Солнечный коллектор для отопления дома

Пост опубликован: 19 июля, 2017

Солнечный коллектор – это техническое устройство, служащее для преобразования солнечной энергии в тепловую. По типу теплоносителя, солнечные коллекторы подразделяются на воздушные и жидкостные, в которых теплоносителем служит вода или иное жидкое вещество (антифриз, этиленгликоль и подобные). По конструкции, данные устройства, бывают плоские и вакуумные.

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.

Схематично, принцип работы различных видов устройств, можно отразить следующим образом:

1. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование жидкого теплоносителя:
2. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование воздуха:
3. Вакуумный солнечный коллектор, с жидким теплоносителем:

В соответствии с конструкцией, видом теплоносителя и способу его использования и передачи тепла, солнечные коллекторы бывают:

По типу конструкции:

• Плоские – представляют из себя конструкцию в виде прямоугольника (коробки), выполняемую из прочного материала и служащую корпусом устройства. Во внутренне пространство корпуса укладывается изоляция, по поверхности которой монтируется абсорбирующая (поглощающая тепло) пластина. В специальные углубления абсорбера, укладываются трубки (как правили изготовленные из меди), в которые, в дальнейшем, подается теплоноситель. С наружной стороны корпус закрывается поглощающей оболочкой и защитным стеклом.
• Вакуумные – в устройстве данного типа, определенное количество вакуумных трубок, объединены в общем корпусе коллектора. В корпусе устроен теплообменник, в котором теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре вакуумных трубок, передает полученную энергию, теплоносителю наружного контура.

По типу теплоносителя:

По способу использования теплоносителя:

• Пассивные – солнечный коллектор используется в паре с баком накопителем, и служит для горячего водоснабжения, без устройства дополнительных инженерных элементов сети (циркуляционный насос, элементы защиты и т. д.).
• Активные – система, кроме монтажа коллектора, комплектуется техническими устройствами (насос, защитные клапана, бак накопитель, дополнительные элементы нагрева теплоносителя), и может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещений.

По способу передачи тепла:

• Косвенного действия, когда в системе отопления (горячего водоснабжения), присутствует бак-аккумулятор (накопитель), в котором происходит передача тепловой энергии, полученной, наружным контуром, от солнечных лучей, и передаваемой внутреннему контуру, циркулирующему в системах ГВС и отопления.
• Прямого действия, прямоточные – данный способ используется в системах ГВС, при этом циркуляция воды, в контуре коллектора, осуществляется под воздействием разности температур и путем установки дополнительных элементов (кранов, клапанов и т. д.).

Как работает зимой?

В системах отопления, как правило, используются вакуумные коллекторы, это определяется их техническими характеристиками и условиями эксплуатации.

Основной элемент вакуумного солнечного коллектора – это вакуумная трубка, которая состоит из:

• Изоляционной трубки, выполненной из стекла или иного материала, пропускающего солнечные лучи с минимальными потерями их мощности;
• Медной, тепловой трубки, помещенной во внутреннее пространство изоляционной трубки;
• Алюминиевой фольги и поглощающего слоя, расположенных между трубками;
• Крышкой изоляционной трубки, являющейся уплотнительной прокладкой, обеспечивающей вакуум во внутреннем пространстве устройства.

Работа системы осуществляется следующим образом:

1. Под воздействием солнечной энергии, теплоноситель контура трубки, испаряется и поднимается вверх, где в теплообменнике коллектора конденсируется, передает свое тепло теплоносителю наружного контура, после чего стекает вниз, и процесс повторяется.
2. Теплоноситель наружного контура, из теплообменника солнечного коллектора, подается на бак-аккумулятор, где происходит передача полученной тепловой энергии теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения.
3. Циркуляция теплоносителя наружного контура осуществляется путем установки циркуляционного насоса и систем автоматики, обеспечивающей работу системы в автоматическом режиме.
4. В комплекс системы автоматики входит контроллер, датчики и элементы управления, обеспечивающие установленные параметры работы системы (температура, расход жидкости в системе ГВС и т. д.)

Для того, чтобы данная система была эффективна и справлялась с выполнением поставленных задач, в том числе и в зимний период, системой предусматривается установка дублирующих источников энергии. Это может быть дополнительная система нагрева, с использованием теплоносителя, как на приведенной схеме, когда теплоноситель дополнительного контура нагревается путем использования различных видов топлива (газ, биотопливо, электричество). Также, с подобную задачу можно выполнить путем установки электрических ТЭНов, непосредственно в бак-аккумулятор. Работу дублирующих источников энергии контролирует система автоматики, включая в работу данные устройства, по мере необходимости.

Выгодно ли это

Определить, выгодно ли использовать солнечные коллекторы, каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей.
Регион проживания – это важный критерий, при определении эффективности использования устройств, служащих для преобразования энергии солнца в другие виды энергии. Солнечная активность (продолжительность солнечного сияния), в разных регионах нашей страны разная, что видно на приведенной ниже схеме.
Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.

