Как выбрать солнечный коллектор и схемы его подключения

В современном обществе люди задумываются об экологичности применяемых в быту технологий, особенно если они помогают сэкономить. Одно из подобных решений – солнечные коллекторы. Примитивный солнечный коллектор – это черная металлическая бочка с водой, которую устанавливают для обустройства летнего душа на даче. Однако сейчас есть продвинутые современные технологии использования солнечной энергии. Что вам нужно знать о солнечном коллекторе, если вы планируете его приобрести…

Солнечные коллекторы на крыше частного дома Источник retinapost.com

Мы рассмотрим только бытовое использование коллектора в частном жилом доме. Часто от покупки удерживает нехватка достоверной информации о товаре. Чему доверять – непонятно, поэтому мы собрали проверенные экспертами и пользователями характеристики солнечных коллекторов.

Солнечный коллектор аккумулирует энергию солнца, которая потом используется для нагрева воды или отопления помещений. На производстве он также используется для выработки электроэнергии.

Как работают солнечные коллекторы

Гелиоколлектор – это функциональная конструкция, используемая для получения энергии. Ее фоточувствительные элементы поглощают свет для нагрева жидкости или воздуха внутри трубок.

Принцип работы солнечного коллектора (СК): лучи солнца нагревают пластины черного цвета, и энергия аккумулируется для бытовых нужд. Способ ее получения – экологически чистый и экономичный.

Выделяют следующие виды бытовых коллекторов:

• плоские;
• вакуумные;
• воздушные.

Расскажем подробнее о каждом из этих типов ниже.

Плоские

Популярные и бюджетные по расценкам устройства. Состоят из плоскостной светочувствительной пластины, соединенной с теплопроводящими трубами, стеклянного покрытия, теплоизоляции и металлической рамы. Пластина поглощает солнечный свет и аккумулирует тепловую энергию, которая нагревает жидкость-теплоноситель. В отличие от других типов, теряют много поглощенного тепла. Неэффективны в пасмурную погоду. Повышенная влажность плохо сказывается на конструктивных деталях.

Плоские коллекторы

Вакуумные

Выделяют 2 типа вакуумных коллекторов: прямоточные и с косвенной передачей тепла. Первые применяются в теплое время года, вторые – всесезонно. В основе конструкции – вакуумная система трубок с металлическим стержнем внутри, в котором находится жидкость-теплоноситель. Такая установка работает по принципу термоса. Характеризуется оптимальным КПД.

Вакуумный коллектор

Воздушные

По принципу работы похожи на плоские. Но в воздушных коллекторах в качестве теплоносителя используют воздух. Устанавливают для отопления домов. Прогретый воздух заполняет помещение при помощи воздуховодов и вентилятора.

Воздушный коллектор

Тип устройства выбирают, ориентируясь на цель использования. Конструкции подходят для дачных участков, коттеджей, деревенских домов и дуплексов.

Плоские приборы

Их конструктивное решение более простое, чем у вакуумных устройств, и одновременно они менее эффективны. Вода нагревается, когда циркулирует через трубки, прикрепленные к теплопроводной подложке, представляющей собой медный или алюминиевый лист — абсорбер.

Снизу подложку теплоизолируют, а сверху ее защищает прозрачный материал, пропускающий радиацию – поликарбонат или закаленное стекло с незначительным добавлением металла.

Наибольшей эффективностью отличается плоское устройство с медными трубками, которые припаяны к формованной подложке из меди. Коллектор, оборудованный трубками, изготовленными из шитого полиэтилена, поглощает меньше тепла, поскольку они имеют более низкую теплопроводность.

Плоские устройства обладают следующими характеристиками:

1. Их рабочая среда нагревается максимум до 200 – 210 градусов.
2. Поглощение солнечной энергии составляет до 70%.
3. Минимальное снижение эффективности отопления зимой у солнечного коллектора в снежную погоду. Прозрачный лист, служащий защитой для подложки с трубками, в процессе функционирования нагревается, в результате чего снежный покров быстро тает.
4. Имеют место теплопотери. Они возникают в результате контакта воздуха, нагретого в устройстве, с защитным стеклом, но они не превышают 30%. По мере снижения температуры на улице у прибора начинается увеличение потери тепла. Он прекращает функционировать при -20 °С и ниже.
5. Высокая парусность. Это свойство может стать препятствием для монтажа плоского коллектора в регионах, где зимой дуют сильные ветра.
6. Их устанавливают под углом к горизонту так, чтобы расположение обеспечивало им максимальную освещенность на протяжении светового дня.

