Принцип работы солнечного коллектора, виды, особенности

Наша звезда по имени Солнце каждый даёт нам бесплатно неограниченное количество энергии. Причём эта энергия практически неисчерпаема. Поэтому всё больше разработок мы видим в области солнечной энергетики. В развитых странах постоянно работают над тем, как поднять эффективность устройств, преобразующих солнечный свет в энергию. Это может быть электрическая энергия или тепловая. О сборе тепловой энергии мы сегодня и будем говорить. Ведь сколько тепла на халяву можно собрать из солнечного света в летнее время. А при наличии соответствующего оборудования, и в зимний период также. В ясную погоду Солнце «одаривает» каждый квадратный метр энергией 500─800 ватт/час. То есть, солнечный коллектор компактных размеров вполне может обеспечить отопление частного дома или его горячее водоснабжение. Солнечный коллектор представляет собой систему сбора солнечного тепла, в которой теплоносителем может быть воздух, вода, антифриз и т. п. В этой статье мы рассмотрим эти виды, поговорим об их эффективность и принцип работы.

Как могут использоваться тепловые коллекторы в хозяйственной деятельности? Собранное ими тепло можно пустить на:

Горячее водоснабжение ванной комнаты, душа, кухни;
Система обогрева сада, теплицы и других подобных конструкций практически круглый год;
Вспомогательный источник нагрева воды для отопительной системы осень и зимой.

Если вы ни разу не имели дело с солнечными коллекторами, то внимательно отнеситесь к их выбору. К примеру, жидкостные плоские и вакуумные модели достаточно сильно отличаются друг от друга по цене и эффективности работы. Вакуумные, к примеру, делаются только фабрично, а плоские часто изготавливаются кустарным способом. Перед покупкой обязательно прочитайте отзывы о разных типах коллекторных установок. Вам станет понятно, какие результаты и сложности могут подстерегать вас в этом направлении.

Коллекторных установок по сбору солнечного тепла много. Попробуем выделить основные группы.

Плоские или вакуумные системы. Могут иметь естественную, но чаще всего принудительную циркуляцию теплоносителя. Обычно это стационарные установки, некоторые из которых работают в летний сезон, а другие круглый год;
Воздушные коллекторы. Тепло собирается с абсорбера при помощи воздушного потока. Циркуляция также может быть естественной или принудительной. Этот тип установок проще и дешевле остальных, но имеют самый низкий КПД;
Третья группа систем может использовать тепло для преобразования его в электричество (пароэлектрические и термохолодильные установки). Цена на эти устройства большая и они мало распространены в частном секторе.

Принцип работы солнечных коллекторов

Принцип работы солнечного коллектора заключается в сборе тепла и передаче его теплоносителю, циркулирующему в нём. Коллектор является ключевым элементом гелиосистем. Так сказать, их сердцем. Но помимо него туда входит ещё немало компонентов, о которых будет сказано ниже. Самый распространённый вариант коллектора – это плоский. Он имеет в своём составе абсорбер, поглощающий солнечное излучение и преобразующий его в тепло. Чтобы минимизировать потери тепла, абсорбер расположен в ящик с прозрачной передней стенкой и теплоизоляцией.

Через абсорбер прогоняется или идёт самотёком теплоноситель. В этой роли используют воду, антифриз или их смесь. Циркуляция поддерживается между коллектором и накопительной ёмкостью с горячей водой. Гелиосистема управляется посредством специального регулятора. Это своеобразный контроллер солнечного коллектора. Этот регулятор отслеживает, когда жидкость в резервуаре доходит до заданной температуры. После этого включается насос и начинается циркуляция теплоносителя. В большинстве случаев абсорберы делают из змеевика и массивного металлического листа. Как правило, для этого используют медь и алюминий.

Теплоноситель проходит по змеевику и идёт процесс теплообмена. Есть исполнения в виде двух сваренных листов металла, между которыми проходит жидкость-теплоноситель. Для изготовления коллекторов, нагревающих воду для бассейна, часто используют пластиковые трубы в качестве змеевика. Соответственно, и нагрев теплоносителя здесь происходит значительно меньше.

Теперь стоит поговорить о том, что включают в себя подобные гелиосистемы. В состав коллекторной установки входят следующие компоненты:

Коллектор;
Расширительный бак;
Температурные датчики (в коллекторе, накопителе, для подогрева воды и т. п.);
Система подключения для подключения холодному водоснабжению;
Регулятор;
Система стока горячей воды;
Насос.

Используя стандартные решения для отопления дома, можно постоянно получать в своё распоряжение необходимый объём горячей воды. Если используется солнечный коллектор, то в какой-то момент его мощности хватает для нагрева необходимого количества воды, а в следующий момент он простаивает или его выработка значительно снижена.

Поэтому чаще всего солнечные коллекторы, как правило, интегрируются в систему отопления с котлами на традиционных источниках энергии. С их интеграцией проблем не возникает, поскольку коллекторные системы могут быть легко установлены на здании. Пока ещё гелиотехнологии недостаточно развиты для того, чтобы эффективно работать без обычных электрических или газовых котлов.

Виды

Давайте рассмотрим основные конструкции солнечных коллекторов.

Воздушные

Как понятно из названия, теплоносителем в таких коллекторах является воздух. Такие конструкции очень просты, надёжны и обходятся недорого. Очень часто их делают своими руками без особых проблем. Абсорбер в таких коллекторах представляет собой батарею вертикальных трубок (каналов), которые выкрашены в чёрный матовый цвет. В основе функционирования такой системы лежит прогон воздуха по этим трубам для его нагрева.

