Принцип работы солнечного коллектора


Для превращения солнечной энергии в тепловую используют гелиосистемы.

Солнечный водонагреватель (солнечный коллектор) – это устройство, предназначенное для поглощения солнечной энергии, которая переносится видимым и ближним инфракрасным излучением для последующего её преобразования в тепловую энергию, пригодную для использования.

В гелиосистемах наиболее распространены два типа коллекторов: вакуумные и плоские.

Основной частью вакуумного коллектора является тепловая трубка. Такие коллекторы представляют собой ряд стеклянных трубок специальной конструкции. Трубка гелиоколлектора – это на самом деле две трубки (одна вложенная в другую), между которыми находится вакуум для наилучшей термоизоляции теплоносителя от внешней среды.

Способ передачи тепла от неё теплопроводу вакуумного солнечного коллектора: медная труба внутри пустая и содержит неорганическую и нетоксичную жидкость. При нагревании эта жидкость испаряется, а поскольку в трубке создан вакуум, то это происходит даже при температуре минус 30°С.


р поднимается к наконечнику тепловой трубки, где отдаёт тепло теплоносителю (антифризу), который течёт по теплопроводу гелиоколлектора. Потом он конденсируется и стекает вниз, и процесс повторяется снова. Солнечный водонагреватель с вакуумными трубами показывает отличные результаты даже в пасмурные дни, потому что вакуумные трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через тучи. Благодаря изоляционным свойствам вакуума, влияние ветра и низких температур на работу гелиосистемы также незначительно по сравнению с влиянием на плоский солнечный коллектор. Система с вакуумным солнечным коллектором успешно работает до -35°С.

Принцип работы солнечного коллектора

Трубы установлены в солнечном водонагревателе параллельно, угол их наклона зависит от географической широты места установки системы отопления. Ориентированные с севера на юг, на протяжении дня, трубки вакуумного солнечного коллектора пассивно двигаются за солнцем. Они практически не нуждается в эксплуатационном обслуживании.

Для поддержания вакуума солнечный водонагреватель использует газопоглотитель, который в производственных условиях подвергался влиянию высоких температур, в результате чего нижний конец вакуумной трубы покрыт слоем чистого бария. Он поглощает СО, СО2, N2, O2, H2O и H2, которые выделяются из трубы в процессе хранения и эксплуатации, и является чётким визуальным индикатором состояния вакуума в трубке солнечного коллектора. Когда вакуум исчезает, бариевый слой из серебристого становится белым. Это дает возможность легко определить, целая ли труба вакуумного солнечного водонагревателя.


Вакуумные солнечные коллекторы полностью пригодны для ремонта: в случае необходимости трубку можно заменить без остановки солнечного водонагревателя. За необходимостью вакуумные трубки можно добавлять (при недостатке тепла) или частично снимать (если есть его избыток), уменьшая площадь гелиоколлектора. Обслуживание солнечного водонагревателя сводится практически к нулю. Вакуумные солнечные коллекторы отлично справляются с заданием обеспечения дома горячей водой, отоплением квартиры, подогревом бассейнов, теплиц, работают в системах вентиляции, кондиционирования и отопления зданий. Благодаря всему этому работа гелиосистемы проста, как с точки зрения эксплуатации, так и обслуживания.

Плоские гелиоколлекторы имеют иную конструкцию. Главным элементом в них является абсорбер, поглощающий солнечное излучение, сверху он имеет прозрачное покрытие. Для повышения эффективности коллектора, используют специальное оптическое покрытие из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов. Абсорбер соединён с теплопроводящей системой.

Конструкция плоских солнечных коллекторов является довольно простой. Внешне они представляют собой простую панель, имеющую прямоугольную форму. Эта установка обладает алюминиевым корпусом, несколькими патрубками, использующимися с целью отвода и подвода жидкого теплоносителя. Кроме того, изнутри стенки коллектора покрыты теплоизоляционным слоем. На сегодняшний день производители его толщину делают равной трем-четырем сантиметрам – это предоставляет возможность добиться существенного уменьшения уровня теплопотерь.


Принцип работы солнечного коллектора

Принцип работы плоского солнечного коллектора основывается на парниковом эффекте — солнечные лучи поступают на поверхность этого устройства и проникают сквозь стекло. Теплопоглощающее покрытие, используемое в нижней части коллектора, характеризуется коэффициентом поглощения, составляющим 91%. В конечном итоге чрезмерный нагрев приводит к тому, что покрытие начинает излучать тепловую энергию. Мощность её расположена в инфракрасном диапазоне, другими словами, имеется возможность достичь аккумулирования энергии солнца в коллекторе. Процесс отвода тепла происходит при непосредственном участии теплоносителя.

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов


Вакуумные трубчатые Плоские высокоселективные
плюсы плюсы
Низкие теплопотери Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до -30С Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность  
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата  
минусы минусы
Неспособность к самоочистке от снега Высокие тепло потери
Относительно высокая начальная стоимость проекта Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20° Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
  Высокая парусность

 

Источник: realsolar.ru

Солнечный коллекторэто искусственное сооружение или устройство, предназначенное для поглощения солнечной радиации и преобразование ее в тепловую энергию, которую применяют для подогрева бытовой воды (система горячего водоснабжения).

