Принцип работы солнечного коллектора

Солнечный коллектор для отопления дома

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.


Солнечный коллектор: принцип работы и способы применения. Солнечные коллекторы для дома

Ежедневно от нашей ближайшей звезды на землю поступает столько энергии, сколько все человечество тратит в течение года в пересчете на ее ископаемые виды. Тепловая энергия переносится видимым светом и инфракрасным излучением.

Одной из попыток приручить неиссякаемый поток тепла и света из космоса является гелиосистема теплообмена. Медленно, но уверенно солнечные коллекторы для отопления дома приобретают популярность у потребителей и вытесняют традиционные источники отопления. А для набирающей обороты концепции умного дома это и вовсе неотъемлемая часть инженерного оборудования. В его широкой доступности играет роль повышение технологичности производства и, как следствие, снижение стоимости. Около 70 % мирового рынка использования гелиосистем приходится на Китай. В южных регионах этой страны едва ли не на каждой крыше можно увидеть солнечный коллектор. Цена изделий нашего восточного соседа гораздо ниже европейских, качество довольно приемлемое.

Сомнения прочь

В странах Средиземноморья, где количество солнечных дней – более 300 в году, солнечный коллектор для отопления и нагрева воды можно встретить практически на каждой крыше. Не вызывает сомнения эффективность использования этого источника тепла в южных регионах России. Климат средней полосы считается неблагоприятным для таких энергетических установок. Однако исследования и эксперименты доказывают целесообразность применения гелиосистем. Специальная работа была проведена в институте высоких температур Российской академии наук. Средние показатели интенсивности солнечного потока в зависимости от климатической зоны составляют 150-300 Вт/кв. м. Пиковые показатели достигают 1000 Вт/кв. м.

Исходными данными для расчета эффективности гелиосистемы было выбрано отношение поверхности в 2 кв. м коллектора к 100-литровому объему бака-накопителя. Вероятность ежедневного нагрева воды в системе оценивается следующими показателями:

  • до температуры +37 °С – 50-90 %;
  • до температуры +45 °С – 30-70 %;
  • до температуры +55 °С – 20-60 %.

Эти сухие цифры говорят о том, что в холодный период года солнечный коллектор даже при наименьшем количестве солнечных дней позволяет экономить до 60 % энергии для отопления дома.

Виды преобразователей солнечной энергии

Солнечный коллектор предназначен для преобразования энергии дневного светила в тепловую энергию. Применяемые материалы и конструктивные решения направлены на максимальное поглощение энергии солнца, преобразование ее в тепловую и эффективную передачу для дальнейшего использования. В качестве теплоносителя используется как специальная незамерзающая жидкость, так и атмосферный воздух. Циркуляция теплоносителя бывает принудительной и естественной. В том случае если применяется естественная, конвекционная, система теплообмена, солнечный коллектор должен располагаться ниже бака-аккумулятора, например на прилегающем земельном участке. Такая схема применяется при необходимости отопления небольших или временных помещений. Объемные системы требуют использования насоса для циркуляции жидкости. Такую схему можно использовать и для устройства системы горячего водоснабжения.

Схема гелиоустановки

Система отопления состоит из следующих компонентов:

  • Солнечный коллектор преобразует энергию солнца в тепловую.
  • Подающая магистраль доставляет теплоноситель в бак-накопитель.
  • Электронасос осуществляет циркуляцию жидкости-теплоносителя.

В баке-накопителе происходит передача тепла от контура гелиоустановки контуру паровой системы отопления дома. В этой емкости может быть размещен дублирующий нагревательный элемент, который автоматически включается, если погодные условия не способствуют нагреву теплоносителя до заданных параметров. Жидкость гелиоустановки соответствует противоречивым требованиям. Она должна быть морозоустойчивой, но в то же время не испаряться при высокой температуре и не быть токсичной. В большинстве установок используется теплоноситель, состоящий из 60 % дистиллированной воды и 40 % гликоля. Автоматика позволяет без участия человека поддерживать нужную температуру внутри помещения и не допускать перегрева теплоносителя.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумные системы имеют довольно сложное устройство. Основным рабочим элементом является дорогостоящая светопоглащающая трубка особой конструкции. В основу положен принцип термоса. Поверхность вакуумной трубки прозрачная. Она пропускает солнечный свет на внутреннюю трубку. Из пространства между ними откачан воздух, отсутствие газа позволяет сохранять до 97 % тепла.

В нижней части внутренней трубки находится теплоноситель – жидкость, которая при нагревании быстро переходит в газообразное состояние. В верхней части трубки происходит передача тепла коллектору, при этом теплоноситель охлаждается и, конденсируясь, возвращается в изначальное состояние. Системы с использованием вакуумных трубок обладают довольно высоким КПД при температуре ниже -37 °С и плохой освещенности. Это оборудование требует своевременной очистки от снега и монтажа строго под определенным углом. Также периодически прозрачные сегменты следует очищать от загрязнения. Вакуумный солнечный коллектор специально разрабатывался для северных широт. Он эффективно работает при отсутствии прямых солнечных лучей.

Плоский гелиопреобразователь

Плоский солнечный коллектор представляет собой автономную панель, состоит из трех компонентов:

  • Поглотитель солнечного излучения. Его красят черной краской или наносят специальное покрытие.
  • Верхнее прозрачное покрытие. Изготавливается из закаленного стекла или поликарбоната.
  • Система трубок, посредством которой прогревается циркулирующий в ней теплоноситель. Как правило, делается из меди.

Задняя сторона панели имеет эффективное теплоизоляционное покрытие. Одна или несколько таких панелей подключаются к подающей линии бака-аккумулятора. Этот вид системы имеет сравнительно низкую стоимость и хорошую производительность в теплые сезоны. Минусом является низкая эффективность при отрицательных температурах и ощутимые теплопотери.

Коллектор-концентратор

В южных широтах, где наибольшее количество ясных дней, получил распространение так называемый концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, расположенных на одной криволинейной поверхности и концентрирующих солнечный свет в определенной точке. Для наибольшей эффективности требуется изменение положения в двух плоскостях вслед за движением солнца по небосводу в течение дня. Солнечные коллекторы для отопления дома такой конструкции не применяются.

В быту и на работе

Применение гелиоустановок решает проблемы с отоплением при ограниченном доступе к газу или электричеству, при недостаточной мощности центрального электроснабжения; в качестве вспомогательной системы отопления, горячего водоснабжения дома, коттеджа, дачи, бассейна позволяет сэкономить значительные средства владельцам. Область применения самая различная:

  • отопление производственных помещений;
  • отопление и горячее водоснабжение жилых зданий, предназначенных для постоянного и временного проживания.
  • отопление учреждений здравоохранения, туристических баз, спортивных комплексов, небольших автономных магазинов.
  • обогрев открытых и закрытых бассейнов;
  • отопление и горячее водоснабжение временных жилых и рабочих помещений.

