Солнечный коллектор
Солнечный коллектор - устройство, предназначенное для поглощения солнечной энергии, которую выделяет видимое и ближнее инфракрасное излучение, для последующего преобразования ее в пригодную для использования людьми тепловую энергию. Многие умельцы с элементарными инженерными навыками могут попытаться создать солнечный коллектор своими руками для бытовых нужд.
Использование коллекторов
Солнечные коллекторы в основном нужны для приготовления горячей воды, так же эти устройства можно использовать в отопительных системах. Экономия при использовании солнечных коллекторов составляет до 30% в год.
Обычно солнечные коллекторы устанавливают неподвижно, а угол наклона выбирают в зависимости от основного назначения устройства. При установке коллектор стараются ориентировать в сторону юга, обязательно учитывая рельеф местности. Рекомендуют отклоняться от ориентации на юг не более чем на 30° - тогда и количество выработанного тепла будет в пределах нормы.
Солнечные коллекторы будут максимально эффективными, если угол падения солнечных лучей составит 90°.
Но в течение дня Солнце описывает над нами дугу, а в разные времена года - еще и поднимается на разную высоту. Поэтому идеальным был бы вариант, когда солнцеприемное устройство вращалось бы вслед за движением Солнца, чтобы его лучи падали постоянно под прямым углом. Технически это вполне возможно, и такие системы производят, но стоимость такой конструкции очень высока и окупится она не скоро.
Принцип работы солнечной водонагревательной установки
Самые популярные солнечные коллекторы изготавливаются следующие фирмы: «Buderus», «Vaillant», «Viessmann» и другие.
Солнечные коллекторы применяют для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используют теплую и горячую воду (30-90° C), - в пищевой и текстильной промышленности, которые, таким образом, имеют высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
Преимущества солнечных коллекторов:
высокая надежность в системах отопления;
максимальное использование каждого солнечного луча;
способность обеззараживать воду;
сохранения высокой работоспособности зимой;
скорое возвращение в рабочее состояние при обледенении, покрытии снегом или инеем;
сменные модули, легкость установки;
антикоррозийный медный теплосборник;
высокие теплоизоляционные характеристики теплосборника;
рама и кожух теплопровода изготовлены из высококачественной нержавеющей стали;
выдерживают высокое давление теплоносителя.
Все солнечные коллекторы условно делят на плоские (плоскопанельные) и вакуумные. Кроме того, есть еще такие типы солнечных коллекторов: солнечные коллекторы-концентраторы, солнечные башни, параболические концентраторы, но для домашних условий они не годятся из-за высокой стоимости.
Плоские солнечные коллекторы
Плоские солнечные коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, которые используются в бытовых водонагревательных и отопительных системах.
Обычно это теплоизолированные металлические ящики со стеклянной или пластмассовой крышкой, в которых помещена пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным или матовым. В плоских солнечных коллекторах обычно используют матовое стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть солнечного света, поступающего на коллектор).
Панели плоского солнечного коллектора Солнечный свет попадает на теплопринимальную пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что дополнительно снижает тепловые потери. Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет (темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые).
Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает около 10% радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатывают специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска.
Селективное покрытие, которое используется в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическую основу. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Поглощающие пластины обычно изготавливают из металла, хорошо проводящего тепло (например, меди или алюминия).
Медь дороже, но лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина-поглотитель солнечного коллектора должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские солнечные коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида солнечных коллекторов бывают остекленными или незастекленными.
Плоский солнечный коллектор в разрезе Теплоизоляция ограничивает потерю тепла на солнечных коллекторах и повышает их эффективность. Толщина минеральной изоляции от 2 до 6 см в зависимости от модели.
Плоские солнечные коллекторы используются для нагрева воды для бытовых нужд, подогрева воды в бассейне или отопления в доме. Коллекторы позволяют эффективно использовать солнечную энергию даже осенью и зимой.
Система плоского солнечного коллектора на крыше
Некоторые модели плоских солнечных коллекторов можно встраивать в крышу дома, образуя единую конструкцию с кровельным покрытием.