Принципы и тонкости рабочего процесса

Прежде чем начать изготовление солнечного теплоносителя самостоятельно, необходимо внимательно изучить основные правила его функционирования и составляющие всей конструкции. Как не выглядело бы парадоксальным, но конструкция солнечного коллектора устроена довольно просто – в основу принципа его работы заложены обычные физические законы, в соответствии с которыми жидкость, обладающая более высокой плотностью, вытесняет жидкость с более низкой плотностью.

В принципе, такая же схема работы заложена в функционирование отопительной системы при естественном движении теплоносителя: более тёплая вода поднимается кверху за счёт более прохладной воды. Основным различием между естественным отоплением и солнечным теплоносителем является только способ нагрева воды – при коллекторе вода нагревается за счет солнца.

• Зачем гелиосистемам нужен инвертор и как его выбрать

Солнечные панели, встроенные в крышу дома

Исходя из такого принципа, можно сделать вывод, что конструкция солнечного теплоносителя весьма простая: вертикально находящийся змеевик, в котором вода постепенно поднимает по мере нагревания кверху, а затем поступает в накопительную ёмкость, из которой и набирают уже подогретую жидкость. Чтобы солнечные коллекторы для дома, изготовленные своими руками, работали более эффективно, необходимо установить естественное перемещение жидкости.

Исходя из вышеперечисленных тонкостей и нюансов работы коллекторов, складывается принцип установки многочисленных узлов альтернативных солнечных обогревателей. Чтобы жизненно важная циркуляция жидкости была грамотно обеспечена без использования насоса, солнечный коллектор для отопления должен находиться на самой высокой части здания (зачастую, на крыше), а накопительная ёмкость – чуть ниже теплоносителя (к примеру, на чердаке).

Схемы подключения солнечного коллектора

При установке солнечного водонагревателя или системы отопления к устройству обязательно подключают накопительный бак. Он нужен из-за непропорционального расхода энергии и распределения генерируемого тепла. Со временем бак заполняется водой, которой владельцы системы используют по своему усмотрению.

Рекомендуется устанавливать стандартный бойлер или буферную емкость. Рационально построенная конструкция представляет собой соединение коллектора с теплопроводником, который сообщается с бойлером.

Для отопления дома

В северо-восточных регионах России осенью и зимой отсутствует максимальная солнечная активность. Гелиоустановки используются в качестве вспомогательного энергоисточника для подогрева. Схема подключения представлена на рисунке ниже.

Солнечный коллектор подключают к водопроводу и циркулярному насосу. Энергию используют для косвенного нагрева помещения.

Для горячего водоснабжения

Существует 2 варианта использования: для лета и зимы.

Первый подходит для дачников. Они нагревают воду только летом. Поэтому такая установка имеет минимальную инерционность. Нужно установить солнечный коллектор ниже уровня бака-накопителя, чтобы вода циркулировала естественным путем.

• Как подключить солнечные батареи: схемы и пояснения

Зимой в качестве жидкости-теплоносителя используют антифриз, который вливают в аккумулирующую емкость со змеевиком. За счет его непрерывной циркуляции вода постоянно нагревается до оптимальной температуры.

Отопление + ГВС

Суть схемы подключения – объединение процессов отопления и ГВС. Применяется двухконтурная теплоаккумулирующая емкость с внутренним резервуаром. Это помогает отделить техническую воду от питьевой. Для автоматизации включают в схему контроллер СК для предупреждения перерасхода.

Для подогрева бассейна

Для прогрева переносного или стационарного бассейна используют погружную помпу. Ее можно заменить на автоматизированную насосную станцию, которая будет осуществлять циркуляцию холодной воды из бассейна, а нагретой – из СК.

Необходимые инструменты и материалы для монтажа солнечного коллектора

Установка солнечных коллекторов осуществляется под открытым небом. Следовательно, сама конструкция, трубопроводная система и все вспомогательные крепления со временем подвергаются разрушающему воздействию окружающей среды. На них могут появиться коррозии и деформации. Поэтому для установки используют только нержавеющие материалы.

Для монтажа солнечного коллектора используют следующие вспомогательные инструменты:

• кран или подъемник;
• строительные леса;
• кровельная лестница;
• страховочное оборудование – жилет, трос и т. д.;
• строительный уровень;
• вакуумный захват;
• изоляционный материал для труб.

От качества установки зависит надежность, эффективность и долговечность оборудования.

