Принцип работы солнечного коллектора


Какие бывают гелиосистемы

Особенности работы коллекторов

Описание всесезонного коллектора

Описание плоского коллектора

Описание воздушного коллектора

В настоящее время производители предлагают гелиосистемы, позволяющие получать горячую воду и отапливать дом без привычных энергетических затрат — исключительно за счет солнечного излучения.

Единственный недостаток таких систем — зависимость от уровня инсоляции, и в ряде регионов они могут работать с полной эффективностью лишь в теплое время года, когда солнечного излучения достаточно.

Но даже это является существенным подспорьем для владельца загородного дома. Кроме того, на рынке уже имеются всесезонные гелиосистемы, которые способны как минимум наполовину закрыть проблему с отоплением в холодное время года — и это при условии довольно суровой зимы и не слишком высокого уровня инсоляции. Ниже мы рассмотрим классификацию гелиосистем и принцип работы солнечного коллектора.

Принцип работы гелиосистемы с солнечным коллектором, предназначенной для горячего водоснабжения и отопления: 1 — солнечный коллектор; 2 — гидроаккумулятор; 3 — бойлер; 4 — горячая вода

Гелиосистема для горячего водоснабжения и отопления


Классификация и виды гелиосистем для отопления

Современные гелиосистемы делятся на одно- и двухконтурные.

  • В одноконтурной роль теплоносителя играет вода. Такая система используется только в теплое время года, при наступлении холодов воду из нее необходимо сливать.
  • В двухконтурной роль теплоносителя выполняет антифриз, который способен выдерживать очень низкие температуры. Такая система может эксплуатироваться круглогодично.

Различают также термосифонные и циркулярные гелиосистемы.

  • В термосифонной используется естественное течение жидкости: теплая жидкость поднимается, а холодная — опускается. При этом накопительный бак должен располагаться над коллектором, что не всегда возможно.

    К примеру, если речь идет об оснащении гелиосистемой существующего дома, приходится учитывать мощность перекрытий: не всякие способны выдержать дополнительный вес накопительного бака.

    Опять же если коллектор размещается на скатах крыши, то накопительный бак, установленный над коллектором, может представлять собой слишком оригинальный архитектурный «изыск».

  • Циркулярная система действует благодаря насосу, что очень удобно: накопительный бак может располагаться каким угодно образом.

    • Принцип работы и особенности солнечного коллектора

      Основой гелиосистемы является гелиоустановка. Принцип работы солнечного коллектора известен давно.

      Чуть ли не на каждой даче в жаркие летние дни для подогрева воды использовали металлический или пластиковый бак, выкрашенный черной краской и установленный на крыше душевой кабины.

      Вода в нем прогревается под воздействием солнечных лучей и уже горячая поступает в систему водоснабжения. Подобные солнечные коллекторы по сей день применяют во многих арабских странах: уровень инсоляции в том регионе позволяет подогревать таким образом воду практически круглый год.

      И в поселках нередко можно увидеть огромные черные баки, установленные на крышах домов.

      Современному солнечному коллектору не нужен такой высокий уровень инсоляции. Более того, он может работать даже в пасмурный день, хотя, конечно, не столь эффективно, как при ясном небе.

      А гелиоустановки с незамерзающей жидкостью (к примеру, такие, как на рис. 1.2, — с этанолом) способны работать и зимой. Единственное, что требуется, — счищать с них снег.

      Рис. 1.2. Устройство солнечного коллектора с незамерзающей жидкостью: 1 — пары этанола; 2- вакуум (0,1 мбар); 3 — теплообменник; 4 — жидкий этанол


      Солнечный коллектор с тепловой трубой

      Конструкция нуждается в очистке не только в холодное время года. Любое загрязнение снижает эффективность коллектора, поэтому периодически его требуется промывать, удаляя пыль и грязь, которые мешают проникновению солнечных лучей.

      Видео: работа солнечного коллектора зимой

      Стоимость гелиоустановки, который можно эксплуатировать круглогодично, довольно высока. Но даже при недостаточной инсоляции (при большом количестве пасмурных дней и снежной зиме) он окупается в течение пяти лет.
      А если уровень инсоляции немного выше, чем в среднерусской полосе, то период окупаемости сокращается до двух-трех лет.