Слово коллектор (англ. сollect) переводится, в данном смысле как — собирать, собиратель.

В общем конструкция установки, которая включает в себя солнечный коллектор является сложной и состоит из:

  • датчика фиксации температуры в накопительном баке и солнечном коллекторе;
  • накопительного или расширительного бака;
  • циркуляционного насоса;
  • датчики температуры для подогрева воды при условии недостаточности нагрева от солнечного коллектора;
  • солнечный регулятор.

Данная установка должна иметь подключения к системе холодного и горячего водоснабжения (или к системе отопления), фото 1.

Существуют разные виды солнечных коллекторов:

  1. Открытые солнечные коллекторы.
  2. Вакуумные солнечные коллекторы.
  3. Плоские солнечные коллекторы.

Открытые солнечные коллекторы

Открытые коллекторы – оснащены поверхностью из резины или пластика, которые имеют высокий коэффициент поглощения солнечных и световых лучей. В данном коллекторе его поверхность не покрывается стеклом, фото 2.

Применяется в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах и позволяет снизить расход газа на обогрев до 50…70%, что в наше время весьма существенно.

Коллектор открытого типа целесообразно использовать в теплых странах. В Украине рекомендуется применять только в южных регионах страны.

Плюсы открытого коллектора:

  • легкое оборудование;
  • простая конструкция и ее монтаж;
  • относительно низкая стоимость.

Минусы открытого коллектора:

  • прямая зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и от погоды (облачности, ветра);
  • применяется только для нагрева воды бассейнов и для летних душевых;
  • малый срок эксплуатации (1…3 года).
  • низкий КПД системы.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумный коллектор – является усовершенствуемым вариантом коллектора открытого типа, фото 3. Особенностью данного коллектора является использования вакуума, как высокоэффективного теплоизолятора. Вакуум находится между внешним стеклом и теплопоглощающей поверхностью коллектора. Такая конструкция позволяет существенно снизить теплопотери и снизить зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и погоды (ветер, осадки, облачность). Повышение эффективности вакуумного коллектора связано также с его работай по принципу зеркального эффекта (фото 4), который заключается в выравнивании тепловой мощности коллектора в зависимости от высоты солнца.

Вакуумные коллекторы производятся следующих видов:

  • трубчатые – представляют собой герметичные вакуумные трубы;
  • плоские – представляют собой пластины, вакуум в которых поддерживается насосами.

Трубчатые вакуумные коллекторы

Трубчатые коллекторы состоят из следующих элементов:

  • корпус-рама;
  • корпус теплообменника;
  • стеклянные вакуумные трубки.

В зависимости от конструкции теплового канала и стеклянных трубок трубчатые вакуумные коллекторы разделяются по следующим конструктивным особенностям:

  • по виду стеклянной трубки: коаксиальная или перьевая;
  • по виду теплового канала (производится с тепловой трубкой «нeat pipe» (термотрубка) и с прямоточной тепловой трубкой);

Коаксиальная стеклянная трубка сделана по типу термоса – две трубки различного диаметра вставленные друг в друга, между ними выкачан воздух и создан вакуум, фото 5.

Перьевая вакуумная стеклянная трубка – трубка с одной стенкой, а внутри трубки в среде вакуума установлена часть теплового канала и абсорбера, фото 6.

Трубчатые вакуумные коллекторы по виду похожи на термос, и состоят из трубки в которую помещена трубка меньшего диаметра. Воздух между поверхностями трубок выкачан, т.е. создается вакуум, который является термоизолятором для минимизации теплопотерь. Внутренняя поверхность внутренней трубки покрыта высокоселективным слоем, от которого с помощью алюминиевых пластин происходит сбор количества принятого тепла и передача его медной U-образной или коаксиальной трубке с подогреваемой жидкостью.

Из фото 7 видно, что внутри алюминиевой пластины проходят две трубки: одна с нагретой жидкостью, а вторая – с холодной жидкостью. Все трубки с жидкостью (теплоносительные трубки) объедены в целую гидравлическую систему, фото 8.


Цилиндрическая форма трубок позволяет по максимуму собирать солнечные лучи, которые в любое время дня и года принимают солнечные лучи перпендикулярно к оси трубки – это значительно повышает эффективность работы всей системы и позволяет даже при очень слабом солнечном освещении нагревать воду в системе горячего водоснабжения.

Выпускаются трубчатые вакуумные коллекторы различной конструкции. Кратко рассмотрим самые распространенные виды вакуумных трубчатых коллекторов:

  • вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система);
  • вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником;
  • вакуумный коллектор с термотрубками.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система)

Система коллекторных трубок соединена с накопительным баком, через который поступает вода непосредственно к вакуумным трубкам, фото 9, что является большим преимуществом, так как минимизируются теплопотери. Вода в трубках нагревается и поступает в теплообменник по принципу естественной конвекции, поэтому системный бак всегда располагается выше коллекторных трубок. Вода в баке, которая отдала тепло и охладилась, она естественным путем течет вниз в трубки.


