О том, сколько дармового тепла нам могут дать летние потоки солнечного света, зачастую приходит в голову летом, в период неистовой жары и раскаленных на солнце асфальта и стен. В ясную летнюю погоду на квадратный метр может падать от 600 до 800вт/ч. Это немало. Если перемножить на площадь залитого солнцем подворья или крыши, с помощью солнечного коллектора можно собрать энергию, сопоставимую по величине с потребностями на отопление дома.

Назначение солнечных коллекторов

Солнечные тепловые коллекторы дают возможность собрать энергию и направить полученное тепло в нужное русло:

• Обеспечение горячей водой для душа, ванной и кухни;
• Обогрев помещений небольшой закрытой теплицы или сада любой конструкции практически круглый год;
• Значительная добавка в контур отопления дома в морозы и почти полное обеспечение в прохладные осенние дни.

На заметку ! Среди конструкций солнечных коллекторов потребителям предлагают практически идентичные конструкции с красивыми названиями - вакуумные коллекторы и плоские солнечные коллекторы. Первые от вторых отличаются высокой ценой, более высокотехнологичной конструкцией и дороговизной ремонта. Прежде чем покупать солнечный коллектор, узнайте в Сети основные проблемы, с которыми сталкиваются пользователи тех или иных конструкций, и оцените предполагаемые затраты.

Коллектор предназначен для сбора солнечной энергии в наиболее удобном для использования виде. Условно по устройству солнечного коллектора их конструкции можно разделить на три основные группы:

1. Вакуумные многотрубные или плоские с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя. Чаще всего это стационарные конструкции, рассчитанные на сезонную работу.
2. Воздушные солнечные коллекторы, самые простые и легкие. Накопленное тепло снимается с нагреваемой поверхности коллектора потоком воздуха.
3. В третьем варианте конструкций солнечных коллекторов полученное тепло может использоваться для преобразования его в электроэнергию, начиная от термохолодильных установок, заканчивая сложными машинами с пароэлектрическими устройствами.

Последняя группа изделий редко находит спрос среди населения из-за высокой стоимости и сложности обслуживания.

Как работает полнопроточный солнечный коллектор

Самой простой разновидностью плоской конструкции солнечного коллектора является полнопроточный вариант с двухслойным поглотителем тепла. Само устройство по принципу работы схоже с дачным вариантом летнего душа, основу которого составляет бочка, обработанная по наружной поверхности битумной мастикой или черной краской.

Для увеличения количества собранной солнечной энергии конструкция солнечного коллектора выполняется в виде плоской емкости относительно небольшой толщины, в 5-7см, ширина и длина устройства зависит от конкретных потребностей в мощности коллектора. Одна из стенок выполнена из анодированного алюминия и окрашена в черный, как сажа, цвет, без единого блеска. Это так называемая приемная, или рабочая поверхность коллектора. С внутренней стороны рабочей части коллектора зачастую выполняются тонкие ребра из алюминия или пластика, улучшающие теплоотвод энергии от стенки рабочей поверхности к теплоносителю — воде или тосолу.

Для уменьшения загрязнения и потерь на рабочую поверхность устанавливаются тонкая прозрачная пленка или лист пластика или стекла, обладающие хорошими теплоизоляционными показателями. С внутренней стороны такая защита напыляется зеркальным слоем алюминия, что позволяет в итоге уменьшить потери тепла за счет отражения и конвекции.

Конструкция плоского солнечного коллектора может иметь вместо обычного алюминиевого листа стенку-сэндвич из порошкового графита, металлических волокон и армирующей смолы. У такого материала хорошая теплопроводность и высокая стойкость к окислению.

Такие конструкции в обязательном порядке монтируются на усиленном каркасе, обычно на солнечной стороне крыши или стене дома.

Вакуумные системы нагрева

При всей своей простоте, надежности и дешевизне плоские солнечные накопители обладают относительно неплохой продуктивностью тепла только в солнечный день. Для более высоких широт или ранней весной - поздней осенью теплопроизводительность его падает наполовину.