      Гарантийный же срок службы такого коллектора — до 30 лет, что делает подобную систему весьма привлекательной.

      Устройство всесезонного солнечного коллектора

      Внешний вид всесезонного солнечного коллектора

      Всесезонная гелиоустановка устроена по принципу сосуда Дьюара или обычного бытового термоса: внутри одной трубы находится другая, а теплоизоляцией между ними служит вакуум.


      Из таких труб, расположенных параллельно, и состоит устройство. Внутренняя труба имеет специальное покрытие (гелиотан), удерживающее солнечную энергию.

      Трубы изготавливаются из ситала (стеклокристаллический материал с пониженным содержанием железа, что значительно уменьшает теплопотери) и стали. В них находится медная пластина с гелиотановым покрытием.

      Подобный вакуумный коллектор с тепловой трубой стоит дороже остальных моделей, зато суровой зимой коллектору всё нипочем: он сохраняет работоспособность при температурах до -45 °С.

      Все, что ему требуется, — немного солнечного света, пусть даже рассеянного. За счет высокоселективного покрытия внутренней трубы вода в системе может прогреваться до +48 °С при морозе на улице.

      Плоские солнечные коллекторы

      Вид плоского солнечного коллектора

      Нередко применяются и плоские солнечные коллекторы, которые привлекают потребителей умеренной ценой и высоким КПД (98 %). В них поглотителем тепла служат металлические пластины (обычно из меди, так как она отлично проводит тепло и устойчива к коррозии).

      Поверхность пластин имеет специальное покрытие, как и внутренние трубы «термосовидных» коллекторов. Пластины расположены в ситаловых панелях, а дно и боковые стенки коллектора защищены от теплопотерь с помощью различных теплоизоляционных материалов.


      Плоские коллекторы используются в прямоточных гелиосистемах, то есть в таких где тепло передается от солнца к теплоносителю напрямую.

      В качестве рабочей жидкости (теплоносителя) в коллекторах используется антифриз или вода.

      Теплоноситель, циркулирующий в коллекторе, прогревается под воздействием солнечных лучей и передает тепло воде (или другой рабочей жидкости) в теплообменнике.

      В вакуумном коллекторе с тепловой трубой теплоносителем служит жидкость с низкой температурой кипения. Закипая под воздействием солнечных лучей, эта жидкость испаряется, пар поднимается вверх, нагревает воду (или другую рабочую жидкость) в теплообменнике и, охлаждаясь, преобразуется в конденсат, стекающий обратно в трубу

      Воздушный солнечный коллектор

      Cхема устройства воздушного коллектора: 1 — перфорированные пластины; 2 — окружающий воздух; 3 — воздушное пространство; 4 — вентилятор; 5 — подогретый воздух.

      Схема: воздушный солнечный коллектор

      Для поддержания в доме комфортной температуры в прохладное время года (весной и осенью) подходит воздушный солнечный коллектор. Это очень простое устройство, предназначенное для сезонной работы. Оно может служить отличным подспорьем при организации отопительной системы, не зависящей от внешних ресурсов.


      Воздух в системе циркулирует за счет вентилятора, который может быть подключен к солнечной батарее для электропитания. Сам коллектор представляет собой ящик, в котором содержится нагревательный элемент — перфорированные пластины, выкрашенные в черный цвет для лучшего поглощения солнечного излучения.

      Сверху ящик закрывается прозрачной панелью из стекла или оргстекла, снизу находится слой теплоизоляционного материала, предотвращающий теплопотери.

      Подобную систему можно приобрести относительно недорого, а можно без особого труда изготовить самостоятельно.

      Работа воздушного солнечного коллектора характеризуется низким КПД. Однако в качестве дополнительной (вспомогательной) системы отопления для межсезонья он отлично подходит.

