Как выбрать солнечный коллектор и схемы его подключения

Виды солнечных коллекторов и принцип работы

Солнечным коллектором называется устройство, преобразующее энергию солнца в тепловую.

Различаются приборы по множеству признаков:

• по типу теплоносителя на воздушные и жидкостные, где в качестве жидкости используется вода, антифриз, этиленгликоль, прочие субстанции;
• по конструкции устройства могут быть плоскими и вакуумными.

Для отопления дома применяются любые типы агрегатов, так как принцип работы не меняется и основан на способности материалов поглощать солнечную энергию в любом диапазоне. При потреблении энергии физические свойства материалов проявляются в увеличении скорости движения молекул, нагревании вещества и это тепло затем передается для отопления дома.

В соответствии с конструктивными особенностями солнечные коллекторы бывают:

1. Плоскими. Это системы в виде прямоугольника, выполненные из прочного материала. Внутри корпуса выложена изоляционная прокладка, поверхность которой накрыта пластиной, абсорбирующей тепло. В углубления пластины монтируются медные трубки, передающие теплоноситель. Корпус закрыт оболочкой со свойством поглощения солнечных лучей и защитным стеклом.
2. Вакуумными. Это трубчатые системы, также закрытые специальным корпусом. Внутри вакуумных трубок циркулирует теплоноситель, передающий тепловую энергию теплоносителю наружного контура.

Различаются коллекторы по способу использования носителя тепла:

• пассивные системы – это агрегаты, применяемые в конструкции с накопительным баком, используемые для горячего водоснабжения дома без обустройства других инженерных сооружений сети;
• активные системы – агрегаты, где кроме коллектора конструкция дополняется насосом, защитными клапанами и применяется не только для обеспечения горячего водоснабжения, но и отопления дома.

По передаче тепла различаются агрегаты:

1. Косвенного действия, при которых система отопления и водоснабжения дополняется баком-аккумулятором. Этот бак передает тепловую энергию, полученную наружным путем во внутренний контур, то есть отопление, ГВС.
2. Прямого действия или прямоточные, используемые для систем горячего водоснабжения. Транспортировка воды в контуре коллектора происходит за счет разности температур и при помощи дополнительно установленных кранов, клапанов.

Классификация солнечных коллекторов

Рассмотрим классификацию коллекторов по температурному режиму и по конструктивному исполнению.

Классификация коллекторов по предельным показателям температуры, которой они способны достигать, так же разделяет коллекторы по области их применения.

• Коллекторы низких температур. Дают температуру не выше 50 °C и применяются в тех случаях, когда слишком горячая вода не требуется.
• Коллекторы средних температур. Они способны нагревать воду от 50 °C до 80 °C. Как правило, это коллекторы-концентраторы, аккумулирующие тепло, которое затем используется для нагрева воды в жилом секторе.
• Коллектор высоких температур. теплоноситель в таких коллекторах может подогреваться до 2000С и выше. Зачастую имеет сложную геометрическую форму и систему зеркал, например параболической тарелки и используется крупными предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей.

Классификация коллекторов по типу конструкции отражает принцип осуществления теплообмена

• Емкостные коллекторы. Данный коллектор одновременно аккумулирует и хранит некоторое количество нагретой воды или теплоносителя. Могут применяться для преднагрева воды с целью дальнейшего ее подогрева с помощью традиционных нагревателей. Такие коллекторы могут быть собраны в батарею из нескольких баков, заполненных теплоносителем. Эти баки помещаются в теплоизолированный ящик со стеклянными стенками (одной или несколькими). Такая простота устройства обуславливает его относительно не большую цену. Основные плюсы такого вида коллекторов. Первый – экономия на электричестве. Второй – существенно более дешевый вариант солнечной водонагревательной системы. Третий – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего);
• Плоские коллекторы. Стремительно набирают популярность для использования в бытовых условиях, нагрева воды или теплоносителя в отопительных системах. Внешне они более привлекательны, такое устройство выглядит как плоская коробка со стеклянной крышкой. Содержание железа в стекле стараются делать очень низким, чтобы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор. Внутри коллектора находится элемент или несколько элементов, которые поглощает солнечный свет. Часто это черная пластина, которая поглощает тепло. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, полученное тепло передается теплоносителю (жидкости или воздуха), которые циркулируют в трубах. Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло (например, медь и алюминий).

Далее более подробно рассмотрим распространенные конструкции солнечных коллекторов. Они не являются классификацией, скорее относятся к разделу терминологии.

Установка коллектора

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

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

Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок

По конструктивному исполнению солнечные коллекторы могут быть плоскими или вакуумными. Последний вариант является более распространенным типом, который характеризуется простотой монтажа, высокой эффективностью, способностью обеспечить необходимым количеством тепла весь дом. Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома, цена которого превышает стоимость плоского изделия, представлен сложной конструкцией, которую можно использовать для полноценного обогрева помещения и нагрева воды в любой сезон года.