Более высокой эффективностью в сравнении с плоскими солнечными коллекторами обладают вакуумные системы. В основу конструкции заложен индивидуальный тепловой элемент — вакуумная трубка, принцип работы такого солнечного коллектора основывается на известном в физике устройстве - тепловой трубке, достаточно сложной и капризной, но эффективной в работе. Особенностью конструкции является сверхвысокая теплопроводность, благодаря которой все тепло, попавшее на один конец трубки, в считанные мгновения собирается и концентрируется на противоположном конце.

Вакуумный элемент представляет собой вытянутую колбу-трубку из прочного стекла, с внутренней стороны которого напылено зеркальное покрытие. Благодаря одностороннему зеркалу, солнечный поток энергии свободно проникает вовнутрь колбы и не может вырваться обратно, эффективно поглощается медным концом тепловой трубки, помещенной внутри корпуса колбы. Для уменьшения потерь воздух из стеклянной колбы откачан. Полученную от светового потока энергию центральный медный элемент передает в поток теплоносителя, обычно тосола, или напрямую в бак с водой.

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов

Преимущества в преобразовании солнечной энергии в варианте с тепловой трубой:

1. Эффективность поглощения и преобразования солнечного тепла в 3-4 раза выше плоских и воздушных коллекторов;
2. Отлично работает в диапазоне температур 0-50 о С, тогда как остальные виды солнечных коллекторов, по отзывам пользователей, имеют рабочий интервал от 20 о С;
3. Наименьшая чувствительность к направлению и углу падения солнечного света. Для нормальной работы солнечного коллектора достаточно быть освещенным солнцем даже под острым углом падения солнечных лучей, у остальных конструкций солнечных коллекторов при выходе за оптимальный угол освещения более чем на 20 о эффективность падает на 10% в час.
4. Малый вес конструкции солнечного накопителя позволяет установить его непосредственно на крыше, даже без специальной несущей опоры.

Важно ! Стекло колбы в теории выдерживает даже град диаметром 2-2,5см, прекрасно переносит многоцикловые нагревы-охлаждения, стойко к любым воздействиям окружающей среды и солнечного света. Но для удаления пыли с поверхности стекла мойку лучше проводить в вечернее время с помощью теплой чистой воды.

При планировании приобретения стоит принимать ориентировочный расчет площади солнечного коллектора, исходя из соотношения: квадратный метр даст в сутки примерно 50-55литров горячей воды, но не кипятка. Более точную информацию можно узнать на сайтах компаний, занимающихся производством солнечных коллекторов. Там же можно получить сведения о стоимости изделий. Каждая фирма доказывает сверхэффективность и дешевизну своей продукции. Вакуумный прибор из 15 элементов обойдется примерно в 15-20тыс. рублей на мощность подогрева в 1,3-1,5кВт и накопительного бака 80-100литров.

К интересным особенностям подобных систем солнечных коллекторов можно отнести возможность проверки работоспособности каждой вакуумной колбы самостоятельно, без каких-либо специальных инструментов. Достаточно вечером, в неработающем состоянии, приложить ладонь к нижнему торцу трубы. Если элемент будет длительное время оставаться холодным, и в области запайки колбы не будет иней-подобного налета, — устройство считается исправным.

Горячая вода из бака может подаваться самотеком, но чаще всего устанавливают маломощный подкачивающий насос, позволяющий быстро заполнять резервуар после израсходования горячей воды. В более серьезных вариантах конструкции солнечный коллектор объединяют с теплоаккумулятором и электронной системой контроля и управления горячим водоснабжением и отоплением. Стоимость таких систем уже не менее 1000EUR. Гарантия на системы с тепловыми трубками, как правило, составляет от 5 до 25 лет, в зависимости от уровня качества материалов, применяемых в устройстве.

