Солнечные коллекторы для отопления дома

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением и использование ее для подогрева воды (оранжерейный эффект).

Сегодня солнечные коллекторы применяются:

• Для обеспечения горячего водоснабжения в автономном режиме;
• Для отопления жилых и производственных помещений;
• Для обогрева воды в бассейнах.

Что входит в состав установки солнечного коллектора и какой принцип его работы?

1. Основная часть установки – сам коллектор , который представляет собой теплообменник, размещаемый под солнечными лучами и изолированный от конвективного теплообмена с окружающей средой внешней оболочкой (часто вакуумной). Солнечная радиация нагревает теплообменник, и это тепло передается воде или другому теплоносителю, которым заполнен змеевик коллектора. Площадь коттеджных коллекторов составляет 8-10 м². Температура, до которой может нагреться теплоноситель с помощью солнечного излучения – 200⁰С.

2. Второй элемент системы – резервуар-накопитель с теплообменником. В этот резервуар подается нагретый теплоноситель, и в него же подается жидкость, которая поступает в систему отопления или систему горячего водоснабжения. В резервуаре происходит теплообмен и жидкость, которая используется в хозяйственной деятельности нагревается до нужной температуры. Теплообменником может служить змеевик на дне бака или оболочка вокруг него, внутри которой циркулирует жидкость-теплоноситель. Бак-накопитель обязательно должен быть хорошо теплоизолирован, чтобы нагретая за день вода как можно дольше оставалась горячей.

3. В резервуарах так же предусматривают возможность догрева воды до нужной температуры от электрического тэна или от котла газового отопления и т.п.

4. Между коллектором отопления и баком-накопителем размещается насос, обеспечивающий циркуляцию воды , – он включается по определенному алгоритму, например, когда температура солнечного коллектора превышает температуру бака.

Строго говоря, для простейшей системы элементы №2, №3 и №4 не обязательны. Наглядным примером служит дачный летний душ. Черная бочка с водой, которая нагревается от солнечных лучей, является одновременно коллектором и резервуаром. Функции насоса выполняет сила тяжести.

Классификация солнечных коллекторов

Рассмотрим классификацию коллекторов по температурному режиму и по конструктивному исполнению.

Классификация коллекторов по предельным показателям температуры, которой они способны достигать, так же разделяет коллекторы по области их применения.

• Коллекторы низких температур. Дают температуру не выше 50 °C и применяются в тех случаях, когда слишком горячая вода не требуется.
• Коллекторы средних температур. Они способны нагревать воду от 50 °C до 80 °C. Как правило, это коллекторы-концентраторы, аккумулирующие тепло, которое затем используется для нагрева воды в жилом секторе.
• Коллектор высоких температур. теплоноситель в таких коллекторах может подогреваться до 2000С и выше. Зачастую имеет сложную геометрическую форму и систему зеркал, например параболической тарелки и используется крупными предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей.

Классификация коллекторов по типу конструкции отражает принцип осуществления теплообмена

• Емкостные коллекторы. Данный коллектор одновременно аккумулирует и хранит некоторое количество нагретой воды или теплоносителя. Могут применяться для преднагрева воды с целью дальнейшего ее подогрева с помощью традиционных нагревателей.
  Такие коллекторы могут быть собраны в батарею из нескольких баков, заполненных теплоносителем. Эти баки помещаются в теплоизолированный ящик со стеклянными стенками (одной или несколькими). Такая простота устройства обуславливает его относительно не большую цену.
   
  Основные плюсы такого вида коллекторов. Первый – экономия на электричестве. Второй – существенно более дешевый вариант солнечной водонагревательной системы. Третий – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего);
• Плоские коллекторы. Стремительно набирают популярность для использования в бытовых условиях, нагрева воды или теплоносителя в отопительных системах. Внешне они более привлекательны, такое устройство выглядит как плоская коробка со стеклянной крышкой. Содержание железа в стекле стараются делать очень низким, чтобы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор.
   
  Внутри коллектора находится элемент или несколько элементов, которые поглощает солнечный свет. Часто это черная пластина, которая поглощает тепло. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, полученное тепло передается теплоносителю (жидкости или воздуха), которые циркулируют в трубах. Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло (например, медь и алюминий).

Далее более подробно рассмотрим распространенные конструкции солнечных коллекторов. Они не являются классификацией, скорее относятся к разделу терминологии.

Плоские солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы состоят из теплоприемника, принимающего тепло солнечного излучения (из алюминия или меди), теплообменника (часто змеевика), теплоизолирующего слоя из пенополиуретана (в нижней части и на боковых сторонах), и прозрачной стенки покрытия сверху (закаленного энергосберегающего стекла).

