2 , определенный для конкретного региона;

S — поглощающая площадь оборудования, указанная производителем;

A — уровень наклона плоскости панели по отношению к югу.

При выборе модели нужно ориентироваться на степень мощности оборудования в самое продуктивное время года — летом. Брать систему «с запасом» не стоит — излишняя выработка тепловой энергии может стать губительной для гелиосистемы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

При возникновении ряда обстоятельств солнечный коллектор может перегреться. Это явление называется стагнацией. Обычно такая ситуация возникает, когда владельцы резко сокращают потребление горячей воды, что приводит к избытку тепловой энергии, повреждающей систему.

Решить вопрос со стагнацией можно несколькими способами.

• Установить дополнительный резервуар для горячей воды.
• Использовать излишки для подогрева бассейна.
• Сбросить нагревшуюся воду небольшими порциями в грунт.
• Закрыть накопитель от лучей. Для этого заранее монтируются автоматические роллеты.

Еще одна распространенная причина перегрева гелиоколлектора — внезапное отключение электричества в солнечный день. Насос отключается, циркуляция останавливается, тепловая энергия накапливается. Проблему решает установка бесперебойного источника питания.

Выгодно ли использовать солнечный коллектор

Нельзя сказать однозначно — выгодно ли использовать солнечный коллектор. Все зависит от климатических особенностей региона, количества солнечной радиации, типа устройства. На юге, где среднетемпературная норма выше, нежели в других областях страны, плоская гелиосистема способна полностью обеспечить потребности в ГВС, а вакуумная покроет 50 % затрат на отопление.

• возможность сэкономить на расходах на газ и электричество;
• легкость монтажа;
• долгий срок службы (от 15 лет).

• зависимость от количества солнца;
• вероятность повреждения системы от перегрева.

Гелиоколлектор стоит дорого, а период окупаемости в ряде регионов может быть долгим.

Цена бытовой гелиосистемы

Цена солнечных коллекторов зависит от типа оборудования, а также его производителя. Самые недорогие — плоские нагреватели. Стоимость коллектора, необходимого для нагрева бассейна или душа в летние месяцы, начинается от 50000 рублей.

Вакуумные гелиосистемы дороже — коллектор с баком на 100 литров можно купить, начиная от 70000 рублей. На стоимость влияет и установка дополнительного оборудования — расширительного бака, автоматики, сливающей жидкость в случае перегрева, насоса.

Максимально повысить эффективность работы концентрационного коллектора помогает устройство, предназначенное для слежения за солнечной активностью. Правда, это еще больше повышает стоимость системы, но когда дело касается огромных энергетических затрат, такое вложение оправдано.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Жители Европы давно пришли к выводу, что использовать гелиосистемы — это выгодно, комфортно и экологично. Абсолютный лидер в области европейского прогресса — Германия, за ней идет Греция, в Австрии 15% частных домов оборудованы коллекторами для ГВС. В Европе солнечные коллекторы работают везде — в частных домах, школах, детсадах, больницах, на фермах. В Португалии, Израиле и Испании установка солнечных коллекторов, нагревающих воду, обязательна при строительстве новых домов.

Площади, которые занимают гелиосистемы в странах Европы, Америке, Японии, Китае, — миллионы квадратных км, тогда как в России эта цифра составляет 30000 км 2 . Причин несколько — плохая осведомленность людей и низкий уровень достатка.

Сегодня наряду с немецкими, австрийскими и швейцарскими производителями на рынок стран СНГ выходят российские машиностроительные заводы, а также белорусские и украинские производители, которые продают гелиоустановки по ценам ниже зарубежных аналогов.