Воздушные коллекторы

Чем сложнее конструкция, тем она дороже в эксплуатации, и больше вероятность непредвиденной поломки. В этом вопросе конструкции коллекторов с воздушным переносом тепла являются чемпионами в простоте и надежности. По сути, воздушный коллектор - это набор вертикальных каналов или труб с матовым черным покрытием. В работе коллектора используется принцип разгона нагреваемого воздуха в вертикальной трубе.

К преимуществам и достоинствам воздушной конструкции стоит отнести:

• Самую высокую надежность и простоту конструкции;
• Маленькую массу устройства, гибкость настройки и простоту монтажа;
• Минимальный расход электроэнергии на работу вентилятора, в некоторых случая вентилятор может отключаться, и обогрев осуществляется самотёком.

Конструкция коллектора состоит из большого числа тонкостенных алюминиевых труб с зачерненной матовой поверхностью. Батарея труб имеет центральный подводящий холодный и отводящий горячий воздуховоды, в холодном устанавливается центробежный вентилятор нулевого сопротивления. В случае необходимости он может быть отключен и в таком состоянии практически не создавать сопротивление движущемуся потоку воздуха.

В устройстве есть воздухозаборник, позволяющий регулировать количество и соотношение воздуха, забираемого извне, и из отапливаемого помещения.

В теплопроизводительности воздушные коллекторы практически не уступают плоским системам, требуют вертикального расположения труб и максимальной освещенности солнцем. Мощность легко регулировать подбором количества труб теплообменника. Зачастую воздушные солнечные коллекторы являются незаменимыми в отоплении и вентиляции разнообразных складских помещений, применяются для сушки разнообразной овощной и фруктовой продукции.

Про солнечные коллекторы в наше время, слышали, почти все. В общих чертах, почти все понимают, что это устройство, которое помогает преобразовать энергию солнца в тепло. Однако, на самом деле, практически, практически, никто не знает, «что это такое и как оно работает».

Национальная энциклопедия строительства ProfiDom.com.ua публикует краткий курс – «ликбез» по основам теории солнечных коллекторов.

Принцип работы солнечных коллекторов уникален. Если в котлах нагрев жидкости происходит за счёт энергии, высвобождающейся при сгорании топлива, а в тепловых насосах - тепла почвы, воздуха или воды, то гелиоколлекторы получают его напрямую от главного источника тепла в Солнечной системе - Солнца.
Источник этот - неиссякаемый, экологичный, доступный всем на Земле и, что немаловажно, бесплатный. Правда, чтобы эффективно использовать его в бытовых целях для нагрева воды или теплоносителя, понадобится вложиться не только в сами солнечные коллекторы, но и в разнообразное оборудование, обслуживающее их. При этом. необходимо заранее учесть ряд специфических нюансов работы гелиоколлекторов и предусмотреть варианты защиты от некоторых из них.

Характерная черта солнечных коллекторов, отличающая их от других видов теплогенераторов, - их сезонность. Коллектор получает тепловую энергию из солнечных лучей, соответственно, нет солнца - нет тепла. Гелиоколлекторы вносят свой вклад в систему теплоснабжения только в светлое время суток, то есть днём, ночью же они пассивны. Продолжительность светового дня тоже играет роль: чем он короче, тем меньше коллектор получит энергии за сутки. Поэтому, один и тот же гелиоколлектор в разное время года будет получать разное количество тепла. Изменение производительности коллектора в зависимости от сезона - один из важнейших факторов, который необходимо учитывать при расчётах.

Пик эффективности солнечных коллекторов совпадает с пиком инсоляции. Больше всего тепла коллекторы приносят в период с мая по август. В межсезонье продуктивность коллекторов падает и достигает минимума к декабрю-январю. Однако, у приборов разных типов это снижение эффективности неодинаково. Дело в том, что производительность коллектора зависит от двух параметров - сколько энергии он получит от солнца и сколько тепла при этом потеряет из-за несовершенства конструкции. Поэтому производители принимают меры по повышению теплопоглощения - с одной стороны, и по снижению теплопотерь - с другой.