Среди плюсов воздушного коллектора можно отметить:

Простота и высокая надёжность;
Простой монтаж, дешевизна;
Расход электричества минимален (на вентилятор) или его нет (когда воздух идёт самотёком).

Конструкция этой системы обычно делается из алюминиевых трубок с тонкой стенкой. Часто в сети можно встретить примеры, где работает солнечный коллектор из пивных банок. При этом поверхность этих банок окрашена в чёрный матовый цвет. В этой батарее есть воздуховоды для подачи холодного и отвода нагретого воздуха. В холодном подводе ставится вентилятор с, так называемым, нулевым сопротивлением. При необходимости он отключается, и воздух идёт самотёком. А этот вентилятор должен создавать для него как можно меньшее сопротивление. Воздухозаборник позволяет изменять количество воздуха, который забирается из помещения, а также извне.

По производительности и эффективности воздушные коллекторы несколько уступают плоским жидкостным установкам. Они могут хорошо нагреть помещение, только при максимальной освещённости солнечным светом. Мощность таких систем регулируется в зависимости от числа труб в абсорбере. Очень часто подобные установки применяют в системах отопления и сушки хозяйственных, складских помещений, хранятся овощи и фрукты.

Жидкостные

В этой группе рассмотрим коллекторные системы с жидким теплоносителем.

Плоские

Плоский солнечный коллектор имеет в своём составе абсорбер, корпус и теплоизоляцией и прозрачным покрытием с одной стороны. В роли прозрачного покрытия может использоваться стекло, поликарбонат. В самодельных установках иногда можно встретить прозрачный пластик или полиэтилен. Лучше всего использовать стекло, которое хорошо пропускает коротковолновые солнечные лучи. Кроме того, у обычного прозрачного стекла без напыления небольшое отражение лучей от поверхности.

Помимо пропускания света, прозрачное стекло или другой материал должны защищать абсорбер от воздействия окружающей среды. При фабричном производстве корпусов используется алюминий или оцинкованная сталь. В последнее время встречаются установки, в которых корпус выполнен из синтетических материалов.

Теплоизоляция корпуса делается внутри с оборотной стороны и по бокам. Это позволяет значительно понизить потери тепла. В качестве изоляционного материала может быть использован полиуретан или минеральная вата. А также часто используют стекловолокно, стеклопластик, стекловату прочие подобные материалы.

Плоские коллекторные установки привлекают отличным соотношением цены и производительности. Стоит также отметить различные способы их монтажа. Они ставятся на крыше, на стене здания. Могут быть и отдельно стоящие установки. Чтобы снизить потери от конвекции в корпусе коллектора, производители использует разные методы. Один из таких методов предполагает откачку воздуха в помещение.

Вакуумные

Плоские коллекторы выгодны по цене, привлекают простотой и надёжностью, но эффективно работают только в солнечный день. Кроме того, они становятся бесполезными зимой. Даже осенью и весной эффективность таких систем сильно падает. Если вы хотите использовать коллектор в северных широтах в любое время года, придётся покупать вакуумный аппарат.

Вакуумные коллекторы (часто их ещё называют трубчатыми) обладают высокой эффективностью. Сердцем системы являются вакуумные трубки. Принцип действия – это известная из физики тепловая трубка. Такая конструкция обладает высокой теплопроводностью. Тепло на одном конце трубки собирается и передаётся на противоположный конец.

Один элемент такого коллектора является своеобразной колбой из стекла высокой прочности. Внутри оно имеет зеркальное напыление. Поскольку зеркало одностороннее, то лучи солнца попадают внутрь колбы и не выходят обратно. В результате медная тепловая трубка поглощает максимальное количество солнечной энергии. А чтобы тепло не терялось в окружающую среду, трубка помещена в другую трубку, а между ними создан вакуум. Тепловую энергия, получаемую от солнца, медная трубка передаёт теплоносителю (тосол, масло) внутри себя самой. Он, в свою очередь, передаёт тепло воде во внешнем контуре. Это называется схема косвенного нагрева. И также тепло трубка может отдавать напрямую воде, циркулирующей в системе. Это схема прямого нагрева.

В чём заключаются плюсы вакуумных коллекторов?

В три─четыре раза более эффективны, чем плоские модели;
Работают даже в зимнее время года;
Имеют небольшую чувствительность к углу падения света от солнца. Даже при острых углах падения эти системы функционируют нормально;
Конструкция весит немного и может быть установлена прямо на крыше дома без создания несущих конструкций.

Стоит отметить, что запас прочности стекла позволяет выдержать удары градин до 2 сантиметров в диаметре. Кроме того, оно выдерживает многократные циклы нагрев-охлаждение. Периодически нужно очищать поверхность трубок. Это делается мойкой тёплой водой, лучше в вечернее время. Многие спрашивают, а как рассчитать площадь солнечного коллектора для нагрева определённого объёма воды. Можно сказать, что коллектор площадью один квадратный метр даёт в сутки около 60 литров воды температурой 60─70 градусов.

Хотя эти данные могут значительно отличаться для продукции различных производителей. Полезным можно назвать такую возможность, как самостоятельную проверку вакуумных трубок. Их работоспособность можно оценить без специального инструмента. Для этого к нижнему торцу трубки неработающей системы нужно приложить ладонь. Трубка считается нормальной, если место прикосновения долго остаётся холодным и не появляется никакого налёта в области прикосновения.