Воздушная гелиосистема

Отопительная система может в качестве теплоносителя использовать не только жидкость, но и атмосферный воздух. Воздушный солнечный коллектор применяется для обогрева всех типов помещений и в зависимости от конструкции бывает трех типов:

  • Плоский имеет схожие принципы с подобной жидкостной конструкцией.
  • Пирамидальный использует сложную систему отражающих поверхностей.
  • Венецианские жалюзи располагаются между переплетами стекла и направляют теплый воздух в помещение. Применяется при ленточном остеклении зданий.
Читайте также:  Устройство отопления в частном доме своими рукамисхемы: как работает, чертежи

В отличие от жидкостных устройств воздушный солнечный коллектор может быть изготовлен из неметаллических материалов.

Солнечная система для горячего водоснабжения

Систему горячего водоснабжения можно подключить к баку-аккумулятору. Бак, таким образом, будет играть роль бойлера, в котором, в свою очередь, роль электрического тэна будет играть теплообменная спираль, включенная в контур системы обогрева. Посредством спирали теплоноситель начнет нагревать воду в баке. Таким образом, схема водоснабжения будет накопительной или проточно-накопительной.

Солнечный коллектор своими руками

Простейший солнечный преобразователь предусматривает непосредственную передачу тепла солнечного света циркулирующий внутри системы труб воде. Подобную продукцию производила отечественная промышленность в начале этого века. Солнечные коллекторы для дома изготавливались из медной трубки диаметром до 20 мм. Для удобства монтажа и использования она закручивалась в плоскую спираль, имеющую на обоих концах штуцер для подсоединения магистрального трубопровода либо просто садового шланга. Такую спираль можно было разместить на скате крыши дачного домика. Объема горячей воды вполне хватало, чтобы принять душ в конце дня и помыть посуду. Подобный солнечный коллектор своими руками можно сделать из черной пластиковой трубы. Плоский гелиопреобразователь изготавливается с помощью теплообменника от старого холодильника.

Установка коллектора

Сложность эксплуатации солнечной системы в том, что эффективность зависит от высоты солнца над горизонтом, времени года и суток, наличия облачности, влажности и температуры окружающего воздуха. Солнечный коллектор для отопления помещения в горизонтальной плоскости должен быть ориентирован строго на юг. Отклонения в сторону запада или востока допускаются в пределах 40°. При этом эффективность установки снизится примерно до 20 %. Важную роль играет угол наклона, который должен составлять от 35 до 45°.

Самым разумным вариантом является на стадии проектирования нового жилища предусмотреть, что на крышу будет установлен солнечный коллектор. Цена на подобное оборудование значительно выше, чем на привычное паровое отопление. Но затраты с лихвой оправдаются последующей эксплуатацией. Срок окупаемости, если дом утеплен в соответствии со всеми нормами и правилами, в среднем составляет пять лет.

Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы + как собрать самому

На горячее водоснабжение и отопление помещений тратятся немалые средства. Но существует альтернативный источник энергии – вакуумный солнечный коллектор. Слышали о таком? Он позволяет существенно снизить финансовые затраты на поддержание комфорта, обеспечивая максимальный греющий эффект при минимальных теплопотерях.

Этот прибор можно купить у производителей бытового оборудования или собрать самостоятельно в домашних условиях. Чтобы выбрать подходящую модель, предстоит изучить немало информации. Мы поможем вам определиться с основными критериями покупки.

В статье речь пойдет о принципе работы и устройстве вакуумного коллектора. Мы расскажем о конструкционных особенностях различных моделей, рассмотрим плюсы и минусы этих установок. Кроме того, подробно опишем, как сделать и установить вакуумный солнечный коллектор самостоятельно.

Материал сопровождается видеороликами, из которых вы узнаете о важных особенностях и принципах работы вакуумных коллекторов.

Принцип работы вакуумного агрегата

От обычных гелиосистем вакуумный солнечный коллектор отличается способом переработки солнечной энергии. Классическая батарея просто принимает свет и преобразовывает его в электричество. Коллектор же состоит из стеклянных трубок с воссозданным внутри вакуумом. В единую систему они объединяются посредством специальных стыковочных узлов.

Внутри каждой трубки располагается канал из одного или двух медных стержней с теплоносителем. Улавливая солнечные лучи, действующий элемент нагревает материал-теплоноситель, таким способом обеспечивая работу коллектора.

За счет такой конструкции уровень энергоотдачи значительно возрастает, а теплопотери существенно снижаются, так как вакуумная прослойка позволяет сохранить около 95 % улавливаемой солнечной энергии.

Кроме того, уменьшается зависимость производительности коллектора от сезонности, температуры окружающей среды и различных погодных условий, как то: порывы ветра, переменная облачность, выпадение осадков и пр.

Как устроен коллектор вакуумного типа?

Современные вакуумные приборы, обеспечивающие помещения теплом и горячей водой за счет солнечной энергии, технологически разнятся.

Коллекторы подразделяют на такие виды:

  • трубчатый без стеклянного защитного покрытия;
  • модуль с редуцированной конверсией;
  • стандартный плоский вариант;
  • устройство с прозрачной теплоизоляцией;
  • воздушный агрегат;
  • плоский вакуумный коллектор.

Все они имеют общее конструктивное сходство, так состоят из:

  • внешней прозрачной трубы, откуда полностью выкачан воздух;
  • нагреваемого патрубка, расположенного в большой трубе, где перемещается жидкий или газообразный теплоноситель;
  • одного или двух сборных распределителей, к которым присоединяются трубы большего калибра и входит циркуляционный контур тонких, размещенных внутри, трубок.

Целиком конструкция чем-то напоминает термос с прозрачными стенками, в котором выдержан беспрецедентно высокий уровень тепловой изоляции. Благодаря этой особенности корпус внутренней трубки приобретает способность качественно прогреваться и полноценно отдавать энергетический ресурс циркулирующему внутри теплоносителю.

Конструкционные нюансы и классификация

Коллекторы вакуумного типа классифицируют по виду стеклянных трубок, установленных в конструкции, либо по характеристикам тепловых каналов. Трубки обычно бывают коаксиальными и перьевыми, а тепловые каналы – U-образными прямоточными и heat pipe типа. .

Характеристика коаксиальных трубок

Коаксиальные трубки представляют собой двойную стеклянную колбу-термос с искусственно созданным между стенками вакуумным пространством. Внутренняя поверхность трубки имеет слой специального теплопоглащающего покрытия, поэтому фактическая передача тепла происходит непосредственно от стенок стеклянной колбы.