Разные конструкции - разный КПД
На рынке наиболее распространены гелиоколлекторы двух основных конструкций - плоские и вакуумные трубчатые, последние, также, принято подразделять на прямопроточные и с эффектом «тепловой трубки». Эти различия вызваны как раз поиском решений проблем получения и сохранения тепла солнечного излучения. Проблемы эти кроются в самом принципе работы коллекторов.

Как известно, солнечные лучи нагревают объекты неодинаково, и во многом, это зависит от поверхности. Одни покрытия отражают большую часть светового потока, другие, напротив, поглощают. Максимальным коэффициентом поглощения светового излучения обладают поверхности с чёрным покрытием, что и используется в гелиоколлекторах.

Основный рабочий элемент в их конструкции - абсорбер (поглотитель), представляющий собой обычно медную пластину с приваренной трубкой. Поверхность абсорбера, обращённая к солнцу, имеет специальное чёрное покрытие, чтобы лучи могли передать ей как можно больше тепловой энергии.

Пластина, а с ней и трубка быстро нагреваются, а циркулирующая по трубке жидкость забирает это тепло и транспортирует далее в систему. Но горячая пластина абсорбера начинает сама излучать тепло в окружающую среду и нагревать контактирующий с ней воздух. Чтобы этого не происходило, абсорбер изолируют от открытой атмосферы. Меры, увеличивающие количество получаемого от солнца тепла, обычно касаются стекла и абсорбера. У обычных стёкол есть ряд недостатков - они могут бликовать (то есть отражать часть солнечного света вместо того, чтобы пропускать его внутрь), к тому же часть лучей не попадает внутрь из-за их недостаточной прозрачности.

Поэтому, в высокотехнологичных гелиоколлекторах применяются специально разработанные стёкла с пониженным содержанием железа, отличающиеся большей прозрачностью, по сравнению с обычными. Они пропускают больше света, а значит, коллектор получит дополнительную тепловую энергию. Помимо этого, стекло часто снабжают антибликовым покрытием - оно уменьшает долю отражённого поверхностью света и тоже способствует увеличению производительности коллектора. Важна также и чистота - запылённое или запотевшее стекло, очевидно, пропускает меньше света. Чтобы внутрь коллектора не забивалась пыль и не попадала влага, его корпус нередко делают герметичным и даже заполняют инертным газом. Правда, эти меры нужны только для плоских коллекторов - у вакуумных моделей, о которых речь пойдёт ниже, таких проблем нет.

Что касается абсорбера, то здесь все технологии направлены на повышение его поглощающей способности. В дешёвых гелиоколлекторах пластину абсорбера нередко просто красят чёрной краской. Эффект от такого решения, конечно, есть, но незначительный, к тому же, краска может бликовать, а качество покрытия со временем ухудшается. Более дорогие технологичные модели коллекторов снабжены абсорберами с особым высокоселективным покрытием, которое не бликует, служит долго и очень хорошо поглощает солнечное излучение.

Но основные различия в конструкциях солнечных коллекторов заключаются в способах теплоизоляции. Плоский коллектор представляет собой прямоугольный металлический короб, закрытый сверху стеклом. Стенки и дно короба теплоизолированы - обычно минеральной ватой. Однако, такая изоляция несовершенна, потому что не исключает переноса тепла от абсорбера к стеклу посредством содержащегося внутри коллектора газа, да и минеральная вата тоже не исключает полностью теплопотери через корпус.

Поэтому, в вопросе сохранения тепла плоским коллектором важное значение имеет разница температур внутри коллектора и снаружи. Летом, когда воздух на улице хорошо прогрет, потери тепла малы, и коллектор почти всю энергию, полученную от солнца, направляет в систему. Но стоит уличной температуре снизиться, - и коллектор, который в межсезонье и зимой и так получает меньше тепла, начинает всё больше терять собранной энергии.