К их преимуществам относятся:

• Возможность использования в качестве основного и дополнительного источника энергии для отопления;
• Наличие большое количества схем подключения для удовлетворения различных потребностей;
• Простота интеграции в существующие системы горячего водоснабжения и отопления;
• Возможность размещения оборудования на небольшой площади;
• Высокая производительность.

К их недостаткам относится, относительно высокая стоимость, зависимость от времени года, достаточная производительность для зимнего периода, приводит к перепроизводству солнечной энергии в жаркую погоду и наоборот.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные коллекторы логичное развитие идеи плоского коллектора. Основной принимающий элемент вакуумного отопительного коллектора - стеклянные или кварцевые трубки, внутри которых смонтированы трубки меньшего с веществом, адсорбирующим солнечную тепловую энергию, т.е. трубопроводы с теплоносителем находятся внутри трубок с адсорбером. Пространство между внешними и внутренними трубками вакуумируется. Солнечные лучи проникают сквозь вакуум и нагревают теплоноситель, и тот же вакуум препятствует обратной утечке тепловой энергии, выступая в роли теплоизолятора.

Число вакуумных трубок в коллекторе можно изменять (добавлять и удалять).

Преимуществами вакуумных солнечных коллекторов являются:

• Способность нагревать воду до кипения даже при минусовой температуре окружающей среды;
• Минимальные затраты на эксплуатационное обслуживание;
• Возможность варьировать число трубок, т.е. изменять его тепловую мощность.

Их недостатки:

• Высокая стоимость;
• Сложность установки.

Жидкостные солнечные коллекторы

Жидкостный коллектор представляет собой специальный теплообменник, преобразующий энергию солнечного излучения в тепло, и передающий его жидкости, движущейся внутри каналов поглощающей панели (абсорбера) коллектора. Каналы могут монтироваться как прямые трубы, так и в виде змеевика. Большинство приведенных здесь коллекторов – жидкостные.

Простые системы жидкостных солнечных коллекторов предполагают использование обычной воды, которая сразу же, нагреваясь в коллекторе, поступает пользователю. Такие модели называют «разомкнутыми» или «прямыми» системами. Однако, при снижении температуры окружающей среды ниже точки замерзания, воду необходимо сливать и использование системы будет невозможно. Альтернативой является использование незамерзающих жидкостей вместо воды, теплоноситель, поглотивший тепло, направляется в теплообменник, где отдает тепло передается воде. Такую систему называют «замкнутой» или «непрямой».

Остекление жидкостных коллекторов позволяет повысить их КПД и использовать при более низких температурах.

К преимуществам простых жидкостных коллекторов относится простота монтажа и возможность использования для нагрева не только воды, но и других теплоносителей

К недостаткам данного вида коллектора относится ограничение на его применение связанные с климатическими условиями.

Воздушные солнечные коллекторы

Конструкция воздушного коллектора очень проста - он представляет собой панель, в котором содержится нагреваемый элемент – перфорированные пластины, для лучшего поглощения солнечного излучения выкрашенные в черный цвет. Сверху ящик закрывается прозрачной панелью из стекла или оргстекла, снизу находится слой теплоизоляционного материала, предотвращающий теплопотери. Циркуляция воздуха в системе обеспечивается работой встроенного вентилятора.

Коллектор может быть полностью закрытым и с возможностью притока свежего воздуха.

К преимуществам данного вида коллекторов относится их простота конструкции и доступная стоимость, к недостаткам – низкая эффективность, сложность регулировки температуры.

Как выбрать коллектор солнечного отопления

Выбор коллектора для солнечного отопления осуществляется по нескольким критериям.

Прочность конструкции. Принято считать, что плоский коллектор обладает большей прочностью, так как он состоит из единой панели, в то время как у вакуумного множество трубок. Однако следует учитывать, что при повреждении поверхности плоский коллектор полностью выходит из строя, в то время как в вакуумном при поломке одной из трубок её можно просто заменить.

Использование в зимнее время года. Производительность и того, и другого типа коллектора будет примерно одинаковой в случаях выпадения снега или изморози. Так, при правильном выборе угла наклона коллектора снег с него попросту сдувается, а изморозь на его работу практически не влияет – после появления солнца она сразу превращается во влагу.

Применение в системе отопление зданий в зимнее время. Здесь преимущество за вакуумными коллекторами, так как эффективность плоских зимой снижается, а вакуумных остаётся на уровне летней.

Стоимость. Плоские коллекторы дешевле вакуумных, однако здесь многое будет зависеть от качества агрегата и его производителя. Например, вакуумные коллекторы от хорошо зарекомендовавших себя китайских производителей можно найти по вполне доступной цене.