По типу конструкции солнечные коллекторы бывают вакуумными и плоскими

Существует особый тип установки, который называется коллектор-концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, которые располагаются на одной криволинейной поверхности, где концентрируется в определенных точках солнечный свет. Для получения максимального эффекта необходимо изменять вслед за движением солнца положение устройства, которое может находиться в двух плоскостях.

В зависимости от теплоносителя различают жидкостные и воздушные конструкции. В первом случае используется дистиллированная вода или антифриз, а во втором – нагретый воздух.

По варианту применения теплоносителя различают пассивные и активные системы. В первом варианте солнечный коллектор используется совместно с баком накопителем. Такая система приемлема для горячего водоснабжения и не комплектуется дополнительными инженерными элементами. Активный вариант предполагает установку солнечного коллектора и других технических устройств, таких как насос, бак-накопитель, защитные клапаны, дополнительные приборы нагрева теплоносителя. Такая система может применяться и для горячего водоснабжения, и для отопления дома.

По виду использования коллекторы могут быть пассивными и активными

Способ передачи тепла может быть косвенным или прямым. Первый вариант предполагает наличие аккумулирующего бака, в котором выполняется передача тепловой энергии, полученной наружным контуром от солнечного излучения, внутреннему контуру, циркулирующему в системах отопления и ГВС. В прямоточных системах, которые применяются для горячего водоснабжения, циркуляция воды в контуре коллектора происходит под воздействием разности температур и благодаря наличию дополнительных элементов в виде клапанов и кранов.

Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя

Воздушные или водяные солнечные коллекторы для отопления дома можно классифицировать по степени нагревания его рабочих органов и теплоносителя. В зависимости от этого критерия различают низко-, средне- и высокотемпературные установки. Низкотемпературные варианты способны обеспечить нагрев теплоносителя до 50 °С. Такие тепловые коллекторы используются для подогревания воды в душевых летом, в емкостях для полива, для создания комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.

Среднетемпературные системы обеспечивают нагрев теплоносителя до 80 °С. Такие установки употребляются для обогрева помещений, для бассейнов. Солнечные коллекторы данной категории наиболее целесообразно устанавливать при обустройстве частного дома. Высокотемпературные системы способны нагреть теплоноситель до температуры 250-300 °С. Такие устройства рекомендуется использовать в промышленных масштабах. Их применяют для обогрева коммерческих зданий, производственных цехов и других технологических помещений.

Высокотемпературные системы предполагают сложный процесс преобразования и передачи тепловой энергии. Конструкции имеют внушительные габариты, требующие много свободного пространства для их монтажа. Процесс изготовления системы является весьма трудоемким и затратным, что связано с использованием специализированного оборудования. Самостоятельно выполнить такой вариант не удастся.

По температуре нагрева коллекторы классифицируются на низко-, средне- и высокотемпературные

Как выбрать гелиоустановку

Выбор вида гелиоустановки и ее мощности зависит от того назначения, для которого она предназначена и района проживания: количество солнечных дней в году и минимальная температура воздуха зимой. Так как в наших широтах зимой имеют место отрицательные температуры, то лучшим выбором будут двухконтурные установки с теплоносителем в виде незамерзающей жидкости.

Если с помощью гелиосистемы будет осуществляться только горячее водоснабжение дома, тогда потребуется установка меньшей мощности и соответственно меньшая площадь солнечного коллектора. Если же с помощью солнечной энергии предполагается и отапливать дом, то здесь мощность установки и площадь коллекторов должна быть значительно большей. Так площади солнечного коллектора 4-6 м2 будет достаточно, чтобы обеспечить на 50-70% горячее водоснабжение в доме. Площади 10-12 м2 уже должно полностью хватать для горячего водоснабжения и частично – для отопления.

Установка и ориентация

Солнечные коллекторы, в зависимости от их вида и площади, можно установить как на крыше дома, так и на открытой площадке возле дома, обязательно с южной стороны

Очень важное значение имеет и угол их наклона. Чем он ближе к значению 90° по отношению к солнечным лучам, тем лучше будет нагреваться теплоноситель в них

Наилучшим вариантом здесь были бы системы с автоматическим регулированием угла наклона. Но такие гелиосистемы имеют большую стоимость. Если же коллекторы закрепляются неподвижно, то они должны быть ориентированы на юг или максимально близко к этому направлению.

