Воздушный солнечный коллектор устройство схемы конструкции

Определение места установки и доступной площади

Место установки коллектора должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Прибор следует располагать как можно ближе к потребителю, то есть помещению, в которое поступает нагретый воздух.
2. Панель должна смотреть по возможности строго на юг или как можно ближе к данному направлению. При этом ее поверхность крайне желательно расположить под прямым углом к солнечным лучам, вследствие чего потери из-за отражения окажутся минимальными.
3. На место установки коллектора не должна падать тень от деревьев, труб или зданий.

Каких-либо ограничений касательно выбора площади коллектора не существует: чем большим он будет, тем более высокой окажется его производительность и, соответственно, тем меньшей будет сумма в платежках за отопление.

Виды

В зависимости от работы можно выделить следующие вид гелиоустановок — плоская, вакуумная, воздушная. Рассмотрим подробнее каждый их них.

Плоские

Панель является воздухонепроницаемой и состоит из нескольких элементов:

• Поглощающая пластина или абсорбер напрямую связан с теплопроводящей системой. Покрыт черной краской или специальным покрытием.
• Прозрачное покрытие сделано из поликарбоната или из закаленного стекла с низкой содержанием металлов.
• Термоизолирующий слой. Трубки теплоносителя изготавливают из меди или сшитого полиэтилена.

Принцип работы простой — абсорбер нагревается и передает тепло змеевику, в котором находится теплоноситель. Установка простая в монтаже и использовании.

Преимущества:

• невысокая стоимость;
• возможность устанавливать систему под любым углом;
• высокий КПД в теплое время года;
• не нужно вручную очищать установку от снега и инея.

Единственным весомый минус системы — высокий уровень тепловых потерь. Чтобы минимизировать потери используют утеплители, например, винвату. Однако и это не лучший способ, если температура внутри корпуса и снаружи сильно отличается. Поэтому такие установки малоэффективны для работы в холодное время года.

Вакуумный

Вакуумный или трубчатый коллектор имеет более сложную конструкцию. Панель представляет собой много стеклянных трубок, внутри которых вставлен абсорбер. Каждая трубка полностью вакуумированная, поэтому сохраняет до 97% тепла. Такие коллекторы используют круглый год, они способны эффективно работать при температуре до -37 градусов.

Преимущества:

• низкие теплопотери;
• работа при низким температурах;
• низкая парусность конструкции;
• легкий монтаж.

Недостатки:

• рабочий угол установки 20 градусов;
• необходимо чистить гелиосистемы от снега и инея.

Воздушный

• быстрый нагрев воздуха;
• не нужно использования электричества и газа.

Недостатки:

• Коллекторы работают только при солнечной погоде. При пасмурной погоде эффективность практически нулевая.
•  При монтаже необходимо будет высверливать отверстия в стене или крыше, в зависимости от места установки.

Воздушные солнечные коллекторы сейчас получили широкое применение среди владельцев частных домов. Их использование является дополнительным источником отопления и вентиляции воздуха.

Плоские солнечные коллекторы: устройство

Гелиоколлектор плоского типа состоит из алюминиевого короба, сверху которого установлено защитное стекло с абсорбционным слоем. Внутри корпуса расположены медные трубки, впускной и выпускной патрубки. Дно и стенки короба защищены самым надежным теплоизолирующим элементом – минеральной ватой.

Некоторые модели плоских коллекторов могут также иметь под стеклом слой пропиленгликоля, который выполняет функцию поглотителя солнечных лучей. Это увеличивает его КПД, обеспечивая оборудованию максимальную производительность вне зависимости от сезона.

Достоинства и недостатки плоских гелиоколлекторов

К главным преимуществам плоских солнечных коллекторов относят:

• Способность к самоочищению в случае выпадения осадков в виде снега или инея;
• Высокие показатели в соотношении «цена/качество», что характерно для южных регионов с теплым климатом;
• Высокий КПД при эксплуатации в летний сезон;
• Сравнительно невысокая стоимость в отличие от других гелиоконструкций.

Основными недостатками таких систем являются:

• Высокие теплопотери, обусловленные конструктивными признаками установок;
• Небольшой КПД при функционировании осенью и зимой;
• Сложности в ходе перевозки и монтажа гелиосистем;
• Максимальные затраты в случае выполнения ремонтных работ;
• Повышенная парусность гелиоустановки.

