Принцип работы солнечного коллектора

Задача солнечного коллектора — собирать энергию от прямого, рассеянного и отраженного излучения, а затем передавать ее в отопительную установку.

Принцип работы солнечного коллектора прост, он служит для подогрева бытовой горячей воды и в некоторой степени дома с помощью солнечной энергией они также известны как солнечные батареи. Как работает солнечный коллектор?

1. Солнце нагревается поглотителем в коллекторе, который поглощает солнечное излучение и преобразует его в тепло. Эффективность поглощения зависит от типа поглотителя. Обычный черный поглотитель собирает большую часть излучения. Так называемое селективный поглотитель — он поглощает 95% падающего на него излучения.
2. Теплоноситель (это может быть вода или антифриз) нагревается от абсорбера и протекает через коллектор.
3. Нагретая жидкость поступает в резервуар.
4. Там он отдает тепло нагретой технической воде, находящейся в баке, а при охлаждении течет обратно в коллектор.

Что влияет на КПД солнечного коллектора?

Энергоэффективность коллекторов также связана с достижением максимально возможной эффективности их работы. В первую очередь, это зависит от ориентации на стороны света. Устройства, ориентированные на юг, имеют лучшую производительность.

Плоский коллектор можно наклонить максимум на 15 ° к востоку или западу. Но тогда его эффективность немного снизится. Если отклонение больше, площадь коллектора должна быть больше, чем для ориентации на юг.

Если дом имеет неблагоприятное расположение по отношению к направлениям света. Стоит использовать трубные коллекторы, в которых направление поглотителя можно регулировать индивидуально. Трубчатые коллекторы могут иметь большее допустимое отклонение от юга, чем плоские. Так как угол наклона поглотителя в каждой трубе регулируется индивидуально.

Угол наклона коллектора также очень важен для эффективности коллектора . Наилучший результат мы получим, когда лучи падают перпендикулярно его поверхности. Поскольку положение Солнца меняется в течение года, оптимальный угол коллектора также непостоянен: летом он составляет 30 °, а зимой — 60 °. 

Коллекторы, которые будут эксплуатироваться только летом, можно установить под углом 30 °, круглогодично под углом 45 °. Невозможно изменить наклон коллектора, установленного на скате крыши. Но между 35 ° и 50 ° эффективность коллектора снижается незначительно.

Количество энергии, получаемой коллектором, также зависит от места установки устройства. Если трубчатые или плоские пластинчатые коллекторы расположены на земле или у стен зданий, и чем больше они наклонены, тем больше энергии отражается от окружающих поверхностей. Это означает, что коллектор поглотит больше тепла.

К сожалению, есть фактор, снижающий КПД коллекторов. Это … обычная пыль. Вреден в первую очередь для плоских невакуумных коллекторов, так как оседает не только на поверхности, но и на поглотителе (корпуса этих коллекторов обычно негерметичны). Солнечное излучение не достигает поглотителя, а отражается и рассеивается на частицах пыли. После нескольких лет эксплуатации КПД коллектора может упасть даже на 30%. Поэтому поверхность коллектора следует очищать один раз в год.

Виды солнечных коллекторов для отопления дома

Наиболее важным компонентом солнечной системы является коллектор. Именно он улавливает тепло солнечного излучения и передает его так называемому «солнечному элементу» г.в.с. Компании предлагают два основных типа коллекторов — коллекторы с плоской пластиной и коллекторы с вакуумной трубкой.

Читайте также: Плоский или вакуумный солнечный коллектор — какие коллекторы выбрать?

Самым популярным является коллектор с плоской пластиной. Несмотря на то, что он обладает несколько меньшей энергоэффективностью и теряет тепло быстрее, чем трубчатый коллектор. Однако его неоспоримым и наиболее важным преимуществом является гораздо более низкая цена. Оба в основном используются для сезонного подогрева горячей воды. — с марта по октябрь.

Рабочей средой в них может быть вода, что позволяет дополнительно снизить затраты на эксплуатацию. Однако это не рекомендуется производителями коллекторов, из-за накопления накипи в такой установке. Лучшим и более часто используемым рабочим средством является незамерзающий раствор на основе гликоля.