Срок окупаемости

Окупаемость гелиосистем зависит, как от самой их стоимости, так и он цены на традиционный виды энергии, которые используются для отопления в той или иной местности. Для Европы, где гелиоустановки пользуются наибольшей популярностью, срок окупаемости, в среднем, составляет до 5 лет. Для средней полосы России, а также сопредельных стран он будет, как минимум, в два раза больше. Хотя, учитывая постоянный рост цен на энергоносители, со временем, он будет сокращаться. При этом, необходимо учитывать, что даже используя гелиоустановки, как дополнительное отопление или для горячего водоснабжения можно экономить от 40 до 70% топлива других, традиционных видов.

Установка и подключение коллектора панельного типа

Вариантов монтажа несколько. Во время составления проекта гелиосистемы, потребуется определить какое расположение будет максимально эффективным для получения солнечной энергии. Производители рекомендуют следующие способы монтажа:

• установка на плоской кровле;
• скатной крыше;
• площадке.

В каждом случае существуют определенные правила, обязательные к исполнению. От выполнения рекомендаций зависит теплоэффективность схемы подключения панельных солнечных коллекторов:

• Монтаж на плоской кровле — требователен к углу наклона панелей (16,2°). В качестве регламентирующего документа, определяющего разрывы между рядами коллекторов, можно принять ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения». Гелиопанели устанавливаются в специальных металлических рамах, устойчивых к порывам ветра.
• Установка на площадке — действуют правила схожие с теми, что описывают подключение на плоской кровле. Единственная разница, место расположения следует оградить от свободного прохода людей.
• Монтаж на скатной кровле — место подключения ориентируют в южную сторону. Допускается размещение как над кровельным покрытием, так и (при условии использования специальной рамы) со встраиванием в крышу. Место монтажа панельного солнечного водогрейного коллектора не должно затеняться деревьями. Стыки тщательно герметизируются.

Технология монтажа гелиоколлектора заключается в использовании специальной рамы, на которую навешивается панель. На самой основе присутствуют фиксаторы, надежно закрепляющие коллектор. Между собой теплопоглощающие панели соединяются при помощи гидравлического соединителя.

При решении сколько блоков объединить между собой следует придерживаться рекомендаций изготовителя. К примеру, в технической документации к Hummel FKHE указывается на возможность одновременного подключения в единую сеть до 10 модулей.

После установки все резьбовые соединения проверяют под давлением воздуха. Если опрессовка показала полную герметичность системы, допускается ввод плоских солнечных коллекторов в эксплуатацию.

Разновидности

Все устройства можно поделить на 2 категории: по принципу нагрева и способу хранения теплоносителя. При выборе гелиоустановки всегда необходимо выбирать исходя из параметров использования. В зависимости от конструкции, отличается способ эксплуатации и обслуживания оборудования.

Коллекторы с встроенным баком

Моноблочные установки предназначены для работы в период весна-осень. В зимние месяцы их отключают. Модели со встроенным баком легкие в монтаже и использовании. Все что необходимо — подключить его к системе водоснабжения.

Принцип работы:

1. солнечные лучи попадают на поглощающую панель (абсорберум);
2. полученная энергия передается в змеевик, который расположен в баке;
3. тепловая энергия передается от теплоносителя к воде.

В хороший солнечный день, такой коллектор может нагреть до 200 литров воды. Коллекторы с встроенным баком работают без давления, поэтому монтаж производят в наивысшей точке — крыша дома. Делается этого чтобы обеспечить необходимый напор воды.

Такие установки пользуются широким спросом, из-за простоты использования и легкого монтажа. Чаще всего их используют для летних домов и дачных участков.

Основной принцип работы — циркуляция воды. Теплая вода вверху, холодная снизу

При монтаже важно установить емкость для жидкости выше коллектора

Гелиосистемы с выносным баком

Такие типы коллекторов могут работать круглый год. Единственное условие, температура не должна падать ниже -50 градусов. Для нагрева воды используется внешний бойлер косвенного нагрева, а в качестве теплоносителя — антифриз.

Принцип работы:

1. поглощающая панель получает тепло и передает его в теплоноситель;
2. под давлением, теплоноситель поступает в теплообменник бака накопителя;
3. когда антифриз проходит по змеевику, он нагревает воду.

Такие гелиосистемы работает с подключением к насосной группе. Управление производится автоматически.

Достоинством солнечного коллектора с выносным баком является возможность получения энергии круглый год, при определенных условиях. Однако такие установки требуют подключения дополнительного оборудования, и работа коллектора зависит от электричества — его отключение может сказаться на работе установки.

Как работает зимой?

В системах отопления, как правило, используются вакуумные коллекторы, это определяется их техническими характеристиками и условиями эксплуатации.