В качестве поглощающего элемента в стеклянную трубку впаивают медную трубку, содержащую эфирный состав. В процессе нагревания он испаряется, эффективно отдает свое тепло, конденсируется и стекает на нижнюю часть трубки. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена.

Особенности перьевых трубок

Вакуумные перьевые трубки имеют большую толщину стенок, нежели коаксиальные, и состоят не из двух, а из одной колбы. Внутренний абсорбционный элемент из меди снабжается по всей длине прочным усилителем – гофрированной пластиной с высокоуровневым энергопоглощающим напылением.

Благодаря такой конструкционной особенности вакуум располагается непосредственно в тепловом канале, часть которого вместе с абсорбентом интегрируется непосредственно в колбу.

Коллекторы, изготовленные на основе перьевых вакуумных трубок, считаются наиболее эффективными в своем классе, отлично справляются с поставленными задачами и надежно служат в течение многих лет.

Принцип работы теплового канала heat pipe

Тепловые каналы heat pipe состоят из закрытых трубок, содержащих легко испаряющийся жидкий состав. Под воздействием солнечных лучей он прогревается, переходит в верхнюю область канала и сосредотачивается там в специальном теплосборнике (manifold).

Рабочая жидкость в этот момент отдает все накопленное тепло и снова опускается вниз для возобновления процесса.

Гильза теплообменника heat-pipe соединяется с теплообменником manifold’а посредством специального гнезда, впаянного в сам в 1-трубный теплообменник, либо огибается 2-трубным теплообменником.

Выделенную энергию из теплового резервуара отбирает теплоноситель и переносит ее дальше по системе, обеспечивая таким способом наличие горячей воды в кранах и батареях отопления. Система heat pipe легко монтируется и демонстрирует высокую эффективность при работе.

В случае поломки или выхода из строя без всяких сложностей существует возможность заменить испорченный узел на новый, не прибегая к реконструкции всей системы.

Ремонтные работы можно легко осуществить прямо на месте расположения коллектора, не демонтируя агрегат и не прикладывая к работе излишних усилий.

Описание U-образного прямоточного теплообменника

Трубка прямоточного теплообменника имеет форму буквы U. Внутри циркулирует вода или рабочий теплоноситель греющей системы. Одна часть элемента предназначается для холодного теплоносителя, а вторая корректно отводит уже нагретый.

При накаливании действующий состав расширяется и поступает в бак накопления, создавая таким образом естественную циркуляцию жидкости в системе. Специальное селективное покрытие, нанесенное на внутренние стенки, увеличивает теплопоглощающую способность и повышает эффективность системы в целом.

Трубки U-типа демонстрируют высокую производительность и дают солидную теплоотдачу, но при этом имеют один существенный недостаток. Они составляют одну целостную конструкцию с manifold’ом и всегда монтируются вместе с ним.

Заменить отдельную одиночную трубку, вышедшую из строя, не получится. Для ремонта потребуется демонтировать весь комплекс полностью и на его место поставить новый.

Сравнение различных модификаций

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.

Каким должен быть теплосборник?

Теплосборник – еще один очень важный рабочий элемент вакуумного коллектора. Посредством этого узла осуществляется передача накопленного тепла от трубок к теплоносителю.

Теплосборник располагают в верхней части прибора. Один из его компонентов, медный сердечник, принимает энергию и передает ее основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутой системе «теплообменник бака-коллектор».

Корректную работу гарантирует подключенный к системе циркуляционный насос. Управляющая греющим комплексом автоматика, четко следит за уровнем температуры в каналах и, в случае ее падения ниже допустимого критического минимума (например, в ночное время суток), останавливает работу насоса.

Это позволяет избежать обратного прогрева, когда теплоноситель начинает забирать тепло горячей воды, собравшейся в накопительном баке.

Плюсы и минусы коллекторов вакуумного типа

Главным достоинством агрегатов называют практически полное отсутствие теплопотерь в процессе эксплуатации. Это обеспечивает вакуумная среда, являющаяся одним из самых качественных естественных изоляторов. Но на этом список преимуществ не заканчивается.

Принцип работы и основные элементы солнечного теплового коллектора

1. Принцип работы солнечного теплового коллектора

Примитивнейший солнечный тепловой коллектор (ТСК) – это стальная, покрашенная черной краской, бочка с водой, установленная на крыше. Вариант такого устройства представлен на рис. 4.

Рис. 4. Примитивный солнечный тепловой коллектор в виде бочки

Не смотря на свою примитивность, такой ТСК выполняет главную функцию – преобразует солнечную тепловую энергию в нагретую и готовую к использованию воду.

Стальная поверхность бочки – устройство, преобразующее солнечную радиацию в тепловую. Бочка покрыта черной краской для увеличения поглощения солнечной энергии, внутри бочки находится вода, которая нагревается за счет внутреннего теплообмена.

Данная конструкция обладает множеством недостатков. Нагрев воды в таком солнечном коллекторе происходит только под воздействием прямых солнечных лучей. Если на небе облака, или пасмурно, то нагрева не происходит. Более того, если вода нагрелась, то при заходе солнца в облака, она остывает, поскольку бочка не имеет никакой термоизоляции, а температура окружающего воздуха, даже летом, бывает ниже 25 градусов. Если дует ветер, то охлаждение происходит еще быстрее. Но с точки зрения процесса преобразования солнечной энергии в удобную для использования человеком горячую воду, данное устройство является полноценным.

На рис. 5 представлены некоторые типы солнечных коллекторов промышленного производства, предназначенные для подготовки горячей воды в индивидуальных и многоквартирных домах. Работа СК, независимо от конструктивных особенностей, состоит в следующей последовательности.

А) Солнечная энергия видимого и ближайшего инфракрасного излучения спектров, в диапазоне 300–1100 нм попадает на абсорбер солнечного коллектора, поверхность которого покрыта селективным покрытием.

Абсорбер – элемент СК. Техническое устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую.

Б) Абсорбер, передает тепло непосредственно жидкости или трубкам произвольной формы, по которым течет нагреваемая жидкость (теплоноситель).

Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.

Рис. 5. Тепловые солнечные коллекторы, установленные на крышах и стенах индивидуальных и коммерческих сооружений

Как видно из формулировки, теплоносителем может быть как жидкость, так и воздух. Соответственно по этому определению, тепловые солнечные коллекторы могут быть:

В) Теплоноситель передает тепло приборам водоснабжения или отопления, либо непосредственно используется потребителем. На рис. 6 показана конструкция примитивного воздушного ТСК. В качестве абсорбера выступает окрашенная черным цветом алюминиевая гофрированная воздушная труба, теплоносителем является воздух, движение которого создается вентилятором.