Вода из накопительной ёмкости может подаваться, как самотёком, так и с помощью насоса небольшой мощности. С последним резервуар заполняется значительно быстрее. Есть довольно сложные конструкции, где солнечный коллектор соединяется тепловым накопителем, системой отопления, горячего водоснабжения и электроникой для управления. Стоимость подобных систем может доходить до нескольких тысяч евро. Производители заявляют, что срок службы устройств составляет до 25─30 лет.

Солнечный коллектор для отопления дома был изобретен сравнительно недавно. Как и любая новая технология, стоимость его довольно высока, однако эта разновидность климатической техники способна помочь значительно сэкономить ресурсы.

Подобные конструкции также имеют второе название – гелиосистемы . Ежегодно данное оборудование способно произвести порядка 600-800 киловатт тепловой энергии всего на один квадратный метр площади устройства. Получается, что в холодное время года подобное устройство способно взять на себя отопительные функции приблизительно трети жилого дома.

Принцип функционирования солнечного коллектора по своим основам очень похож на . В нем накапливается энергия, содержащаяся в солнечном свете, она направляется на специальный нагревательный элемент, который представляет собой панель в несколько квадратных метров.

По большому счету, такой элемент является самой обыкновенной солнечной батареей, солнечные лучи, попавшие на него, передают свою энергию так называемому теплообменнику. В нем содержится теплоноситель, например, воздух, вода или антифриз. Он под действием поступившего количества теплоты разогревается и направляется в отопительную систему, где начинает циркулировать по квартире или дому. Солнечные коллекторы позволяют хорошо сэкономить на расходах, связанных с отоплением.

Чтобы конструкция функционировала наиболее эффективно, разработчики смогли совместить электричество и энергию солнечных лучей. Дело в том, что в зимний период солнце можно найти на небосклоне далеко не всегда. Из-за этого выходит, что данный обогревательный прибор не сможет функционировать в полной мере. Благодаря подключению к электрической сети осуществляется принудительная циркуляция теплообменника по системе, что делает затраты минимальными. Стоит отметить, что подобное устройство устанавливать рационально только в домах с большой площадью.

Некоторые специалисты утверждают, что гелиосистема окупается довольно долго, однако эта точка зрения ошибочна. Если сложить все средства, вложенные в данное оборудование и техническое обслуживание, то они вернутся приблизительно в течение трех-пяти лет. Чем регулярней его будут использовать, тем быстрее он окупится. Более того, необходимо принимать во внимание, что расходы на отопление с каждым годом становятся все больше и больше из-за постоянного роста тарифов.

Существует своя классификация данных устройств, которая базируется на их конструкции:

Плоский;
Воздушный;
Вакуумный.

Плоская конструкция внешне похожа на ящик, выполненный из алюминия, внутри которого находятся трубки из медных материалов. На дне ящика находится довольно толстый теплоизоляционный слой. Сверху изделие закрыто специальными материалами, например, закаленным стеклом или пропиленегликолем. Именно данная поверхность и будет поглощать в себя тепло солнечных лучей. Среди всех видом изделий эта конструкция является наиболее прочной и долговечной, поэтому она рекомендована для установки в регионах, где регулярно выпадает дождь или снег.

Однако у плоского коллектора имеется один довольно существенный недостаток: если он выходит из строя, то это будет касаться всей отопительной системы. Ремонту, как правило, не подлежит, его придется сразу менять и устанавливать новый. Его можно применять не только для обогрева, но и для горячего водоснабжения, однако его производственной мощности хватит лишь для того, чтобы прогреть температуру всего на 20-30 градусов выше по сравнению с температурой окружающей среды. Данная модель является самой дешевой среди всех других видов.

Конструкция воздушного коллектора функционирует по принципу парникового эффекта. Солнечные лучи, притянутые рабочей поверхностью, будут полностью поглощаться. Эта тепловая энергия прогревает массу воздуха, которая находится внутри конструкции. В ней может быть предусмотрен специальный вентилятор, передающий горячий воздух дальше в жилые помещения, однако имеются устройства, обеспечивающие естественную циркуляцию. Данный коллектор представляет собой прочную, надежную и очень долговечную конструкцию, которая практически не будет нуждаться в проведении ремонтных работ. Их недостаток заключается в том, что диапазон прогрева воздуха не слишком большой.

Вакуумный коллектор состоит из системы медных трубок, размещенных в стеклянном сосуде довольно большого объема. Между стенками воздуха нет, он полностью откачан. Вакуум в данном случае выполняет функцию теплоизолятора и одновременно проводника.

Все элементы располагаются в ряд, что позволяет поглотить как можно большее количество солнечной энергии. В зависимости от того, какой протяженности будут трубки, можно будет рассчитать, сколько тепла они станут давать. Для не слишком большого дома вполне подойдут трубки, длина которых не будет превышать два метра с внутренним диаметром 6 см. Стекло, используемое в данной конструкции, отличается хрупкостью, поэтому такие осадки, как град, а также упавшие ветки и прочие физические воздействия могут привести к тому, что она выйдет из строя.

Ремонтные работы в этом случае связаны с необходимостью замены трубки, которая вышла из строя, что является несомненным плюсом, так как нужды в полной замене системы не будет. В зимний период эффективность от использования такого солнечного коллектора значительно выше по сравнению с плоскими устройствами. Это связано с его возможностью лучше прогревать воду и сохранять тепло в течение долгого времени. Коллекторы вакуумного типа, используемые для прогрева дома, обычно имеют только самые положительные отзывы со стороны потребителей, так как можно приобрести изделия различных размеров, поэтому они подойдут даже для достаточно больших домов. Это позволяет хорошо сэкономить на отоплении, не снижая при этом показатели коэффициента полезного действия.

