Альтернативный способ отопления с помощью солнечного коллектора

Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать — сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.

Назначение

Коллектор и солнечная батарея два разных устройства. Батарея использует преобразование солнечной энергии в электрическую, накапливающуюся в аккумуляторах и применяющуюся для бытовых нужд. Солнечные коллекторы, как и тепловой насос, предназначены для сбора и накапливания экологически чистой энергии Солнца, преобразование которой используется для нагрева воды либо отопления. В промышленных масштабах стали широко использоваться солнечные тепловые электростанции, преобразующую тепло в электроэнергию.

Принцип работы и конструкция

Конструкция солнечного коллектора включает в себя:

  • Солнечные панели (абсорберы);
  • Накопительный бак;
  • Регулятор;
  • Циркуляционный насос;
  • Разнообразные датчики, которые находятся как в накопителе, так и в самом коллекторе, в том числе и датчики температуры;
  • Узел, подключающий установку к подаче холодной воды;
  • Узел, подключающийся для водостока горячей воды.

Коллектор улавливает и поглощает солнечные лучи своей поверхностью. Далее эта установка преобразовывает лучи в тепловую энергию. Тепловая энергия, в свою очередь, накапливается в отопительной системе, то есть воздействует на теплоноситель. Как и в каждом отопительном оборудовании, тут есть тепловые потери, но для того чтобы минимизировать эти потери, есть специальные термоизолирующие ящики, которые состоят из прозрачных стенок.

Рис. 1 Конструкция плоской гелиоустановки

Через абсорбер, который собственно и собирает энергию, протекает теплоноситель. Теплоноситель в данной системе может состоять из воды и антифриза (или др. зависимо от вида гелиоустановки). Циркулирует эта смесь от солнечного коллектора, до резервуара с водой. В комплектации есть специальный регулятор, благодаря которому установка запускается. Циркуляционный насос начинает действовать, когда в гелиоустановке температурный режим выше, чем температура содержимого системы отопления.

Конструкционные особенности абсорбера могут быть разные. Например, он может состоять из специальных металлических пластин, которых достаточно много. Также возможен вариант с абсорбером в виде двух листов алюминия и меди, которые соединены между собой, так что теплоноситель циркулирует между ними.

Принцип работы солнечных коллекторов

Немного физики

Солнце – источник тепла. Лучи небесного светила (видимые и невидимые) переносят большое количество энергии, поэтому ультрафиолетовое и инфракрасное излучение ещё называют радиацией. Свет, попадающий на предметы, «впитывается» материалами, молекулы в них начинают двигаться быстрее, поверхности нагреваются. Это явление и применяют в системах отопления солнечными коллекторами.

Перспективы отопления гелиосистемами в течение года

Объекты по-разному воспринимают солнечное облучение. Они могут быть прозрачными для одного вида радиации, собирающими для другого, и наоборот. Некоторые материалы одновременно впитывают и отражают солнечные лучи. Негладкие матовые поверхности чёрного цвета улавливают энергию интенсивнее, чем светлые, блестящие и гладкие. Больше лучей – больше потенциального тепла.

Как гелиосистема «снимает» и использует солнечную энергию

В отличие от фотоэлектрических панелей (солнечных батарей), гелиосистема не вырабатывает электроэнергию. Солнечные коллекторы для отопления дома сами греют теплоноситель, без вспомогательных электрических приборов. Горячий теплоноситель попадает в специальную ёмкость, где через теплообменник передаёт тепло воде из системы отопления (получается своеобразный первичный замкнутый контур с независимой циркуляцией носителя). Накопительный бак, в свою очередь, интегрируют в отопительную систему с твердотопливным, дизельным или электрическим котлом в качестве основного теплогенератора.

Принципиальное устройство воздушного солнечного коллектора

Есть модели, в которых теплоносителем выступает воздух, прокачиваемый вентиляторами по системе каналов в заданные зоны. Они не так продуктивны, как водяные, но пригодятся для отопления технических помещений, теплиц, подготовки воздуха системы вентиляции или сушки сельхозпродукции. Главное достоинство – всесезонность (нет жидкостей – нет проблем с их замерзанием).

Читайте также:  Инфракрасные обогреватели и панели для отопления частного дома

Важно! Отопление от солнечных коллекторов – не единственный вариант применения солнечной энергии в быту. Тепло, «произведённое» гелиосистемой, используют для запитки контура ГВС, подготовки воды в бассейнах и других нужд.