Если в жидкостном коллекторе абсорбер непосредственно нагревает теплоноситель, а циркуляция теплоносителя определяется разницей плотности холодного и нагретого теплоносителя (естественной циркуляцией), то такие солнечные тепловые коллекторы называются коллекторы со свободной (прямоточной) циркуляцией. Если движение теплоносителя осуществляется циркуляционным насосом, то коллекторами с принудительной циркуляцией. Также, по условию циркуляции теплоносителя тепловые коллекторы можно классифицировать, как энергетически независимые – если на циркуляцию воды не тратится дополнительная энергия, и энергетически зависимые, если для этого процесса нужна дополнительная энергия.

Рис. 6. Простейший воздушный тепловой солнечный коллектор

Если абсорбер солнечного коллектора нагревает теплоноситель и он непосредственно передается в систему отопления и ГВС то такие коллекторы называются одноконтурные или одноступенчатые. В том случае, если абсорбер нагревает элементы, в которых циркулирует легкоиспаряемая жидкость и она, нагреваясь превращается в насыщенный пар, который в последствии конденсируется на теплосъемнике отдельной циркулирующей с теплоносителем системе, то такой солнечный теплообменник называется двухконтурным или двухступенчатым.

Более подробно все типы солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в последующих главах данного учебного пособия.

2. Основные элементы коллектора. Абсорбер, селективное покрытие, защитные стекла, теплоноситель

Как было указано выше, абсорбер–главный элемент СК. В нём происходит нагрев теплоносителя систем отопления и горячего водоснабжения. Отсюда рождаются важнейшие требования к материалу абсорбера:

  • высокая теплопроводность;
  • низкая стоимость;
  • стойкость к температурным нагрузкам и другим атмосферным факторам;
  • иметь длительный срок жизни:
  • простота в обработке.

В некоторых случаях, к абсорберам предъявляется требование прочности. Так, к примеру, в варианте простейшего ТСК, в виде бочки, представленного на рис. 4, материал бочкиаб- сорбера должен быть прочным, поскольку это еще и резервуар для хранения жидкости.

Читайте также:  Устройство отопления в частном доме: как работает, чертежи

В большинстве случаев, материалами изготовления абсорберов являются:- медь, алюминий, сталь. В простейших дешевых абсорберах применяют пластик.

В табл. 1 указаны значения показателей коэффициентов теплопроводности основных материалов абсорберов и других материалов, используемых в солнечных тепловых коллекторах.

Из таблицы видно, что наилучшим материалом, с точки зрения теплопроводности, является медь. Железо имеет теплопроводность в четыре раза меньше меди и в 2,5 раза меньше алюминия. Однако стоимость меди и алюминия значительно выше. Теплопроводность пластика в 200 раз хуже стали, поэтому абсорберы из пластика применяются только для бытовых дешевых солнечных коллекторов, когда эффективность их работы не интересует потребителя. Могут быть абсорберы из стекла с напылением. Стекло имеет теплопроводность в 20 раз хуже стали, но оно имеет рад преимуществ – длительный срок службы, относительно низкая цена, стойкость к старению, агрессивным средам и температуре.

Таблица 1 Коэффициенты теплопроводности различных веществ

МатериалТеплопроводность,

Вт/(м·K)

Графен4840 ± 440…5300 ± 480
Медь401
Алюминий202–236
Латунь97–111
Железо92
Сталь нелегированная47–58
Термопасты высокого качества5–12 (на основе соединений углерода)
Стекло1–1,15
Вода при нормальных условиях0,6
Свежий снег0,10–0,15
Пенополистирол (горючесть Г1)0,038–0,052
Экструдированный пенополистирол

(горючесть Г3 и Г4)

0,029–0,032
Стекловата0,032–0,041
Воздух (300 K, 100 кПа)0,022
Вакуум (абсолютный)0 (строго)

Конструктивные исполнения абсорберов будут рассмотрены в следующих разделах.

Абсорберы должны поглощать энергию и передавать ее теплоносителю. Для того, чтобы абсорберы не излучали тепловую энергию в пространство их покрывают специальным селективным покрытием.

Селективное покрытие – покрытие, обеспечивающее максимальное поглощение солнечной энергии при минимальной отражающей способности.

Селективное покрытие абсорберов СК играет очень важную роль в показателях эффективности их работы. Такое покрытие может быть выполнено в виде многослойной краски, однослойной или многослойной пленки и нанесено на поверхность абсорбера способами напыления, гальваники или вакуумного формования. Есть еще один способ улучшить поглощающую способность поверхности абсорбера – химически обработать его поверхность.

Важно обратить внимание на устойчивость селективного покрытия к атмосферным факторам, особенно для открытых абсорберов, а также, на способность к старению (срок службы) – сохранению постоянных теплофизических характеристик при длительном температурном воздействии.

Селективные покрытия характеризуются тремя показателями:

  • Поглощающая способность.
  • Излучающая способность.
  • Общая эффективность.

Поглощающая способность, важнейший показатель, определяется тем, какое количество солнечного излучения материал может преобразовать в тепловую энергию.

Излучающая способность (отрицательный показатель), характеризует количество тепла, которое отдает абсорбер в окружающую среду в виде излучения.

Общая эффективность – отношение первых двух показателей. Это относительный коэффициент, показывает эффективность селективного покрытия.

В табл. 2 показаны значения показателей эффективности различных селективных покрытий, применяемых для солнечных тепловых коллекторов.

Таблица 2. Показатели эффективности различных селективных покрытий

ПоверхностьПоглощающая способность

энергии

Излучающая способность

коллекторов

Общая

эффективность

1234
Со3О, на серебре; методом осаждения и окисления90 %0,273,3
Кристаллы PbS на Al89%0,204,5
СuО на Ni; медь в качестве электрода

с последующим окислением

81%0,174,8
«Черная медь» на Сu; методом обработки

Сu раствором NaOH и NaClO2

89%0,175,2
«Черный никель» на оцинкованном железе89%0,175,2
«Эбанол С» на Сu; промышленная обработка чернением Сu,

обеспечивающая покрытие в основном на СuО

90%0,165,6
СuО на анодированном Al;

обработка А1 горячим раствором Cu(NO3)2–KMnO

85%0,117,7
«Черный никель»; содержит окиси

и сульфиды Ni и Zn на полированном Ni

92%0,118,4
СuО на Al; методом набрызгивания разбавленного раствора

Cu(NO3)2 на горячую алюминиевую пластину

с последующей горячей сушкой

93%0,118,5
Горячая сушка А12O–Мо–А12O3Мо– А12O3Мo–А12O3;

промежуточные слои на Мо (при 260 °C

91%0,0910,7
«Черный никель» 2 слоя поверх

гальванопокрытия из Ni на мягкой стали

(после 6-часового погружения в кипящую воду)

94%0,0713,4

Что будет, если покрасить абсорбер СК простой черной масляной краской?