Сфера применения плоских солнечных коллекторов

Несмотря на недостатки, данный тип гелиосистем используется для сезонного нагрева горячей воды. Плоские гелиоколлекторы используются:

• Для горячего водоснабжения летнего душа;
• Для подогрева воды в бассейне до нужной температуры;
• Для обогрева теплиц.

Принцип работы и особенности устройства

Главным элементом гелиоколлектора является адсорбер. Он представляет собой медную пластину с присоединенной к ней трубой. При поглощении энергии воздействующих на гелиосистему прямых солнечных лучей, адсорбирующий элемент моментально нагревается, передавая тепло циркулирующему по трубопроводу теплоносителю.

Чтобы также повысить количество излучаемой от солнца тепловой энергии, необходимо грамотно выбрать прикрывающее адсорбер стекло. Для солнечных коллекторов применяют специальное стекло с антибликовым покрытием и минимальным процентом содержащегося в нем железа. Такое стекло отличается от обыкновенного не только сниженной долей отражаемого света, но и увеличивает прозрачность.

Кроме того, для предотвращения загрязнения стекла, что тоже снижает эффективность работы гелиоустановки, корпус коллектора полностью герметизируют, либо наполняют инертным газом.

При всем этом часть получаемой тепловой энергии пластина адсорбера отдает в окружающую среду, нагревая взаимодействующий с гелиосистемой воздух. Для снижения теплопотерь адсорбирующий элемент следует изолировать. Поиски максимально эффективных способов теплоизоляции и привели к появлению множества разновидностей солнечных коллекторов. Одними из распространенных видов являются плоские и трубчатые, или вакуумные.

Что это и зачем устанавливать

Солнечный коллектор — это приспособление, которое преобразует солнечную энергию в тепло. С помощью воздушной гелиоустановки можно бесплатно нагревать различные помещения: жилые дома, склады и гаражи. Другой вариант — смастерить солнечный водный коллектор из профнастила, который подойдет для подогрева воды в квартире. Если же на участке есть бассейн, мастера советуют собрать .

Основные преимущества:

• низкая стоимость. Коллектор, работающий за счет солнечных лучей и движения воздуха, можно изготовить из подручных стройматериалов, найденных в гараже;
• простая сборка. Существуют разные модели солнечных коллекторов, но общий принцип работы схожий. Конструкцию сможет собрать даже новичок, только начавший интересоваться строительством и ;
• высокая эффективность. Технические характеристики для разных конструкций могут отличаться, но в среднем эффективность достигает 45-75%;
• надежность. Детали солнечного коллектора находятся в статичном положении, поэтому риск поломок и изнашивания элементов минимален.

Чтобы гелиоустановка работала максимально эффективно, следует заранее подобрать оптимальное место для ее размещения. Обычно коллектор ставят на солнечной стороне у стены здания или на крыше.

Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления

Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.

Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.

Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.

В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.

Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:

• снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
• экологичность данного вида энергии.

Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.

Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.

Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.

Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.

Основные разновидности солнечных коллекторов

Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.

КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.

Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:

• водяные (жидкостные);
• воздушные.

По уровню предельных температур коллекторы бывают:

• низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
• среднетемпературными до 80°C;
• высокотемпературными – более 80°C.

Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.

Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:

• плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
• вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
• трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
• термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.

Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.

Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.

Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.

Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.

Характеристика вакуумного солнечного коллектора для отопления дома зимой

Вакуумный солнечный коллектор является довольно сложным устройством. Главный рабочий элемент представлен дорогостоящей светопоглощающей колбой с прозрачной поверхностью, в которой располагается трубка. В основу работы положен принцип термоса. Вакуумная колба пропускает солнечный свет во внутреннюю трубку, где отсутствует воздух, что позволяет сохранить до 95% тепла.

Нижнюю часть внутренней вакуумной трубки для солнечного коллектора занимает антифриз, который переходит в газообразное состояние при нагревании. В верхней ее части выполняется передача тепла коллектору с теплоносителем. Антифриз при этом охлаждается и конденсирует, возвращаясь в первоначальное состояние.