Плоские солнечные коллекторы

В плоском пластинчатом коллекторе находится солнечный поглотитель, соединенный с медными трубами, по которым течет рабочая среда. Он в свою очередь собирает тепло от поглотителя и передает его в рабочую систему г.в.с. Поглотитель представляет собой пластину (из стали, меди, алюминия или пластика). Он также облицованный специальным тонким покрытием, повышающим эффективность поглощения солнечного излучения.

Снаружи коллектор защищен стеклопакетом из закаленного стекла, тефлона или прозрачного пластика. Он защищает от погодных явлений, таких как дождь, град или снег. Кроме того, это покрытие задерживает испарение внутри коллектора (это так называемый «парниковый» эффект). Тем самым это позволяет достичь более высокой теплоотдачи. Снизу коллектор защищен слоем теплоизоляции, который предотвращает отдачу тепла наружу.

Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы

Более эффективными, но и более дорогими являются вакуумные трубчатые коллекторы. Они используют как прямое, так и рассеянное излучение, которое пробивается сквозь тонкий слой облаков. Благодаря этому они работают даже в пасмурные дни.

На российском рынке доступны два типа трубчатых коллекторов: с прямым потоком рабочей среды или с тепловой трубкой. В вакуумный коллектор с прямоточным потоком рабочей среды встроено несколько или десяток стеклянных трубок.

В каждом из них есть вакуум, благодаря которому потери тепла в окружающую среду намного меньше, чем в плоских коллекторах, а это значит, что они более эффективны. Каждая вакуумная трубка имеет встроенный абсорбер и трубку, в которой нагревается рабочая среда. Внутри трубок могут быть специальные зеркала, направляющие солнечные лучи на поглотитель.

В каждом из них есть вакуум, благодаря которому потери тепла в окружающую среду намного меньше, чем в плоских коллекторах, а это значит, что они более эффективны. Каждая вакуумная трубка имеет встроенный абсорбер и трубку, в которой нагревается рабочая среда. Внутри трубок могут быть специальные зеркала, направляющие солнечные лучи на поглотитель.

Это решение позволяет еще более эффективно использовать солнечную энергию. Тепловые трубки являются более высокотехнологичным решением. Такой коллектор обманчиво похож на устройство, описанное выше, но работает несколько иначе. Рабочая среда испаряется под воздействием солнечного излучения и поднимается в специальный теплообменник, установленный на конце трубки коллектора.

Там он отдает тепло теплоносителю. В то же время, он конденсируется и течет обратно в трубку. Эти коллекторы имеют самый высокий КПД из всех доступных типов. Особенно хорошо они работают зимой и в пасмурные дни, когда преобладает рассеянный солнечный свет. Особенно хорошо они работают зимой и в пасмурные дни, когда преобладает рассеянное солнечное излучение.

Инвестиции в солнечные коллекторы

До сих пор нет четкого ответа на вопрос, когда стоит инвестировать в солнечные коллекторы и когда инвестиции окупятся. Одно можно сказать наверняка — в России коллектор не имеет шансов стать единственным источником тепла в доме — ни в водонагревательных установках, ни, тем более, в отопительных системах. В течение года в нашей стране слишком мало солнца, слишком часто оно скрыто за облаками. Но я слышал, что климат меняется…

Однако это не означает, что не стоит рассматривать вопрос об установке солнечной системы. Так как с марта по октябрь хорошо подобранный комплект обеспечит до 80-90% потребности в горячей воде, в самые теплые месяцы (в прошлом это был июль и август, но теперь вполне вероятно, что это может быть, например, май, июнь и сентябрь), коллекторы будут обеспечивать 100% энергии, используемой для нагрева воды.

Они будут нагревать горячую воду даже в холодное время года. Достаточно только двух-трех часов солнечного света в течение дня, чтобы нагреть воду в баке. Они могут оказаться незаменимыми в домах, отапливаемых исключительно электричеством (высокие цены на энергию) или твердотопливным котлом (проблемное добавление топлива) — горячую воду потом можно получить из коллекторов, нагревая ее только электронагревателем.