Стоит отметить, что коллекторы могут быть сезонного использования и круглогодичного применения. Первая разновидность может функционировать только в том случае, если температура окружающей среды не ниже ноля градусов. Круглогодичные являются универсальными конструкциями, однако их стоимость будет значительно выше.

Осуществляя выбор солнечного коллектора, следует учитывать не только собственные финансовые возможности, но и ряд других параметров:

Требуемая мощность;
Площадь крыши, так как коллектор устанавливается обычно именно там.

Положительные и отрицательные качества коллекторов

Как и любое другое устройство, коллектор обладает сильными и слабыми моментами. Это также следует принимать во внимание, так как благодаря им удастся определить – имеется ли необходимость монтировать гелиосистему или же выгоднее будет обойтись без нее.

Главным положительным моментом данного устройства является их полная экологичность, так как они не способны нанести вред окружающей среде. Для нагрева теплоносителя не применяются процессы горения, во время эксплуатации нет никаких отработанных материалов, соответственно, в атмосферу не выделяется никаких вредных веществ. Такие системы идеально подойдут для людей, которые больны заболеваниями органов дыхания.

Несмотря на то, что стоит солнечный коллектор для отопления довольно-таки дорого, он представляет собой весьма экономичную конструкцию. Начать экономить можно уже на монтаже, если заниматься этим самостоятельно, но большинство специалистов советуют обратиться за помощью к профессионалам. В течение пяти лет коллектор в полном объеме возвращают свою стоимость и начинают работать на то, чтобы сохранить средства и ресурсы.

Если сравнивать такую систему отопления с твердотопливным или газовым котлом, то применение котлов значительно дороже, так как год от года горючее продолжает становиться все дороже и дороже, а за солнечную энергию платить вовсе не придется. В летний период, когда солнце постоянно на небосводе, эффективность солнечных коллекторов значительно превышает пользу от котла.

Гелиосистемы поглощают тепло даже в случае, если в окружающей среде минимально освещение. Если конструкция будет собрана правильно, то даже в пасмурную погоду она станет давать нужное количество тепла.

Коллекторы представляют собой конструкции, совершенно не зависимые от подачи электрической или иной энергии. В некоторых регионах нашей страны солнце зачастую светит полгода, поэтому здесь можно и вовсе отказаться от использования исчерпаемых ресурсов типа газа или электроэнергии для отопления строения. Даже в случае, если наблюдаются периодические проблемы с подачей энергии, конструкция будет продолжать производить достаточное количество теплоты.

Гарантия на гелиосистемы составляет порядка 15 лет, однако здесь имеется ряд определенных нюансов: воздействие атмосферных осадков не является гарантийным случаем, поэтому следует тщательно продумать, как защитить коллектор от подобных поломок.

Главным отрицательным моментом гелиосистем является их стоимость. Одни из наиболее дорогих конструкций могут обойтись примерно в 10 тысяч долларов без установки и обслуживания. Производители говорят, что для установки такой конструкции не нужно получать никаких разрешений: в частности, для монтажа в индивидуальном жилом доме, действительно не придется оформлять никаких документов. Для установки на крыше многоквартирного дома нужно будет получить соответствующую бумагу от жилищного управления.

Вследствие того, что в большинстве регионов нашей страны довольно холодно и пасмурно, такие изделия на сегодняшний день не отличаются популярностью. Однако за пределами нашей страны, где люди гораздо больше заботятся о сохранности окружающей среды, их можно встретить значительно чаще.

На что обращать внимание при покупке коллектора?

Все гелиосистемы промышленного производства генерируют тепловую энергию, которая выражается в киловаттах. На этот показатель обязательно следует смотреть, так как существует вероятность приобрести либо слабую, либо чересчур мощную конструкцию. Очень важно проверить, насколько хорошо коллектор сохраняет полученное от солнечных лучей тепло, так как этот фактор будет играть одну из ключевых ролей, если его планируется устанавливать в холодных регионах.

При установке коллектор помещается в специальный каркас, который имеет определенную массу. Следует выяснить, насколько сильная конструкция крыши – может ли она выдержать массу данного оборудования. Если обрешетка слабая, то ее нужно будет предварительно усилить. В некоторых случаях коллектор размещают в вертикальной плоскости, что позволяет не допустить лишнего воздействия атмосферных осадков, но из-за этого несколько снизится коэффициент полезного действия оборудования.

Обзор лучших моделей

Среди плоских конструкций наилучшей считается FPC-2200. У этого устройства активная площадь составляет 2,1 квадратных метра. Коэффициент полезного действия, если правильно установить изделие, будет достигать 94%. С его помощью можно достичь температуры теплоносителя в 135 градусов, наибольшее давление в системе будет составлять 1МПа. Без каркаса устанавливать запрещено. Стоит порядка 30 тысяч рублем.

Лучшим воздушным коллектором считает SOLARVENTI SV3, он способен работать полностью в автономном режиме. Предназначен не только для жилых помещений, но и для складов, разного рода иных технических помещений. Максимальная площадь, которую он может обогревать составляет всего лишь 25 квадратных метров. Изделие отличается компактными габаритами, масса составляет около 6 см, его разрешается устанавливать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Стоит достаточно дорого – 40 тысяч рублей.

На сегодняшний день вакуумные модели на российском рынке не представлены. Такой коллектор будет хорошим дополнением к стандартной отопительной системе дома или квартиры.