Плоский солнечный коллектор устанавливают на крыше, а аккумулирующий бак с водой устанавливают в помещении, удобном для разведения сети горячей воды (котельная, санузел и т.п.). Бак и коллектор соединены трубами, циркуляцию обеспечивает комплексная гелиостанция, в баке можно установить электрический нагреватель (моновалентный бак) или использовать дублирующий нагревательный контур (бивалентный бак) от имеющегося теплогенератора, за температурой воды следит электронный контроллер. Солнечный коллектор накапливает солнечное излучение в любую погоду, независимо от внешней температуры, коэффициент поглощения энергии составляет 96%. Коллектор монтируют под углом 30-50° непосредственно на крыше зданий так, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши для накопления энергии.
Для поддержания отопления в системе применяют буферный бак - автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также от других источников энергии (например, традиционный котел, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые поддерживают систему при недостаточном количества солнечного излучения. Нагретую от доступных источников теплую воду используют в качестве теплоносителя для существующей системы отопления. Контроллер автоматически поддерживает оптимальные параметры циркуляции и обеспечивает комфортную заданную температуру. При отсутствии достаточной солнечной активности или в ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система имеет малую инерционность, быстро выходит на рабочий режим и позволяет обеспечить среднегодовую экономию энергоносителей до 50%.
Преимущества плоских солнечных коллекторов:
-возможность использования системы как основного (для регионов с достаточной солнечной активности) и дополнительного источника энергии для отопления;
-эффективны для умеренного и холодного климата, работающих при температуре до -50° С и низкой интенсивности потока солнечной радиации;
-большое количество схем подключения для удовлетворения различных потребностей;
-их легко встроить в существующие системы горячего водоснабжения и отопления;
-расположение бака и оборудования не требует больших площадей;
-большая производительность.
Вакуумные солнечные коллекторы
Вакуумные коллекторы нагревают воду до 300° благодаря уменьшению потерь тепла, которое сохраняется благодаря многослойному стеклянному покрытию, герметизации и созданию вакуума непосредственно в самом коллекторе.
Фактически солнечная тепловая труба имеет строение, аналогичное бытовому термосу. Только внешняя часть трубы прозрачная, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, которое улавливает солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой - вакуум. Именно вакуумный слой дает возможность сохранить около 95% полученной тепловой энергии.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах применяют тепловые трубки, которые выполняют роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, что есть в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пар поднимается в верхнюю часть трубки (конденсатор), где, конденсируясь, передает тепло коллектору. Использование такой схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагреть воду до температуры кипения даже при минусовой окружающей температуре.
Системы, построенные на вакуумных солнечных коллекторах, могут обеспечить населению до трети энергии, необходимой для теплоснабжения осенью или весной и до 60% удовлетворить потребность в горячей воде.
Принцип работы вакуумных солнечных коллекторов
Покрытие вакуумных трубок селективно абсорбирует солнечную энергию и преобразует ее в тепло. Теплопередача осуществляется опосредованно - от теплообменного стержня через гильзу теплообменника к воде в одном резервуаре. Комплект содержит вакуумные трубки, внешний бойлер, контроллер и устойчивый монтаж.
Солнечные системы - это системы с принудительной циркуляцией. Для обеспечения циркуляции между коллекторным узлом и водным резервуаром система оснащена насосной группой, руководят которой с помощью двосенсорного контроллера. Тепло от вакуумной трубки передается теплопроводной жидкости в коллекторный трубопровод и циркулирует в закрытом кругу, отдавая тепло воде через серпантин, встроенный в водном резервуаре.
Панели вакуумного солнечного коллектора на склоне крышиСолнечный водонагреватель с вакуумными трубами эффективно работает даже в пасмурные дни, потому что вакуумные трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят сквозь облака.
При наличии солнечных лучей (прямых, рассеянных) поглощение тепла происходит в медной трубке, которая находится внутри вакуумной трубы. Благодаря изоляционным свойствам вакуума, влияние ветра и низких температур на работу системы также незначительно по сравнению с плоским солнечным коллектором. Система с вакуумным солнечным коллектором хорошо работает при температуре до -35° С.