Вы также должны знать, что чем больше потребление горячей воды в доме, тем коллекторы являются более выгодными вложениями, например, в доме, где проживает 6 или более человек, особенно когда им нравится часто купаться в ванне или в доме с летним бассейном. В обоих случаях такие инвестиции окупятся уже через несколько лет.

Монтаж солнечного коллектора

Прежде всего, место установки не должно быть затенено деревьями или зданием. Расположение по отношению к дому может быть разным: на крыше или отдельно стоящее. Его также можно закрепить на стене здания, но это относится только к некоторым типам коллекторов.

Самым распространенным является установка коллекторов на крышу. Таким образом, можно установить любой тип коллектора не только во время, но и после постройки дома. Достаточно во время покрытия кровли установить кронштейны и вывести трубы, к которым будут подключаться коллекторы.

Преимущество такого способа установки — более низкая цена, более короткие сроки сборки и отсутствие необходимости тратить участок земли на коллекторы. Недостаток в том, что тепловые потери несколько выше, чем у коллекторов, установленных в кровле. Поэтому с точки зрения энергоэффективности лучшим решением будет встраивание коллекторов в скат крыши.

В крышу могут быть встроены только плоские коллекторы при условии, что уклон крыши составляет мин. 25 °. Таким образом мы экономим на количестве плиток, но за установку приходится платить больше, потому что коллекторы со всех сторон должны быть защищены от проникновения воды.

Где установить коллектор?

Коллекторы, установленные на земле или на плоской крыше, можно оптимально расположить по отношению к солнцу. Таким образом, повысить эффективность устройства. Кроме того, эффективность коллекторов увеличивается за счет отраженного от земли излучения. Недостатком этого решения в случае отдельно стоящих коллекторов являются тепловые потери, возникающие при перетекании теплоносителя от коллектора к установке в здании.

Преимущество этого метода установки заключается в более низких затратах на монтаж, но при этом необходимо обеспечить достаточную устойчивость резервуара и защитить конструкцию от ураганов.

Когда коллекторы установлены на земле, их намного легче очистить от пыли и снег. А это повысит их эффективность, то есть энергоэффективность системы горячего водоснабжения, а в случае выхода из строя их дешевле отремонтировать. Коллекторы также могут быть установлены на стене здания на южной стороне. 

Стена прочнее крыши, поэтому ее не нужно укреплять. Коллектор также меньше подвержен охлаждающему воздействию ветра. Кроме того, он использует дополнительное излучение, которое отражается от земли и предметов возле коллектора. 

Не каждый коллектор можно установить таким образом, из-за более высокого гидравлического сопротивления. Таким образом его необходимо адаптировать для вертикальной установки.

Коллекторы с прямоточным и концентрическим потоком рабочего тела могут устанавливаться на скатных крышах, плоских крышах или балконах вдоль или поперек без потери излучения. Коллекторы с тепловыми трубками следует устанавливать с минимальным наклоном 20 °.

Схема работы солнечного коллектора

Цель солнечного контура — передать тепло от коллекторов в накопительный бак, где оно будет храниться.
Солнечный контур состоит из коллекторов, труб, солнечного блока, устройств для безопасной эксплуатации блока и накопительного теплообменника.

Трубки для солнечного коллектора

Трубопроводы и накопительный теплообменник оказывают наибольшее влияние на эффективность установки.

• Трубопроводы. Длина труб между резервуаром и коллектором должна быть как можно короче — тогда потери тепла из-за потока нагретой среды от коллектора к баку будут как можно меньше. Все трубы должны быть надлежащим образом изолированы (это источник больших потерь тепла!). А резиновые элементы, например, прокладки, мембраны, которые вступают в контакт с рабочей средой, протекающей в системе, должны быть изготовлены из материалов, не вступающих в химическую реакцию с этой средой.
• Резервуарный теплообменник . Коллектор дает тепло чаще всего тогда, когда оно нам нужно, то есть днем. И мы обычно пользуемся горячей водой днем ​​и вечером. Таким образом, для того чтобы энергия, выработанная днем, могла быть использована вечером, она должна быть запасена в накопителе солнечной энергии.