Особенностью термосифонной системы является не только возможность аккумулировать определенное количество тепла, но и сохранять в баке определенное количество горячей воды некоторое время. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде широко применяется для начального нагрева воды, а затем основными системами вода подогревается до требуемой температуры.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде считается дешевым и отличается простой конструкцией.

Недостатки вакуумного коллектора с прямой теплопередачей воде:

  1. Нерационально использовать солнечные коллекторы такого типа в тех регионах, где есть отрицательные температуры.
  2. Не допускается в системе коллекторов давления более чем 0,2 атм, так как теплоноситель имеет прямой контакт с трубкой. Таким образом, данный коллектор не может работать в под высоким давлением.
  3. Коллектор эффективно работает только при положительной температуре окружающей среды.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником

Прямоточный канал позволяет снизить потери нагретой жидкости на пути к теплообменнику, фото 10, т.е. непосредственная передача тепла теплообменнику (воде) без «посредников». При действии на трубку солнечных лучей жидкость закипает или просто нагревается, превращается в пар и переносит к теплообменнику тепловую энергию, который непосредственно находится в трубке. В теплообменнике пар конденсируется и возвращается обратно в каждую трубку коллектора. Такая система высокоэффективна и позволяет работать коллектору в экстремальных условиях, даже при температуре наружного воздуха -35°С.

Вакуумный коллектор с термотрубками

Коллектор оснащен вместо обычных вакуумных трубок более усовершенствованными термотрубками, которые представляют собой трубку из тонкостенной меди заполненную легкокипящей жидкостью. Коллектор состоит из набора термотрубок, при попадании солнечного света на трубки происходит кипение легкокипящей жидкости (например, иноргатик) до температуры 250…380°С, ее пары поднимаясь в верхнюю часть трубки, которая является конденсатором отдают тепло и охлаждается до превращения в жидкость, а затем поступает снова в нижнюю часть термотрубок. Принцип работы представлен на фото 11.

Плоские вакуумные коллекторы

Вакуумный плоский коллектор отличается от обычного плоского коллектора наличием в середине системы вакуума для снижения теплопотерь, фото 12. Плоский вакуумный коллектор имеют высокую производительность по сравнению с другими плоскими коллекторами, но его распространение ограничивает то, что он очень дорогой. Также такой коллектор очень сложно устанавливать и эксплуатировать.

Плюсы вакуумного коллектора:

  • высокий КПД системы на протяжении всего года, и даже зимой. По сравнению с другими типами коллекторов, трубчатый вакуумный коллектор на протяжении целого года производит на 30…40% количества тепла больше;
  • возможность работать при отрицательных температурах (не все виды);
  • некоторые производители выпускают трубчатые коллекторы с поверхностью из ударопрочного стекла, выдерживающего удар града или незначительного падения;
  • низкая парусность конструкции позволяет более надежно закрепить оборудование с меньшими усилием и затратами.
  • более ремонтопригодная система. При повреждении одной трубки ее относительно легко заменить, что совсем не возможно в плоских коллекторах;
  • возможность нагрева воды до температуры 130…200°С.

Минусы вакуумного коллектора:

  • более высокая стоимость; по подсчетам производителей окупаемость системы коллектора составляет 1…5 лет;
  • большие габариты и тяжелый вес;
  • в пределах Украины производительность вакуумного коллектора в зимний период может снижаться за счет осадков в виде снега и инея;
  • низкий срок эксплуатации, система боится града (более свойственно продукции из Китая);
  • одной из главных поломок системы – недержание вакуума в системе (более свойственно продукции из Китая).

Область применения. Вакуумные солнечные коллекторы применяют для подогрева бытовой воды или в системе отопления. Вакуумный коллектор позволяет летом получать полностью горячею бытовую воду в избытке, а зимой коллектор покрывает только до 60% всего расхода горячей воды. При заполнении теплоносителя, который не замерзает, свободно можно использовать коллектор для подогрева воды и в морозы при температуре -5…-10°С.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллекторэто один из самых распространенных видов солнечных коллекторов, которые работают по принципу парникового эффекта, а именно то, что сквозь стекло практически полностью все солнечные лучи проходят и попадают на поверхность солнечного коллектора (фото 13).

Для плоского солнечного коллектора применяется обычное или специальное закаленное стекло с коэффициентом пропускания спектрального интервала 0,4…1,8 мкм и достигает 95%, а в свою очередь в нижней части коллектора используется теплопоглощающее покрытие с эффективностью 90% (высокоселективное покрытие). Поверхность стекла применяют матовую, которая больше поглощает солнечных лучей, чем глянцевая поверхность.

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов:

  • корпус;
  • абсорбер и теплопоглощающее покрытие;
  • прозрачное защитное покрытие (обычно стекло);
  • термоизолирующее покрытие (обычно минеральная вата в комбинации со светоотражающей алюминиевой фольгой);
  • элементы крепления оборудования.

Корпус плоского солнечного коллектора обычно изготовляют из листового или анодированного алюминия, и предназначенный для защиты главного оборудования от внешнего воздействия и крепления к основанию скатной кровли или реже к стене дома.