Разновидности коллекторов

Гелиосистема — это система преобразования солнечной энергии в любую другую, в том числе и тепловую энергию. Существует несколько основных типов коллекторов, которые отличаются между собой конструктивно: воздушный, плоский, коллекторно-концентратный и вакуумный. Помимо конструктивных отличий они еще отличаются по эффективности, но при этом и сложность установки у них разная.

Воздушный

Воздушный. Эта система основывается на эффекте парника. То есть некий короб, внутренняя часть которого окрашивается в черный цвет для лучшего нагрева, а сверху его закрывают стеклом или иным прозрачным материалом. Воздушный поток можно перемещать с помощью нагнетателя. Из плюсов такой гелиосистемы можно отнести легкость и простоту монтажа, нет необходимости в каких-то специальных устройствах. Стоит взять в расчет, что теплоносителем является воздух, а значит, полностью исключена возможность протечки. К минусам относится невысокий КПД из-за прямой зависимости от погодных условий, невозможность использовать зимой в северных широтах. Такой коллектор чаще используют, как дополнение к основному.

Плоская гелиосистема

Плоская гелиосистема. Это уже профессиональное оборудование, которое представляет собой панели, защищенные сзади теплоизоляцией, а сверху покрытые рельефным поликарбонатом или закаленным стеклом. Увеличить нагревательный эффект позволяет дополнительное оптическое покрытие. Внутри такой панели проходит теплопроводная система труб, которая и разносит тепло по дому. Из минусов стоит взять в расчет достаточно большие теплопотери, несмотря на присутствие теплоизоляции в устройстве, поэтому, данная система проявит себя во всей красе лишь в южных широтах, а также большая парусность и сложность монтажа. Положительная сторона плоской модели — в высокой производительности в подходящих условиях.

Коллекторно-концентратная система

Коллекторно-концентратная система. Расчет сделан на параболоцилиндрический отражатель, вмонтированный под прозрачной поверхностью. Такая гелиосистема нагревает не какой-то конкретный теплоноситель, а прогревает сразу воздух в помещении. Эффективность такого устройства повышают датчики слежения за солнцем.

Вакуумный метод

Вакуумный метод. Данная конструкция схожа с плоской гелиосистемой. Стеклянные трубки размещены на темном покрытии в специальных секциях, но эффективность вакуумной схемы превышает все остальные. Расчет сделан по принципу термоса. Это полностью исключает возможность теплопотери. Внутри стеклянной колбы размещен медный стержень, при этом колба имеет двойное остекление, между которым как раз и находится вакуум. Даже зимой, когда температура окружающей среды находится в отрицательных значениях, вакуумная гелиосистема отлично работает. К минусам можно отнести то, что данную установку вряд ли получится собрать самостоятельно из-за технически сложного устройства, а так же особенностей монтажа.

Принцип действия и конструкционные особенности

Чаще всего её делают алюминиевой или медной. Всё устройство находится в прочном и герметичном теплоизолированном корпусе, сверху его закрывает особое стекло.

Конструкцию направляют к югу и наклоняют так, чтобы добиться наибольшей инсоляции. Попадание холодных воздушных масс в приёмную часть происходит в естественном или принудительном порядке.

Далее они, проходя через рёбра адсорбента, оказываются в воздуховоде, идущем внутрь дома. При этом в процессе передвижения они нагреваются от солнечной энергии.

Типы солнечных коллекторов

  • Воздушный солнечный коллектор для отопления концентратор. Он имеет довольно простой принцип действия, именуемый «парниковый эффект». То есть, инфракрасное излучение, попадая через специальное покрытие, которое проводит свет, на  теплоприемник, полностью поглощается. В свою очередь, теплоприемник после получения порции заряда отдает тепло определенному объему воздуха. И уже  именно этот горячий воздух и способствует быстрому обогреву помещения.

Воздушный солнечный коллектор

  • Подвижные аккумуляторно-образующие системы. Преимущество данных систем в том, что они имеют специальный датчик, который поворачивает светопоглощающую поверхность вслед за перемещением солнца. Таким образом, лучи постоянно подают на коллектор под прямым углом. Несмотря на это, система не является популярной, поскольку ее стоимость значительно выше.
  • Плоское светопоглощающее устройство. По сути – это небольшой черный ящик со стеклянной поверхностью, который накапливает энергию попадающих на него лучей. Модель является весьма распространенной ввиду своей функциональности и относительно доступной стоимости.
  • Трубчатый коллектор. Такая система состоит из большого количества ровно уложенных трубочек черного цвета, которые заполнены теплоносителем. Разница в температуре теплоносителя верхних и нижних трубок стимулирует его циркуляцию. Преимущество круглых элементов системы в том, что они имеют большую площадь поглощающей поверхности – это положительно влияет на КПД системы.
Читайте также:  Как определить расход газового котла на пропане?

