Принцип работы солнечного коллектора, виды, особенности

Наша звезда по имени Солнце каждый даёт нам бесплатно неограниченное количество энергии. Причём эта энергия практически неисчерпаема. Поэтому всё больше разработок мы видим в области солнечной энергетики. В развитых странах постоянно работают над тем, как поднять эффективность устройств, преобразующих солнечный свет в энергию. Это может быть электрическая энергия или тепловая. О сборе тепловой энергии мы сегодня и будем говорить. Ведь сколько тепла на халяву можно собрать из солнечного света в летнее время. А при наличии соответствующего оборудования, и в зимний период также. В ясную погоду Солнце «одаривает» каждый квадратный метр энергией 500─800 ватт/час. То есть, солнечный коллектор компактных размеров вполне может обеспечить отопление частного дома или его горячее водоснабжение. Солнечный коллектор представляет собой систему сбора солнечного тепла, в которой теплоносителем может быть воздух, вода, антифриз и т. п. В этой статье мы рассмотрим эти виды, поговорим об их эффективность и принцип работы.

Применение солнечных коллекторов

Как могут использоваться тепловые коллекторы в хозяйственной деятельности? Собранное ими тепло можно пустить на:

• Горячее водоснабжение ванной комнаты, душа, кухни;
• Система обогрева сада, теплицы и других подобных конструкций практически круглый год;
• Вспомогательный источник нагрева воды для отопительной системы осень и зимой.

Коллекторных установок по сбору солнечного тепла много. Попробуем выделить основные группы.

• Плоские или вакуумные системы. Могут иметь естественную, но чаще всего принудительную циркуляцию теплоносителя. Обычно это стационарные установки, некоторые из которых работают в летний сезон, а другие круглый год;
• Воздушные коллекторы. Тепло собирается с абсорбера при помощи воздушного потока. Циркуляция также может быть естественной или принудительной. Этот тип установок проще и дешевле остальных, но имеют самый низкий КПД;
• Третья группа систем может использовать тепло для преобразования его в электричество (пароэлектрические и термохолодильные установки). Цена на эти устройства большая и они мало распространены в частном секторе.

Принцип работы солнечных коллекторов

Принцип работы солнечного коллектора заключается в сборе тепла и передаче его теплоносителю, циркулирующему в нём. Коллектор является ключевым элементом гелиосистем. Так сказать, их сердцем. Но помимо него туда входит ещё немало компонентов, о которых будет сказано ниже. Самый распространённый вариант коллектора – это плоский. Он имеет в своём составе абсорбер, поглощающий солнечное излучение и преобразующий его в тепло. Чтобы минимизировать потери тепла, абсорбер расположен в ящик с прозрачной передней стенкой и теплоизоляцией.

Плоский солнечный коллектор

Теплоноситель проходит по змеевику и идёт процесс теплообмена. Есть исполнения в виде двух сваренных листов металла, между которыми проходит жидкость-теплоноситель. Для изготовления коллекторов, нагревающих воду для бассейна, часто используют пластиковые трубы в качестве змеевика. Соответственно, и нагрев теплоносителя здесь происходит значительно меньше.

Теперь стоит поговорить о том, что включают в себя подобные гелиосистемы. В состав коллекторной установки входят следующие компоненты:

• Коллектор;
• Расширительный бак;
• Температурные датчики (в коллекторе, накопителе, для подогрева воды и т. п.);
• Система подключения для подключения холодному водоснабжению;
• Регулятор;
• Система стока горячей воды;
• Насос.

Коллектор, установленный на крыше

Поэтому чаще всего солнечные коллекторы, как правило, интегрируются в систему отопления с котлами на традиционных источниках энергии. С их интеграцией проблем не возникает, поскольку коллекторные системы могут быть легко установлены на здании. Пока ещё гелиотехнологии недостаточно развиты для того, чтобы эффективно работать без обычных электрических или газовых котлов.

Давайте рассмотрим основные конструкции солнечных коллекторов.

Как понятно из названия, теплоносителем в таких коллекторах является воздух. Такие конструкции очень просты, надёжны и обходятся недорого. Очень часто их делают своими руками без особых проблем. Абсорбер в таких коллекторах представляет собой батарею вертикальных трубок (каналов), которые выкрашены в чёрный матовый цвет. В основе функционирования такой системы лежит прогон воздуха по этим трубам для его нагрева.

Воздушный солнечный коллектор

• Простота и высокая надёжность;
• Простой монтаж, дешевизна;
• Расход электричества минимален (на вентилятор) или его нет (когда воздух идёт самотёком).

Конструкция этой системы обычно делается из алюминиевых трубок с тонкой стенкой. Часто в сети можно встретить примеры, где работает солнечный коллектор из пивных банок. При этом поверхность этих банок окрашена в чёрный матовый цвет. В этой батарее есть воздуховоды для подачи холодного и отвода нагретого воздуха. В холодном подводе ставится вентилятор с, так называемым, нулевым сопротивлением. При необходимости он отключается, и воздух идёт самотёком. А этот вентилятор должен создавать для него как можно меньшее сопротивление. Воздухозаборник позволяет изменять количество воздуха, который забирается из помещения, а также извне.

