Как сделать плоский солнечный коллектор для отопления

На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных гелиоустановок. Отдельные модели имеют существенные конструктивные различия, которые, впрочем, никоим образом не влияют на принцип работы. То есть, основная цель их применения – сбор и превращение солнечной энергии в тепловую. При этом установки показывают на самом деле высокую эффективность работы. В частности, в полдень при максимальном поглощении коллектором солнечной энергии он способен выдавать до 1500 кВт. Особенно радует то, что отопление загородного дома солнечными коллекторами показывает вполне приемлемый уровень работы даже в относительно пасмурный день.

Принцип работы солнечного коллектора

Работает система, основываясь исключительно на отдельных законах физики. В частности – солнечные лучи, попадая на специальную поверхность коллектора, преобразовываются в тепловую энергию, которая накапливается в системе. Многие сомневаются что система, КПД которой составляет приблизительно 60-65%, способна составить на самом деле должную конкуренцию более мощным отопительным системам. Но они не правы. Да, в коллекторе, в аккумуляторе и в трубах происходит частичная потеря энергии – но, тем не менее, она весьма незначительна. С другой стороны, как говорят отзывы, даже такой «невысокий» КПД вполне способен помочь создать максимально комфортные условия в помещении.

В ряде европейских стран (особенно северный регион) применение солнечного коллектора является весьма распространенным фактом.

Такое простое устройство помогает выполнить примерно 50% работы обычной отопительной системы. То есть, установка гелиоколлектора и дополнение его каминами, работающими на твердом топливе (преимущественно это дрова) полностью решает проблему отопления отдельного дома. Для более продуктивной работы установку следует дополнить насосом. Однако его ресурсопотребление в среднем не превышает 400 кВт/часов в год.

Солнечные коллекторы получили широко распространение во многих странах мира

Востребованы ли гелиосистемы

Уже сейчас установлено более 160 млн.м2 этих панелей во всем мире. Лидируют Китай и Япония. Не отстают и некоторые европейские страны, где выработка тепла такими системами составляет около 5% от всей необходимой.

Пройдет не много лет и многие страны откажутся от газа и угля совсем. К примеру, в Украине, где тарифы достаточно высокие, такие системы устанавливают в больших количествах. Единоразовое вложение денег позволит получить энергонезависимость, пусть даже и частичную. И дело не только в экономии, такие установки экологически чисты и не загрязняют окружающую среду.

Преимущества этих систем

Альтернативных источников энергии сейчас много, это и солнечные панели, ветрогенераторы, тепловые насосы и тд. Однако именно солнечные коллекторы набирают все большую популярность, этому есть ряд причин:

• Стоимость системы самая низкая из всех альтернативных источников, это обусловлено несложной технологией изготовления и монтажа.
• Несложный монтаж, который можно сделать даже самому, обладая определенными знаниями и навыками.
• Легкость в эксплуатации, не нужно никаких особых навыков чтобы следить за ними.
• Низкая стоимость ремонта, все детали системы недорогие. Нет крупных узлов, требующих замены целиком. Ремонт можно выполнить самостоятельно, предварительно немного изучив устройство.
• Универсальность. Гелиосистему можно использовать для нагрева воды и отопления, без дополнительных циклов преобразования энергии. Подобрать количество панелей можно исходя их конкретной необходимости.

Немного о недостатках

У любой системы есть недостатки и солнечные коллекторы здесь не исключение. Они занимают значительную площадь, одна панель занимает в среднем 2-3 м2. Эффективность их работы зависит от климатической зоны где они используются.

Также они очень климатически зависимые, зимой их КПД минимально, при этом расходы энергии на обогрев максимально. Это делает солнечные коллекторы не очень эффективными для отопления. Как заявляют многие производители, они способны покрыть до 30% расходов на отопление.

Однако, это все относительно. Большее количество панелей и аккумулирующие баки большей емкости увеличат этот %. Но, дополнительное оборудование увеличит и стоимость системы.

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор 

Все система состоит из следующих элементов:

• сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
• контроллер управления (включая датчики),
• насосная группа,
• накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
• монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Все компании, которые занимаются изготовлением этих систем, дают примерно одинаковые цифры:

• Эффективность для нагрева воды (гвс) – 50-90%.
• Эффективность для отопления дома – до 30%.

Другими словами, эта система может полностью обеспечить дом горячей водой. Отопление дома может покрыть и больше заявленного процента, все зависит от самой системы и количества панелей, а также правильности их установки.

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

• Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
• Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
• Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет. Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Как установить солнечный коллектор

Установить эту систему можно и самостоятельно. Для этого необходимо понимать главный принцип установки – максимум солнечного света.

