В настоящее время все большей популярностью начинают пользоваться альтернативные источники энергии. Одними из наиболее простых считаются солнечные коллекторы. В этой статье мастер сантехник расскажет, что собой представляет солнечный коллектор и как осуществляется его подключение к отопительной системе.
Устройство и принцип работы
Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Но, хотя принцип работы для всех коллекторов один и тот же, их конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.
Неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место нагретой воде из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. На практике это означает, что вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 o С.
Типы и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления
Описанная схема работы коллектора очень упрощена, на деле же гелиосистемы несколько сложнее. Существует несколько типов солнечных коллекторов со своими конструктивными особенностями.
Плоские высокоселективные
Плоский коллектор – один из самых распространенных типов. Их преимущество состоит в невысокой цене, однако в сравнении с другими моделями они теряют больше тепла. Плоские солнечные коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы, которая в основном делается из алюминия или стали.
Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темной цвет металлический лист, соединенный с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя аккумулирует солнечные лучи и трансформирует солнечную энергию в тепловую, которая затем передается жидкости-теплоносителю (смеси воды и гликоля). Эта жидкость «направляет» тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от воздействия окружающей среды и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Эту же функцию выполняет и теплоизоляция из минерального волокна.
Вакуумные трубчатые
Солнечные коллекторы этого типа состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. Вакуум – идеальный теплоизолятор, и потому теплопотери таких коллекторов значительно меньше. Существует два вида вакуумных коллекторов, различающихся по способу нагрева – с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй – для теплого времени года, с апреля до сентября.
Концентрационные
Весной, летом и осенью дневной угловой ход солнечных лучей больше 120 градусов – угла, в котором эффективно работают неподвижные солнечные коллекторы. Повышение эксплуатационных температур до 120-250 o C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Они концентрируют солнечные лучи, и в результате их на панель попадает больше. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем. Это достаточно дорогостоящее решение и применяется оно в основном в промышленных целях.
Воздушные
Солнечные воздушные коллекторы используются для нагрева воздуха. Это простые плоские коллекторы, применимые для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Недостаток последнего варианта в том, что часть энергии тратится на работу вентиляторов.
Обратите внимание! Срок службы солнечных коллекторов составляет от 15 до 30 лет, в зависимости от типа и производителя. Дешевая продукция азиатских разработчиков менее надежна, а коллекторы лучших немецких компаний могут прослужить и дольше обозначенного срока
Расчет мощности солнечного коллектора
Солнечные коллекторы для дома могут обладать весьма высокой производительностью. Чтобы точно рассчитать мощность коллектора, нужно знать его площадь поглощения, величину инсоляции для вашего региона и КПД коллектора.
Допустим, используется коллектор площадью примерно 1 кв. м, состоящий из 7 трубок, каждая из которых имеет площадь поглощения 0,15 кв. м. Получаемая мощность в расчете на один день вычисляется следующим образом: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) =117,95 кВт•час/кв. м. В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325 кВт•час. В наиболее солнечные летние месяцы она будет производить 0,545 кВт•час.
Обратите внимание! Как показывает статистика, в среднем в домашнем хозяйстве для использования горячей воды на 1 человека требуется от 2 до 4 кВт тепловой энергии в день
Как осуществляется подключение солнечного коллектора к отопительной системе
Очень часто владельцы отдают предпочтение солнечным коллекторам, выбирая их как вспомогательный источник обогрева. В качестве автономного отопления они также выступают, однако, здесь важно, чтобы теплоизоляция помещения была выполнена верно, согласно требованиям.
Естественная циркуляция воды посредством конвекционных потоков — это один из принципов, согласно которому может быть организована гелиосистема. Из-за пассивного движения воды такой вариант считается наименее эффективным в сравнении с другими. Бак обязательно соединен с коллектором, но располагается выше его.
Вспомогательные электрические циркуляционные насосы нашли свое применение в системах с принудительной циркуляцией. Здесь коллекторы становятся наиболее эффективными, т.к.вода используется более эффективно. Однако стоит сказать, что и в обслуживании такие агрегаты более требовательны, все зависит от электроэнергии, благодаря которой все функционирует.
В зависимости от типа циркуляции, используемой в системе, будет и зависеть то, каким образом осуществляется подключение к системе отопления. Наиболее доступным и нетрудоемким способом считается подсоединение к системе с естественной циркуляцией. Здесь ключевой принцип — нагрев воды в отопительной системе.
Выше уровня коллектора подсоединяется накопительный бак. Верхний вывод должен подсоединяться ко входу горячей воды в систему, а нижний — к обратке. Используя такой вариант подключения, нужно быть готовым к тому, что на входе в солнечный коллектор могут возникнуть воздушные пробки. Этим обусловлена более низкая стоимость таких систем, по сравнению с теми, где применяются насосы.
