- Общий принцип работы
- Какие бывают солнечные коллекторы?
- В чем разница?
- Коллектор атмосфера свк nano
- Достоинства и недостатки
- Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок
- Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя
- Разновидности
- Плоский
- Вакуумный
- Требования к материалам для изготовления самодельного солнечного коллектора
- Альтернативная энергетика
- Оценка эффективности
- Расчет площади коллекторов
- Расчет периода окупаемости
- Выводы
- Классификация по конструктивным отличиям
- Коаксиальные вакуумные трубки
- Перьевые
- Технология Heat pipe
- Прямоточные U-образные обменники
- Вывод
Общий принцип работы
Устройство представляет собой замкнутый трубчатый контур, по которому циркулирует теплоноситель. Энергию он получает в абсорбере, — поглотителе солнечного излучения. Из коллектора, расположенного вне здания, нагретый носитель поступает в бак, расположенный внутри здания.
Эта ёмкость выполняет несколько функций:
- служит накопителем горячей воды, то есть несёт роль своеобразного теплового аккумулятора;
- производит передачу тепла воде, потребляемой на бытовые нужды.
После остывания теплоноситель вновь отправляется в коллектор для нагрева, — такой цикл осуществляется до захода солнца. В ночное время обогрев жилища осуществляется за счёт накопленного тепла в баке.
Какие бывают солнечные коллекторы?
Солнечные коллекторы бывают плоскими и вакуумными.
Основным элементом плоского солнечного коллектора является абсорбер – покрытие, поглощающее солнечные лучи. Спереди абсорбера находится прозрачный защитный слой, а сзади – термоизоляция. Плоские панели, состоящие из этих частей, должна быть герметичной.
Плоские и вакуумные солнечные коллекторы
Абсорбер и аккумулятор энергии соединяют трубки, по которым циркулирует теплоноситель. Максимальная эффективность – 190–210 °C.
Но у коллектора внешняя стенка прозрачна, а на внутреннюю наносят покрытие, которое помогает собирать солнечную энергию. Благодаря этому во внутренней трубке нагревается теплоноситель, а вакуум увеличивает сохранение тепла до 95%.
Кроме этого, производители используют в вакуумных моделях тепловые трубки. Принцип их работы прост – жидкость в нижней части трубки нагревается от солнечного света и превращается в пар. Он поднимается и там конденсируется, одновременно отдавая тепло. Таким образом, можно получать достаточно отопления даже зимой.
В чем разница?
Каждый вид солнечных коллекторов обладает своими преимуществами и недостатками, потому что преследуют разные цели. Так в чем же разница, каков принцип работы?
-
Вакуумный коллектор удобно монтировать, а плоский нужно поднимать на крышу уже собранным.
- У вакуумных приборов угол наклона должен быть не меньше, чем 20 градусов, а плоские могут работать под любым углом.
- У вакуумных отличная эксплуатация зимой, а плоские дают высокий КПД в более теплых широтах.
- Вакуумные генерируют более высокие температуры, а плоское устройство обладает другим преимуществом – низкой ценой.
- Влияние ветра на вакуумный коллектор почти незаметно, а плоские обладают высокой парусностью.
- Вакуумное устройство стоит дороже, но у плоского коллектора крайне низкое КПД зимой.
- Впрочем, плоские модели могут сами очищаться от снега, а вакуумные не обладают такой способностью.
- Зато у вакуумных очень низкие потери накопленного тепла, чем не могут похвастаться плоские.
- А еще вакуумные солнечные коллекторы могут работать на протяжении большего времени в течение суток, чем плоские.
Есть подвести итоги, то зимой лучше использовать вакуумные модели, а в более теплых широтах – плоские. Для подходящих условий у обоих типов идеальное соотношение цены и качества.
Коллектор атмосфера свк nano
Солнечный вакуумный коллектор атмосфера свк nano – это относительно недорогая и качественная модель, которая появилась в продаже в 2013 году. Гарантия до 15 лет, но срок службы в среднем составляет не меньше, чем 25 лет.
Вакуумный Солнечный коллектор Атмосфера СВК-Nano
От остальных ее отличает возможность эффективно работать круглый год. Она обеспечивает в среднем 30% нужного отопления и до 90% снабжения горячей водой.
В данный момент на рынке это лучший вариант по сочетанию качества и цены. Но, если вас не устраивает даже этот в высшей мере экономичный вариант, то можно сделать коллектор своими руками.
Достоинства и недостатки
Главными достоинствами считаются:
- Низкая парусность и высокая надежность. Практически все детали и элементы солнечных коллекторов, которые контактируют с теплоносителями, выполняются из меди высокого качества. Ударопрочное стекло трубок позволяет противостоять ударам крупного града. Солнечные нагреватели такого типа распространены в регионах с непостоянным и суровым климатом. При необходимости замены одной из трубок не придется полностью останавливать и сливать всю систему. При сильном ветре и ураганах, они способны выдерживать колоссальные нагрузки, а за счет низкой парусности, их не сорвет порывом ветра.