Наиболее распространены бивалентные водонагреватели. В них два теплообменника. В нижнем протекает рабочая среда из солнечного контура, а в верхний — вода, нагретая в котле.

Обычно имеются накопительные баки, которые могут покрыть потребность в горячей воде на один-три дня, в течение которых солнечные панели не нагреваются. Помните, что чем больше емкость бака, тем дольше мы будем использовать ранее накопленную солнечную энергию в пасмурные дни.

На семью из четырех человек стоит купить бак на 600 л. Можно, конечно, купить и поменьше. Но в случае непогоды горячая вода закончится быстрее и придется подогревать воду обычном способ.

Вместо бака с двойным змеевиком можно использовать более простое решение, т.е. бак с одним змеевиком и электронагревателем. Жидкость из солнечного контура циркулирует в змеевике, а дополнительный нагрев воды обеспечивает нагреватель. Это более дорогое решение, чем теплообменник с двойным змеевиком, но оно удобно, особенно когда дом отапливается твердотопливным котлом.

Производительность солнечного коллектора

Его размер должен быть таким, чтобы в среднем за летнюю половину года он получал 85-95% горячего водоснабжения. Можно предположить, что семья из четырех человек нуждается в коллекторе:

квартира площадью 1-1,

• квартира площадью 1-1,5 м² на человека, то есть 4-6 м²
• труба площадью 0,6–0,8 м² на человека, то есть 2,4–3,2 м².

Если солнечная установка будет использоваться вместе с установкой центрального отопления, предполагается, что от 0,3 до 0,5 м² плоского трубчатого коллектора приходится на 1 м² здания. Вот поверхность коллекторов, которые должны нагревать воду в бассейне:

• закрытый — около 40% его водной поверхности,
• открытые — около 70% этой площади.

Если, например, бассейн имеет размеры 5 на 10 м, то коллекторы должны иметь следующую площадь поверхности:

• 20 м² для крытого бассейна,
• 35 м² на открытом воздухе.

Мощность солнечного коллектора

Не будем обольщаться, коллектор не заменит обогреватель. Тогда затраты на установку были бы смехотворно высокими, а площадь коллекторов была бы очень большой. Оптимально подобранное устройство будет нагревать 80-90% горячей воды и максимум 30% воды для целей отопления. На одного жителя требуется 1-1, 5 м2 площади плоского коллектора, используемого для отопления.

Вместо плоского коллектора можно установить трубный коллектор, такого коллектора достаточно 0,6-0,8 м² на человека, то есть 2,4-3,2 м² на семью из четырех человек. В случае установки солнечной системы, взаимодействующей с установкой центрального отопления, предполагается, что коллекторы будут нагревать максимум 30% воды для целей центрального отопления.

Предварительно можно предположить,что на 1 м2 здания приходится 0,3-0,5 м2 коллекторной площади. Если мы хотим нагреть воду в закрытом бассейне, мы должны предположить, что площадь коллектора должна составлять о.к 40% поверхности воды в бассейне, а площадь открытого бассейна о.к 70%. Например, если размер бассейна 5х10 м, лучше покупать коллекторы 20 м² (закрытый) и 35 м² (открытый).

Бак солнечного коллектора

На самом деле тепло, которое вырабатывает коллектор, должно где-то храниться. Поэтому неотъемлемым элементом солнечной установки является аккумулятор тепла — емкость, в которой собирается горячая вода.

Оттуда его используют для домашнего пользования. Емкость резервуара должна составлять несколько сотен литров, поэтому его должно хватить на 1,5-3 дня потребности в горячей воде. Семья из четырех человек, потребляющая в среднем 200 литров воды в день, должна иметь емкость объемом 300-600 литров. 

