Как работает солнечный коллектор

Счета за горячую воду и отопление в России становятся все внушительнее. Это заставляет жителей страны все чаще искать альтернативные источники энергии, и первое, на что падает их выбор — гелиосистемы. Оборудование может эксплуатироваться как сезонно, так и на протяжении всего года. Чтобы подобрать гелиосистему, нужно понимать, как работает солнечный коллектор для нагрева воды и теплоснабжения, и поможет ли технология сэкономить.

Виды и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Гглавный принцип действия солнечных коллекторов заключен в концентрации света на адсорбере, превращении его в тепло и передаче смеси воды и незамерзающей жидкости, служащей носителем.

На вид это широкая плоская конструкция, состоящая из накопителя (адсорбера) и змеевика, расположенного под ним. Для защиты адсорбера используют ударопрочное стекло или прозрачный поликарбонат.

За световой день гелиосистема накапливает энергию Солнца, которая нагревает жидкость, запуская процесс естественной циркуляции. В более дорогих системах разгонять теплоноситель помогает насос.

Эффективность работы установки зависит от количества солнечного света, угла попадания лучей на накопитель, длины светового дня, степени прозрачности защитного покрытия.

Существует ряд разновидностей гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды и отопления.

Плоские высокоселективные

Самым популярным типом бытовых гелиоколлекторов, применяемых для нагрева воды, считаются плоские высокоселективные гелиосистемы. Они состоят из листа меди, покрытого слоем темной краски, приваренной к нему системы труб и прозрачного защитного корпуса, в качестве которого применяют антибликовый стеклянный лист. Минус плоских систем — ощутимые теплопотери. Повысить КПД позволяет герметичность корпуса, исключающая попадание внутрь влаги и пыли, и применение стекла с повышенным уровнем прозрачности.

В солнечные месяцы при ярком и рассеянном свете плоские гелиоколлекторы неплохо выполняют свою задачу, не допуская существенного снижения температуры воды в нагревателе даже ночью. С укорачиванием светового дня высокоселективные системы становятся малоэффективными.

Принцип действия солнечных коллекторов этого вида следующий.

1. Солнечные лучи попадают на накопитель.
2. Металл аккумулирует тепло и проводит к трубкам, располагающимся под абсорбером.
3. Температура жидкости в змеевике растет, вода поднимается.
4. Теплая вода попадает в накопительный бак.
5. Остывшая жидкость опускается вниз.

Подогрев продолжается все время, пока адсорбер отдает тепло, а ускорить теплообмен можно с помощью помпы.

Вакуумные трубчатые

Вакуумные гелиосистемы — это панели, в которых находятся тонкие стеклянные колбы. Каждая колба изготовлена из двух слоев стекла, между которыми образуется безвоздушное пространство. Внутри поверхность трубки покрыта слоем вещества, аккумулирующим световую энергию. В центре колбы — медный патрубок с носителем тепла, соединенный со змеевиком.

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов следующий:

1. Накопительный слой внутри трубки поглощает солнечную радиацию.
2. Выработанное тепло передается патрубку, в котором заключен теплоноситель.
3. При достижении необходимой температуры содержимое патрубка испаряется и поднимается вверх, где передает тепловую энергию жидкости, циркулирующей по системе с помощью насоса.
4. Теплоноситель конденсируется и возвращается вниз колбы, где процесс начинается снова.

Вакуум, заключенный в стеклянной колбе, дает высокую степень теплоизоляции, гарантирующую эффективную работу системы даже при низком температурном режиме.

Данный принцип работы солнечного коллектора для отопления дома обеспечивает эффективность работы системы как весной и летом, так и на протяжении года. Благодаря универсальности технология может применяться практически повсеместно:

• в частных домах;
• производственных зданиях;
• офисах
• больницах;
• санаториях;
• отелях;
• спортивных комплексах;
• для подогрева воды в бассейне и т. д.

Для теплого периода устанавливают прямоточные вакуумные гелиоустановки. Принцип действия солнечных коллекторов прямоточного типа состоит в циркуляции жидкости в системе под давлением насоса или естественным образом. Современные модели оснащены автоматикой, которая после нагрева воды в баке переключается на систему отопления.

Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов, предлагаемых для всесезонного отопления, идентичен действию классической отопительной системы закрытого цикла. В змеевик, расположенный под поглотителем, помещена незамерзающая жидкость, которая при нагреве двигается к накопительной емкости. Установка оснащена насосом, температурными датчиками и расширительным баком, предохраняющим систему от повышения давления в случае, если горячая вода не используется.

Благодаря этой цепочке достойно работает солнечный коллектор и зимой, позволяя владельцам существенно сократить расходы на отопление.

Концентрационные

Концентрационные гелиосистемы наиболее дорогие. Они предназначены для обогрева больших площадей, цехов на крупных предприятиях. Эффективность концентрационных гелиосистем обусловлена способом их действия — максимальным поглощением солнечной радиации и трансформацией ее в тепло.

Для достижения наибольшей продуктивности в систему вводятся концентраты, содержащие параболацилиндрические отражатели. Элементы размещаются под аккумулирующей пластиной, концентрируют в себе солнечный цвет и многократно отражают энергию на поглотитель. Технология направлена на увеличение эксплуатационной температуры оборудования до +120°С…+250°С.

Воздушные

Воздушные гелиосистемы — самые простые из солнечных коллекторов, которые эксплуатируются с целью:

• дополнительного обогрева воздуха в комнате;
• вентиляции — воздушные гелиосистемы активно применяют фермеры, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха на складах с урожаем;
• просушивания помещения — оборудование устанавливают в банях и крытых бассейнах.

На вид это плоская конструкция, состоящая из алюминиевой рамы, с темным листом поглотителя внутри. Под накопителем оборудована система воздуховодов, сверху — прозрачное стекло. Дополнительно система утеплена стекловатой. Принцип действия воздушных солнечных коллекторов состоит в нагреве поглощающей пластины и подаче теплого воздуха в помещение.

Воздушные коллекторы подразделяются на системы с естественной и принудительной циркуляцией. В последнем варианте в конструкцию монтируется вентилятор.

Принцип работы солнечного коллектора

Хоть принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды и обогрева дома для всех типов гелиоустановок одинаков (Солнце греет адсорбер, который передает энергию носителю), при покупке системы следует учесть характеристики оборудования.

Высокоселективные коллекторы отличаются невысокой ценой и простотой эксплуатации. Летом они помогают сэкономить до 50% расходов на ГВС в Центральных регионах и в областях Средней полосы России.

Для северных областей плоские системы будут малоэффективны в связи с тем, что среднегодовой уровень инсоляции там ниже, как и температура воздуха. Поэтому на севере применяют вакуумные коллекторы, работающие с минимальной потерей тепла. Но чем короче световой день, тем ниже продуктивность системы. Также на КПД оборудования влияют погодные условия региона, угол наклона и место, где установлен коллектор, площадь отапливаемого помещения.

Как работает солнечный коллектор зимой

Одна из причин, по которой жители России с опаской относятся к гелиосистемам — уверенность в том, что гелиоколлектор зимой работать не может. Но вакуумные системы справляются со своей задачей. Они способны аккумулировать рассеянную солнечную радиацию даже в пасмурную погоду, не теряют тепловую энергию и отличаются приличным КПД.

Владельцы плоских гелиосистем описывают ряд проблем, с которыми им пришлось столкнуться в холодное время года.

• Пластину часто засыпает снегом, особенно в безветренную погоду.
• Имеют место большие теплопотери из-за низкой температуры.
• Физическое повреждение градом.

Неудобства исчезают, когда речь заходит о вакуумном коллекторе.

• Снег на нем задерживается редко, только при сильном обледенении.
• Безвоздушное пространство позволяет сохранить 95% энергии.
• Многократные тесты на ударопрочность подтвердили, что вакуумная трубка устойчива даже к граду, диаметр которого составляет 35 мм, а скорость падения около 18 м/с.

Единственное, что нужно учитывать, — накопительный бак необходимо размещать в теплом помещении либо оборудовать дополнительной теплоизоляцией.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Выбирая место для монтажа гелиосистемы, необходимо подобрать точку, наиболее освещаемую солнцем. Идеально, если это южная сторона дома. Но если такой возможности нет, для установки подойдет место, куда в течение дня не будет попадать тень от деревьев, домов по соседству, рекламных щитов и т. д.

Гелиоколлекторы, эксплуатируемые для промышленных целей, могут располагаться в открытом поле, но при условии, что на них не будет попадать грязь, налипать снег и падать тень.