Абсорбер – основной элемент плоского коллектора. Абсорбер представляет собой обычно медную пластину с теплопоглощающим покрытием. К адсорберу припаян проточный трубопровод, для отвода тепла, который может располагаться по двум схемам: «меандр» и «арфа». Абсорбер помещается в стеклянный корпус. Одна поверхность, что покрыта теплопоглощающим слоем принимает солнечное излучение, а вторая сторона (противоположная) для снижения теплопотерь утепляется специальным материалом. Отвод теплоты от теплопоглощающего покрытия осуществляется через медный или алюминиевый теплообменник, внутри которого в качестве теплоносителя помещена вода или антифриз.

В разных моделях плоских солнечных коллекторах могут быть:

  • абсорбер из меди лирообразной формы, поверхность которого покрыта высокоселективным черным хромом, что дает возможность к параллельному подключению коллекторов, фото 14а;
  • абсорбер из меди, меандровый с высокоселективным покрытием «Sunselect», фото 14б;
  • абсорбер из меди двойной лирообразной формы с высокоселективным покрытием «Eta plus», фото 14в.

В плоских солнечных коллекторах используют следующие виды стекол, фото 15:

  • обычное стекло;
  • специальное закаленное стекло. Особенностью является повышенная прочность на удар и высокая рассеянность.
  • антирефлексное стекло – это стекло, на обеих поверхностях которого нанесен специальный слой элиминирующий отражение солнечного света и поэтому максимальное количество этого излучения попадает на абсорбер (до 96%);
  • полярное стекло (самоочищающееся стекло); поверхность такого стекла покрыта специальным слоем диоксид титана, что приводит к выгоранию на солнце всего органического мусора, который оседает на поверхность коллектора, а дождь смывает его остатки, оставляя стекло чистым.

В более дорогих версиях плоского солнечного коллектора вместо обычного защитного стекла применяется стекло из поликарбоната, которое также хорошо пропускает солнечные лучи, но является более стойким к ударам.

Очень важно, чтобы плоские коллекторы имели хорошую теплоизоляцию, которая снижает потери тепла. Обычно теплоизоляция плоских коллекторов устанавливается толщиной 20…60 мм изготовленной из минеральной ваты и светоотражающей алюминиевой пленки.

Для нашего региона, летом в Украине максимальная производительность плоского солнечного коллектора составляет 50 л (температура 50…60°С) за 1 день с 1 м2 коллектора.

Плюсы плоских солнечных коллекторов:

  1. Высокая производительность (КПД более 50%).
  2. Простая и надежная конструкция.
  3. Высокая долговечность оборудования (более 50 лет; производитель обычно дает гарантию на 10 лет эксплуатации).
  4. Возможность работы круглый год.
  5. Эффективно работают при необходимости нагрева воды выше на 20…40°С от температуры окружающей среды.

Минусы плоских солнечных коллекторов:

  1. Низкая производительность в зимнее время и в неблагоприятную для коллектора погоду (по сравнению с вакуумным коллектором).
  2. Максимальна эффективность плоского коллектора достигается только при попадании солнечных лучей под прямым углом, т.е. в полдень.
  3. Требует периодической очистки от пыли, грязи, снега.
  4. При повреждении коллектора, необходимо проводить полную замену устройства, а не отдельного элемента, как это происходит в трубчатых вакуумных коллекторах.

Как уже выше отмечалось, что плоские коллекторы устанавливают обычно на кровлю или на стены домов. Оптимальным решение является установка солнечного коллектора на стадии строительства дома, что позволяет существенно снизить расход денежных средств на кровельные материалы.

В данном случае плоские коллекторы просто встраивают в каркас кровли, фото 16 и их можно использовать в комплексе с солнечными батареями и мансардными окнами (с далека трудно отличить это окно или коллектор). Такой конструкцией коллекторов, размер которых совпадает с основными типовыми размерами мансардных окон, занимаются такие производители как ROTO (Германия) и VELUX (Дания).

В табл. 1 приведены для сравнения самые главные преимущества и недостатки вакуумного и плоского коллекторов.

Таблица 1

Сравнительная таблица преимуществ и недостатков трубчатого вакуумного и плоского коллекторов

Вакуумные трубчатые

Плоские высокоселективные

Низкие теплопотери

Высокие теплопотери

Работоспособность в холодное время года до -30°С

Низкая работоспособность в холодное время года

Длительный период работы в течение суток

Высокая производительность летом

Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата

Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и теплого климата

Удобство монтажа

Сложность монтажа, связанная с необходимостью подъема на кровлю собранного коллектора

Неспособность самоочистки от снега

Способность очищаться от снега и инея

Относительно высокая начальная стоимость проекта

Меньшая начальная стоимость

Рабочий угол наклона не менее 20°

Возможность установки под любым углом

Низкая парусность

Высокая парусность

Способность генерировать высокие температуры теплоносителя

Не способен генерировать высокие температуры теплоносителя

На фото 17 представлен график сравнения тепловой эффективности разных солнечных коллекторов.