Применяя автоматику можно подсоединить солнечный коллектор к системе с принудительной циркуляцией, которая имеет свои характерные черты:
- Контроллер управляет насосом исходя из показаний, появляющихся на специальных датчиках.
- В момент, когда по датчикам температурный режим доходит до заданного значения, обогрев прекратится.
- Бак-накопитель, обратка и выход коллектора — это участки, где обязательно монтируется данные датчики.
- Совместно с такой системой лучше применять вспомогательные источники тепла. Например, можно установить твердотопливный и газовый котел.
На степень нагрева воды оказывает влияние то, в каком месте размещен коллектор по отношению к солнцу, а также уровень его наклона. Оптимально изначально устанавливать коллекторы таким образом, чтобы под прямыми лучами солнца они располагались как можно дольше на протяжении дня. Если вы не собираетесь подключать вспомогательные источники обогрева, то объем бака в зимний период следует выбирать около 40 м³.
Выполнить расчет солнечного коллектора для отопления достаточно трудно. Чтобы выявить сколько квадратных метров требуется нужно для конкретной коллекторной системы, важно учесть не только наклон крыши и сторону, также следует принимать во внимание на уровень солнечной радиации в конкретном регионе, объем накопителя. Чтобы не допустить погрешностей, лучше расчет доверить специалистам.
Использование солнечных коллекторов в России и мире
Солнечные коллекторы широко распространены во всем мире, хотя для нашей страны они все еще остаются новинкой. Настоящий бум солнечных коллекторов пришелся на 1970-е, во времена нефтяного кризиса. Тогда их начали применять во многих странах, от США до Японии. В Израиле в наши дни более 85% населения используют солнечные коллекторы. Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой энергии и продолжает неуклонно расти. Использование данной технологии в Германии, например, оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. В России этот показатель пока очень мал – лишь 0,2 кв. м/1000 чел.
Многие могут усомниться – разумно ли использование таких устройств в России, где климат далеко не такой теплый и солнечных дней значительно меньше, чем в южных широтах? Расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода – не препятствие для эффективной эксплуатации коллекторов. В средней полосе России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади. Максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, при установке солнечного коллектора площадью 2 кв. м вода в баке емкостью 100 л будет ежедневно прогреваться до температуры от 37 o С и более (этот показатель может доходить до 55 o С). А в теплые месяцы коллектор будет еще эффективнее.
Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, обеспечения энергией теплиц. Они легко интегрируются в любую сеть водо- и теплоснабжения и просто монтируются. С помощью солнечных коллекторов можно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать и вовсе бесплатную горячую воду. К известным и надежным производителям солнечных коллекторов относятся такие компании, как FUTUS-NUKLEON (Австрия-Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), но особым доверием специалистов пользуются коллекторы от немецких компаний – Wolf и Vaillant. Эти бренды не просто предлагают надежную продукцию – они постоянно совершенствуют свои системы и внедряют новые технологии.
Достоинства и недостатки
У солнечных коллекторов имеется ряд плюсов:
- Высокая производительность, их КПД намного выше по сравнению с фотоэлектрическими элементами и ветрогенераторами;
- Энергия, которую они усваивают — полностью бесплатна;
- Функционируют они без вреда для окружающей среды.
Минусы:
- Высокая стоимость;
- Из-за переменчивости погоды, производительность солнечного коллектора не может похвастаться стабильностью.
Стоимость гелиоустановки для дома
Цена солнечного коллектора для отопления дома зависит от его типа, сложности системы и мощности, а также, не в последнюю очередь, от производителя. Относительно небольшие установки для частных домов, коттеджей и дач с номинальной мощностью около 2 кВт•ч стоят от 160 000 рублей в базовой комплектации, более мощные системы с несколькими коллекторами общей мощностью около 6 кВт•ч, предназначенные не только для нагрева воды, но и для отопления в весенне-зимний период, обойдутся в 270 000 рублей. К этому нужно прибавить стоимость монтажа и наладки.
За какой срок окупится коллектор? На это влияет режим эксплуатации. Солнечные коллекторы в отопительный период поддерживают отопление приблизительно на 25%, а горячее водоснабжение в летние месяцы на 80-90%, так что окупаемость будет напрямую зависеть от ваших обычных расходов на тепло и горячую воду. В среднем срок окупаемости коллекторов составляет от 2 до 8 лет.
В продолжение темы посмотрите также наш обзор Чем дешевле отопить загородный дом