- Простота транспортировки и монтажа. При перевозке коллектора не придется переживать за его сохранность, т.к. трубки имеют малый вес и собираются в единую конструкцию только на месте установки. Такой вид транспортировки позволяет максимально быстро доставить коллектор без повреждений. Трубки оборачиваются материалом, сохраняющим их в целости и сохранности на протяжении всей перевозки.
- Высокая эффективность. Начиная с раннего утра при первых солнечных лучах, коллектор начинает собирать энергию, что позволяет пользоваться теплом и горячей водой в любое время суток (за ночь остывать практически не успевает).
- Коллектор препятствует образованию в устройстве микробов. Это обусловлено обеспечением высоких температур, при которых размножение бактерий становится невозможным.
- Работоспособность в зимнее время. Несмотря на морозы до -35°С, коллектор прекрасно справляется со своими обязанностями. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечная энергия преобразовывается в тепловую максимально быстро, поэтому данный вид коллектора является наиболее производительным в любое время года.
- Низкие показатели теплопотери. Вакуум – это лучший теплоизолятор, который позволяет максимально долго сохранять тепло. Благодаря этому КПД будет высоким даже в пасмурную погоду. Информация о том, что в пасмурную погоду коллектор неэффективен – это миф. Солнечная энергия способна проникать сквозь тучи, а трубки коллектора обладают свойством их принимать.
- Прекрасное соотношение низкой цены и высокого качества. За сет простоты устройства, коллекторы имеют довольно низкую себестоимость, что позволяет каждому его приобрести.
Минусов на настоящий момент не выявлено. Все, что говорят и пишут негативного о данном виде коллекторов, является неправдой.
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
Разновидности
В продаже можно встретить две разновидности приборов для утилизации солнечной энергии:
Изображение | Разновидность прибора |
Плоский имеет форму прямоугольной коробки с прозрачным защитным стеклом и зачерненной для максимального поглощения солнечной радиации подложкой. | |
Вакуумный выглядит как группа стеклянных колб, объединенных общим конденсатором. |
Плоский
Плоские коллекторы конструктивно проще вакуумных, но несколько менее эффективны. Теплоноситель нагревается, проходя через трубки, закрепленные на теплопроводной металлической подложке — медном или алюминиевом листе.
Снизу подложка теплоизолирована, сверху — защищена прозрачным для солнечной радиации материалом (закаленным стеклом с низким содержанием металлов или поликарбонатом).
Устройство плоского солнечного коллектора.
Ключевые характеристики плоских коллекторов выглядят так:
- Максимальная температура нагрева теплоносителя — 200-210 °С;
- Поглощение солнечного тепла — до 70%;
- Падение эффективности в снежную погоду — минимально. Прозрачный лист, защищающий абсорбер (подложку с трубками), нагревается при работе, и снег быстро тает;
Плоский коллектор самоочищается при нагреве: снег быстро тает на поверхности защитного стекла.
Теплопотери — до 30% за счет непосредственного контакта нагретого в коллекторе воздуха с защитным стеклом;
- Парусность — высокая, что может привести к проблемам с установкой в регионах с ветреными зимами;
- Установка — под произвольным углом к горизонту. Положение прибора должно лишь обеспечить его максимальную освещенность в течение светового дня.
Коллектор можно установить на плоской или скатной кровле, а также смонтировать на раме во дворе дома.
Вакуумный
Вакуумный коллектор объединяет несколько трубок — термосов. Внутренняя колба каждой трубки покрыта высокоселективным (поглощающим максимальное количество тепла) покрытием, внешняя колба прозрачна. Благодаря вакууму между ними теплопотери за счет непосредственного контакта с воздухом минимальны — не более 5%.
Быстрый нагрев теплоносителя обеспечивается переносом тепла по принципу тепловой трубки. Теплоноситель испаряется в нижней части колбы и в виде пара поднимается вверх в конденсатор, где при возвращении в жидкое состояние отдает накопленное тепло, а потом самотеком опускается вниз.
Каждая колба вакуумного коллектора представляет собой тепловую трубку и обеспечивает быструю передачу тепла теплоносителю.
Чем вакуумный коллектор отличается от плоского в практическом плане?
- Максимальная температура теплоносителя: до 300 °С;
- Поглощение солнечного тепла: до 80%. Высокая эффективность обеспечивается максимальным поглощением тепла адсорбирующим слоем на внутренних стенках колб и вакуумом между стенками, исключающим перенос энергии за счет конвекции;
- Падение эффективности в снег — есть, поскольку благодаря минимальным теплопотерям поверхность колб почти не нагревается;
- Парусность: минимальна, поэтому приборы подходят для регионов с сильными ветрами;
- Установка: под углом не меньше 15-20 градусов к горизонту. При меньших углах наклона колбы перестанут выполнять роль тепловых трубок: конденсирующийся теплоноситель перестанет самотеком возвращаться в их нижнюю часть.