Параметры, по которым определяют эффективность работы теплопоглощающего покрытия:

а – коэффициент поглощения (адсорбции) – это отношение количества поглощающей энергии ко всей «приходящей» энергии. Нормальное значение коэффициента а лежит в пределах 0,8…0,98;

е – коэффициент излучения (эмиссии) – это отношения количества излученной энергии к поглощенной. Нормальное значение е лежит в пределах 0,95…1,02, что зависит от вида покрытия;

а/е – коэффициент селективности. Чем выше значение коэффициента селективности, тем лучшая поглощающая способность теплопоглощающей поверхности.

Публикацию подготовил – эксперт GIDproekt

Конев Александр Анатольевич

Конев_А

Источник: gidproekt.com

Виды солнечных коллекторов

Гелиосистемы делятся на два класса по: принципу нагрева и способу хранения теплоносителя. Первые используют встроенный бак теплоаккумулятор. Вторые подключаются к выносной накопительной емкости, устанавливаемой в непосредственной близости от коллектора или внутри здания.

При выборе гелиосистемы в первую очередь обращают внимание на тип баков аккумуляторов солнечной тепловой энергии, так как отличия конструкции и устройства отражаются на особенностях эксплуатации и технических характеристиках.

Коллекторы с встроенным баком

Моноблочные гелиоколлекторы предназначены для работы в сезон весна-осень. Зимой оборудование отключают, сливают теплоноситель. Коллекторы со встроенным баком проще установить и обслуживать. Для использования требуется просто подключить гелиосистему к системе горячего водоснабжения или точке водоразбора.

Нагрев воды гелиоколлекторов со встроенным баком теплоаккумулятором происходит следующим образом:

  • солнечные лучи улавливаются абсорбером;
  • полученная энергия передается в змеевик, расположенный в встроенном баке теплоаккумуляторе;
  • происходит передача тепла, от нагретого теплоносителя воде, используемой для бытовых нужд.

В некоторых теплоаккумулирующих ёмкостях предусмотрен встроенный ТЭН, необходимый в случаях, если солнечный коллектор не смог обеспечить необходимым количеством горячей воды. Недогрев возможен в случае пасмурной или холодной погоды. Солнечный коллектор в нормальных условиях может нагреть объем воды до 200 л. в день.

Коллекторы с встроенным баком в основном работают без давления, c применением естественной циркуляции жидкости. Термосифонные гелиосистемы устанавливают в высшей точке ГВС, чтобы обеспечить необходимый напор воды, при открытии крана водоснабжения. Баки выдерживают максимальное давление не более 0,2 атм. После нагрева вода самотеком стекает к точке водоразбора.

Солнечные водонагреватели с встроенным баком отличаются несколькими преимуществами:

  • нагрев воды в солнечную погоду всего за 3-4 часа;
  • обеспечение потребности в ГВС от 3 человек и выше, в зависимости от площади абсорбирующей поверхности;
  • простой монтаж;
  • низкая цена.

Принцип термосифона широко используется в ГВС с солнечными коллекторами. Работа водонагревателя основывается на естественной конвекции, когда нагретая жидкость перемещается вверх, а остывшая опускается вниз. Непременное условие термосифонной схемы ГВС — резервуар для воды должен находится выше коллектора.

Гелиосистемы с выносным баком

Солнечные коллекторы, подключаемые к отдельно стоящему баку теплонакопителю, относятся к классу водонагревателей для круглогодичного использования. Нагрев воды продолжается в любое время года, при условии, что будет ярко светить солнце и температура воздуха не упадет ниже –50°С.

Для нагрева воды используется внешний бойлер косвенного нагрева, удаленный от источника тепла. В качестве теплоносителя используется антифриз. Нагрев ГВС коллектором с выносным баком осуществляется следующим образом:

  1. абсорбер аккумулирует тепло и передает его жидкостному теплоносителю;
  2. под давлением, нагретый антифриз поступает в теплообменник бака накопителя;
  3. при прохождении через змеевик бака, теплоноситель нагревает воду.

Для обеспечения нормальной работы, гелиоколлектор с выносным баком подключается к насосной группе. Циркуляция теплоносителя осуществляется принудительно. Процесс и интенсивность нагрева, и давление регулируются автоматикой.

Главное достоинство гелиосистем с выносной емкостью — возможность круглогодичного применения. Недостаток: необходимость в подключении дорогостоящего оборудования, необходимого для нормальной работы гелиосистемы. Водонагреватель работающий под давлением имеет еще один минус: при отключении электроэнергии насосы перестают работать, что приводит к перегреву теплоносителя и негативно сказывается на работоспособности гелиоколлектора (проблема решается установкой ИБП).

Как работает система ГВС от гелиосистемы

Солнечные водонагревательные установки способны компенсировать около 50% затрат тепла на нагрев воды. Экономия в года составляет около 300 м³ газа или 4 м³ дров. Даже несмотря на необходимость первоначальных вложений, накопительный водонагреватель, работающий от солнечных батарей крайне выгоден. При коммерческом применении окупаемость наступает спустя 2-3 года интенсивной эксплуатации, а срок службы коллекторов составляет от 30-50 лет.