Основной элемент вакуумного солнечного коллектора – это вакуумная трубка, которая состоит из:

• Изоляционной трубки, выполненной из стекла или иного материала, пропускающего солнечные лучи с минимальными потерями их мощности;
• Медной, тепловой трубки, помещенной во внутреннее пространство изоляционной трубки;
• Алюминиевой фольги и поглощающего слоя, расположенных между трубками;
• Крышкой изоляционной трубки, являющейся уплотнительной прокладкой, обеспечивающей вакуум во внутреннем пространстве устройства.

Работа системы осуществляется следующим образом:

1. Под воздействием солнечной энергии, теплоноситель контура трубки, испаряется и поднимается вверх, где в теплообменнике коллектора конденсируется, передает свое тепло теплоносителю наружного контура, после чего стекает вниз, и процесс повторяется.
2. Теплоноситель наружного контура, из теплообменника солнечного коллектора, подается на бак-аккумулятор, где происходит передача полученной тепловой энергии теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения.
3. Циркуляция теплоносителя наружного контура осуществляется путем установки циркуляционного насоса и систем автоматики, обеспечивающей работу системы в автоматическом режиме.
4. В комплекс системы автоматики входит контроллер, датчики и элементы управления, обеспечивающие установленные параметры работы системы (температура, расход жидкости в системе ГВС и т. д.)

Для того, чтобы данная система была эффективна и справлялась с выполнением поставленных задач, в том числе и в зимний период, системой предусматривается установка дублирующих источников энергии. Это может быть дополнительная система нагрева, с использованием теплоносителя, как на приведенной схеме, когда теплоноситель дополнительного контура нагревается путем использования различных видов топлива (газ, биотопливо, электричество). Также, с подобную задачу можно выполнить путем установки электрических ТЭНов, непосредственно в бак-аккумулятор. Работу дублирующих источников энергии контролирует система автоматики, включая в работу данные устройства, по мере необходимости.

Что собой представляет солнечный коллектор и принцип его действия

Солнечный тепловой коллектор является техническим устройством, которое способно преобразовывать солнечную энергию в тепловую. Его применяют для получения горячей воды, которая в дальнейшем может быть использована для различных нужд. Главное отличие солнечных коллекторов от других вариантов аналогичной техники заключается в принципе изменения во время нагрева плотности воды. Холодные массы вытесняют наверх нагретый водяной поток, благодаря чему нет необходимости в использовании дополнительного насосного оборудования.

Схема принципа работы солнечного теплового коллектора

Принцип работы устройства состоит в следующем. Солнечная энергия абсорбируется в приемном устройстве, в качестве которого можно использовать медные или стеклянные поверхности темного или черного цвета. Такие материалы характеризуются хорошей способностью поглощения энергии.

Солнечные нагреватели воды удобно располагать на крыше, где много места и куда попадает максимальное количество солнечного света. Здесь такие устройства не занимают полезное пространство и никому не мешают. Далее тепло из накопителя переносится в бак с теплоносителем. Это может быть вода, антифриз или другая жидкость, которая используется в системе отопления.

В большинстве случаев применяется смесь, состоящая из 40% гликоля и 60% дистиллированной воды. Теплоноситель, который нагревается до определенной температуры, подается к радиаторам посредством системы трубопроводов.

Направление движения воды в системе может меняться благодаря смесителю. Остывшая и теплая вода постоянно сменяют друг друга. Такая естественная циркуляция происходит благодаря расширению теплой воды, которая поднимается, вытесняя холодную в нагревательный бак.

Солнечный коллектор – это устройство для преобразования солнечной энергии в тепловую

Эта система отопления должна быть оснащена теплоизоляционным слоем толщиной не менее 25-30 см, что обеспечит ее эффективную и стабильную работу. В качестве накопительной емкости для теплоносителя лучше использовать резервуар прямоугольной формы. Здесь может быть расположен дублирующий нагревательный элемент. Он будет автоматически включаться в работу, когда создаются погодные условия, которые не способствуют нагреву теплоносителя до необходимой температуры.

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 в целом

. 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.

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.

Достоинства	Недостатки
Низкая стоимость панелей	Низкой КПД, примерно на 20% ниже вакуумных
Несложная конструкция	Большой количество теплопотерь через корпус

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

Температурное деление оборудования нагрева воды

Потребителю предлагается уйма различных вариантов устройств, но основное их различие состоит в величинах достигаемых ими температур. По такому принципу они делаться на коллекторы трех основных типов:

• Первый – низких температур (они дают невысокие температуры до 50 градусов Цельсия) основной расчет применения – подогрев бассейна или другие варианты, когда воду нет нужды греть очень сильно.
• Далее идут коллекторы средних температур (они поднимают температуру от 50 до 80 градусов) основной расчет применения – для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

Коллекторы средних температур применяются для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

Третий вид коллекторы высоких температур (применяют в промышленности для генерации электричества с последующим распространением в центральную электрическую сеть).