Про солнечные коллекторы в наше время, слышали, почти все. В общих чертах, почти все понимают, что это устройство, которое помогает преобразовать энергию солнца в тепло. Однако, на самом деле, практически, практически, никто не знает, «что это такое и как оно работает».

Национальная энциклопедия строительства ProfiDom.com.ua публикует краткий курс – «ликбез» по основам теории солнечных коллекторов.

Принцип работы солнечных коллекторов уникален. Если в котлах нагрев жидкости происходит за счёт энергии, высвобождающейся при сгорании топлива, а в тепловых насосах - тепла почвы, воздуха или воды, то гелиоколлекторы получают его напрямую от главного источника тепла в Солнечной системе - Солнца.
Источник этот - неиссякаемый, экологичный, доступный всем на Земле и, что немаловажно, бесплатный. Правда, чтобы эффективно использовать его в бытовых целях для нагрева воды или теплоносителя, понадобится вложиться не только в сами солнечные коллекторы, но и в разнообразное оборудование, обслуживающее их. При этом. необходимо заранее учесть ряд специфических нюансов работы гелиоколлекторов и предусмотреть варианты защиты от некоторых из них.

Характерная черта солнечных коллекторов, отличающая их от других видов теплогенераторов, - их сезонность. Коллектор получает тепловую энергию из солнечных лучей, соответственно, нет солнца - нет тепла. Гелиоколлекторы вносят свой вклад в систему теплоснабжения только в светлое время суток, то есть днём, ночью же они пассивны. Продолжительность светового дня тоже играет роль: чем он короче, тем меньше коллектор получит энергии за сутки. Поэтому, один и тот же гелиоколлектор в разное время года будет получать разное количество тепла. Изменение производительности коллектора в зависимости от сезона - один из важнейших факторов, который необходимо учитывать при расчётах.

Пик эффективности солнечных коллекторов совпадает с пиком инсоляции. Больше всего тепла коллекторы приносят в период с мая по август. В межсезонье продуктивность коллекторов падает и достигает минимума к декабрю-январю. Однако, у приборов разных типов это снижение эффективности неодинаково. Дело в том, что производительность коллектора зависит от двух параметров - сколько энергии он получит от солнца и сколько тепла при этом потеряет из-за несовершенства конструкции. Поэтому производители принимают меры по повышению теплопоглощения - с одной стороны, и по снижению теплопотерь - с другой.

Разные конструкции - разный КПД
На рынке наиболее распространены гелиоколлекторы двух основных конструкций - плоские и вакуумные трубчатые, последние, также, принято подразделять на прямопроточные и с эффектом «тепловой трубки». Эти различия вызваны как раз поиском решений проблем получения и сохранения тепла солнечного излучения. Проблемы эти кроются в самом принципе работы коллекторов.

Как известно, солнечные лучи нагревают объекты неодинаково, и во многом, это зависит от поверхности. Одни покрытия отражают большую часть светового потока, другие, напротив, поглощают. Максимальным коэффициентом поглощения светового излучения обладают поверхности с чёрным покрытием, что и используется в гелиоколлекторах.

Основный рабочий элемент в их конструкции - абсорбер (поглотитель), представляющий собой обычно медную пластину с приваренной трубкой. Поверхность абсорбера, обращённая к солнцу, имеет специальное чёрное покрытие, чтобы лучи могли передать ей как можно больше тепловой энергии.

Пластина, а с ней и трубка быстро нагреваются, а циркулирующая по трубке жидкость забирает это тепло и транспортирует далее в систему. Но горячая пластина абсорбера начинает сама излучать тепло в окружающую среду и нагревать контактирующий с ней воздух. Чтобы этого не происходило, абсорбер изолируют от открытой атмосферы. Меры, увеличивающие количество получаемого от солнца тепла, обычно касаются стекла и абсорбера. У обычных стёкол есть ряд недостатков - они могут бликовать (то есть отражать часть солнечного света вместо того, чтобы пропускать его внутрь), к тому же часть лучей не попадает внутрь из-за их недостаточной прозрачности.

Поэтому, в высокотехнологичных гелиоколлекторах применяются специально разработанные стёкла с пониженным содержанием железа, отличающиеся большей прозрачностью, по сравнению с обычными. Они пропускают больше света, а значит, коллектор получит дополнительную тепловую энергию. Помимо этого, стекло часто снабжают антибликовым покрытием - оно уменьшает долю отражённого поверхностью света и тоже способствует увеличению производительности коллектора. Важна также и чистота - запылённое или запотевшее стекло, очевидно, пропускает меньше света. Чтобы внутрь коллектора не забивалась пыль и не попадала влага, его корпус нередко делают герметичным и даже заполняют инертным газом. Правда, эти меры нужны только для плоских коллекторов - у вакуумных моделей, о которых речь пойдёт ниже, таких проблем нет.

Что касается абсорбера, то здесь все технологии направлены на повышение его поглощающей способности. В дешёвых гелиоколлекторах пластину абсорбера нередко просто красят чёрной краской. Эффект от такого решения, конечно, есть, но незначительный, к тому же, краска может бликовать, а качество покрытия со временем ухудшается. Более дорогие технологичные модели коллекторов снабжены абсорберами с особым высокоселективным покрытием, которое не бликует, служит долго и очень хорошо поглощает солнечное излучение.