Чтобы понять насколько горячее водоснабжение на солнечных коллекторах выгодно, стоит рассмотреть, несколько важных вопросов:

  • как работает гелиосистема;
  • сколько воды сможет нагреть гелиоколлектор в течение дня.

Хорошее понимание перечисленных моментов поможет выбрать наиболее подходящую гелиосистему в каждом конкретном случае.

Принцип нагрева воды солнцем

Существует несколько разновидностей коллекторов, отличающихся по принципу абсорбции или аккумуляции тепла. Все оборудование делится на две группы:

  • Трубчатые вакуумные коллекторы — аккумуляция тепла осуществляется благодаря особым колбам. В процессе производства из стеклянных трубок выкачивают воздух, что приводит к созданию вакуума, играющего роль своеобразного теплоизолятора. Внутри колба покрыта высокоселективным слоем. Там же находится алюминиевая или медная пластина, контактирующая с трубками теплообменника, которые для солнечного водонагревателя изготавливаются из меди.
    Принцип действия трубчатых коллекторов следующий:
    1. в трубках, благодаря высокоселективному покрытию и внутреннему устройству (напоминает колбу термоса) воздух нагревается до 280-300°С;
    2. тепло передается через пластину к циркулирующей жидкости;
    3. теплоноситель поступает в отдельно стоящий или моноблочный накопительный бак, происходит нагрев воды.

    По своему устройству трубчатые вакуумные коллекторы делятся еще на несколько групп: с U-образными (коаксиальными) или прямоточными трубками.

  • Панельные коллекторы — нагреватели используют парниковый эффект. Солнечные лучи проходят сквозь прозрачную поверхность, попадают на абсорбер, аккумулирующий тепло. Солнечный водонагреватель устроен так:
    1. обычное или закаленное стекло, с различными дополнительными функциями (антивандальное, противоградовое, самоочищающееся и т.д.)
    2. корпус, изготовленный из адонированного алюминия;
    3. абсорбер — роль теплообменника выполняет медная пластина, помещенная между двух стекол. Селективная поверхность состоит из металла, обработанного специальной теплопоглощающей краской. К теплообменнику припаян проточный трубопровод, по которому вовнутрь панели подается жидкость, отбирающая излишки тепла.
      Абсорбер, важнейшая часть солнечного водонагревателя. От качества абсорбирующего покрытия зависит теплоэффективность панельного коллектора.

Принцип работы солнечных водогрейных коллекторов трубчатого и панельного типа основан на обычных физических законах. Ультрафиолетовое излучение проходит сквозь атмосферу земли практически не теряя тепла. При попадании на твердую поверхность солнечные лучи прогревают ее. В свою очередь нагретые предметы отдают тепло окружающей среде. Подобным образом происходит нагрев и в гелиосистеме.

Солнечные лучи попадают на абсорбирующую поверхность, которая сильно разогревается благодаря тому, что окрашена в темный цвет. Тепло, аккумулируется при помощи абсорбера и направляется в накопительный бак. Описанный принцип работы остается одинаковым для всех гелиоколлекторов, независимо от внутреннего устройства.

Виды и способы аккумулирования солнечной тепловой энергии влияют на особенности эксплуатации солнечных водогрейных систем. Трубчатые водонагреватели отличаются большей теплоотдачей, способны работать при температуре до –50°. Хотя вакуумные колбы стоят дороже, их теплотехнические параметры: скорость и интенсивность нагрева лучше, по сравнению с панельными коллекторами.

Сколько воды может нагреть солнечный коллектор

Все зависит от нескольких факторов: способа нагрева и аккумуляции тепла, времени года, погоды. Отдельно учитывается то, какая система рециркуляции используется. Средним значением для гелиосистемы на 1 м² принято считать следующие возможности нагрева в час:

  • 100 литров на 7 °C;
  • 50 литров на 14 °C;
  • 25 литров на 28 °C;
  • 15 литров на 46 °C;
  • 10 литров на 70 °C.

В пасмурную погоду солнечный коллектор может снизить скорость нагрева ГВС, в ясную солнечную наоборот, увеличить, поэтому в списке приводятся средние значения.

В теплую летнюю погоду, при отсутствии облачности водонагреватель всего за час подогревает около ведра воды, что достаточно для экономного душа. В течение светового дня собирается около 200 л. горячей воды с температурой около 40°, при условии, что используется коллектор, имеющий более 1,5 м² абсорбирующей площади.

Зимой потребитель столкнется с тем, что получаемого тепла будет недостаточно, чтобы произвести необходимое количество горячей воды. Проблема решается установкой накопительной емкости.

Принцип работы коллектора при низких температурах окружающей среды несколько изменяется. Если летом можно было подключить бойлер и периодически, раз в час «сбрасывать» в него горячую воду, то зимой водонагреватель будет нормально функционировать только в системе косвенного нагрева. Суть такого подключения в следующем:

  • зимой, вода в солнечных коллекторах нагревается до температуры 30°С, чего будет недостаточно для мытья;
  • в систему ГВС подключают буферную емкость с двумя теплообменниками, для котла и гелиоколлектора;
  • водонагреватели от солнечной энергии подогревают воду до температуры 25-30°С;
  • основной нагрев осуществляет газовый, электрический или твердотопливный котел, доводя температуру до 60-70°;
  • при открытии крана ГВС пользователю подается горячая вода.