В результате, плоские коллекторы очень эффективны в конце весны и летом, но в холодную погоду собирают крайне мало тепла. Вакуумные трубчатые коллекторы обладают более совершенной теплоизоляцией. У них абсорберы расположены внутри стеклянных трубок, между стенками которых - вакуум. Перенос тепла газовой средой в таком коллекторе невозможен, ввиду отсутствия самого газа, как такового. Поэтому, теплопотери вакуумных коллекторов минимальны даже при сильных морозах.

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

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




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



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




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.




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.

Различные солнечные коллекторы появились на рынке достаточно давно. Это устройства, использующие энергию солнца для нагрева воды на домашние нужды. Но приобрести популярность среди пользователей им мешает высокая стоимость, это беда всех альтернативных источников энергии. Например, общие затраты на приобретение и монтаж установки, что обеспечит нужды средней семьи, составят 5000$. Но выход есть: можно сделать солнечный коллектор своими руками из доступных по цене материалов. Какими способами это реализовать, будет рассказано в данном материале.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип действия коллектора основан на поглощении (абсорбции) тепловой энергии солнца специальным приемным устройством и передачей его с минимальными потерями теплоносителю. В качестве приемника используются медные или стеклянные трубки, окрашенные в черный цвет.

Ведь известно, что лучше всего абсорбируют тепло предметы, имеющие темную или черную окраску. Теплоносителем чаще всего выступает вода, иногда – воздух. По конструкции солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения бывают таких видов:

• воздушные;
• водяные плоские;
• водяные вакуумные.

Среди прочих воздушный солнечный коллектор отличается простотой конструкции и, соответственно, самой низкой ценой. Он представляет собой панель – приемник солнечной радиации из металла, заключенный в герметичный корпус. Стальной лист для лучшей теплоотдачи снабжен с задней стороны ребрами и уложен на дно с тепловой изоляцией. Спереди установлено прозрачное стекло, а по бокам корпуса имеются проемы с фланцами для подключения воздуховодов или других панелей, как показано на схеме:

Воздух, поступающий через проем с одной стороны, проходит между стальными ребрами и, получив от них тепло, выходит с другой.

Надо сказать, что установка солнечных коллекторов с нагревом воздуха имеет свои особенности. Из-за их невысокой эффективности для обогрева помещений нужно применять несколько подобных панелей, объединенных в батарею. Кроме того, обязательно понадобится вентилятор, поскольку нагретый воздух из коллекторов, находящихся на кровле, самостоятельно вниз не пойдет. Принципиальная схема воздушной системы показана ниже на рисунке:

Простое устройство и принцип работы позволяют выполнять изготовление коллекторов воздушного типа своими руками. Но потребуется много материала для нескольких коллекторов, а подогреть воду с их помощью все равно не получится. По этим причинам домашние умельцы предпочитают заниматься водяными нагревателями.

Конструкция плоского коллектора

Для самостоятельного изготовления наибольший интерес представляют плоские солнечные коллекторы, предназначенные для нагрева воды. В корпусе из металла или алюминиевого сплава прямоугольной формы размещен тепловой приемник - пластина с запрессованным в ней змеевиком из медной трубки. Приемник выполняется из алюминия или меди, покрытой абсорбционным слоем черного цвета. Как и в предыдущем варианте, снизу пластина отделена от дна слоем теплоизоляционного материала, а роль крышки играет прочное стекло или поликарбонат. Ниже на рисунке изображено устройство солнечного коллектора:

Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

Данный вид – самый популярный среди покупателей из-за оптимального соотношения цена - качество, а среди домашних мастеров - по причине относительно несложной конструкции. Но применять такой коллектор для отопления можно лишь в южных регионах, с понижением температуры наружного воздуха его производительность значительно падает из-за высоких тепловых потерь через корпус.

Устройство вакуумного коллектора

Еще один вид водяных солнечных нагревателей изготавливается с применением современных технологий и передовых технических решений, а потому относится к высокой ценовой категории. Таких решений в коллекторе реализовано два:

• тепловая изоляция с помощью вакуума;
• использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.

Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:

Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.