При необходимости создать абсолютно автономную систему, от внешних, традиционных поставщиков тепловой энергии, следует помнить, что, установив только коллектор, создать подобную систему не получится, т. к. для создания циркуляции теплоносителя, работы системы автоматики, необходима электрическая энергия. Поэтому, для полной автономии, необходимо проработать вопрос по независимому электроснабжению подключаемого объекта. Следовательно, для того, чтобы сделать абсолютно независимую систему, потребуются дополнительные финансовые затраты, что увеличит срок окупаемости оборудования.

Как сделать своими руками

Наиболее простой, но тем не менее эффективный вариант, это плоский солнечный коллектор, в котором в качестве теплоносителя используется вода.
Из имеющихся под рукой материалов, изготавливается корпус устройства. Это может быть дерево, профильный черный или цветной металл. Размеры каркаса определяются местом установки солнечного коллектора, его назначением и наличием требуемых материалов.

Во внутреннее пространство корпуса укладывается утеплитель, поверх которого укладывается медная трубка. Для создания большей поглощающей площади, трубку укладывают в форме змеевика. Чтобы увеличить КПД устройства, под трубку можно положить слой фольги (на схеме не показано), это позволит снизить тепловые потери в нижнюю сторону устройства и увеличит температуру во внутреннем пространстве корпуса.

С наружной стороны корпус закрывается защитным стеклом, щели герметизируются. В местах ввода и выхода труб, монтируются патрубки холодной и горячей воды.
Изготовленной таким образом устройство, можно использовать для горячего водоснабжения летнего душа и подогрева воды в бассейне, для этого патрубки коллектора подключаются к выбранным системам, после чего устройство готово к работе.

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.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор – это изделие, предназначенное для нагрева воды под действием солнечных лучей. Иными словами, он превращает энергию солнца в тепловую энергию жидкого теплоносителя, причем нагрев может достигать весьма значительных температур. Именно поэтому плоские коллекторы используются в системах ГВС и отопления, особенно – частных домов.

Немалую роль играет и невысокая стоимость таких коллекторов. Расценки на них начинаются от 12 тыс. рублей и зависят от площади изделия, производительности, фирмы-изготовителя и некоторых конструктивных особенностей (например, типа покрытия лицевого стекла или нюансов устройства абсорбера).

Устройство и работа

Основа такого коллектора – абсорбер, в котором и происходит нагрев теплоносителя (в бытовых моделях используется вода, в заводских может применяться жидкость со свойствами антифриза).

Абсорбер представляет собой тонколистовую металлическую пластину (обязательно – черного цвета для лучшего лучевого поглощения), к которой снизу плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка малого сечения. По этой трубке и циркулирует вода, нагреваясь в ходе прохождения под пластиной металла. Размещается абсорбер внутри корпуса (деревянного или металлического), причем стенки и дно его в обязательном порядке теплоизолируются.

Это делается для предотвращения теплопотерь, которые неминуемо возникнут, если абсорбер будет контактировать с корпусом. Лицевая часть корпуса закрывается закаленным стеклом с особыми оптическими свойствами (в самодельных моделях можно использовать оргстекло).

Разогретая вода поднимается из коллектора и поступает в накопительный бак, холодная вода из бака подается в коллектор. Из этого накопителя вода расходуется на бытовые нужды, доливаясь холодной по мере надобности. Причем возможны два варианта устройства: вода-теплоноситель поступает непосредственно в бак, смешиваясь с холодной (одноконтурная система) или же она проходит сквозь жидкость в баке по тонкой трубке, прогревая его объем, как кипятильник. По мере прохождения теплоноситель остывает и возвращается в коллектор, не смешиваясь с водой в баке (двухконтурная система).

Особенности плоских коллекторов

Среди преимуществ таких устройств выделяются:

• Простота конструкции;
• Малая стоимость;
• Высокая степень надежности;
• Высокая производительность (особенно – летом);
• Возможность сэкономить до 70% затрат на подогрев воды;
• Идеальное соотношение цены/качества для теплого климата и южных широт;
• Возможность самостоятельного изготовления;
• Способность самоочистки от снега и опавших листьев (за счет гладкой поверхности);
• Длительный эксплуатационный период.

Однако при низких температурах (зимой, в межсезонье) производительность таких коллекторов ощутимо падает, что связано с резко возрастающими тепловыми потерями. Кроме того, эти изделия обладают достаточно высокой парусностью (из-за большой площади), это обязательно надо учесть при установке, иначе коллектор может быть сорван сильным порывом ветра. Также при установке на крыше можно столкнуться с целым рядом сложностей, поскольку панель надо поднимать целиком. При этом она должна быть ориентирована строго на юг, иначе ее производительность будет меньше задуманной.

Эксплуатация

При эксплуатации плоских коллекторов надо учитывать несколько факторов. Во-первых, их поверхность ни в коем случае не должна затеняться (деревьями или другими домам), это приведет к критичному падению производительности. Во-вторых, после сильных осадков (например, с градом) или ветра надо осматривать лицевое стекло. Дело в том, что град или принесенный ветром мусор могут повредить его поверхность. Главным образом это касается сотового поликарбоната, который чаще всего используется в бытовых моделях. Такие царапины приводят к резкому ухудшению оптических свойств, а значит, ухудшению прохождения солнечных лучей. Иными словами, к снижению производительности.