Источник: genport.ru

Общий принцип водонагрева

Существуют различные виды гелиоколлекторов, однако в водонагревательных установках все они работают по одной схеме. Солнечные лучи нагревают теплоноситель, который по тонким трубкам поступает в заполненный водой бак. Трубки с теплоносителем проходят через весь внутренний объем бака и нагревают находящуюся в нем воду. В дальнейшем эта вода расходуется на бытовые нужды (отопление, ГВС и т.д.). Температура воды в баке контролируется специальными датчиками, при ее охлаждении ниже заданного минимума автоматически включается резервный подогрев (обычно – газовый или электрокотел).


схема работы солнечного коллектора

Такова общая схема работы всех солнечных водонагревательных установок. Что же касается работы плоских и вакуумных коллекторов, то, несмотря на единый принцип действия (нагрев теплоносителя от солнца и последующую отдачу тепла), в их работе много различий.

Плоские коллекторы

Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. Устроен он довольно просто. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость.

Плоский солнечный коллектор

Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа. Оно устанавливается над абсорбером и выполняет функцию верхней крышки корпуса. Кроме того, использование подобного стекла позволяет создать своеобразный «эффект парника», что еще больше увеличивает прогрев абсорбера, а значит, и температуру теплоносителя.

Вакуумные коллекторы


Принцип работы вакуумных коллекторов иной. Объясняется это прежде всего разницей в конструкции. Главным рабочим элементом в вакуумных моделях является не пластина абсорбера, а система вакуумированных трубок и теплосборник. Причем вариантов конструкций таких трубок несколько.

Тем не менее, несмотря на конструктивные различия, общая схема действия таких трубок фактически одинакова. Стеклянная поверхность поглощает максимум солнечных лучей благодаря специальному высокоселективному покрытию. Энергия солнца нагревает внутренний теплоноситель, а вакуумная прослойка ликвидирует теплопотери, так как вакуум – лучший изолятор. Через теплосборник аккумулированное тепло поступает далее в систему и используется для нагрева воды в баке-накопителе.

В целом коллектор этого типа обеспечивает более высокую производительность по сравнению с плоским аналогом.

Вакуумные трубки

Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид — так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.

Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.


Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.

Трубка heat pipe

Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике. Конденсат стекает вниз, где его вновь разогревает солнечный свет. Основной теплоноситель забирает тепло из теплосборника и передает его через коллектор дальше в систему.

схема вакуумной трубки

Теплосборник

Помимо трубок, вакуумный солнечный коллектор оснащен теплосборником, которые необходим для передачи тепла от трубок к теплоносителю. Размещается теплосборник в верхней части агрегата. Принцип его работы следующий.


дный сердечник передает накопленную энергию основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутом круге «теплообменник бака – коллектор». Циркуляцию обеспечивает специальный небольшой насос. Причем если температура теплоносителя упадет ниже определенного минимума (например, ночью), то управляющая автоматика водонагревательной системы отключит насос. Таким образом предотвращается обратный прогрев, при котором теплоноситель будет забирать тепло горячей воды в накопительном баке.

Воздушные коллекторы

Солнечный коллектор воздушного типа гораздо менее распространен. Применяется он не для подогрева воды, а для нагрева и кондиционирования воздуха. Роль теплоносителя в нем играет собственно воздух, нагреваемый солнечными лучами. По сути, данный коллектор представляет собой ребристую металлическую панель, выкрашенную в черный цвет. Принцип работы его основан на естественной или принудительной подаче в помещения воздуха, который прогревается под панелью под действием солнечных лучей.

Источник: solarb.ru

Виды солнечных коллекторов

Если вы планируете установить в своем доме солнечный коллектор для отопления своими руками, следует для начала определиться с подходящим типом конструкции.

Основных видов солнечных коллекторов существует два – вакуумные и плоские. Также имеется менее используемая альтернатива – воздушные коллекторы.

Особенности солнечных коллекторов различных типов

Рассмотрим особенности каждого вида более подробно:

  • Плоский коллектор наиболее схож по принципу действия с выше описанной моделью. Он представляет собой плоскую коробку, закрытую стеклом и содержащую особый слой, абсорбирующий тепло.

    Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя, в роли которого, как правило, выступает пропилен-гликоль.

    Принцип работы солнечных коллекторов

    Схема плоского солнечного коллектора

  • Вакуумный коллектор вместо одной коробки, покрытой стеклом, обладает рядом габаритных полых трубок, выполненных из стекла.

    Внутри них располагаются одна или несколько трубок меньших размеров, содержащих абсорбер тепловой энергии.

    Внутренние трубки сообщаются с магистралью теплоносителя, тогда как в пространстве между наружной и внутренними трубками находится вакуум, выступающий в роли теплоизолятора.

    Принцип работы солнечных коллекторов

    Схема вакуумного солнечного коллектора

  • Воздушный солнечный коллектор для отопления применяют реже, поскольку воздух в сравнении с жидкостями хуже проводит тепло, поэтому КПД таких коллекторов обычно ниже.

    Такой коллектор (батарея) для отопления дома чаще всего являет собой плоскую конструкцию, в которой воздух, контактируя с поглотителем солнечной энергии, нагревается и естественным образом либо при помощи вентилятора подается в отапливаемое помещение.

    Схема воздушного солнечного коллектора

Совет!

При использовании систем с принудительной подачей воздуха потребность в энергии на работу вентилятора понизит эффективность воздушных коллекторов еще больше.

Какой солнечный коллектор лучше выбрать

Однозначного ответа на данный вопрос нет, поскольку каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками:

  • Например, плоские коллекторы считают более прочными и надежными благодаря более простой конструкции, тогда вакуумные солнечные коллекторы для отопления потенциально более хрупки.
  • Несмотря на то, что воздушный коллектор обладает меньшим КПД, он более прост в управлении и не боится проблем, связанных с замерзанием теплоносителя и воды.
  • Если плоский коллектор выходит из строя, то замене подлежит вся абсорбирующая система. При повреждении коллектора вакуумного типа, необходимо заменить лишь вышедшие из строя трубки.

Отопление солнечными коллекторами зачастую имеет следующую принципиальную схему работы

  • Эффективность плоских коллекторов выше при необходимости нагрева воды на 20-40 градусов свыше температуры наружного воздуха, тогда как вакуумные коллекторы эффективней справляются с задачей нагрева до более высоких температур, что весьма актуально, если преимущественно используется солнечный коллектор зимой для отопления.
  • Также вакуумные коллекторы вырабатывают больше энергии при пасмурной погоде и меньше ее теряют в зимний период от контактов с холодным окружающим воздухом.
  • Если средний срок службы коллекторов составляет около 15-30лет, то этот показатель отдельно для вакуумных систем несколько ниже.

Дополнительные особенности выбора вакуумных коллекторов

Необходимо знать, что величины трубок вакуумных коллекторов напрямую влияют на показатель выработки энергии. Так, чем они тоньше и меньше, тем меньше тепловой энергии сможет приносить такая система. Нормальным считается диаметр трубок в 58 мм при длине 1,2-2,1 м.

Кроме того, такие коллекторы могут быть с обычными медными нагревательными трубками, передающими тепло, и с U-образными трубками, образующими миниконтуры передачи тепла в внутри каждой стеклянной трубки. Именно последние считаются наиболее продвинутыми в технологическом плане на сегодняшний день.

Принцип работы солнечных коллекторов

U-образная трубка вакуумного коллектора

Совет!

Установить солнечный коллектор своими руками для отопления достаточно сложно, однако намного дешевле, чем с привлечением сторонних специалистов.

Обычно при покупке комплекта оборудования прилагается подробная инструкция по монтажу системы и по выбору места монтажа.

Подробное следование инструкции несколько упростит задачу.

Мы рассмотрели особенности различных видов солнечных коллекторов отопления и надеемся, что наши рекомендации позволят вам существенно сэкономить на использовании природных теплоносителей. Смело используйте альтернативные источники энергии, поскольку именно за ними наше будущее.

Но если Вы сторонник традиционных систем отопления. то см. газовые котлы отопления для частного дома.

Источник: stroim24.info


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.