Солнечный водонагреватель работает зимой на компенсацию энергоресурсов, необходимых для работы системы ГВС. Автономное горячее водоснабжение при помощи одних только гелиоколлекторов невозможно. Требуется, чтобы в системе ГВС присутствовал водонагреватель, способный удовлетворить потребности водоснабжения на 100%.

Чем заправляют гелиосистемы

Теплоноситель для коллекторов выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Так, для всесезонных систем используют специальный антифриз, не замерзающий в зимнее время года. Летом, водогрейный контур заправляют дистиллированной водой.

В связи с выбором теплоносителя существует несколько общих рекомендаций:

  • Эксплуатация зимой — состав незамерзающих жидкостей для солнечных водонагревателей — это смесь пропиленгликоля с водой и добавлением антикоррозионных веществ. Пропорции подбираются в зависимости от средней температуры промерзания окружающей среды:
    1. –20°С нужен 40% раствор: на 10 л теплоносителя / 6 л. пропиленгликоля;
    2. –30°С потребуется 50% раствор, пополам дистиллированная вода и пропиленгликоль.

    В готовый теплоноситель необходимо добавить щелочь NaOH. Пропиленгликоль под длительным воздействием перепадов температур превращается в кислоту. После добавления щелочи, кислотный баланс рН не должен превышать 7. В готовых антифризах все компоненты добавлены в оптимальных пропорциях.

  • Сезонная эксплуатация — коллектор будет использоваться с весны до ранней осени. В качестве теплоносителя следует применять дистиллированную воду, предотвращающую образование накипи внутри труб.

Целесообразность использования готовых незамерзающих жидкостей (стоящих приблизительно в 3 раза больше, чем подобный состав, приготовленный в домашних условиях), ставится под сомнение. Приобретать заводские антифризы следует в тех случаях, когда сделать их самостоятельно не представляется возможным.

Готовые решения нагрева воды солнцем и их цена

Экономическое обоснование приобретения гелиосистемы зависит от нескольких критериев:

  • полной стоимости, включая установку;
  • теплоотдачи;
  • периода окупаемости;
  • срока службы.

Не все гелиосистемы одинаково эффективно работают. При использовании коллекторов, сделанных из дешевых и некачественных материалов можно столкнуться с проблемами во время эксплуатации: недостаточной производительностью и быстрым выходом оборудования из строя. Чтобы не испытать разочарования, следует покупать только проверенное временем оборудование.

Ниже приводятся несколько моделей популярных солнечных водонагревателей, которые, судя по отзывам потребителей, сделаны качественно и считаются лучшим выбором в соотношении стоимость/теплоотдача:

  • Atmosfera — на базе украинской компании производителя, изготавливаются вакуумные и панельные коллекторы для всесезонного нагрева ГВС и поддержки систем отопления. Водонагреватели Атмосфера подходят для систем с принудительной циркуляцией, имеют улучшенную теплоизоляцию. В корпусе предусмотрено место для установки регулирующих датчиков.
    Особенность гелиоколлекторов Atmosfera в высокой производительности в пасмурную погоду и зимнее время года. Приобрести водонагреватель можно начиная от 20 тыс. руб.
  • Sidite — китайская компания, наладившая выпуск гелиосистем и всего, что необходимо для их обслуживания и подключения. Выпускаются трубчатые и панельные солнечные водонагреватели.
    В ассортименте продукции присутствует огромное количество готовых решений для оснащения: коммерческих зданий, бассейнов, хостелов, многоквартирных домов, больниц и др. Водонагреватели Sidite только приобретают популярность среди отечественного потребителя.
  • Vaillant auroSTEP plus — гелиоколлекторы с безупречным немецким качеством сборки и такой же традиционной ценой. За систему, достаточную чтобы обеспечить горячей водой семью на 2-3 человека, придется заплатить не меньше 200 тыс. руб. За эти деньги покупателю предоставляется полностью готовая система ГВС Vaillant auroSTEP plus, включая бойлер косвенного нагрева и контроллер.
  • SunRain — еще одна модель от китайского производителя. Согласно заявленным техническим характеристикам гелиоколлекторы смогут работать при снижении температуры до –50°С. Допускается горизонтальная и наклонная установка.
    Водонагреватели способны работать в течение всего года. Подключаются к выносному баку. Стоимость трубчатых гелиоколлекторов SunRain от 40 тыс. руб.
  • Viessmann Vitosol — линейка немецкого производителя, основная деятельность которого связана с производством водогрейного оборудования. Главные отличия от аналогичной продукции других изготовителей: безупречное качество сборки, полное соответствие заявленным характеристикам.
    В Viessmann Vitosol присутствует антивандальная и противоградовая системы. Поверхность стекла самоочищающаяся. Стоимость от 200 тыс. руб.
  • ЯSolar — российская компания, выпускающая системы горячего водоснабжения «под ключ». В комплектацию входит: накопительный бак, контроллер, датчики нагрева, насосная станция, воздухоотводчик.
    Выпускаемые солнечные коллекторы ЯSolar предназначены для подключения в системы с принудительной циркуляцией. Полная стоимость комплекта от 430 тыс. руб.