По производительности и эффективности воздушные коллекторы несколько уступают плоским жидкостным установкам. Они могут хорошо нагреть помещение, только при максимальной освещённости солнечным светом. Мощность таких систем регулируется в зависимости от числа труб в абсорбере. Очень часто подобные установки применяют в системах отопления и сушки хозяйственных, складских помещений, хранятся овощи и фрукты.

В этой группе рассмотрим коллекторные системы с жидким теплоносителем.

Плоский солнечный коллектор имеет в своём составе абсорбер, корпус и теплоизоляцией и прозрачным покрытием с одной стороны. В роли прозрачного покрытия может использоваться стекло, поликарбонат. В самодельных установках иногда можно встретить прозрачный пластик или полиэтилен. Лучше всего использовать стекло, которое хорошо пропускает коротковолновые солнечные лучи. Кроме того, у обычного прозрачного стекла без напыления небольшое отражение лучей от поверхности.

Плоский жидкостной солнечный коллектор

Теплоизоляция корпуса делается внутри с оборотной стороны и по бокам. Это позволяет значительно понизить потери тепла. В качестве изоляционного материала может быть использован полиуретан или минеральная вата. А также часто используют стекловолокно, стеклопластик, стекловату прочие подобные материалы.

Плоские коллекторные установки привлекают отличным соотношением цены и производительности. Стоит также отметить различные способы их монтажа. Они ставятся на крыше, на стене здания. Могут быть и отдельно стоящие установки. Чтобы снизить потери от конвекции в корпусе коллектора, производители использует разные методы. Один из таких методов предполагает откачку воздуха в помещение.

Плоские коллекторы выгодны по цене, привлекают простотой и надёжностью, но эффективно работают только в солнечный день. Кроме того, они становятся бесполезными зимой. Даже осенью и весной эффективность таких систем сильно падает. Если вы хотите использовать коллектор в северных широтах в любое время года, придётся покупать вакуумный аппарат.

Вакуумные коллекторы (часто их ещё называют трубчатыми) обладают высокой эффективностью. Сердцем системы являются вакуумные трубки. Принцип действия – это известная из физики тепловая трубка. Такая конструкция обладает высокой теплопроводностью. Тепло на одном конце трубки собирается и передаётся на противоположный конец.

Принцип работы вакуумного коллектора

Трубка вакуумного коллектора внутри

В чём заключаются плюсы вакуумных коллекторов?

• В три─четыре раза более эффективны, чем плоские модели;
• Работают даже в зимнее время года;
• Имеют небольшую чувствительность к углу падения света от солнца. Даже при острых углах падения эти системы функционируют нормально;
• Конструкция весит немного и может быть установлена прямо на крыше дома без создания несущих конструкций.

Хотя эти данные могут значительно отличаться для продукции различных производителей. Полезным можно назвать такую возможность, как самостоятельную проверку вакуумных трубок. Их работоспособность можно оценить без специального инструмента. Для этого к нижнему торцу трубки неработающей системы нужно приложить ладонь. Трубка считается нормальной, если место прикосновения долго остаётся холодным и не появляется никакого налёта в области прикосновения.

Цены и выбор

Конечная стоимость коллектора определяется используемыми материалами. Корпус может быть выполнен из стали или алюминия. Алюминиевый лучше и стоит дороже. Существуют также полимерные корпуса, которые имеют высокую прочность. На стоимость также сильно влияют материалы абсорбера и теплообменных трубок. Абсорберы делают алюминиевые и медные. Последние дороже, но использовать лучше их. Важное значение имеет поглощающее покрытие, и производители постоянно работают над его усовершенствованием. Сейчас можно встретить напыление из чёрного никеля. Покрытие также отражается на конечной стоимости продукта.

Коллекторные системы плоского типа стоит использовать только в регионах с высокой солнечной инсоляцией и непродолжительным зимним периодом. Эффективность таких систем в облачную погоду очень маленькая, а зимой в российском климате они неработоспособны. Так, что для работы зимой подойдут только вакуумные коллекторы. Их производительность ниже, но они имеют существенно меньшие потери тепла. Кроме того, они улавливают свет даже облачную погоду.

Из группы вакуумных трубчатых коллекторов наиболее эффективными являются те, что имеют перьевые трубки и тепловой канал в форме «U». Это наиболее дорогие модели. Но даже не это самое неприятное. Они непригодны для ремонта. При выходе из строя одной трубки, менять нужно всю панель. Несколько уступают по эффективности перьевые трубки с системой под названием Heat-pipe. Они тоже стоят дорого, но здесь можно заменить трубки по отдельности.

У покупателей самыми популярными являются вакуумные коллекторы с коаксиальными трубками системы Heat-pipe. Они пользуются спросом благодаря доступной цене и ремонтопригодности. В таких теплообменниках можно заменить как трубку, так и колбу. Но КПД у таких коллекторов несколько ниже, чем других вакуумных установок.