Но основные различия в конструкциях солнечных коллекторов заключаются в способах теплоизоляции. Плоский коллектор представляет собой прямоугольный металлический короб, закрытый сверху стеклом. Стенки и дно короба теплоизолированы - обычно минеральной ватой. Однако, такая изоляция несовершенна, потому что не исключает переноса тепла от абсорбера к стеклу посредством содержащегося внутри коллектора газа, да и минеральная вата тоже не исключает полностью теплопотери через корпус.

Поэтому, в вопросе сохранения тепла плоским коллектором важное значение имеет разница температур внутри коллектора и снаружи. Летом, когда воздух на улице хорошо прогрет, потери тепла малы, и коллектор почти всю энергию, полученную от солнца, направляет в систему. Но стоит уличной температуре снизиться, - и коллектор, который в межсезонье и зимой и так получает меньше тепла, начинает всё больше терять собранной энергии.

В результате, плоские коллекторы очень эффективны в конце весны и летом, но в холодную погоду собирают крайне мало тепла. Вакуумные трубчатые коллекторы обладают более совершенной теплоизоляцией. У них абсорберы расположены внутри стеклянных трубок, между стенками которых - вакуум. Перенос тепла газовой средой в таком коллекторе невозможен, ввиду отсутствия самого газа, как такового. Поэтому, теплопотери вакуумных коллекторов минимальны даже при сильных морозах.

Различные солнечные коллекторы появились на рынке достаточно давно. Это устройства, использующие энергию солнца для нагрева воды на домашние нужды. Но приобрести популярность среди пользователей им мешает высокая стоимость, это беда всех альтернативных источников энергии. Например, общие затраты на приобретение и монтаж установки, что обеспечит нужды средней семьи, составят 5000$. Но выход есть: можно сделать солнечный коллектор своими руками из доступных по цене материалов. Какими способами это реализовать, будет рассказано в данном материале.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип действия коллектора основан на поглощении (абсорбции) тепловой энергии солнца специальным приемным устройством и передачей его с минимальными потерями теплоносителю. В качестве приемника используются медные или стеклянные трубки, окрашенные в черный цвет.

Ведь известно, что лучше всего абсорбируют тепло предметы, имеющие темную или черную окраску. Теплоносителем чаще всего выступает вода, иногда – воздух. По конструкции солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения бывают таких видов:

воздушные;
водяные плоские;
водяные вакуумные.

Среди прочих воздушный солнечный коллектор отличается простотой конструкции и, соответственно, самой низкой ценой. Он представляет собой панель – приемник солнечной радиации из металла, заключенный в герметичный корпус. Стальной лист для лучшей теплоотдачи снабжен с задней стороны ребрами и уложен на дно с тепловой изоляцией. Спереди установлено прозрачное стекло, а по бокам корпуса имеются проемы с фланцами для подключения воздуховодов или других панелей, как показано на схеме:

Воздух, поступающий через проем с одной стороны, проходит между стальными ребрами и, получив от них тепло, выходит с другой.

Надо сказать, что установка солнечных коллекторов с нагревом воздуха имеет свои особенности. Из-за их невысокой эффективности для обогрева помещений нужно применять несколько подобных панелей, объединенных в батарею. Кроме того, обязательно понадобится вентилятор, поскольку нагретый воздух из коллекторов, находящихся на кровле, самостоятельно вниз не пойдет. Принципиальная схема воздушной системы показана ниже на рисунке:

Простое устройство и принцип работы позволяют выполнять изготовление коллекторов воздушного типа своими руками. Но потребуется много материала для нескольких коллекторов, а подогреть воду с их помощью все равно не получится. По этим причинам домашние умельцы предпочитают заниматься водяными нагревателями.

Конструкция плоского коллектора

Для самостоятельного изготовления наибольший интерес представляют плоские солнечные коллекторы, предназначенные для нагрева воды. В корпусе из металла или алюминиевого сплава прямоугольной формы размещен тепловой приемник - пластина с запрессованным в ней змеевиком из медной трубки. Приемник выполняется из алюминия или меди, покрытой абсорбционным слоем черного цвета. Как и в предыдущем варианте, снизу пластина отделена от дна слоем теплоизоляционного материала, а роль крышки играет прочное стекло или поликарбонат. Ниже на рисунке изображено устройство солнечного коллектора:

Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

Данный вид – самый популярный среди покупателей из-за оптимального соотношения цена - качество, а среди домашних мастеров - по причине относительно несложной конструкции. Но применять такой коллектор для отопления можно лишь в южных регионах, с понижением температуры наружного воздуха его производительность значительно падает из-за высоких тепловых потерь через корпус.

Устройство вакуумного коллектора

Еще один вид водяных солнечных нагревателей изготавливается с применением современных технологий и передовых технических решений, а потому относится к высокой ценовой категории. Таких решений в коллекторе реализовано два:

тепловая изоляция с помощью вакуума;
использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.

Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:

Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.

Благодаря своему устройству вакуумные нагреватели не боятся низких температур и сохраняют свою работоспособность даже на морозе, а потому могут применяться в северных регионах. Интенсивность нагрева воды в этом случае ниже, чем летом, так как зимой на землю поступает меньше тепла от солнца, часто мешает облачность. Понятно, что изготовить стеклянную колбу с откачанным воздухом в домашних условиях просто нереально.

Примечание. Существуют вакуумные трубки для коллектора, заполняемые напрямую теплоносителем. Их недостаток – последовательное подключение, при выходе из строя одной колбы придется менять весь водонагреватель.

Как изготовить солнечный коллектор?