Важный фактор, который должен быть учтен при подборе места для конструкции — угол наклона, зависящий от широты местности, сезона использования, ориентации коллектора относительно южной стороны.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Мощность гелиосистемы, которая необходима в том или ином случае, зависит от:

• региона, в котором эксплуатируется оборудование;
• нужд владельца — ГВС, отопление или то и другое;
• роли коллектора — основное это оборудование или дополнительное;
• места установки и уровня наклона конструкции;
• площади помещения;
• сезона эксплуатации.

Определить нужную мощность позволяет формула:

Pv = sin A x Pmax x S

Где Pmax — среднегодовой показатель инсоляции на 1 м² , определенный для конкретного региона;

S — поглощающая площадь оборудования, указанная производителем;

A — уровень наклона плоскости панели по отношению к югу.

При выборе модели нужно ориентироваться на степень мощности оборудования в самое продуктивное время года — летом. Брать систему «с запасом» не стоит — излишняя выработка тепловой энергии может стать губительной для гелиосистемы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

При возникновении ряда обстоятельств солнечный коллектор может перегреться. Это явление называется стагнацией. Обычно такая ситуация возникает, когда владельцы резко сокращают потребление горячей воды, что приводит к избытку тепловой энергии, повреждающей систему.

Решить вопрос со стагнацией можно несколькими способами.

• Установить дополнительный резервуар для горячей воды.
• Использовать излишки для подогрева бассейна.
• Сбросить нагревшуюся воду небольшими порциями в грунт.
• Закрыть накопитель от лучей. Для этого заранее монтируются автоматические роллеты.

Еще одна распространенная причина перегрева гелиоколлектора — внезапное отключение электричества в солнечный день. Насос отключается, циркуляция останавливается, тепловая энергия накапливается. Проблему решает установка бесперебойного источника питания.

Выгодно ли использовать солнечный коллектор

Нельзя сказать однозначно — выгодно ли использовать солнечный коллектор. Все зависит от климатических особенностей региона, количества солнечной радиации, типа устройства. На юге, где среднетемпературная норма выше, нежели в других областях страны, плоская гелиосистема способна полностью обеспечить потребности в ГВС, а вакуумная покроет 50 % затрат на отопление.

Преимущества коллекторов:

• возможность сэкономить на расходах на газ и электричество;
• легкость монтажа;
• долгий срок службы (от 15 лет).

Недостатки оборудования:

• зависимость от количества солнца;
• вероятность повреждения системы от перегрева.

Гелиоколлектор стоит дорого, а период окупаемости в ряде регионов может быть долгим.

Цена бытовой гелиосистемы

Цена солнечных коллекторов зависит от типа оборудования, а также его производителя. Самые недорогие — плоские нагреватели. Стоимость коллектора, необходимого для нагрева бассейна или душа в летние месяцы, начинается от 50000 рублей.

Вакуумные гелиосистемы дороже — коллектор с баком на 100 литров можно купить, начиная от 70000 рублей. На стоимость влияет и установка дополнительного оборудования — расширительного бака, автоматики, сливающей жидкость в случае перегрева, насоса.

Максимально повысить эффективность работы концентрационного коллектора помогает устройство, предназначенное для слежения за солнечной активностью. Правда, это еще больше повышает стоимость системы, но когда дело касается огромных энергетических затрат, такое вложение оправдано.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Жители Европы давно пришли к выводу, что использовать гелиосистемы — это выгодно, комфортно и экологично. Абсолютный лидер в области европейского прогресса — Германия, за ней идет Греция, в Австрии 15% частных домов оборудованы коллекторами для ГВС. В Европе солнечные коллекторы работают везде — в частных домах, школах, детсадах, больницах, на фермах. В Португалии, Израиле и Испании установка солнечных коллекторов, нагревающих воду, обязательна при строительстве новых домов.

Площади, которые занимают гелиосистемы в странах Европы, Америке, Японии, Китае, — миллионы квадратных км, тогда как в России эта цифра составляет 30000 км². Причин несколько — плохая осведомленность людей и низкий уровень достатка.

Сегодня наряду с немецкими, австрийскими и швейцарскими производителями на рынок стран СНГ выходят российские машиностроительные заводы, а также белорусские и украинские производители, которые продают гелиоустановки по ценам ниже зарубежных аналогов.