Краски поглощают, в основном, видимую честь солнечного спектра, а тепловая энергия распространяется и на ближайшую инфракрасную часть. Краски выцветают под воздействием длительного ультрафиолетового излучения, теряют способность поглощать энергию, излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Кроме того, простые строительные краски действуют, как теплоизоляция. Солнечная панель с абсорбером, покрашенным такой краской, будет крайне неэффективной.

Современные селективные многослойные покрытия на основе черного хрома и черного никеля имеют поглощающую способность, достигающую значений 0,95. Производители некоторых селективных красок, на пример, компания «Stancolac», заявляют, что их краска «Илиолак» обладает поглощающей способностью 0,99.

Другой тип покрытия абсорбераселективные пленки. Бывают однослойные и многослойные пленки на металлизированной подложке. Качественные селективные пленки имеют излучающую способность 5 % и менее, а поглощающую способность 0,95. Общая эффективность таких покрытий достигает 20 и выше. Главным недостатком таких покрытий является их цена.

Применяются также и химические способы улучшить свойства поглощения солнечной энергии поверхностью абсорбера. Оксидная пленка на меди черного цвета, имеет хороший коэффициент поглощения солнечного излучения.

К примеру, если поверхность абсорбера выполнена из меди, то ее можно обработать (окислить) персульфатом калия, или хлоритом натрия. Или просто калением металла при высокой температуре. С последующей защитой окисленной поверхности.

Защитные стекла солнечных коллекторов

Абсорберы нагреваются под действием солнечной радиации и для того, чтобы уменьшить их тепловое излучение их накрывают прозрачными для солнечных лучей защитными стеклами.

Прозрачное защитное покрытие должно обладать следующими свойствами:

  • высокая прочность (выдерживать попадание града и другие механические нагрузки);
  • высокая светопроницаемость;
  • обладать малым весом;
  • стойкость к УФ излучению;
  • противостоять повышенным температурам;
  • иметь стабильные светотехнические характеристики в течение всего времени эксплуатации;
  • иметь длительный срок эксплуатации;
  • иметь способность к самоочищению.

Очень важно, чтобы солнечная энергия максимально проходила через защитное стекло, без отражения. На рис. 7 показана схема прохождения солнечных лучей через стеклянную поверхность. Стекла для солнечных коллекторов антирефлексные, со специальным покрытием с двух сторон, уменьшающим долю отраженной энергии. Данные стекла обеспечивают прохождение до 96 % солнечной энергии, в то время, как обычные закаленные стекла имеют светопропускающую способность не более 92 %.

Рис. 7. Схема прохождения солнечных лучей через защитное стеклянное покрытие плоских тепловых коллекторов

Рассмотрим существующие варианты защитных прозрачных покрытий.

Самое обычное стекло, которое применяют при изготовлении окон, обладает светопроницаемостью около 90–92 %, и долговечностью, но хрупкое и имеет большой вес и низкую термостойкость.

Закаленное стекло представляет собой листовое стекло, подвергнутое специальной термической обработке с целью повышения механической прочности и обеспечения безопасного характера разрушения, обладает высокой светопроницаемостью 0,92, прочностью, высокой термостойкостью, долговечностью, но тяжелое и дорогое.

Иногда, в качестве прозрачного защитного слоя используют прозрачный поликарбонат. Сотовый поликарбонат имеет светопроницаемость около 80 %, устойчив к воздействию ультрафиолета и температурным нагрузкам, имеет малый вес, легко обрабатывается, безопасный, но имеет ограниченный срок службы (5–7 лет), теряет светопроницаемость со временем.

В настоящее время наибольшее распространение в конструкциях плоских ТСК получили закаленные антирефлексные стекла с низким содержанием железа, толщиной около 3,0-3.5 миллиметра, с внешним самоочищающимся покрытием из диоксида титана, способствующего выгоранию на солнце всего органического мусора.

Теплоносители солнечных тепловых коллекторов Теплоноситель обеспечивает транспортировку тепловой энергии от СК в систему отопления и ГВС потребителя.

Как было отмечено выше, теплоносители ТСК могут быть жидкими и газообразными. В качестве теплоносителя газообразных СК используется воздух.

В качестве теплоносителя в жидкостных солнечных тепловых системах часто используют воду. Она имеет высокую тепло- ёмкость и общедоступна. Однако, использование воды в чистом виде ограничено районами, в которых не бывает отрицательных температур. В других случаях необходимо предусмотреть предотвращения замерзания воды и разрушение системы.

Требования к теплоносителям для солнечных тепловых систем могут быть общими и специальными. В большинстве случаев, специальные требования обусловлены максимальной температурой эксплуатации систем, зависящей от типа СК и ограничениями в химической активности применяемых материалов.

Общие требования к теплоносителям:

  • быть инертным по отношению к материалам, использованным для изготовления системы;
  • невысокой вязкость;
  • высокая теплоемкость;
  • высокая теплоотдача.

Вода – наиболее распространенный теплоноситель. У нее практически нет стоимости, она не токсична, но замерзает при отрицательных температурах и обладает высокой коррозионной активностью при соприкосновении с металлами (основными материалами абсорберов), кроме того, содержит растворенные соли жесткости и, при высоких температурах, возможно появление накипи. Коррозионную активность воды можно снизить добавкой ингибиторов, а соли жесткости можно убрать с помощью фильтрационных систем обратного осмоса. Главный недостаток – замерзание при температуре ниже нуля градусов Цельсия.

Антифриз – общее название для всех жидкостей не замерзающих при низких температурах.

Требования к антифризам:

  • не должен быть легко возгораемым;
  • не должен содержать ядовитые и токсичные вещества;
  • не должен быть химически активным и разрушать элементы систем отопления.

Антифриз на основе пропиленгликоля представляет собой трудновоспламеняемую, нетоксичную жидкость. Температура кипения около 188 °С, плотность – 1,04 г/см3.

Пропиленгликоль – это органическая жидкость. Для увеличения срока службы теплоносителя, а как следствие, всей гелиосистемы в жидкость добавляют специальные антиокислительные присадки. Кроме того, при очень высоких температурах работы солнечных коллекторов в пропиленгликоль добавляют силиконы и масла. Все эти добавки, к сожалению, повышают вязкость и снижают теплоотдачу теплоносителя.

В солнечных коллекторах нельзя использовать в качестве теплоносителя антифризы на основе этиленгликоля из-за его токсичности, на основе этилового спирта из-за его низкой температуры кипения и высокой испаряемости.