1. Выбираем место. Оно должно быть с солнечной стороны. Для этого достаточно понаблюдать несколько дней какой место на участке солнце освещает максимально долго (нужно избегать попадания тени от деревьев или построек). Выбрать начальную точку и конечную, солнечный коллектор направить по центру этих точек. Так мы получим максимальный охват теплового излучения.
2. Угол наклона. Это важный этап установки, от которого зависит ее эффективность. Как правило такие данные дает производитель систем, но, в среднем это 45 градусов. Нельзя устанавливать под большим или меньшим углом, так как тогда снизится поглощающая площадь.
3. Подключаем остальное оборудование. Это насосная группа с контроллером, накопительный бак и соединительные трубки. Это все подключается согласно инструкции. Ничего сложно здесь нет, так как принцип устройства достаточно простой.

Основные мифы о гелиосистемах, что правда и что нет

Миф первый — эти системы очень дорогие. Это не совсем так, в связи с их востребованностью во многих странах появляются производители бюджетных систем, что снижает их стоимость.

Миф второй — солнечные коллекторы окупятся лет через 60.

Миф третий — гелиосистемы, использующие ультрафиолетовое излучение работают эффективнее.  Это не правда, скорее всего это маркетинговый ход производителей или самих продавцов. Этот миф вам развеет школьник 8 класса, а все банально просто, в солнечных лучах только два излучения: ультрафиолетовое — которое передает свет, и инфракрасное — которое передает тепло. То есть, по сути, все без исключения гелиосистемы работают на инфракрасном излучении.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Вакуумные

Эти системы работают немного по другому, это обусловлено их конструкцией. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка играет защитную роль. Они изготовлена из высокопрочного стекла. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло.

Далее это тепло передается тепло съемниками или стержням, изготовленным из меди (они бывают нескольких видов и имеют разный КПД, рассмотрим их чуть позже). Тепло съемники передают тепло с помощью теплоносителя, в аккумулирующий бак.

Между трубками вакуум, что сводит к нулю тепло потери и повышает эффективность системы.

Системы с проточными нагревателями или термосифонные

По своему строению они могут быть как плоские так и вакуумные. Используют такие же принципы работы. Однако они имеют одно значительное отличие в техническом устройстве.

Эта система может работать без дополнительного резервного аккумулирующего бака и насосной группы.

Принцип работы следующий. Нагретый теплоноситель аккумулируется в базовом баке, который расположен в верхней части системы, как правило на 300 литров. Через него проходит змеевик, по которому циркулирует вода от давления самой водопроводной системы дома. Она прогревается и поступает потребителю.

Абсорбер, самая важная часть системы

Виды теплосъемных элементов:

• Перьевой абсорбер с прямоточным тепловым каналом.
• Перьевой абсорбер с тепловой трубкой “heat pipe”.
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем.
• Система с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”.
• Пятая система это плоские коллекторы.

Часть солнечного коллектора, которая принимает, аккумулирует и передает тепло теплоносителю называется абсорбером. Именно от этого элемента зависит КПД всей системы.

Изготавливают этот элемент из меди, алюминия или стекла, с последующим покрытием. Как раз от покрытия больше зависит эффективность работы абсорбера, чем от материала, из которого он изготовлен. Ниже, на фото, вы можете посмотреть какие покрытия бывают и как эффективно они могут поглощать тепло.

В описании системы указано максимально возможное поглощение солнечной энергии попадающей на абсорбер. «α» – это максимально возможный процент поглощения. «ε» – это процент отражающегося тепла.

По типу строения

Абсорберы отличаются и по типу устройства, сейчас их всего два вида:

Перьевые – устроены следующим образом. Пластины соединяют между собой трубки с теплоносителем. Сами трубки могут быть соединены между собой в одну систему несколькими способами. Это простой тип абсорбера, который можно сделать своими руками.

Цилиндрические – в этом случае покрытие наносится на стеклянную поверхность колбы и применяется в вакуумных коллекторах. Благодаря этому устройству тепла концентрируется больше как раз в центре трубки где расположен тепло съемник, или стержень. Работает эта система с более высоким КПД, нежели перьевая.

Самый простой солнечный коллектор

На самом деле для создания простейшего солнечного коллектора любому дачнику потребуется минимум времени, стальная бочка объемом около 150-200 литров и несколько оцинкованных листов. Все, что требуется сделать – покрыть южную часть крыши блестящими металлическими листами, на них установить бочку и подвести к ней воду. Это нехитрое приспособление, которое, между тем, можно назвать солнечным коллектором, способно выдавать воду, нагретую примерно до 60 градусов.

Простой солнечный коллектор

Несмотря на простоту, такое отопление частного дома солнечными коллекторами благодаря минимальному уровню теплоотдачи в воздух обладает теми же характеристиками, что и фабричные устройства. Только себестоимость значительно ниже.

Конечно же, использование бочки сложно назвать эффективным в холодное или пасмурное время. В частности, даже в солнечный зимний день вода в бочке будет оставаться холодной. Да и в пасмурный летный день температура ее также будет невысока.

Используемые источники:

otoplenie-doma.org, vremya-stroiki.net