Прежде чем приступить к работе, следует определиться с габаритами будущего водогрейного аппарата. Произвести точный расчет площади теплообмена непросто, многое зависит от интенсивности солнечного излучения в данном регионе, расположения дома, материала нагревательного контура и так далее. Правильным будет сказать, что чем больше тепловой коллектор, тем лучше. Однако, его размеры наверняка ограничиваются местом, где планируется его устанавливать. Значит, надо исходить из площади этого места.

Корпус проще всего изготовить из древесины, проложив на дно слой пенопласта или минеральной ваты. Также для этой цели удобно использовать створки старых деревянных окон, где сохранилось хотя бы одно стекло. Выбор материала для приемника тепла неожиданно широк, чего только не используют мастера-умельцы, чтобы собрать коллектор. Вот перечень популярных вариантов:

тонкостенные медные трубки;
различные полимерные трубы с тонкими стенками, желательно черного цвета. Хорошо подойдет полиэтиленовая РЕХ труба для водопровода;
трубки из алюминия. Правда, соединять их сложнее, чем медные;
стальные панельные радиаторы;
черный садовый шланг.

Примечание. Кроме перечисленных, существует масса экзотических версий. Например,воздушный солнечный коллектор из пивных банок или пластиковых бутылок. Подобные прототипы отличаются оригинальностью, но требуют значительного вложения труда при сомнительной отдаче.

В собранный деревянный корпус или старую оконную створку с приделанным дном и уложенным утеплителем надо поместить металлический лист, накрывающий всю площадь будущего нагревателя. Хорошо, если найдется лист алюминия, но подойдет и тонкая сталь. Ее необходимо окрасить в черный цвет, а затем уложить трубы в виде змеевика.

Без сомнения, коллектор для нагрева воды лучше всего получится из медных труб, они отлично передают тепло и прослужат долгие годы.Змеевик плотно прикрепляется к металлическому экрану скобами или любым другим доступным способом, наружу выводятся 2 штуцера для подачи воды.

Поскольку это плоский, а не вакуумный коллектор, то поглотитель тепла нужно закрыть сверху светопрозрачной конструкцией – стеклом или поликарбонатом. Последний легче обрабатывается и надежнее в эксплуатации, не разобьется от ударов града.

После сборки солнечный коллектор надо установить на место и подключить к накопительному баку для воды. Когда позволяют условия монтажа, то можно организовать естественную циркуляцию воды между баком и нагревателем, в противном случае в систему включается циркуляционный насос.

Заключение

Осуществлять отопление дома солнечными коллекторами, сделанными своими руками, – привлекательная перспектива для многих домовладельцев. Жителям южных районов этот вариант более доступен, только придется заполнить систему антифризом и как следует утеплить корпус. На севере самодельный коллектор поможет нагреть воду на хозяйственные нужды, но для обогрева дома его не хватит. Сказывается холод и короткий световой день.

Использование солнечной энергии давно уже не новшество. Использовать ее можно для местного нагрева воды, например, на даче. Применить такой нагрев можно и для отопления, но стоимость дополнительного оборудования выйдет довольно высокой. Соорудить солнечный коллектор своими руками - не фантастика!

Для использования энергии солнца применяют специальные коллекторы. Для применения в разных целях существуют несколько вариантов устройств. Существуют такие типы элементов:

плоский;
трубчатый.

Плоский коллектор

Им можно назвать солнечную панель. Плоский солнечный коллектор своими руками создать выгодно и несложно. В центре данного устройства расположена панель поглотителя. Выполнена такая панель из металлов, которые хорошо проводят тепло, чаще всего это медь или алюминий.Чтобы коллектор хорошо выполнял свою функцию, а именно максимально поглощал солнечную энергию и с минимальными потерями преобразовывал ее в тепловую, на его поверхность должен быть нанесен специальный состав. Его поверхность защищает стекло с минимальным содержанием в своем составе железа. Такое стекло обладает хорошей пропускной способностью, минимальным отражением света и является хорошей защитой от воздействий внешней среды. По периметру поглотитель имеет корпус для защиты от механических воздействий, выполнен он обычно из стали или алюминия. Корпус и нижняя часть коллектора имеют теплоизоляцию. Плоский элемент способен передавать тепло тому теплоносителю, который в нем расположен. Это может быть простая вода или антифриз.

Расположить плоский коллектор можно в любом положении. Обычно его закрепляют на крыше, но и в другом месте он будет работать не хуже. Соорудить такой солнечный коллектор своими руками можно без больших вложений.

Если говорить о заводских элементах, то плоские могут быть стандартных размеров, площадью до 2,5 м 2 .
Если требуется большая мощность, можно устанавливать несколько стандартных панелей вместе. Они будут составлять единую систему солнечного тепла.

У плоских коллекторов есть преимущество – они дешевле аналогов вакуумных. Но при низких температурах окружающей среды такие коллекторы теряют много энергии и уровень КПД снижается. Поэтому для применения в летний период достаточно будет плоского коллектора, а вот зимой он уступит вакуумному коллектору почти в два раза.

Вакуумный

Такой коллектор состоит из трубок, внутри них вакуум. Устройство каждой трубки напоминает устройство термоса, в основе которого стержень из меди, оболочка такого термоса - колба из дойного стекла, как раз между ними вакуум. Внутренняя оболочка трубки покрыта специальной черной краской, а внешнее стекло прозрачное. Трубки объединяются при помощи соединительного модуля.