Строение солнечного трубчатого коллектора

  • Вакуумный солнечный коллектор для отопления. По сути, это подвид трубчатой системы. Разница лишь в том, что черная трубка проходит внутри другой – стеклянной трубы, большего диаметра. Между стенками вакуумные коллекторы для отопления имеют вакуумное пространство, которое является своеобразной теплоизоляцией.
  • Коллектор-концентратор излучения. Данная система является одной из наиболее сложных технически. Прежде всего, она оснащена специальными рефлекторами, которые «собирают» (фокусируют) солнечные лучи с большого пространства, и направляют их на значительно меньший по площади принимающий элемент. На плотность потока солнечной энергии влияют также специальные зеркала. Еще одним достоинством системы являются датчики, которые следят за перемещением солнца, способствуя увеличению результативности работы коллектора.

Коллектор-концентратор излучения

Эффективность работы

Гелиосистемы работают круглогодично. Даже при высокой облачности до земли доходит достаточное количество солнечных лучей, что позволяет обеспечить работу системы. Помимо этого устройства вполне безопасны для природы и человека. Система проста в обслуживании и имеет нормальный внешний вид. К достоинствам коллекторов относят:

  • возможность автономной работы при любой погоду и условиях;
  • длительный срок эксплуатации;
  • затраты на установку окупаются уже через несколько лет;
  • независимость от цен на электричество и другие ресурсы;
  • возможность применения для обогрева различных сооружений;
  • легкость внедрения в любую систему отопления;
  • безотходная работа;
  • минимальная нагрузка на коммуникации дома;
  • оптимизация расходов.

К подключению приборов нужно подойти очень внимательно

Помимо этого стоит отметить, что коллекторы имеют некоторые недостатки:

  1. На приобретение и установку системы понадобится немало денежных средств. Стоимость оборудования зависит от ее величины, комплектации и компании производителя. Даже небольшие модели будут стоить сравнительно дорого.
  2. На эффективность функционирования системы влияет не только погодные условия, но и ландшафт, особенность конструкции перекрытия и другие факторы. В результате хромает не только работа оборудования, но и срок ее окупаемости.

При естественной циркуляции производительность системы невысокая. Поэтому часто имеет смысл обустройства принудительной циркуляции теплоносителя. Такой вариант актуален в средней полосе проживания. Если речь идет о южных регионах, то установка коллекторов позволяет значительно снизить затраты на обогрев дома.

Важно! Чтобы определить эффективность системы, нужно провести соответствующие расчеты, при которых учитывается многие факторы.

Строение панели

Вопросы выбора

Основа всех солнечных установок

В вопросах приобретения коллектора мнения специалистов расходятся. Покупатель вынужден самостоятельно принимать решение, опираясь на характеристики конкретного вида устройств.

Вакуумные модели, несмотря на низкий КПД, не боятся морозов. Им не грозит замерзание теплоносителя. Это существенный нюанс, который аргументирует выбор покупателей этого вида установок.

Плоские модели отличаются простотой конструкции. Отсутствие сложных механизмов делает их предпочтительными для тех, кто ценит надежность и прочность.

Вакуумные устройства более хрупки, но они обеспечивают отличное отопление на солнечных коллекторах в домах, где нужно нагреть теплоноситель до высоких температур. Дело в том, что плоские модели эффективно работают при условии, что разница температур внутри помещения и снаружи колеблется в диапазоне 20-40 градусов Цельсия. Другими словами, их использование в зимний период довольно проблематично. При слишком низких температурах за окном вряд ли удастся достичь комфортного микроклимата в доме.

К тому же при пасмурной погоде вакуумные аналоги выработают значительно больше тепла по сравнению с плоскими. С другой стороны, срок их службы несколько ниже, чем у конкурентов (средний составляет 15-30 лет). Однако в их пользу говорит и тот факт, что оборудование удобно в обслуживании. При повреждении вакуумного коллектора достаточно заменить вышедший из строя элемент, тогда как в плоском аналоге придется восстанавливать всю абсорбирующую систему.

