Что это такое

Солнечный коллектор — это несложное устройство, использующее видимый свет и инфракрасное излучение Солнца для нагрева рабочей среды. Принцип его работы основан на поглощении тепла поверхностью с низкой отражающей способностью.

От ближайшего собрата — фотоэлектрической солнечной батареи, коллектор отличает куда более высокая эффективность: если фотоэлектрические элементы преобразуют в электроэнергию не более 15% солнечной энергии, то коллекторы позволяют утилизировать до 80%.

Основная проблема, мешающая использовать солнечные коллекторы для отопления дома в качестве основного источника тепла — непостоянная тепловая мощность. Она связана:

• С суточными циклами освещенности. Ночью по понятным причинам выработка тепла падает до нуля. Больше того: поддержание положительной температуры циркулирующей через коллектор воды требует дополнительных энергозатрат;
• С погодой. При плотной облачности освещенность (и, соответственно, тепловая мощность прибора) снижается.

Солнечные коллекторы востребованы в областях страны с максимальной инсоляцией. На снимке — крыша коттеджа в Ялте.

Зимой , когда работает отопление, преобладает пасмурная погода. Кроме того, зимой выработка тепла коллектором падает примерно на четверить даже в ясные дни. Это происходит из-за изменения угла падения солнечных лучей, вызывающего зимнее похолодание.

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.

Наиболее эффективен плоский коллектор с медными трубками, припаянными к формованной медной подложке. Коллектор с трубками из сшитого полиэтилена поглощает меньше тепла за счет их более низкой теплопроводности.

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;

Потери тепла плоским коллектором увеличиваются по мере падения уличной температуры. При -20 °С и ниже прибор полностью прекращает вырабатывать тепло.

• 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.

Обзор солнечных коллекторов для обогрева частного дома

Отопление домов солнечными коллекторами всего 15 лет назад было диковинкой, на которую многие смотрели с изрядной долей скепсиса — первоначальные вложения в экологичность дома никак не соответствовали получаемой выгоде. Ситуация изменилась с ростом индустрии солнечной энергетики в Китае — продукция изначально стала выпускаться по цене, доступной для китайского потребителя и потеснила многие именитые европейские бренды, вызывая множественные положительные отзывы.

На сегодняшний день затраты на солнечные коллекторы для отопления частных домов сравнялись с такими автономными системами обогрева, как электрические, топливные или газовые котлы. В южных регионах России спрос на солнечную энергию настолько возрос, что появились внутренние производители, обеспечивающие достойное качество по низкой цене, а также большое количество руководств о том, как сделать коллектор своими руками.

Классификация

Коллектор солнечной энергии представляет собой устройство, работа которого основана на поглощении излучения и передаче полученной энергии с помощью жидкости-теплоносителя и теплообменника в емкость с водой. Если солнечные батареи самых современных марок неспособны преобразовывать более 25 % падающего излучения, то у коллекторов этот показатель может достигнуть 85 %.

В зависимости от конструктивной схемы и принципа сбора энергии различают 2 основных типа:

1. Плоские — распространенный в южных странах и относительно дешевый вид, имеющий немного сниженный КПД (60 – 75 %) из-за потерь на отдачу тепла во внешнюю среду. Работает по очень простому принципу — темный металлический (алюминиевый или медный) лист поглощает энергию и нагревает систему из теплопередающих трубок. Потери тепла с наружной поверхности предотвращаются с помощью специального антибликового стеклянного покрытия, с внутренней применяют волоконную теплоизоляцию. Главные недостатки — большие потери зимой, возможность выхода из строя при температуре ниже -25°C, сильная зависимость от угла падения лучей.

2. Вакуумные (трубчатые) коллекторы — дорогие и высокопроизводительные устройства (КПД до 85 %), эффективно работающие в любых климатических условиях с обилием лучей. Схема спроектирована по наборному принципу из множества абсорбирующих тепло трубок. Каждая состоит из внутренней и наружной колб, выполненных из особого стекла и отделенных друг от друга вакуумом, обеспечивающим абсолютную теплоизоляцию. Во внутренней колбе расположен металлический поглотитель и трубка с жидким теплоносителем. Основной недостаток такой системы — огромная цена (в 2–3 раза выше плоских моделей), и необходимость электрического насоса со специальным контроллером для принудительной циркуляции жидкости.