Вакуумные трубы круглые, благодаря чему количество солнечного излучения, попадающего на коллектор, остается постоянным с утра до вечера. Именно поэтому общее количество солнечного излучения, поглощенного вакуумным солнечным коллектором, больше по сравнению с плоским. Форма труб в солнечных системах отопления обеспечивает хорошую степень поглощения, поскольку солнечные лучи всегда падают на ее поверхность под прямым углом, сводя отражение к минимуму. Трубы уложены в солнечном водонагревателе параллельно, угол их наклона зависит от географической широты места установки системы отопления.
Солнечные коллекторы имеют низкопрофильный дизайн, их можно размещать близко к поверхности крыши. Трубы вакуумного солнечного водонагревателя черного цвета и отлично сочетаются с крышей любого цвета. Теплопровод гелиоколлектора изготовлен из меди, он может иметь соединительные выходы сзади и сбоку. Теплопровод с задним выходом позволяет спрятать трубы за ним. Кроме того, соединение сзади позволяет поставить вплотную два и более солнечных коллекторов. Боковое соединение чаще используют в масштабных проектах с целью облегчить объединение коллекторов в ряды и снизить перепад давления в трубопроводе.
Ориентированные с севера на юг в течение дня трубки вакуумного солнечного коллектора пассивно движутся за солнцем. Они почти не требуют эксплуатационного обслуживания. Вакуумные солнечные коллекторы полностью пригодны для ремонта: в случае необходимости трубку можно заменить без остановки солнечного водонагревателя. При необходимости вакуумные трубки можно добавлять (при недостатке тепла) или частично снимать (если есть его избыток), уменьшая площадь коллектора.
Вакуумные солнечные коллекторы хорошо обеспечивают дом горячей водой, отоплением, подогревают воду в бассейнах, отапливают теплицы, работающих в системах вентиляции, кондиционирования. Благодаря этому работа гелиосистемы проста как с точки зрения эксплуатации, так и обслуживания.
Высокая стоимость солнечных коллекторов с тепловыми трубами, недавно была главным препятствием для их широкого применения. Однако продажа солнечных коллекторов постоянно набирает обороты. Вакуумный солнечный коллектор - это высококачественный, надежный в эксплуатации солнечный водонагреватель, который имеет высокую теплопроводность. Рациональная схема работы солнечных коллекторов и низкие затраты на их производство сделали их доступными с коротким сроком окупаемости.
Способ монтажа вакуумных солнечных панелей на плоской крыше Замкнутый и незамкнутый контуры
В гелиосистемах с замкнутым контуром, как правило, используют теплообменник, который может размещаться как внутри, так и снаружи бака-аккумулятора горячей воды. Солнечный коллектор с незамкнутым контуром часто используется в теплых климатических зонах, где нет опасности замерзания. Вакуумные солнечные коллекторы подходят как для закрытых, так и для открытых систем, так как выполняют функции контроля давления, температуры, и защищают от замерзания.
Циркуляционный насос
Солнечный коллектор не имеет встроенного бака-аккумулятора, и теплопровод вмещает достаточно малое количество теплоносителя (около 2 л для коллектора на 30 вакуумных труб). Чтобы теплоноситель циркулировал от гелиоколлектора в аккумулирующие емкости и обратно, необходимо использовать циркуляционный насос. Циркуляционным насосом, как правило, руководит солнечный контроллер с датчиками. Скорость потока, необходимая для работы большинства солнечных водонагревателей, не превышает 2 л/мин, поэтому достаточно установить циркуляционный насос малой мощности. Мощные циркуляционные насосы нужны только в случае объединения нескольких солнечных коллекторов в один контур, или когда циркуляционный насос должен компенсировать потери напора теплоносителя. Перепад давления при малой скорости потока незначителен - всего 700 Па при скорости 3,3 л/мин, поэтому это не является весомым критерием при выборе мощности циркуляционного насоса вакуумного солнечного водонагревателя.
Эффективность
Преимущество солнечных коллекторов заключается в том, что их внутренняя тепловая трубка надежно защищена от потерь тепла. Это означает, что тепло сразу после поглощения поступает в антифриз теплосборника и не выходит в окружающую среду. Такие теплоизоляционные свойства отличают их от солнечных водонагревателей с тепловыми трубами и плоскими солнечными коллекторами. А поскольку эффективность передачи тепла тепловыми трубами очень высокая, то вакуумные трубчатые солнечные коллекторы, как показывает расчет, имеют высокую теплопроизводительность весь год.