Плоские коллекторы целесообразнее применять именно летом, в условиях теплой и солнечной погоды. В этом случае они полностью оправдают все затраты на приобретение, установку и интеграцию системы. Причем отличный вариант для сведения затрат к минимуму – самостоятельное изготовление плоского коллектора.

Изготовление

Самостоятельно сделанные плоские солнечные коллекторы прекрасно подойдут для подогрева воды на даче (в душе или для бытовых нужд), а вот для обеспечения ГВС большого коттеджа их производительности будет маловато. Поэтому прежде, чем приступить к работе, надо оценить экономическую целесообразность затрат и сопоставить с требуемым результатом.

• Тонким листом металла для абсорбера;
• Трубчатым змеевиком для воды;
• Защитным стеклом;
• Заготовками для собственно корпуса;
• Вспененной теплоизоляцией для корпуса;
• Сантехническими переходниками, заглушками, фитингами;
• Оборудованием для пайки металла и инструментом для сборки корпуса.

Кроме того, перед началом работ надо заранее прикинуть, какой объем воды должен нагревать один коллектор. От этого будет зависеть количество требуемых материалов.

Абсорбер и змеевик

Для абсорбера подойдет лист меди, в крайнем случае – алюминия. С наружной стороны его нужно обязательно выкрасить матово-черной порошковой краской для лучшего нагрева.

Змеевик можно подыскать готовый. Но лучше сделать самому из тонких медных трубок, предназначенных для отопительных систем. Трубки спаиваются между собой через сантехнические переходники-тройники, таким образом, чтобы получилась конструкция, похожая на лестницу. На неиспользуемых торцах устанавливаются сантехнические заглушки.

Корпус и лицевая панель

Для изделия, изготовляемого своими руками, лицевую панель можно сделать из сотового (но не литого!) прозрачного поликарбонатом белого цвета. Корпус самодельного коллектора обычно выполняется из фанеры и деревянных досок. Лист фанеры будет служить задней стенкой, а доски необходимы для боковых стенок.

Теплоизоляция

Теплоизоляция прокладывается по дну и бокам корпуса для минимизации теплопотерь, иначе самодельный коллектор будет просто нагревать окружающий воздух. Лучше всего для этих целей подойдут вспененные изоляционные материалы, так как при небольшой толщине они обладают очень хорошей эффективностью.

Разновидности плоских коллекторов

Плоский коллектор с трубчатым змеевиком – это классический вариант конструкции. Однако существуют и альтернативные решения, производительность которых также позволяет использовать их для решения проблем дачного водоподогрева.

Из банок

Абсорбер плоского коллектора можно сделать и иными способами. Цена такого варианта будет еще ниже, впрочем, как и производительность. Так, можно использовать пустые алюминиевые банки из-под пива или иных напитков. В торцах банок проделываются отверстия, после чего они соединяются между собой в длинные ряды. Стыки тщательно герметизируются силиконовым герметиком. Готовая конструкция покрывается черной краской и также устанавливается в корпусе.

Из полипропилена

В качестве абсорбера в таком коллекторе используется сотовый полипропилен (не путать с поликарбонатом, это разные вещи!). Структурно этот материал по всему объему разделен перемычками на множество узких продольных трубок, иными словами, представляет собой готовый радиатор. Полипропилен сотовый широко используется при производстве рекламных конструкций, поэтому его можно приобрести в специализированных фирмах.

Все внутренние трубки материала объединяются общими трубами (сверху и снизу, для подачи и отведения воды). Для этого используется полипропиленовая трубка ABS небольшого диаметра. Она разрезается вдоль и надевается на кромку листа полипропилена. Для герметизации стыков потребуется специальный клей. К сожалению, клей, предназначенный для работы с полипропиленом, стоит гораздо дороже силиконовых или эпоксидных вариантов.

Из садового шланга

Это, пожалуй, самый примитивный и наименее затратный вариант плоского коллектора, состоящий лишь из садового шланга и деревянного корпуса. Шланг должен быть резиновым или полиэтиленовым, лучше всего – черного цвета (тогда готовую конструкцию не придется дополнительно красить). Армированные ПВХ-шланги для этих целей не годятся, дело в том, что они имеют более тонкие стенки и при малых изгибах перегибаются. За счет этого нарушается равномерное протекание потока воды и снижается внутренний объем. Длина шланга зависит от потребностей (можно использовать изделия в 50, 100 и даже 200 м).

Бухта шланга укладывается спиралью на дно корпуса. Для лучшего нагрева корпус стоит заранее прокрасить в черный цвет. Витки трубы надо дополнительно зафиксировать, ведь действием температур и объемов воды шланг будет прогибаться. Для этих целей подойдут пластиковые хомуты. Лицевая сторона закрывается сотовым поликарбонатом.

В целом созданный своими руками плоский коллектор достаточно эффективен в летний период, на дачном участке он вообще может стать единственным рациональным решением по обеспечению нужного подогрева воды. Сборка и установка такого коллектора требует лишь единовременных затрат, в дальнейшем же его достаточно просто очищать от скопившейся пыли или иных загрязнений.