Если конструкция солнечного теплового коллектора используется в климате с положительной температурой в течение года и температура в системе не превышает 100 °С, то фильтрованная вода с противокоррозионными присадками является хорошим теплоносителем.

Принцип работы вакуумного солнечного коллектора с трубками — описываем подробно

Опубликовано Артём в 12.02.2019 12.02.2019

Солнечный коллектор – техническое устройство для поглощения тепловой энергии солнца в видимом и инфракрасном диапазонах с дальнейшей передачей полученной энергии теплоносителю. Используется в системах отопления и горячего водоснабжения зданий. По конструкции бывают: плоские и вакуумные.

Процесс нагревания воды от солнца

Для того, чтоб солнечное светило могло осуществить нагрев воды, должны быть осуществлены некоторые предпосылки. На протяжении всего года расход остается практически на одном и том же уровне. Именно по этой причине в роли энергетического источника для нагрева жидкости эффективнее всего использовать энергию большого светила – Солнца.

Если правильно осуществить установку солнечных коллекторов, то они способны увеличить температуру воды на 50- 65% в холодное время и до 100% в летнее.

Такие условия работы системы свидетельствуют о том, что в теплое время года можно будет отказаться от использования традиционных систем обогревания при помощи газа или электричества. Использование такой системы в летнее время является крайне выгодным еще и по той причине, что выработанной энергии хватает даже на питание некоторых бытовых электрических машин, работающих на благо домашнего хозяйства.

Важным достоинством современных солнечных водонагревательных установок является простота технологического новшества, использование которого дает возможность жить комфортно, экономно, без нанесения вреда для окружающей среды.

Конструкция и принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Предназначение плоского вакуумного солнечного коллектора заключается в обеспечении аккумулирования солнечной энергии при любых погодных условиях и температуре окружающей среды.

Как работает коллектор?

  • Одним из важнейших элементов конструкции является автоматизированный резервуар-теплообменник, способный преобразовывать, поддерживать и сохранять тепло, полученное при накоплении солнечной энергии, а также и от дополнительных источников энергии, которые используются для подстраховки работоспособности системы отопления в целом.
  • Вода, нагретая до определенной температуры, из теплообменника, расположенного во внутреннем блоке, подается в радиаторы, использующиеся для системы отопления, при этом вода, находящаяся в резервуаре, поступает в бак для поддержания ГВС.
  • Для контроля значений рабочей температуры блоков и выбора требуемого режима работы системы установлен блок управления. Он отвечает за поток энергии теплового носителя через теплообменник и определяет куда именно стоит направить тепло: на водоснабжение либо отопление.
  • В ночное время суток автоматика поддерживает минимальные параметры работы системы и поддерживает значения установленной температуры.
  • Основное преимущество использования вакуумных солнечных коллекторов для отопления дома — это их малая инерционность. При этом их использование позволяет обеспечивать горячее водоснабжение в течение года и отопление в холодный период, позволяющее экономить традиционно использующиеся источники получения тепловой энергии.

Схема и конструкция солнечного коллектора

вакуумный солнечный коллектор — схема и принцип работы

Основные блоки вакуумного коллектора: непосредственно вакуумный коллектор, резервуар-теплообменник и системный контроллер солнечных систем нагрева воды. Конструктивно вакуумный коллектор выполнен в виде трубчатых профилей, соединенных параллельными рядами. Как правило используются трубы конструкции ”стекло-стекло”, произведенные из боросиликатного стекла. Для покрытия внутренней трубы используется селективный слой, предназначенный для абсорбции солнечной энергии и устранения тепловых потерь. Функциональность таких труб позволяет их использовать при пасмурной погоде. При отрицательных температурах происходит преобразование в тепло как прямых, так и рассеянных солнечных лучей. Также для образования тепла используется природное ИК-излучение. Конструкция вакуумной трубы реализована по принципу термоса: она изготовлена из двух трубок различного диаметра, между которыми поддерживается вакуум. Вакуум обладает фактически нулевой теплопроводностью и обеспечивает высокий уровень термоизоляции.

  • Вакуумные трубы во всесезонных системах имеют дополнительные термотрубки или тепловые трубки. Они представляются собой медные трубки, наполненные жидкостью с низкой температурой кипения. При непосредственном воздействием тепла происходит испарение жидкости. При этом забирается тепло самой трубки. Далее пар поднимается в расположенный выше наконечник, где происходит его конденсация и передача тепла тепловому носителю в основном контуре либо специальной жидкости, находящейся в отопительном контуре. Далее конденсат по стенкам стекает вниз и процесс возобновляется.

как работает солнечный коллектор

  • Приемник коллектора как правило изготавливается из меди. При этом чаще всего применяется дополнительная полиуретановая изоляция. Приемник закрыт истом нержавеющего покрытия для дополнительной защиты. Передача тепла осуществляется посредством медной «гильзы» приемника. Отопительный контур отделяется от блока трубок, что позволяет поддерживать работу системы при поломке одной или нескольких трубок. Замена поврежденных трубок производится без слива используемой жидкости из рабочего контура.
  • Резервуар-теплообменник выполняет функции бойлера и используется для аккумулирования и сохранения тепла. Резервуар, как правило, имеет внутри конструкции одну либо две спирали для теплообмена.
  • Типичная конструкция системы как правило включает насос, манометр и клапан давления, кран для регулирования количества воды, различные соединительные механизмы и вентили, в том числе набор, обеспечивающий безопасное подсоединение резервуара к отопительной системе, вентиль безопасности давления в 6 атм. Бак дополнительно может быть оснащен электрическим нагревателем мощностью 1-3 кВт.
  • Если требуется обеспечить единовременную подачу горячего водоснабжения и отопления, происходит распределение аккумулированной солнечной энергии. Когда заданное значение температуры достигается, подача тепла автоматически переводится на контур отопления. Настройки перераспределения тепла могут быть изменены в зависимости от времени года либо климатической зоны. К данной системе отопления могут быть подсоединены дополнительные отопительные приборы.
  • Контроллер водонагревательных систем используется для задания значений температуры в резервуаре теплообменника и коллекторе, а также определения требуемого режима работы вакуумного солнечного коллектора согласно полученным данным.
  • Основные функции контроллера заключаются в следующем: индикация температуры в основных блоках: коллекторе, резервуаре, индикация значения температуры в обратном потоке теплоносителя, задание температуры запуска, при которой используется принудительная циркуляция в теплоносителе, таймер пуска и остановки всей системы отопления, определение температуры и продолжительности работы функции дополнительного подогрева, задание минимального значения температуры, индикация датчиков, имеющих повреждения.