Как рассчитать площадь коллектора

Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.

Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.

• Как устроен солнечный коллектор?

Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.

Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.

Классификация по температурному режиму

Солнечное оборудование для дома часто классифицируют по типу теплоносителя. Сегодня на мировом рынке можно встретить жидкостные и воздушные системы. Кроме этого, коллекторы разделяют по температурному режиму работы, то есть применяется классификация по максимальной температуре нагрева рабочих элементов. Выделяют следующие типы систем:

• низкотемпературные — теплоноситель для солнечных коллекторов разогревается до 50℃;
• среднетемпературные — температура циркулирующей жидкости не превышает 80℃;
• высокотемпературные — максимальная температура материала-теплоносителя может подниматься до 300 градусов.

Первые два варианта больше всего пригодны для домашнего использования, тогда как модели коллекторов с высокотемпературным режимом работы чаще применяют в производственной и промышленной отрасли хозяйства. Это обусловлено тем, что в высокотемпературных системах нагрева воды сам процесс трансформации солнечной энергии в тепло достаточно сложный. При этом такие гелиоустановки занимают большие площади. Не каждый собственник «дачной» недвижимости может позволить себе подобную роскошь.

Где устанавливать гелиоколлекторы

Основное условие для работы коллектора – открытое пространство, куда в любое время года свободно попадают прямые солнечные лучи. Устройство устанавливают на территориях частных домов, где нет тени от других построек и деревьев. Чаще светочувствительные пластины крепятся на крыше здания.

Распространенный способ – установка нескольких пластин, так называемых «геополей». Для монтажа подходят как скатные, так и плоские крыши. Из-за большого веса коллектора его закрепляют на несущих конструкциях – балках, стропилах и т. д.

Устройства устанавливают на балконах или горизонтальных поверхностях фасада. Чтобы оно работало эффективнее, светочувствительные элементы в России располагают строго на южной стороне. При их отклонении на запад или восток коэффициент поглощения солнечных лучей снизится.

Теплоизоляция

Чтобы снизить общий вес солнечного коллектора, его заднюю стенку вырезают из цельной плиты твёрдого пенопласта. Благодаря отличным теплоизоляционным свойствам пенопласта это позволяет снизить потери тепла и одновременно уменьшить вес солнечного коллектора. Размеры задней стенки подгоняют точно по размерам корпуса так, чтобы она плотно, практически без зазоров, входила между его боковыми стенками. Чтобы уменьшить потери тепла, стыки между задней стенкой и боковыми панелями корпуса дополнительно уплотняют эластичным силиконовым герметиком. Поверх задней стенки из твёрдого пенопласта укладывают дополнительный слой теплоизоляции из минераловатных матов.

Каким должен быть угол наклона коллектора

Угол установки плоского солнечного коллектора зависит от следующих факторов:

• Регион проживания. Для южных регионов – 30-35°, для средней полосы – от 40°.
• Время года, когда планируется использовать установку (летний или зимний сезон, круглогодично). Для всесезонного применения выбирают угол, которые примерно равен географической широте региона. Летом это значение уменьшают на 15°. Зимой, наоборот, увеличивают.
• Климатические условия и количество осадков. Если гелиосистема используется в зимой, угол наклона делают крутым, чтобы снег не скапливался на ее поверхности.

В сопроводительной инструкции производитель указывает оптимальные показатели угла наклона для каждого солнечного нагревателя. Соблюдение всех условий для определения значений углового наклона способствует максимально эффективной работе оборудования.

Солнечный коллектор: виды и подвиды теплоносителей

В зависимости от того, какую температуру могут достигать пластины коллектора, их можно разделить на следующие виды:

• Коллектор низкой температуры;
• Коллектор средней температуры;
• Коллектор высокой температуры.

Солнечный коллектор низкой температуры не сможет дать энергию с большой мощностью. Он сможет нагреть воду не теплее 500 С.

Коллекторы средней температуры могут прогреть воду уже до 850-900 С. Такие солнечные коллекторы для отопления дома и помещений подходят наиболее оптимально.

А коллекторы высокой температуры пользуются большим спросом в индустриальных предприятиях и крупных заводах, поэтому своими силами их сделать просто не представляется возможным.

Внешний вид солнечного коллектора

Все интегрированные солнечные энергоносители подразделяются на:

• Плоские солнечные коллекторы;
• Воздушные коллекторы;
• Жидкостные энергоносители;
• Накопительные интегрированные солнечные коллекторы.