Вакуумные солнечные коллекторы, в свою очередь, могут быть:

• Прямоточными или U-образными. Теплоноситель проходит через U-образную трубку, соединяясь в единую систему, как в плоском устройстве. Недостатком является продувание всех трубок при повреждении одного элемента, выход из строя всего коллектора до починки.
• С тепловыми трубками или heat pipe. Самое большое количество положительных отзывов вызывает именно эта конструкция, позволяющая беспрерывно получать энергию даже при сильных морозах. Каждый абсорбирующий элемент в ней автономен и закреплен фиксатором к теплообменнику с проточным теплоносителем. Работа тепловой трубки основана на нагреве и испарении жидкости с низкой температурой кипения и конденсации ее в верхней точке колбы с отдачей энергии. Главный недостаток очевиден из конструкции — необходимо положение под углом 30–90 градусов к горизонтали.

Насос, необходимый для работы вакуумных коллекторов, иногда обеспечивают энергией с помощью установки солнечной батареи. Также обязателен объемный двухконтурный бак для накопления нагретой воды и небольшая расширительная емкость для избытка теплоносителя при перегреве.

Как выбрать коллектор?

Чтобы подобрать агрегат, подходящий под все требования, и не перерасходовать большое количество денег, подбирать нужно очень осторожно, используя отзывы пользователей на независимых форумах:

1. Для обогрева дачи весной и осенью и горячей воды летом, выгоднее всего будет выбрать плоский солнечный водонагреватель. Не забудьте слить теплоноситель перед зимними морозами.

2. Для небольшой системы круглогодичного подогрева воды или при наличии плоской крыши понадобятся прямоточные вакуумные коллекторы.

3. Для обогрева бассейна или большой системы отопления в зимний период необходимо подобрать самый дорогой и надежный вариант — вакуумные тепловые трубки. Скатная крыша и южная стена идеально подойдут для установки.

4. Если есть выбор между аналогичными китайскими и европейскими моделями, почти всегда стоит купить китайские от именитых изготовителей — они дешевле и не менее качественны.

5. Если приобрести коллекторы российского производства, можно неплохо сэкономить даже по сравнению с китайскими, обратите особое внимание на отзывы о поставщике, используемый материал и гарантийный срок.

Мнения покупателей

«Когда строил дом, стал вопрос об отоплении. Область у нас теплая, поэтому решил совместить электрическое отопление с солнечным. 16 плоских панелей Коспел по 2,3 квадрата обошлись в 500000, забил всю крышу. Горячая вода круглый год, тепло. Только если мороз со снегом или пасмурной погодой, приходится электрику включать. В планах — построить теплый бассейн, чтобы летом энергию зря не терять».

«Купил три российских плоских коллектора компании Сокол. Зимой греют плохо, но в солнечный день 200 литров бак до сорока градусов нагревают. Пока морозов нет, работают очень хорошо. Нравится, что их даже чистить никогда не приходится — снег сам на них тает».

«Установил себе две китайские панели с тепловыми трубками производителя Sunrein. Вода горячая есть круглый год, температура зимой в баке – примерно 55-60 градусов, даже когда на улице мороз минус двадцать. Считаю, что не зря потратил деньги, всем рекомендую».

«На дачу нужен был источник горячей воды. По совету друзей купил 2 панели Химин Солар и бак на 250 литров. Честно говоря, не очень доволен, осенью и ранней весной еле-еле функционирует, как раз в самый сезон дачных работ».

Обзор основных плюсов и минусов

1. Полная автономность, возможность установки в любом месте, сколь угодно удаленном от цивилизации.

2. Независимость от привозного топлива.

3. Высочайшая надежность и ремонтопригодность — движущие части и химические реакции при работе отсутствуют, коллектор боится только физических повреждений и ненадлежащих рабочих материалов. Большинство неисправностей может быть быстро устранено заменой одного из элементов.

4. Экологичность — за год поглотитель площадью 1 м2 в среднем способен предотвратить выброс более 100 кг углекислого газа и огромного количество других продуктов сгорания.

5. Выгодность в долгосрочной перспективе при соответствующем уходе.