Конструктивные отличия

Главным конструктивным отличием вакуумных коллекторов являются стеклянные трубки, которые надежно закреплены на базовой панели. Такие трубки покрыты специальным веществом, которое способно притягивать солнечное тепло. Помимо этого, внутри такой трубки находится еще одна, меньшим диаметром.

Следует отметить, что между ними находится вакуум. Именно благодаря этой вакуумной прослойке удается сохранить большую часть тепла и повысить эффективность коллектора более чем на 30%, по сравнению с плоскими моделями. В таких коллекторах вода способна нагреться до 300 °C.

Следующим не менее важным отличием вакуумных коллекторов является специальная жидкость внизу трубки, которая в результате нагревания превращается в пар, поднимаясь вверх, производит равномерное нагревание жидкости.

Отметим, что именно в регионах с небольшой продолжительностью светового дня и минусовой температурой реализация такой работы аппарата дает существенный выигрыш в количестве добытой тепловой энергии.

Относительно цены такие приборы имеют более высокую стоимость, нежели иные, однако, выходные характеристики оправдываются по истечении нескольких лет.

Как сделать своими руками

Изготовить вакуумный коллектор своими руками возможно, но только в том случае, если воспользоваться вакуумными трубками и блоком концентратором заводского производства. Обусловлено это тем, что в кустарных условиях невозможно создать вакуум внутри основного элемента – трубок, а при попадании воздуха снизится теплопроводность устройства и как следствие КПД создаваемого агрегата.

Для изготовления коллектора понадобятся:

  1. Вакуумные трубки – количество определяет конструирующий мастер. Используются трубки промышленного производства;
  2. Блок концентратор – в зависимости от количества трубок выбирается тот либо иной размер устройства. Используется агрегат промышленного производства.
  3. Материалы для изготовления рамы.

Изготавливается рама коллектора, для этого можно использовать пиломатериалы или профильные элементы из металла. На раме крепится концентратор и вакуумные трубки в следующей последовательности:

  • На медный стержень надеваются теплопроводные пластины и заглушки;
  • Устанавливается стержень в вакуумную колбу;
  • Одеваются фиксирующие чашки;
  • Одевается защитный пыльник;
  • Стержень помещается в блок-концентратор;
  • Процесс повторяется со следующей трубкой.

После сборки солнечный коллектор монтируется на подготовленной плоскости, при этом необходимо учесть следующие условия, как то:

  • При монтаже коллектор следует ориентировать на юг;
  • Создать условия для недопущения затенения коллектора;
  • Создать защиту от перегрева;
  • Надежно закрепить коллектор на подготовленной поверхности.

Достоинства вакуумных коллекторов

Для осуществления работы системы используются вакуумные изолированные приспособления. Главным достоинством таких тепловых соединений является постоянная работоспособность и при пониженных температурах (до — 40 °C) и усиленном давлении водопроводных каналов. Сам прибор с накопительным баком устанавливаются по отдельности, которые соединяются при помощи специальных металлопрокатных изделий.

Для получения максимального количества солнечной энергии стандартный вакуумный коллектор устанавливают на крыше дома, а накопительную емкость внутри помещения. Такие установки получили название всесезонных сплит-систем.

Работоспособность косвенных устройств автоматизирована при использовании контроллеров, а бесперебойная циркуляция носителя тепловой энергии в системе осуществляет насос.

Главными достоинствами коллекторов солнечного тепла являются:

  1. Высокая эффективность процесса даже в условиях минусовой температуры.
  2. Легкость установки всей конструкции.
  3. Противоветровая устойчивость коллектора.
  4. Продолжительность работы.

К недостаткам использования работы такой системы необходимо отнести высокую стоимость оборудования, окупаемого по истечении нескольких лет.

Средние цены

Как уже писалось выше, вакуумные солнечные коллекторы производят в нашей стране и многих странах мира. Для того чтобы понять порядок цифр, из которых складывается ситуация на рынке этих аппаратов, изучим сколько стоят вакуумные коллекторы, которые рассматривались выше, это:

  • Стоимость солнечного коллектора «Сокол-Эффект» выпускаемого ВПК «НПО Машиностроения», по состоянию на года составляет — 21900,00 рублей.
  • Стоимость коллекторов компании «АльтЭнергия» составляет для:
  1. Серии R1 «SunRain» от 24000,00 до 60000,00 рублей в зависимости от конструкции.
  2. Серии U от 18000,00 до 35000,00 рублей в зависимости от конструкции.
  • Стоимость вакуумных коллекторов компании ПК «АНДИ Групп» составляет:
  1. Серия «УНИВЕРСАЛ», от – 47700,00 до 89700,00 рублей в зависимости от модели;
  2. Серия «ДАЧА» от 17500,00 до 36000,00 рублей в зависимости от модели;
  3. Серия «ДАЧА ЛЮКС» от 24500,00 до 37500,00 рублей в зависимости от модели;
  4. Серия SCH от 25400,00 до 61700,00 рублей в зависимости от модели.
  • Стоимость коллекторов компании «GREENoneTEC» составляет:
  1. Модель FK 8200N 4H VS7E – 454 евро;
  2. FK 8200N 4H VS7E – 420 евро.
  • Стоимость коллекторов компании «Guangdong Fivestar Solar Energy Co., Ltd» составляет:
  1. Серия AL-HP — от 440 до 880 долларов.

Распространенность солнечных коллекторов

На сегодняшний день ситуация распространения солнечных коллекторов претерпела небольших изменений. Ввиду изменения климата в некоторых областях использование солнечных коллекторов приобрело больше популярности.

Солнечные коллекторы с успехом используют как для реализации бытовых нужд, так и для обогрева жилых помещений, на предприятиях различных масштабов, на овощных плантациях. Такой способ получения энергии стал достаточно популярен в Европейских государствах, для которых экономия средств стоит на первом месте: США, Китай, Германия и так далее.

Для всего мира массовый переход на солнечную энергию означает прорыв в современных технологиях, которые обеспечивают большие возможности обеспечения населения планеты бесплатным электричеством, не оказывающим пагубное воздействие на атмосферу.

Использование такого рода коллекторов является прекрасной альтернативой электрического и газового отопления, так как является экологически чистым устройством, не осуществляющим выбросы в атмосферу. Помимо этого наибольшим достоинством использования такого рода устройств является экономическая выгода.

Плюсы и минусы вакуумных коллекторов

К положительным аспектам использования можно отнести следующие:

  • Возможность создания полностью автономной системы теплоснабжения.
  • Неисчерпаемый, возобновляемый источник энергии, каким является солнце.
  • Надежность устройств.
  • Ремонтопригодность устройств.
  • Экологическая безопасность устройств.

К недостаткам вакуумных коллекторов относятся:

  • Высокая стоимость устройств.
  • Влияние погодных условий на производительность аппаратов.
  • Невозможность повсеместного использования, определяющаяся регионом проживания потенциальных потребителей.