Термосифонный солнечный теплоноситель

Накопительные интегрированные солнечные коллекторы по-другому называют термосифонными коллекторами. Его основное предназначение заключается не только в подогреве воды, но и для поддержания нужной температуры определённое время. Эти коллекторы не имеют насосов, поэтому они гораздо дешевле остальных разновидностей.

Термосифонный солнечный коллектор изготавливается в виде конструкции с одним баком, который заполнен водой и помещён в теплоизоляционный короб. Поверх бака находится стеклянная покрышка, через стекло которой проходит солнечная радиация и нагревает воду.

На приобретение такого солнечного коллектора не потребуются большие затраты, к тому же он не сложен в эксплуатации и прост в обслуживании.Единственным недостатком солнечного коллектора является то, что в зимнюю пору пользоваться в полную силу им вряд ли удастся.

Плоский теплоноситель

Схема нагрева воды в бойлере с помощью солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор внешне схож с обычным плоским металлическим ящиком, внутри которого находится чёрная пластинка, через которую проходит солнечная энергия.

Стеклянная покрышка ящика накапливает солнечную радиацию. Так как стекло обладает низким содержанием железа, вся скопившаяся энергия переходит на пластинку.

Ящик плоского коллектора теплоизолирован, а чёрная пластинка – термовоспринимающая, поэтому из такой конструкции и выделяется тепло. А так как КПД пластинки не больше 10-15%, её дополнительно покрывают аморфным полупроводником.

Плоские энергоносители предназначены для нагрева воды в саунах, бассейнах, а также для отопления жилых комнат и других бытовых нужд.

Жидкостный солнечный коллектор

Жидкостный солнечный коллектор может быть как остеклённым, так и неостеклённым. А также с замкнутой системой теплообмена или с разомкнутой. Но их всех объединяет принцип работы теплоносителя, в основе которого заложена жидкость.

Воздушный теплоноситель

Схема сушки зерна с помощью солнечного коллектора

Воздушный солнечный коллектор отдалённо напоминает работу жидкого коллектора. Но на его установку и приобретение уходит гораздо меньше денежных средств. Кроме того, воздушные теплоносители не замерзают при отрицательной температуре воздуха и не подтекают.

Воздушные солнечные коллекторы хороши при сушке сельскохозяйственной продукции.

Концентрат

Помимо всех вышеперечисленных видов и подвидом солнечных коллекторов выделяют также концентраторы. Главной отличительной чертой концентратов от коллекторов является концентрация солнечной радиации. Это представляется возможным за счёт зеркальной поверхности конструкции, благодаря которой солнечные лучи направляются на поглотители.

Наиболее существенным минусом такого типа коллектора является невозможность нормального функционирования в непогожие дни.

То есть концентраты подходят только для работы в странах, где постоянно поддерживается жаркий климат.

Солнечная печь и дистиллятор

И последней разновидностью солнечных коллекторов можно считать печи, работающие за счёт солнечной радиации и дистилляторы. Принцип работы дистилляторов заключается в испарении воды. Таким образом, они не только обеспечивают теплоэнергией, но и производят очистку воды. По такому же алгоритму работают и солнечные печи.

Принцип работы современных гелиосистем

Понятие «солнечные коллекторы» объединяет в себе несколько вариантов конструкций для домашнего пользования, но схема работы принципиально не отличается. Все коллекторы, «питающиеся» от Солнца, оснащены системой трубок, которые в зависимости от конструкции оборудования, могут быть смонтированы в виде змеевика или последовательно подключены к выходной и входной магистрали. В самих трубках циркулирует жидкостный теплоноситель для гелиосистем — вода, масло или антифриз. Поглощение и последующая аккумуляция тепловой энергии от Солнца осуществляются абсорберами. В техническом плане конструкция достаточно проста. Высокая стоимость таких установок обусловлена использованием дорогих материалов.

Для внешней поверхности конструкции применяют износоустойчивые материалы, обладающие отличными светопропускными характеристиками — органическое стекло, полимерные составы и другие. Но поскольку полимерные «синтетики» не выдерживают продолжительного воздействия УФ-лучей (они имеют высокий коэффициент теплового расширения, что приводит к разгерметизации гелиосистемы), то в качестве альтернативного варианта производители используют каленое или органическое стекло. А сами трубки чаще всего изготавливают из боросиликатного стекла, которое характеризуется минимальным коэффициентом теплового расширения (в 8 раз меньше, по сравнению с кварцевым стеклом). Именно поэтому материал не трескается при резких колебаниях температуры.