• Необходимость высоких первоначальных вложений.
• Непостоянство, зависимость от времени года и погодных условий. В большинстве случаев коллектор в системе отопления способен выполнять лишь вспомогательную роль, помогая экономить топливо.
• Низкая эффективность в северных регионах мира.

Расценки на установку солнечного отопления и водонагрева включают в себя:

• стоимость абсорбирующих панелей;
• затраты на накопительный бак и комплект соединительных трубок — около 70 000 рублей за двухконтурный бак 250 литров;
• циркуляционный насос и контроллер с измерительным оборудованием (только для вакуумных моделей) — от 20 000 рублей;
• затраты на солнечную батарею для работы электрического насоса (опционально).

Солнечные коллекторы для отопления дома: описание, отзывы, конструкция и принцип работы
Критерии выбора коллекторов солнечной энергии для обогрева загородного дома или дачи. Схемы монтажа своими руками. Как они работают зимой.

Исследование образцов

Давайте ближе познакомимся с несколькими образцами коллекторов обоих типов.

ЯSolar

Плоский коллектор российского производства ЯSolar.

СОКОЛ-ЭФФЕКТ-А

Солнечный коллектор Сокол-Эффект-А.

KAIROS VT 15B ARISTON

Вакуумный итальянский коллектор KAIROS VT 15B ARISTON.

Как работает коллектор в системе отопления

Чаще всего гелиосистемы используют для своей работы обычную воду, а так же антифриз. Если по сравнению с коллектором температура воды в нижней части ниже, включается обогрев. Вода перемещается по системе благодаря встроенному насосу. Нагрев воды в накопителе происходит через теплообменник. обычно коллекторы нагреваются только до определённой температуры.

При необходимости направление воды в системе меняется благодаря смесителю. Таким образом, остывающая и тёплая вода время от времени сменяют друг друга. За счёт расширения тёплой воды происходит замена жидкости в системах с естественной циркуляцией. При нагреве тёплая вода поднимается вверх, холодная выталкивается в нагревательный бак.

Обязательно наличие теплоизоляционного слоя толщиной как минимум 25−30 сантиметров. иначе система не сможет работать стабильно. Что касается резервуара, то лучше всего использовать прямоугольную форму. При соблюдении этого условия вода будет равномерно распределяться по всем имеющимся участкам. Так что работа системы в целом станет более полноценной.

Виды

Существует множество видов солнечных коллекторов, все они отличаются между собой особенностью конструкций, но одинаково выполняют роль теплоносителя и используются для обогрева домов. На сегодняшний день различают следующие типы устройств:

Плоский

Считается самым распространенным вариантом для установки в современных системах гелиоэнергетики. Он состоит из абсорбера, термоизолирующего покрытия, прозрачного слоя и теплоносительной трубки. Популярность данного вида обусловлена простотой монтажа и доступной ценой, но в отличие от других коллекторов для него характерно небольшое КПД. Внешне устройство имеет вид стальной или алюминиевой панели площадью от 2 до 2,5 м2.

Снаружи панель покрывают листами из гелиостекла, это позволяет максимально поглощать энергию солнца и поставлять ее с минимальными потерями. Под стеклом располагается специальный поглотитель в виде плоской трубки, его изготавливают из сплавов алюминия или меди. Трубка оснащена радиальным оребрением, поэтому во время рабочего процесса наблюдается высокий КПД.

Плоский коллектор годится только для обогрева частного дома, так как с его помощью зимой можно отопить небольшую площадь.

Вакуумный

Это дорогостоящее устройство, которое имеет отличные эксплуатационные характеристики. Батарея представляет собой ряд, состоящий из парных стеклянных трубок. Из пространства между ними откачивают воздух и выполняют спайку, образованный таким образом вакуум служит хорошим теплоизолятором и снижает потери энергии. Верхние трубки вставляются в распределитель, где циркулирует сам теплоноситель. В зависимости от распределения тепла такие коллекторы бывают прямоточные и с плоской трубкой.

Воздушный

Данное устройство предназначено для топки зданий за счет нагрева воздушных масс. Потоки воздуха поступают в систему через поглотитель и естественным путем или принудительно поставляются в теплообменник. Недостатком коллектора считается то, что в отличие от жидких видов, в нем тепло проводится не так хорошо. Но подобная система характеризуется несложной конструкцией и легко управляется. Если соблюдать все правила эксплуатации, то коллектор исправно прослужит более 20 лет.