Кол-во блоков: 10 | Общее кол-во символов: 13852
Количество использованных доноров: 3
Информация по каждому донору:

Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления

Солнце – источник неисчерпаемой бесплатной энергии, ресурсами которой может воспользоваться любой желающий.

Нашим подписчикам — скидки на товары для отопления и водоснабжения.

Комплект с плоскими солнечными коллекторами auroSTEP plus – оптимальное решение для загородного дома.

Трубчатый солнечный коллектор auroTHERM exclusiv обеспечивает максимальную эффективность поддержки системы отопления.

Плоские солнечные коллекторы auroTHERM и auroTHERM plus – отличное соотношение цены и эффективности.

Покупка гелиосистем у официального дилера имеет ряд преимуществ:

+ 7 (495) 369-37-99 (круглосуточно)

Постоянный рост цен на отопление и горячее водоснабжение заставляет многих из нас задуматься о способах экономии. Но можно ли не просто сократить расходы на электроэнергию, а свести их к нулю? Можно, если использовать энергию солнца. Солнечные коллекторы – это источник бесплатной и экологически чистой энергии.

Такие коллекторы, или, как их еще называют, гелиосистемы, предназначены для аккумулирования солнечной энергии для нагрева воды. Использование данной установки дает возможность дополнительного отопления в весенний и летний период. Иными словами, обладатели солнечных коллекторов получают горячую воду и тепло совершенно бесплатно.

Устройство и принцип работы

Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Но, хотя принцип работы для всех коллекторов один и тот же, их конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.

Неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место нагретой воде из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. На практике это означает, что вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 o С.

Типы и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Описанная схема работы коллектора очень упрощена, на деле же гелиосистемы несколько сложнее. Существует несколько типов солнечных коллекторов со своими конструктивными особенностями.

Плоские высокоселективные

Плоский коллектор – один из самых распространенных типов. Их преимущество состоит в невысокой цене, однако в сравнении с другими моделями они теряют больше тепла. Плоские солнечные коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы, которая в основном делается из алюминия или стали.

Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темной цвет металлический лист, соединенный с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя аккумулирует солнечные лучи и трансформирует солнечную энергию в тепловую, которая затем передается жидкости-теплоносителю (смеси воды и гликоля). Эта жидкость «направляет» тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от воздействия окружающей среды и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Эту же функцию выполняет и теплоизоляция из минерального волокна.

Вакуумные трубчатые

Солнечные коллекторы этого типа состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. Вакуум – идеальный теплоизолятор, и потому теплопотери таких коллекторов значительно меньше. Существует два вида вакуумных коллекторов, различающихся по способу нагрева – с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй – для теплого времени года, с апреля до сентября.

Концентрационные

Весной, летом и осенью дневной угловой ход солнечных лучей больше 120 градусов – угла, в котором эффективно работают неподвижные солнечные коллекторы. Повышение эксплуатационных температур до 120-250 o C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Они концентрируют солнечные лучи, и в результате их на панель попадает больше. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем. Это достаточно дорогостоящее решение и применяется оно в основном в промышленных целях.

Воздушные

Солнечные воздушные коллекторы используются для нагрева воздуха. Это простые плоские коллекторы, применимые для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Недостаток последнего варианта в том, что часть энергии тратится на работу вентиляторов.

Расчет мощности солнечного коллектора

Солнечные коллекторы для дома могут обладать весьма высокой производительностью. Чтобы точно рассчитать мощность коллектора, нужно знать его площадь поглощения, величину инсоляции для вашего региона и КПД коллектора.

Допустим, используется коллектор площадью примерно 1 кв. м, состоящий из 7 трубок, каждая из которых имеет площадь поглощения 0,15 кв. м. Получаемая мощность в расчете на один день вычисляется следующим образом: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) =117,95 кВт•час/кв. м. В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325 кВт•час. В наиболее солнечные летние месяцы она будет производить 0,545 кВт•час.

Использование солнечных коллекторов в России и мире

Солнечные коллекторы широко распространены во всем мире, хотя для нашей страны они все еще остаются новинкой. Настоящий бум солнечных коллекторов пришелся на 1970-е, во времена нефтяного кризиса. Тогда их начали применять во многих странах, от США до Японии. В Израиле в наши дни более 85% населения используют солнечные коллекторы. Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой энергии и продолжает неуклонно расти. Использование данной технологии в Германии, например, оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. В России этот показатель пока очень мал – лишь 0,2 кв. м/1000 чел.

Многие могут усомниться – разумно ли использование таких устройств в России, где климат далеко не такой теплый и солнечных дней значительно меньше, чем в южных широтах? Расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода – не препятствие для эффективной эксплуатации коллекторов. В средней полосе России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади. Максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, при установке солнечного коллектора площадью 2 кв. м вода в баке емкостью 100 л будет ежедневно прогреваться до температуры от 37 o С и более (этот показатель может доходить до 55 o С). А в теплые месяцы коллектор будет еще эффективнее.

Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, обеспечения энергией теплиц. Они легко интегрируются в любую сеть водо- и теплоснабжения и просто монтируются. С помощью солнечных коллекторов можно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать и вовсе бесплатную горячую воду. К известным и надежным производителям солнечных коллекторов относятся такие компании, как FUTUS-NUKLEON (Австрия-Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), но особым доверием специалистов пользуются коллекторы от немецких компаний – Wolf и Vaillant. Эти бренды не просто предлагают надежную продукцию – они постоянно совершенствуют свои системы и внедряют новые технологии.

Стоимость гелиоустановки для дома

Цена солнечного коллектора для отопления дома зависит от его типа, сложности системы и мощности, а также, не в последнюю очередь, от производителя. Относительно небольшие установки для частных домов, коттеджей и дач с номинальной мощностью около 2 кВт•ч стоят от 160 000 рублей в базовой комплектации, более мощные системы с несколькими коллекторами общей мощностью около 6 кВт•ч, предназначенные не только для нагрева воды, но и для отопления в весенне-зимний период, обойдутся в 270 000 рублей. К этому нужно прибавить стоимость монтажа и наладки.

За какой срок окупится коллектор? На это влияет режим эксплуатации. Солнечные коллекторы в отопительный период поддерживают отопление приблизительно на 25%, а горячее водоснабжение в летние месяцы на 80-90%, так что окупаемость будет напрямую зависеть от ваших обычных расходов на тепло и горячую воду. В среднем срок окупаемости коллекторов составляет от 2 до 8 лет. Все это указывает на экономическую целесообразность и перспективность использования технологии в России.

Читайте также:  Устройство элеватора теплового узла: как работает, чертежи
Ссылка на основную публикацию