Требования к материалам для изготовления самодельного солнечного коллектора
Для изготовления каркаса солнечного коллектора для отопления своими руками применяется фанера, деревянный брус, плиты ОСП или другие подобные варианты. Как альтернативу можно использовать алюминиевый или стальной профиль со вставками из аналогичных материалов, что придаст конструкции прочность и надежность. Однако такой корпус будет иметь высокую стоимость.
Материалы должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к конструкциям, которые располагаются на открытом воздухе. Поскольку в среднем период эксплуатации солнечного коллектора составляет 20-30 лет, необходимо, чтобы материалы характеризовались высокими эксплуатационными характеристиками, которые будут оставаться неизменными на протяжении всего периода службы установки.
Древесина для корпуса должна обрабатываться водно-полимерными составами и покрываться лакокрасочными эмульсиями. Стальной профиль необходимо надежно защитить от коррозии.
Для изготовления каркаса коллектора используется фанера, плиты ОСБ или брус
Для изготовления абсорбера гелиостата своими руками используют доступные подручные материалы. Змеевик может быть произведен из жесткой ПВХ трубы с фитингами, гибкой ПНД трубы, гнутой медной или металлической трубки. Для абсорбера подойдет теплообменник старого холодильника. Также элемент можно выполнить из алюминиевых банок или пластиковых бутылок. Главным критерием выбора является теплопроводность материала.
Для предотвращения потерь тепла корпус следует утеплить со всех сторон. Для этих целей преимущественно используется минеральная вата или пенопласт. Хорошо себя зарекомендовал фольгированный вариант утеплителя, который обеспечит не только теплоизоляцию, но и отражение лучей солнца от поверхности.
Теплообменник закрывается защитной поверхностью, в качестве которой может быть использовано закаленное стекло или монолитный поликарбонат. Материал должен иметь рифленую, а не гладкую поверхность.
Чтобы предотвратить потерю тепла, корпус коллекторов утепляют минеральной ватой или пенопластом
Альтернативная энергетика
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.
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
Оценка эффективности
А теперь давайте попробуем оценить, насколько выгодно и эффективно отопление солнечными коллекторами. В качестве примера я использую собственный дом. Его отапливаемая площадь равна 155 квадратным метрам, что с учетом севастопольского климата и качества утепления дает потребность в суммарной мощности системы отопления в 15 кВт. Энергопотребление за сутки составит 15х24=360 кВт·ч тепла.
Расчет площади коллекторов
С учетом сезонных колебаний инсоляции квадратный метр земной поверхности на широте Севастополя получает в среднем 5 киловатт-часов тепла в сутки. В холодное время года, во время отопительного сезона, инсоляция снижается примерно на четверть — до 4 кВт·ч/м2. С учетом реального КПД коллектора с квадратного метра его площади можно получить не более 4*0,8=3,2 киловатт-часа тепловой энергии в сутки.
Уровень инсоляции для разных областей России.
Стало быть, полная площадь коллекторов должна быть не менее 360/3,2=112,5 м2. При стоимости одного источника тепла площадью 2 квадрата в 20000 рублей (типичная цена недорогого плоского коллектора) расходы только на покупку коллекторов составят (112,5/2)х20000=1125000 рублей.
Дорого?
Не то слово.
Кроме того:
- Расходы дополнительно увеличатся, поскольку тепло нужно будет накапливать. Теплоаккумулятор, узел смешения и разводка отопления будут отнюдь не бесплатными;
- Система не будет энергонезависимой. Энергию будут круглосуточно расходовать циркуляционные насосы, а в сильные холода по ночам понадобится использование дополнительных источников энергии (ТЭНов, электрокотла, твердотопливного котла и т.д.), которые не позволят теплоносителю замерзнуть.
Примерно так должна выглядеть крыша дома с автономным солнечным отоплением.
Расчет периода окупаемости
Быть может, дорогостоящий солнечный коллектор для дома быстро окупится?
Давайте подсчитаем период окупаемости того же плоского коллектора площадью два квадрата, производящего 6,4 кВт·ч тепла в сутки. В качестве отправной точки возьмем источники самого дорогого (электрокотел) и самого дешевого (газовый котел) тепла.
Произведенный электрокотлом киловатт-час энергии обходится в ценах начала 2017 года примерно в 5 рублей. Ежесуточная экономия на электричестве при использовании одного плоского коллектора составит 6,4*5=32 рубля, период окупаемости — 20000/32=625 дней, или чуть меньше двух лет.