Водяной

Внешне имеет сходство с вакуумным устройством, но в его конструкции в трубках под определенным углом располагается жидкость. Трубки присоединяются к баку, из которого горячая вода передается в систему и возвращается. Главным достоинством агрегата является, то что для его монтажа не нужно применять дополнительные элементы. Некоторые модели таких коллекторов могут также работать и без бака. Во время эксплуатации водяного коллектора при температурном режиме ниже -10 С необходимо заливать незамерзающую жидкость.

Характеристика вакуумного солнечного коллектора для отопления дома зимой

Вакуумный солнечный коллектор является довольно сложным устройством. Главный рабочий элемент представлен дорогостоящей светопоглощающей колбой с прозрачной поверхностью, в которой располагается трубка. В основу работы положен принцип термоса. Вакуумная колба пропускает солнечный свет во внутреннюю трубку, где отсутствует воздух, что позволяет сохранить до 95% тепла.

Читайте также:  Короб для вытяжки: технические характеристики и современные решения
Вакуумные солнечные коллекторы. Дороже, но работают даже зимой

Нижнюю часть внутренней вакуумной трубки для солнечного коллектора занимает антифриз, который переходит в газообразное состояние при нагревании. В верхней ее части выполняется передача тепла коллектору с теплоносителем. Антифриз при этом охлаждается и конденсирует, возвращаясь в первоначальное состояние.

Вакуумный солнечный коллектор характеризуется высоким значением КПД при плохой освещенности и температуре ниже -37 °С. Он был специально разработан для северных широт и может функционировать при отсутствии прямого солнечного излучения. Для эффективной работы конструкция нуждается в постоянном уходе, который заключается в очищении ее поверхности от загрязнения.

Главным недостатком является высокая стоимость конструкции. При выходе из строя хотя бы одной трубки ремонт будет проблематичным, поскольку все изделия смонтированы последовательно.

Очумелые ручки

Трудно ли сделать своими руками коллектор для обогрева дома или для его обеспечения горячей водой?

Простейшая конструкция представляет собой уложенную в деревянную раму и накрытую полиэтиленом полиэтиленовую трубу для водоснабжения, уложенную спиралью. Сверху для уменьшения теплопотерь абсорбер укрывается полиэтиленовой пленкой.

Простейший коллектор из полиэтиленовой трубы.

Однако у такого импровизированного коллектора есть ряд недостатков:

• Низкий КПД, поскольку теплообменник не контактирует с подложкой по всей ее площади, и много тепла бесполезно рассеивается;
• Энергозависимость. Без циркуляционного насоса теплоноситель будет нагреваться вплоть до разрушения обладающих низкой температурой размягчения трубок;
• Слабая защищенность от ветра и случайных механических повреждений.

Если вы хотите изготовить прибор, который можно длительное время использовать для отопления частного дома — вот пошаговая инструкция.

Изображение	Этап работ
	Свариваем каналы для теплоносителя с верхним и нижним коллекторами. В качестве материала лучше использовать профильную трубу размером от 20х20 мм: ее плоские кромки обеспечат тепловой контакт с подложкой абсорбера. К коллекторам нужно приварить патрубки с резьбами размером 1/2-3/4 дюйма для выводя теплоносителя.
	Привариваем к трубкам подложку — стальной лист толщиной 3 мм. Шаг между прихватками — не больше 20 см. Такой шаг исключит прогиб листа и нарушение его теплового контакта с трубками.
	Собираем вокруг готового абсорбера деревянную раму. С обеих сторон между листом абсорбера и кромками рамы должны остаться зазоры, обеспечивающие укладку утеплителя и установку стекла. Не забудьте пропитать древесину антисептиком.
	Сверлим в раме отверстия под патрубки для выводя теплоносителя.
	Утепляем адсорбер с тыльной стороны минеральной ватой, затем зашиваем утепление фанерой, ОСП или досками.
	Красим адсорбер черной кремнийорганической жаростойкой краской. Обычные краски для наружного применения (ПФ, НЦ и так далее) при высокой температуре быстро начнут шелушиться. Затем проклеиваем края рамы резиновым оконным уплотнителем и закрываем обычным оконным стеклом толщиной 4 мм. Если остекление собирается из нескольких листов, герметизируем стыки силиконовым герметиком.
	Прижимаем стекло к раме алюминиевым или оцинкованным уголком, предварительно проклеив его фронтальную сторону оконным уплотнителем.