Ценовая категория такого типа коллекторов выше аналогов плоских моделей, но преимущество определяется их выгодой использования в зимний период. Своими руками для дома солнечные коллекторы сделать можно из подручных материалов. Они могут быть от других устройств, например, от холодильника. В ремонте устройств вакуумного типа сложностей возникнуть не должно. Если одна из трубок выйдет из строя, сам коллектор продолжит работу. Но выход тепла будет меньше.

Типы

Вакуумные элементы можно подразделить на:

прямоточные;
с тепловой трубой.

Вакуумный солнечный коллектор своими руками смонтировать сложнее, чем плоский. Выйдет это немного дороже, но надо оценить преимущества вакуумного перед его установкой.

Солнечный коллектор своими руками соорудить не так сложно. Но стоит помнить, что он не будет также эффективен, как аналогичный произведенный в промышленных условиях. Необходимо сделать соответствующий расчет выгоды и эффективности данного устройства.

Как изготовить солнечный коллектор своими руками?

Для того чтобы приступить к устройству такого солнечного накопителя тепла, нужно самостоятельно совершить следующие действия:

подготовить основу будущего коллектора;
подготовить для установки радиатор;
подготовить накопитель тепла;
произвести монтаж непосредственно коллектора.

Основой устройства может служить обрезная доска с размерами от 25-100 мм до 35-135 мм. Из них следует сделать коробку походящего размера, ее дно изолировать и положить утеплитель (подойдет обычная стекловата), сверху укрыть оцинкованным листом.

Теплообменник изготавливается следующим образом:

Следует приобрести металлические трубки: тонкостенные и толстостенные.
В толстостенных трубках надо сделать отверстия по диаметру тонких труб с шагом не более 45 мм. Сверлятся они по одной стороне. Конечно, солнечный коллектор, своими руками сделанный, потребует времени на подготовку не только необходимого материала, но и инструмента.
На этом этапе следует надежно укрепить трубки в отверстиях и закрепить их сваркой.
Сооруженная конструкция закрепляется на оцинкованном листе, находящемся на коробе.
Следующим этапом будет покраска коробки коллектора в черный цвет. Желательно только дно покрасить темным, а остальные части оставить светлыми, так как именно днище будет поглощать солнечные лучи.
Затем устанавливается стекло покрова, соблюдая расстояние между ним и трубками не менее 1 см.
Накопителем для коллектора может служить любая герметичная емкость. Объем ее может достигать 400 литров (минимум 150 литров).
Следующий этап - изготовление аванкамеры. Это может быть емкость до 40 литров, на ней устанавливают кран, именно это устройство будет подавать воду.
Чтобы избежать потерь тепла, надо основательно изолировать бак и сам коллектор.

Сборка устройства

Теперь нужно окончательно собрать его в единое целое. Сборка производится в несколько этапов:

Установка накопителя и аванкамеры. Важное условие - жидкость в накопителе обязательно должна быть ниже уровня в аванкамере на 80 мм.
Размещение коллектора в подготовленном месте. Можно это сделать на крыше. Надо соблюсти угол наклона в 35-40 градусов, установив элемент при этом с южной стороны.
Чтобы минимизировать потери тепла, следует соблюсти расстояние не меньше 50 см между теплообменником и накопителем.
Накопитель должен располагаться выше коллектора и ниже аванкамеры.

Остается самый ответственный этап – подключение к системе.

Для этого нужно заполнить систему водой, отрегулировать ее количество, убедиться в отсутствии протечек. Если соблюдены все условия, таким коллектором можно пользоваться ежедневно.

Такой сделанный солнечный коллектор для отопления своими руками сбережет немало средств. Водонагревательные системы, в основе которых лежит солнечный коллектор, можно разделить по типу циркуляции воды.

Естественная циркуляция воды

При такой системе циркуляции бак-накопитель располагается выше коллектора. По естественным законам, вода нагревается и поступает вверх в бак. При этом происходит вытеснение холодной воды, она уход вниз и поступает в коллектор. Там она нагревается и снова поднимается. Бак такой конструкции можно оснастить только двумя шлангами: для подачи холодной воды и отведения горячей. Подойдет такая система для небольших дачных нужд – летней кухни или душа.

Принудительная

Такая система не зависит от того, где располагается коллектор или накопительный бак. Вода циркулирует в такой системе благодаря дополнительно поставленному насосу. Из-за того, что требуется установка электронасоса, стоимость коллектора возрастает. При этом повышается производительность.

Наряду с плоскими и вакуумными устройствами существует возможность создать воздушный солнечный коллектор своими руками. Устройство его намного проще, чем водяного, но и главный недостаток существенен - он не может передать все накопленное тепло. Воздух - проводник тепла намного хуже, чем вода.

Выбор

Однозначно сказать, какой коллектор лучше выбрать - нельзя. Все будет зависеть от того, где он будет применен и какой уровень КПД нужен в конкретном случае. Но поможет сделать выбор сравнение положительных качеств и недостатков каждого из видов по следующим параметрам:

Выгода от солнечного элемента

Преимущества установки коллектора есть, но в каждом индивидуальном случае их будет больше или меньше. Основные общие плюсы:

Экономия ресурсов, выработанных искусственным путем.
Отказ от искусственных ресурсов полностью. Это можно осуществить, если речь идет о небольшом потреблении.
Экономия на покупке готового оборудования, при возможности монтажа коллектора собственноручно из доступных материалов.
Независимость от общих сетей отопления. Если нет возможности подключения к центральной магистрали, солнечные коллекторы - удачная замена.

Если дом большой и проживает в нем достаточное количество человек, полный отказ от искусственных ресурсов невозможен, но их сокращение и экономия на этом - вполне реально выполнимая задача.