Вакуумный солнечный коллектор – сложное устройство, поэтому стоит он довольно дорого

Вакуумный солнечный коллектор характеризуется высоким значением КПД при плохой освещенности и температуре ниже -37 °С. Он был специально разработан для северных широт и может функционировать при отсутствии прямого солнечного излучения. Для эффективной работы конструкция нуждается в постоянном уходе, который заключается в очищении ее поверхности от загрязнения.

Главным недостатком является высокая стоимость конструкции. При выходе из строя хотя бы одной трубки ремонт будет проблематичным, поскольку все изделия смонтированы последовательно.

Параболическое зеркало своими руками: немного теоретической подготовки

Внешне параболическое зеркало напоминает спутниковую тарелку, внутренняя поверхность которой изготовлена из фрагментов зеркал. Попадающий на нее солнечный свет полностью отражается. При этом угол падения равен углу отражения, поэтому отраженный поток света концентрируется в одной точке на небольшом расстоянии от конструкции. Несложные расчеты, касающиеся диаметра и угла наклона стенок зеркала, позволяют увеличить температуру в месте схождения лучей до 2000° С. Этого вполне достаточно, чтобы приготовить вкусное и ароматное мясное блюдо на несколько человек в небольшой металлической кастрюле.

Ложка дегтя в огромной бочке меда от солнечной печи – проблема сборки зеркальной поверхности. Отдельные фрагменты здесь неприемлемы: их будет непросто разместить под одинаковым углом на выпуклой емкости конструкции. А многочисленные швы и стыки ослабляют отраженный солнечный поток, что дает уменьшение объема полученной тепловой энергии. При конструировании сборных параболических зеркал значительных размеров такой проблемы не возникает, т.к. на большой поверхности работать проще. А вот при попытке создать небольшую модель приходится либо собирать тарелку из отдельных зеркальных фрагментов, либо использовать вакуумную технологию наклеивания отражающей пленки.

Способы подключения к системе отопления

Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема подключении теплового коллектора

В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:

1. Летний вариант для горячего водоснабжения
2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.

Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке

Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор.

Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.

Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.

Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно

По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй — на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора. Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе.

В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.

Схема подключения солнечной батареи

Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.

При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.

Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.

Солнечный воздушный коллектор из корпуса потолочного светильника

Думаю, многие встречали, эти ужасные потолочные светильники (металлические короба), которые использовались на предприятиях. Даже сейчас их можно встретить в некоторых производственных помещениях. Но с другой стороны, предприятия модернизируются, делают ремонт, и эти светильники, десятками, а, то и сотнями выкидывают в металлолом, которые в свою очередь, под лозунгом «в хозяйстве пригодится» растаскивались работниками.

Возможно, и в вашем хозяйстве завалялся подобный светильник, который так и не нашел своего применения. Но применение такому светильнику имеется, и он может послужить для обогрева вашего дома, хоз помещения или теплицы.

Устройство и принцип работы солнечного коллектора

По своему устройству солнечный коллектор противоположен радиатору системы отопления. Если стенки радиатора нагреваются от теплоносителя, то в коллекторе, наоборот, теплоноситель нагревается от стенок.

Сами же стенки, в свою очередь, нагреваются за счет поглощения солнечного тепла (их окрашивают в черный цвет), в силу чего эту часть коллектора обычно называют абсорбером.

Гелиосистема в автономной системе отопления

Материал абсорбера должен обладать высокой теплопроводностью, поэтому в домашних условиях его следует делать из меди или алюминия. В коллекторах заводского изготовления абсорбер выполняют из особых сплавов, для которых характерна не только высокая теплопроводность, но и малая интенсивность инфракрасного излучения.

Площадь контакта теплоносителя с абсорбером по понятным причинам целесообразно делать как можно большей, поэтому последний обычно оснащают ребрами или аналогичными конструктивными элементами.

Альтернативное отопление используется довольно редко, и у многих возникает вопрос – эффективен ли солнечный коллектор зимой. Виды и целесообразность его использования.

Советы по изготовлению солнечного коллектора своими руками представлены тут.

Солнечный водонагреватель своими руками имеет смысл изготовить хотя бы потому, что энергия, полученная от его работы, будет абсолютно бесплатной. В этой теме вы найдете инструкцию по изготовлению такого агрегата.