Заявленный срок службы каждой из представленных моделей 35-50 лет. На первые 15 лет эксплуатации дается гарантия производителя. При всесезонной эксплуатации, в условиях коммерческого применения гелиосистема окупится за несколько лет. Если планируется использовать коллектор только летом, окупаемость наступит через 7-8 лет. Расчет экономической эффективности можно выполнить по следующему графику, показывающему зависимость теплоотдачи от времени года:

Расчет солнечного коллектора для нагрева воды осуществляется по коэффициенту потребления ГВС, используемому в СНиП. Для обеспечения потребности одного человека в горячей воде требуется от 2-4 кВт/час. В технической документации на приобретаемую гелиосистему указывается предполагаемая мощность конвектора, по которой можно узнать подходит ли понравившееся оборудование под конкретные условия эксплуатации.

Перед покупкой желательно изучить отзывы о солнечных коллекторах для нагрева воды. Из комментариев можно узнать о некоторых недостатках гелиосистем и их преимуществах, подобрать подходящую модель гелиоколлектора.

Как установить солнечную систему нагрева воды

Гелиосистема устанавливается на скатной кровле, специальных наклонных площадках или стенах здания. Место для водогрейной установки с солнечными коллекторами выбирается индивидуально с учетом следующих рекомендаций:

  • южная сторона здания;
  • отсутствие видимых препятствий, загораживающих солнечные лучи: деревьев, близлежащих домов и т.д.;
  • место должно быть удобным для дальнейшего обслуживания и ремонта системы.

Перед монтажом и регулировкой трубчатых или панельных водонагревателей определяют оптимальный угол наклона установки. В этом отношении руководствуются следующей формулой:

  • для лета — (широта + (широта — 22,5 градуса)) ÷ 2;
  • для зимы — (широта + (широта + 22,5 градуса)) ÷ 2.

Угол наклона будет меняться в зависимости от времени года. В связи с этим перед началом зимнего или летнего сезона будет необходимо заново отрегулировать гелиостанцию. Набирает популярность автоматика слежения за солнцем, самостоятельно подстраивающая угол наклона и расположение гелиопанели. В движение конструкцию приводит электромотор, подключенный к бытовой сети на 220 В.

Подключение солнечного коллектора к системе горячего водоснабжения осуществляется следующим образом:

  • Установка водонагревателя — коллектор монтируется с помощью специальной рамы, при необходимости меняющей угол наклона. Можно встроить гелиопанель в кровлю или поставить на ровной площадке. Допускается одновременное подключение нескольких модулей в единую сеть, посредством гидравлических переходников. При установке моноблока учитывают, что вес наполненного бака достигает 300 кг. В месте монтажа потребуется укрепить конструкцию крыши.
  • БКН — бойлер косвенного нагрева необходим для всесезонных гелиосистем. В баке присутствует отдельный змеевик (располагается внизу) к которому, с помощью труб, подсоединяется солнечный коллектор. Ко второму теплообменнику подключается котел.
  • Системы безопасности — в схеме монтажа солнечного водонагревателя трубчатого и панельного типа предусматривается:
    1. Устройство для сброса давления — узел, предназначенный защитить от закипания систему ГВС. Модуль подключен к канализации, через трубопровод. При перегреве теплоносителя срабатывает датчик, сбрасывающий горячую воду. Открывается клапан подпитки. В систему ГВС добавляется холодная вода.
    2. Защитить солнечную систему от закипания можно при помощи шторок, автоматически закрывающих абсорбер при достижении определенной температуры теплоносителя.

    Устройство для сброса давления входит в принципиальную схему монтажа солнечного водонагревателя трубчатого типа. Особенность работы этой гелиосистемы в высокотемпературном режиме нагрева. Вода греется до рекордных 60-80°C и может быстро достигнуть точки кипения. Чтобы не допустить перегрева используют группу безопасности.

  • Насосное оборудование — необходимо системам горячего водоснабжения на солнечных коллекторах с принудительным движением теплоносителя. Циркуляционный узел включает: группу безопасности и насос. Оборудование подключается к автоматике солнечного коллектора.

Основные правила техники безопасности при эксплуатации гелиоустановок описаны в СниП III-4-80. Отдельные рекомендации указываются производителями оборудования:

  • монтаж на высоте свыше 5 м выполняет персонал, имеющий допуск к высотным работам;
  • во время составления проектной документации, производят расчет опорных конструкций с учетом возможных ветровых и других нагрузок.
  • для компенсации тепловой нагрузки, расширительный бак выбирается с вместительностью не менее 15% от общего объема теплоносителя.
  • используется предохранительный клапан, с пограничным значением не более 3 атм.

Применение правил техники безопасности и рекомендаций по подключению гелиоколлекторов, непременное условие для ввода системы в эксплуатацию. При нарушении условий подключения стабильная работа солнечных водонагревателей не гарантируется.

Источник: AvtonomnoeTeplo.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.