Электрокотел — источник самого дорогого тепла. Киловатт-час обходится более чем в 5 рублей.
Если основной источник тепла — газовый котел, то киловатт-час энергии будет обходиться уже в 70 копеек (0,7 рубля). Суточная экономия от одного коллектора будет равной 6,4*0,7=4,48 рубля, а период окупаемости вырастет до 20000/4,48=4464 дней, или 12 лет. С учетом среднего срока службы коллектора в 10-15 лет это означает «никогда».
Выводы
Вот какие выводы я сделал лично для себя:
- Отопление дома только от солнца обойдется непомерно дорого на фоне альтернатив. Тепловые насосы и их разновидность — инверторные кондиционеры — в качестве источника тепла выглядят куда интереснее;
Основной источник тепла в моем доме — инверторные кондиционеры. Они работают на обогрев при уличной температуре до -25 °С, чего вполне достаточно для Крыма.
Тепловая мощность бытового теплового насоса на фото — 4100 ватт, потребляемая — 980.
- В качестве дополнительного источника тепла солнечный коллектор можно использовать только в том случае, если у вас нет магистрального газа. Он действительно несколько сократит ваши расходы на отопление, но не сделает его бесплатным.
Солнечные коллекторы вполне могут использоваться в качестве дополнительного источника тепла, уменьшая расходы на энергоносители.
Классификация по конструктивным отличиям
Вакуумные коллекторы разделяют по типужу стеклянных трубок и параметрам теплоканалов. Трубки обычно встречаются двух категорий:
- перьевые;
- коаксиальные.
А каналы бывают прямоточные U-образные и разновидности heat pipe (смотреть ниже).
Коаксиальные вакуумные трубки
Это классический «термос» — колба, в которой вакуум создается между двойными стеклянными стенками. Кроме того, внутренняя поверхность колбы покрыта особым теплопоглощающим слоем. Их делают из боросиликатного высокопрочного стекла с хорошим светопропусканием. Такие вакуумные трубки для солнечного коллектора должны служить не менее 15 лет, справляться с давлением 1 МПа и не бояться плохих погодных условий.
Поглотителем служит полый стержень из меди с эфирным наполнением. Нагреваясь, эфир испаряется, поднимается, передает набранное тепло и выпадает вниз конденсатом. Далее процесс повторяется, обеспечивая непрерывный теплообмен внутри модуля.
Перьевые
Их стенки толще коаксиальных и состоят из единственной колбы. Медный абсорбционный элемент обрамлен гофрированной пластиной с теплопоглощающим слоем. Это позволяет вакууму находится прямо в канале модуля.
КПД такой трубки выше, но перьевая система дороже, а заменить ее в случае поломки медного абсорбера или нарушения герметичности колбы сложнее. Но именно этот вариант считается самым надежным, эффективным и долговечным среди похожих устройств.
Технология Heat pipe
Выполненные по этой технологии модули несут в себе трубки с испаряющимся жидким теплоносителем. При нагреве паром он поднимается наверх и собирается в манифольде (manifold) — теплосборнике. Здесь носитель отдает тепло, осаждается, и цикл повторяется. Из манифольда носитель передает энергию по всей системе, обеспечивая нагрев в контурах отопления и горячего водоснабжения.
Рабочий элемент такого канала делается медным, реже — из алюминия. Срок службы должен составлять 15 лет. Стоимость решения на базе «хит-пайп» относительно невелика и делает его самым популярным вариантом для создания современных трубчатых гелиосистем. Если какой-то узел испортится, его легко заменить без разборки всего комплекса. Ремонт можно проводить на месте с минимумом инструментов.
Прямоточные U-образные обменники
Как видно из названия, трубка такого теплообменника похожа на букву U. В ней циркулирует или рабочее тело теплоносителя, или вода системы. При этом одна часть компонента работает с нагретой средой, другая — с холодным носителем.
Нагревшись, состав расширяется и попадает в накопитель; таким способом обеспечивается простая циркуляция жидкости. На внутренние стенки накопительного бака нанесено эффективно забирающее тепло покрытие.
Эти трубки весьма эффективны, но обладают недостатком: конструктивно они едины с манифольдом и ставятся только вместе с таковым. Замена одной испортившейся трубки невозможна, для этого придется снимать всю систему.
Вывод
Солнечный коллектор – изобретение современной науки, вызывающее множество любопытства и споров.
Об абсолютном переходе на подобные установки говорить рано. При этом разумные доводы в сторону использования такого метода генерации тепла, безусловно, присутствуют.
В условиях истощения ресурсов природы коллекторы солнечного света становятся все актуальнее. Технология продолжает идти по пути развития, совершенствования, распространения в массы.
Производство гелиосистем набирает обороты. Количество моделей на разные потребности увеличивается. Даже при обширных сомнениях народа в таком отоплении, ниша растет и занимает все более устойчивые позиции.