Прямого потока нагретой воды в коллекторе нет, только бак со встроенным змеевиком, по которому течет горячая вода из коллектора. И вода таким образом из коллектор-резервуара циркулирует по замкнутому контуру за счет циркуляционного насоса. Это позволяет комбинировать котел в качестве первичного источника тепла с солнечным коллектором, который поддерживает только систему нагрева воды.

Если солнечное излучение слишком слабое, система управления включает дополнительный нагрев воды, например, котел на любом топливе. Это позволяет, с одной стороны, снизить затраты на отопление за счет снижения расхода топлива. А с другой стороны, обеспечить комфорт горячей воды независимо от количества солнечных дней. Более дешевым решением может быть резервуар со встроенным электрическим нагревателем. Он будет нагревать воду при необходимости.

Работа солнечного коллектора

Самым дешевым решением является использование коллектора в гравитационной системе. Нет необходимости устанавливать в нем циркуляционный насос, так как нагретая вода течет вверх сама по себе. Если резервуар установлен над коллектором, дополнительное оборудование не требуется. Это решение идеально подходит для коттеджей или простых системах с электрическим обогревателем.

Существует еще один способ использование циркуляционного насоса, перекачивающего холодную воду в коллектор. Это решение является более гибким с точки зрения возможности установки коллектора и водяного бака по отношению друг к другу.

Так как этот тип установки используется в основном в частных домах. Следует помнить, что вода, проходящая через коллектор, должна отвечать требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Она не должна содержать слишком много железа, которое, оседая на стенки медных труб в коллекторе, через некоторое время может перекрыть поток воды, проходящий через коллектор.

В этом случае также следует не забыть слить воду из солнечного коллектора до наступления зимы. Если мы хотим использовать солнечную энергию круглый год, в контуре коллектора должен циркулировать антифриз, который обычно представляет собой раствор гликоля. Бытовая вода нагревается через теплообменник, что вызывает небольшое снижение эффективности системы и увеличивает затраты.

Для координации работы системы, состоящей из коллектора и котла или электрического нагревателя, мы должны использовать автоматику. При отсутствии тепла от коллектора, включается второй источник тепла.

Как залить солнечную установку?

Мы можем выбирать между простой водой или антифризом. Воду можно использовать только в установках, работающих с поздней весны до осени. В зимний период из установки необходимо слить воду, иначе можно повредить трубы. 

На всесезонных установках или установках, работающих с ранней весны до поздней осени, установка должна быть заполнена антифризом, что встречается чаще. Однако нам необходимо купить высококачественный бак. Это сведёт к минимуму риск вскрытия системы и попадания вредной жидкости в систему горячего водоснабжения.

Будет ли коллектор обогревать дом?

Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева ГВС, но и воды по назначению, что возможно только в низкотемпературных установках (особенно теплых полов), где теплоноситель может иметь температуру около 40 ° С

Однако тогда нужны коллекторы с гораздо большей поверхностью и более сложной установкой, чем в случае приготовления горячей воды. Это решение стоит порекомендовать, но только для людей, которые могут позволить себе такие расходы. С точки зрения экономики инвестиций, затраты слишком высоки по сравнению с прибылью, даже с точки зрения энергоэффективности.

Стоит или не стоит?

Стоимость солнечной системы — это не только сам коллектор, но и другие компоненты: 

• трубы, 
• резервуар, 
• дополнительный теплообменник,
• электрический нагреватель, 
• циркуляционный насос, 
• клапаны,
• автоматика. 

В эксплуатационных затратах необходимо упомянуть периодические осмотры установки, устранение возможных поломок и замену изношенных элементов. В системах с циркуляционным насосом также существует стоимость электроэнергии для питания насоса.

Хотя затраты довольно высоки, разумно спланированная и эксплуатируемая солнечная система может окупиться. Тем самым снижая затраты на подготовку горячей воды в среднем на 70%. (в случае большой семьи) или для подогрева воды в бассейне.

При рассмотрении вопроса о покупке системы следует проанализировать все плюсы и минусы. А при выборе конкретной компании обязательно учитывать наличие сервиса и стоимость периодического обслуживания.