Критерии выбора

Все виды коллекторов солнечного типа обладают недостатками и достоинствами.

Выбирая устройство по своим нуждам, следует обращать внимание на некоторые нюансы:

• Плоские разновидности прочнее остальных, однако, не выгодны при ремонте. Поломка выводит из строя всю систему адсорбции, что увеличивает траты. Экземпляры данного класса способны нагревать воду на 20-40 градусов выше температуры окружающей среды.
• Вакуумные виды коллекторов чувствительны к внешним действиям, быстрее поддаются повреждениям из-за хрупких полых трубок. Между тем, ремонт может быть произведен в виде замены конкретной колбы. Зимой эффективнее плоского типа, поскольку нагревает теплоноситель в более широком диапазоне и дольше поддерживает температуру.
• Воздушные виды просты по конструкции, редко требуют ремонтных вмешательств. Стойко выдерживают очень низкие температуры, служат дольше остальных. В целом же, они слабее прогревают помещения.
• Преобразование солнечной энергии на тепло внутри вакуумного коллектора прямо пропорционально размеру трубок. Короткая трубка мелкого диаметра снизит расчет выработки нагрева. Вакуумные коллекторы оптимальны при наличии нескольких колб длиной до 2 метров и шириной около 6 см. Внутри должна иметься U-образная или прямая вставка для эффективного термогенеза.
• Мощность гелиотехники измеряется в кВт и является номинальной. Т.е. показатель говорит о количестве тепла, которое будет производиться за период пребывания яркого солнца на уровне зенита. Для раннего утра и вечера такой расчет не актуален. Ночью в режиме поддержания используется накопленная днем энергия. По этой причине необходимо учитывать мощность сопрягаемой с коллектором системы и проверять возможность длительного сохранения тепла. Устройства с низким сбережением температур не подойдут для морозного времени года. Особенно данный фактор важен для моделей с водным проводником.
• Перед приобретением коллектора требуется составить проект полной системы отопления и крепления к крыше. Во многих случаях будет оправданно использование дополнительных каркасов. Замеры, расчет предпочтительно делать при участии специалиста данной сферы деятельности.
• Выбор вертикального расположения коллектора избавит от проблем с зачисткой снега, но может снизить КПД. В любом случае, нужно предусмотреть под установкой место для схода осадков зимой.
• Самым выгодным будет размещение системы «лицом» на южную сторону или с отклонением от нее не более 30 градусов. Для функционирования 12 месяцев в год лучше брать угол установки равный широте местности.

Вопрос выбора освещается в видео

Как сделать своими руками

Наиболее простой, но тем не менее эффективный вариант, это плоский солнечный коллектор, в котором в качестве теплоносителя используется вода. 
Из имеющихся под рукой материалов, изготавливается корпус устройства. Это может быть дерево, профильный черный или цветной металл. Размеры каркаса определяются местом установки солнечного коллектора, его назначением и наличием требуемых материалов.

Во внутреннее пространство корпуса укладывается утеплитель, поверх которого укладывается медная трубка. Для создания большей поглощающей площади, трубку укладывают в форме змеевика. Чтобы увеличить КПД устройства, под трубку можно положить слой фольги (на схеме не показано), это позволит снизить тепловые потери в нижнюю сторону устройства и увеличит температуру во внутреннем пространстве корпуса.

С наружной стороны корпус закрывается защитным стеклом, щели герметизируются. В местах ввода и выхода труб, монтируются патрубки холодной и горячей воды.
Изготовленной таким образом устройство, можно использовать для горячего водоснабжения летнего душа и подогрева воды в бассейне, для этого патрубки коллектора подключаются к выбранным системам, после чего устройство готово к работе.

Типы оборудования

Солнечные коллекторы можно изготовить своими руками, но существует достаточно большое количество готовых моделей, которые достаточно приобрести и установить на любой подходящей для этой цели поверхности. Оборудование этого типа может существенно отличаться по мощности и принципу накопления тепловой энергии, поэтому вначале следует ознакомиться с основными разновидностями, прежде чем принять решение о покупке.