Благодаря своему устройству вакуумные нагреватели не боятся низких температур и сохраняют свою работоспособность даже на морозе, а потому могут применяться в северных регионах. Интенсивность нагрева воды в этом случае ниже, чем летом, так как зимой на землю поступает меньше тепла от солнца, часто мешает облачность. Понятно, что изготовить стеклянную колбу с откачанным воздухом в домашних условиях просто нереально.

Примечание. Существуют вакуумные трубки для коллектора, заполняемые напрямую теплоносителем. Их недостаток – последовательное подключение, при выходе из строя одной колбы придется менять весь водонагреватель.

Как изготовить солнечный коллектор?

Прежде чем приступить к работе, следует определиться с габаритами будущего водогрейного аппарата. Произвести точный расчет площади теплообмена непросто, многое зависит от интенсивности солнечного излучения в данном регионе, расположения дома, материала нагревательного контура и так далее. Правильным будет сказать, что чем больше тепловой коллектор, тем лучше. Однако, его размеры наверняка ограничиваются местом, где планируется его устанавливать. Значит, надо исходить из площади этого места.

Корпус проще всего изготовить из древесины, проложив на дно слой пенопласта или минеральной ваты. Также для этой цели удобно использовать створки старых деревянных окон, где сохранилось хотя бы одно стекло. Выбор материала для приемника тепла неожиданно широк, чего только не используют мастера-умельцы, чтобы собрать коллектор. Вот перечень популярных вариантов:

• тонкостенные медные трубки;
• различные полимерные трубы с тонкими стенками, желательно черного цвета. Хорошо подойдет полиэтиленовая РЕХ труба для водопровода;
• трубки из алюминия. Правда, соединять их сложнее, чем медные;
• стальные панельные радиаторы;
• черный садовый шланг.

Примечание. Кроме перечисленных, существует масса экзотических версий. Например,воздушный солнечный коллектор из пивных банок или пластиковых бутылок. Подобные прототипы отличаются оригинальностью, но требуют значительного вложения труда при сомнительной отдаче.

В собранный деревянный корпус или старую оконную створку с приделанным дном и уложенным утеплителем надо поместить металлический лист, накрывающий всю площадь будущего нагревателя. Хорошо, если найдется лист алюминия, но подойдет и тонкая сталь. Ее необходимо окрасить в черный цвет, а затем уложить трубы в виде змеевика.

Без сомнения, коллектор для нагрева воды лучше всего получится из медных труб, они отлично передают тепло и прослужат долгие годы.Змеевик плотно прикрепляется к металлическому экрану скобами или любым другим доступным способом, наружу выводятся 2 штуцера для подачи воды.

Поскольку это плоский, а не вакуумный коллектор, то поглотитель тепла нужно закрыть сверху светопрозрачной конструкцией – стеклом или поликарбонатом. Последний легче обрабатывается и надежнее в эксплуатации, не разобьется от ударов града.

После сборки солнечный коллектор надо установить на место и подключить к накопительному баку для воды. Когда позволяют условия монтажа, то можно организовать естественную циркуляцию воды между баком и нагревателем, в противном случае в систему включается циркуляционный насос.

Заключение

Осуществлять отопление дома солнечными коллекторами, сделанными своими руками, – привлекательная перспектива для многих домовладельцев. Жителям южных районов этот вариант более доступен, только придется заполнить систему антифризом и как следует утеплить корпус. На севере самодельный коллектор поможет нагреть воду на хозяйственные нужды, но для обогрева дома его не хватит. Сказывается холод и короткий световой день.

Принцип работы солнечных коллекторов основан на трансформации лучистой энергии солнца в тепловую энергию. Происходит это путем нагревания циркулирующего в коллекторе теплоносителя (чаще всего воды, иногда – антифриза) и последующей передачи накопленного тепла. Иными словами, солнечный коллектор работает как своего рода водонагреватель, что и определило его сферу применения (ГВС частных домов, отопление).

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).

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.

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 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.

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. Медный 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.