Коллектор Станилова: «солнечное отопление» в доме

Установки для отопления дома или решения проблем горячего водоснабжения (полного или частичного), собираемые на основе чертежей изобретателя из Болгарии С. Станилова, относятся к универсальным конструкциям, работа которых основана на парниковом эффекте.

Поэтому солнечные лучи, попадая в замкнутое и герметично изолированное пространство, не имеют выхода, что и порождает термосифонный эффект, при котором нагретая жидкость в трубках начинает свое движение вверх, вытесняя при этом жидкость с более низкой температурой к месту нагрева.

Основным преимуществом работы такой установки является то, что накопленная ей энергия не теряется, а аккумулируется и сохраняется определенное время.

Представляет собой конструкцию трубчатого типа, заключенную в специальную деревянную раму. Как правило, одновременно применяется два коллектора в союзе с накопителем и аванкамерой.

Для изготовления радиатора-коллектора используются стальные трубки, которые обязательно соединяются сваркой. Поэтому применение медных или алюминиевых изделий, особенно при изготовлении конструкции своими руками, представляется проблематичным.

Для соединения коллектора с накопительной емкостью рекомендуется использовать также стальные трубы диаметром от 3/4 до 1 дюйма.

Элементы установки и особенности монтажа

Для изготовления солнечного водонагревателя своими руками также потребуются:

1. деревянная рама;
2. стекло для изготовления светопрозрачной крышки;
3. оргалит или металлический лист для дна коллектора, который впоследствии обязательно потребуется теплоизолировать;
4. усилитель для днища, в роли которого можно использовать брус с размерами не более 30?50 мм;
5. металлические трубки, из которых будет свариваться радиатор коллектора из расчета, что для изготовления одного требуется в среднем 15 единиц при длине 1,60 м;
6. теплоотражатель, для изготовления которого вполне пригоден оцинкованный лист;
7. соединительные муфты и хомуты;
8. теплоизоляционные материалы (пенопласт, минеральная вата и любые другие).

Потребуется и накопительный бак, для которого в зависимости от потребностей и мощности самого коллектора используются емкости от 150 до 400 л. В принципе, можно установить не один бак, а несколько, суммарным объемом соответствующих расчетному.

Обязательно емкости следует теплоизолировать, например, изготовив для них специальный утепленный короб, установить который можно не только на крыше здания, но и на чердаке.

Функции аванкамеры, составного элемента данной конструкции, сводятся к созданию избыточного давления, составляющего не менее 80-100 мм рт. ст. Она представляет собой емкость объемом 30-40 л, оснащенную поплавковым клапаном, обеспечивающим ее работу в автономном режиме.

При монтаже аванкамеры обязательно должно соблюдаться условие, при котором уровень жидкости в ней превышал бы уровень воды в накопителе на 0,8-1,1 м, кроме того, располагаться они должны в непосредственной близости друг от друга.

Короб, в котором будет располагаться коллектор, должен обязательно теплоизолироваться, а для уменьшения теплопотерь внешние его стороны рекомендуется окрашивать в белый цвет, стеклянная крышка обязательно должна быть герметичной.

Сами трубы и днище должны иметь селективный слой краски для увеличения светопоглощающей способности.

Как работает солнечный коллектор?

Установку коллектора предпочтительнее выполнять на южной стороне скатной крыши, на плоской кровле его следует монтировать под углом от 35° до 45°. Далее можно приступать к заполнению системы.

После этого аванкамеру нужно соединить с водопроводным вводом и открыть кран для снижения уровня воды. Как только сработает поплавковый клапан, расходный кран закрывают. Нагретая вода поступает в верхнюю часть накопителя, откуда она уже может отбираться, а ее место заполняет новая порция холодной.

Регулирует этот процесс поплавок, который и запускает процесс долива воды в систему, как только уровень в аванкамере снизится. Для того чтобы исключить возможность обратной отдачи тепла используется вентиль, который следует перекрывать ночью или в пасмурные дни.

Непосредственно к сантехническим приборам вода подключается с обязательным использованием смесителей, так как пиковые значения температур могут достигать 70 °C и даже выше.