Читайте также:  Как вернуть переплату за отопление – порядок действий

Виды солнечных коллекторов

Планируя солнечный коллектор своими руками и установить в доме, необходимо определиться с типом конструкции:

  • Воздушный
  • Вакуумный
  • Плоский

Модели, у которых теплоносителем является воздух, используются крайне редко. Это связано со свойствами жидкости — тепло она проводит значительно лучше, чем газ. Воздушные коллекторы чаще делают плоской формы, чтобы воздух, контактируя с поглощающим устройством, естественным образом нагревался.

схема воздушного солнечного коллектора

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные модели самые сложные. Вместо коробки, которая покрывается стеклом, у него используются большие по габаритам трубки из стекла. Внутри них имеются трубочки с меньшим диаметром, в которых находится абсорбер, собирающий тепловую энергию. Между трубками – вакуум, он выполняет роль теплоизолятора.

схема вакумного солнечного коллектора

Плоские солнечные коллекторы

Самым распространенным является плоский солнечный коллектор, внутри которого располагается специальный абсорбирующий слой, помещенный в стеклянную коробку. Он соединяется с трубками, по которым перемещается жидкий теплоноситель (чаще пропилен-гликоль).

схема плоского солнечного коллектора

Но решаясь смастерить солнечный коллектор своими руками, необходимо понимать, что сделать столь сложные устройства невозможно, аналогичные промышленным. К тому же, их КПД будет значительно ниже, меньше эксплуатационный срок, но и материальные вложения тоже.

Хотите узнать больше про альтернативное отопление дома ?

Читайте так же, о том как сделать отопление дома на солнечных батареях

Типы вакуумных солнечных коллекторов

Все вакуумные солнечные коллекторы имеют похожие конструкции и принципы работы, но технологически все же отличаются.

Виды вакуумных тепловых коллекторов: 1. С редуцированной конвекцией. 2. Стандартный плоский. 3. С прозрачной теплоизоляцией. 4. Без стеклянного покрытия. 5. Вакуумный плоский. 6. Воздушный.

Они могут иметь разный тип трубок: 1. Перьевые. 2. Коаксиальные.

Типы каналов являются еще одной различительной особенностью: 1. Heat pipe. 2. Прямоточные.

Коаксиальная колба

Коаксиальную трубку можно сравнить с конструкцией обычного термоса. Это двойная колба, а между ее стенками искусственно создан вакуум. Именно он дает возможность передавать тепло непосредственно от стеклянных трубок. На вторую внутреннюю трубку нанесен специальный раствор, который помогает более эффективно поглощать тепло. Само стекло создано из боросиликата, который помогает лучше пропускать свет и делает колбу более прочной. Коаксиальные трубки выдерживают давление до 1 МПа, легко переносят разные погодные условия, а служат около 15 лет.

Перьевая трубка

В отличие от коаксиальной перьевая является более толстостенной трубкой, ведь она состоит не из двух, а из одной колбы. Внутренняя медная трубка усиливается ребристой пластиной, которая покрыта энергопоглащающим слоем. Именно за счет внешнего вида пластины, похожего на перо, эта трубка и получила название перьевая. Вакуум создается внутри теплового канала.

Такой тип трубок имеет более высокий КПД, но и цена их выше, а также их довольно трудно менять, если они выходят из строя.

Тепловая трубка «Heat pipe»

Тепловые каналы типа «Heat pipe» укомплектованы запаянными трубками, в них находится легкоиспаряющееся вещество. При нагреве от солнечных лучей оно испаряется и попадает в верхнюю часть канала, где собирается в теплосборнике. Сам рабочий элемент в таких каналах может быть как медным, так и алюминиевым. Они надежно служат и стойкие к эксплуатационным нагрузкам. Также их цена не слишком высока и легко меняются при выходе из строя. Все эти особенности делают их самыми популярными на рынке.

С прямоточным тепловым каналом или U-образные

Главным отличием таких каналов является то, что в трубку впаяно сразу два медных патрубка с жидкостью. Она поступает по одному каналу, проходит по стеклянной трубке при этом, нагреваясь, после отправляется по другому каналу в бак накопления.

Прямоточные каналы имеют большую гидравлическую сопротивляемость, а к теплоносителю предъявляются повышенные требования. Также они довольно дорогие, не могут выдерживать высокого давления и в холодное время года являются неэффективными. Они неразборные, цельная конструкция, поэтому заменить одну трубку не получиться.