Плоский светопоглощающий

Конструкция плоского светопоглощающего коллектора является самой простой. Такая установка состоит из металлического короба, внутренняя часть которого защищена прозрачным стеклом. Такое устройство хорошо функционирует весной или в осеннее время, но, по причине большой передачи тепла от накопителя к стеклу, в зимнее время года становится крайне неэффективным.

Обратите внимание! Основное достоинство плоского солнечного коллектора заключается в относительно невысокой стоимости.

Воздушный

Воздушный солнечный коллектор также не обладает высокими показателями трансформации солнечной энергии в тепло, но в таком устройстве потери не так велики, как в плоском приборе. Основной принцип работы такого изделия заключается в парниковом эффекте. В воздушных солнечных системах отопления применяется поликарбонат, который пропускает инфракрасное излучение только в одну сторону.

Обратите внимание! Благодаря парниковому эффекту даже в пасмурную погоду может накапливаться значительное количество тепла.

Вакуумный

Вакуумный прибор солнечного отопления является одним из самых совершенных, но в тоже время сложных и дорогих устройств.

Состоит такое изделия из множества стеклянных трубок, по которым циркулирует теплоноситель. Такие элементы накопления тепла находятся в коробе, в котором практически отсутствует газовая среда. Благодаря этому, тепловые потери минимальны и устройство может быть эффективно использовано даже в зимнее время года.

Эффективное использование энергии солнца

Самым очевидным плюсом использования энергии солнца является ее общедоступность. На самом деле даже в самую хмурую и облачную погоду солнечная энергия может быть собрана и использована.

Второй плюс – это нулевые выбросы. По сути, это самый экологически чистый и естественный вид энергии. Солнечные батареи и коллекторы не производят шума. В большинстве случаев устанавливаются на крышах зданий, не занимая полезную площадь загородного участка.

Эффективность солнечного отопления в наших широтах довольно низка, что объясняется недостаточным количеством солнечных дней для регулярной работы системы (+)

Недостатки, связанные с использованием энергии солнца, заключаются в непостоянстве освещенности. В темное время суток становится нечего собирать, ситуация усугубляется тем, что пик отопительного сезона приходится на самые короткие световые дни в году. Необходимо следить за оптической чистотой панелей, незначительное загрязнение резко снижает КПД.

Кроме того, нельзя сказать, что эксплуатация системы на солнечной энергии обходится полностью бесплатно, существуют постоянные затраты на амортизацию оборудования, работу циркуляционного насоса и управляющей электроники.

Существенный недостаток отопления, основанного на применении солнечных коллекторов, заключается в отсутствии возможности накапливать тепловую энергию. В схему включен только расширительный бак (+)

Открытые солнечные коллекторы

Открытый солнечный коллектор представляет собой незащищенную от внешних воздействий систему трубок, по которым циркулирует нагреваемый непосредственно солнцем теплоноситель.

В качестве теплоносителя применяется вода, газ, воздух, антифриз. Трубки либо закрепляются на несущей панели в виде змеевика, либо присоединяются параллельными рядами к выходному патрубку.

Солнечные коллекторы открытого типа не способны справиться с отоплением частного дома. Из-за отсутствия изоляции теплоноситель быстро остывает. Их используют в летнее время в основном для нагрева воды в душевых или бассейнах

У открытых коллекторов нет обычно никакой изоляции. Конструкция очень простая, поэтому имеет невысокую стоимость и часто изготавливается самостоятельно.

Ввиду отсутствия изоляции практически не сохраняют полученную от солнца энергию, отличаются низким КПД.  Применяются их преимущественно в летний период для подогрева воды в бассейнах или летних душевых.

Устанавливаются в солнечных и теплых регионах, при небольших перепадах температуры окружающего воздуха и подогреваемой воды. Хорошо работают только в солнечную, безветренную погоду.

Самый простой солнечный коллектор с теплоприемником, сделанным из бухты полимерных труб, обеспечит поставку подогретой воды на даче для полива и бытовых нужд

Трубчатые коллекторные разновидности

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы

Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.

Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы (+)

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.

При цилиндрической форме трубки солнечные лучи всегда падают перпендикулярно поверхности

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.

Свое название система получила от перьевого абсорбера, который плотно обхватывает тепловой канал из теплопроводящего металла

Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.

По способу передачи тепла есть две системы: прямоточные и с термотрубкой (heat pipe). Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

Поскольку легкоиспаряющаяся жидкость естественным образом стекает на дно термотрубки, минимальный угол наклона составляет 20° С

Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении. В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.

Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.

При прямоточном подключении давление в системе не может быть высоким, так как внутри колбы технический вакуум

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель. Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.

Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.

Достоинства:

• низкие теплопотери;
• способность работать при температуре до -30⁰С;
• эффективная производительность в течение всего светового дня;
• хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
• низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
• возможность производства высокой температуры теплоносителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность.

Обладает следующими недостатками:

• не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
• высокая стоимость.

Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.

Трубчатые коллекторы относятся к гелиоустановкам открытого типа, потому не подходят для круглогодичного использования в системах отопления (+)

Плоские закрытые системы

Плоский коллектор состоит из алюминиевого каркаса, специального поглощающего слоя – абсорбера, прозрачного покрытия, трубопровода и утеплителя.

В качестве абсорбера применяют зачерненную листовую медь, отличающуюся идеальной для создания гелиосистем теплопроводностью. При поглощении солнечной энергии абсорбером происходит передача полученной им солнечной энергии теплоносителю, циркулирующему по примыкающей к абсорберу системе трубок.

С наружной стороны закрытая панель защищена прозрачным покрытием. Оно изготовлено из противоударного закаленного стекла, имеющего полосу пропускания 0,4-1,8мкм. На такой диапазон приходится максимум солнечного излучения. Противоударное стекло служит хорошей защитой от града. С тыльной стороны вся панель надежно утеплена.

Плоские солнечные коллекторы отличаются максимальной производительностью и простой конструкцией. КПД их увеличен за счет применения абсорбера. Они способны улавливать рассеянное и прямое солнечное излучение

В перечне преимуществ закрытых плоских панелей числятся:

• простота конструкции;
• хорошая производительность в регионах с теплым климатом;
• возможность установки под любым углом при наличии приспособлений для изменения угла наклона;
• способность самоочищаться от снега и инея;
• низкая цена.

Плоские солнечные коллекторы особенно выгодны, если их применение запланировано еще на стадии проектирования. Срок службы у качественных изделий составляет 50 лет.

К недостаткам можно отнести:

• высокие теплопотери;
• большой вес;
• высокая парусность при расположении панелей под углом к горизонту;
• ограничения в производительности при перепадах температуры более 40°С.

Сфера применения закрытых коллекторов значительно шире, чем гелиоустановок открытого типа. Летом они способны полностью удовлетворить потребность в горячей воде. В прохладные дни, не включенные коммунальщиками в отопительный период, они могут поработать вместо газовых и электрообогревателей.

Желающим сделать солнечный коллектор собственными руками для устройства отопления на даче предлагаем ознакомиться с проверенными на практике схемами и пошаговыми инструкциями по сборке.

Схема подключения

Как подключить коллектор к системе отопления?

Схема отопления и приготовления горячей воды с помощью солнечного коллектора.

В качестве накопителя тепла используется теплоаккумулятор, или буферная емкость — большой теплоизолированный бак с водой.

Теплоаккумулятор накапливает энергию, которая затем используется для обогрева дома.

В системе отопления формируется два контура:

1. Между коллектором и буферной емкостью;
2. Между буферной емкостью и отопительными приборами.

Днем тепло гелиосистемы используется для нагрева теплоносителя в теплоаккумуляторе, ночью и в пасмурную погоду оно расходуется на поддержание постоянной температуры в доме. Для приготовления ГВС используется бойлер косвенного нагрева, в теплообменнике которого теплоноситель отдает тепло воде для хознужд.

По мере охлаждения воды в теплоаккумуляторе температура батарей будет снижаться. Поддерживать ее постоянной поможет узел смешения, состоящий из трехходового термостатического клапана и дополнительного циркуляционного насоса.

Схема узла смешения, обеспечивающая постоянную температуру теплоносителя на отоплении.

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.