Солнечный коллектор, описание, как выбрать, схемы подключения

Солнечный коллектор — массивный прибор, использующий даровую энергию солнца для разогрева теплоносителя (жидкости). Применяется для приготовления теплой воды и для отопления.

В Европе запрещено строить новые дома без солнечных коллекторов. А как лучше поступить у нас, какой солнечный коллектор выбрать и стоит ли применять вообще ? — рассмотрим далее….

Солнечный коллектор не дешев сам по себе. Энергия получается бесплатно, но стоимость оборудования может и не окупиться с течением времени. Отчего это зависит, и как правильно поступить, рассматривая возможность применения солнечных коллекторов?

Виды солнечных коллекторов

Предназначение солнечного коллектора – нагреть жидкость от энергии Солнца.

По конструкции различают три вида солнечных коллекторов.

Пластинчатые плоские – в основе пластина из металла, или пластика, покрытая поглотителями солнечного света – никелем, черной медью…. К пластине (адсорберу) прикреплены трубки из меди, по которым движется теплоноситель. Или другой вариант — две пластины с выдавленными контурами половинок труб, при скреплении образуют панель с ходами, по которой движется теплоноситель.

Теплоноситель может двигаться через пластинчатый коллектор по двум схемам:

параллельная, может применяться и для схем, где жидкость движется самотеком;

Чтобы тепло от разогрева солнцем тут же не терялось (разогрев может быть 150 – 180 град С) вся конструкция помещается в термоизолированный короб с остеклением чаще двукамерным стеклопакетом. Применяется самоочищающееся и ударопрочное стекло.

Для летнего нагрева воды в бассейнах, для душа, могут применяться совсем дешевые солнечные коллекторы с пластиной из пластика без остекления и термоизоляции вовсе. Начинают греть воду при энергии солнца от 200 Вт/м2. Но их эффективность все равно на порядок выше, чем у бочки летнего душа. Такие решения популярны, так как оборудования быстро окупается, хоть оно имеет и весьма узкое предназначение.

Трубчатая конструкция

Здесь трубки с теплоносителем помещены в трубы из стекла, из которых удален воздух (вакуум). Отсутствие воздуха нужно для теплоизоляции — чтобы тепло не убегало наружу. Также на стекло труб нанесены:

с нижней стороны светоотражающее покрытие, оно фокусирует солнечный свет на трубке с теплоносителем;

с верхней стороны — особое металлизированное покрытие, пропускающее свет от солнца, но не выпускающее отраженную снизу энергию.

Ряды таких стеклянных трубок подсоединяются параллельно к сборным трубкам в теплоизоляции, от которых по теплоизолированному трубопроводу разогретый теплоноситель поступает в дом.

Тепловые трубки

Внешне похожи на трубчатые коллектора, но процесс преобразования энергии иной. В трубах с вакуумом находятся еще одни прозрачные трубки – тепловые трубки. В них содержится особая легко испаряющаяся жидкость. Разогретый пар поднимается в верхнюю часть трубы, где расположен теплообменник. На нем пар конденсируется, при этом выделяется энергия и теплоноситель внутри теплообменника разогревается.

Сконденсировавшаяся жидкость стекает вниз по трубке и испаряется вновь от разогрева солнцем. Процесс испарения и конденсации идет постоянно.

Сколько имеется солнечной энергии и как ее преобразовывать

Солнечный свет различают:
— прямой — солнце не закрыто тучами и не посредственно светит на солнечный коллектор;
— рассеянный – солнце за облаками, но его тепло все равно можно использовать.

В южной части Росси и стран СНГ (южнее 52 параллели) доля прямого солнечного света составляет:
— 54% летом;
— 30% зимой.

Для южных регионов России и стран СНГ максимальная мощность излучения солнца может достигать:
— в декабре — 80 Вт/м2;
— в сентябре и апреле – 350 Вт/м2;
— в июне – 600 20Вт/м2.

При этом нужно учитывать, что:
— трубчатый коллектор начинает работать при 20 Вт/м2,
— плоский – при 70 -90 Вт/м2.
Поэтому трубчатый вакуумный коллектор способен работать круглый год.

Солнечные коллектора для южных регионов целесообразно применять только для разогрева воды в системе горячего водоснабжения. Тогда они окупятся.

Если применить их для отопления, они в большинстве случаев не окупаются.
Почему?
Дело в том, что отопление необходимо в основном зимой и совсем не нужно летом. А зимой энергия солнца совсем не большая….

Горячая же вода нужна круглый год. Для ее приготовления можно использовать солнечную энергию и в межсезонье и летом. На приготовление воды для ГВС в теплый период года солнечный коллектор отдаст в разы больше энергии, чем для отопления в холодный, и поэтому может окупиться.

Но окупаемость – вещь относительная. Если в доме используется дорогие энергоносители, не магистральный газ и не твердое топливо, то солнечный коллектора на фоне таких затрат могут выглядеть и как окупаемое вложение.

В целом же на территории Росси и стран СНГ энергия солнца южнее 52 параллели составляет 1000 – 1400 кВт*ч/м2/год.
Читайте на сайте — обеспечение дома горячей водой (ГВС)

Какие системы выбрать

Пластинчатые коллектора дешевле трубчатых, особенно недороги бюджетные модели с пластиной из пластика.

Но нужно учитывать их КПД в зависимости от количества солнечного света и способность преобразовывать рассеянный солнечный свет.

Если не углубляться в сложные расчеты с температурами, то можно привести следующие выводы (на рисунке указаны КПД различных конструкций солнечных коллекторов, в зависимости от приведенной температуры (интенсивности освещения).

Чем ниже температура теплоносителя, тем выше КПД коллектора. Дайте в первую очередь поработать солнечному коллектору, а потом включайте подогрев.

Плоский коллектор летом при прямом солнечном свете имеет больший КПД, чем трубчатый. Поэтому для ГВС летом и в межсезонье лучше использовать более не дорогие, летние коллектора. Как указывалось, для только летнего подогрева, подходят аппараты дешевые без теплоизоляции.

Когда энергии солнца мало, то эффективнее трубчатые коллекторы. Они лучше подходят для использования круглый год в системе отопления. Но такое оборудование может и не окупиться за время его эксплуатации в наших условиях.

Для ГВС рекомендуется выбирать такой коллектор, чтобы получать от него не более 70% от энергии необходимой на нагрев. Если увеличивать площадь коллектора и таким образом добиваться более высокой температуры, то из-за падения КПД коллектор не окупится.

Для приготовления горячей воды лучше подойдет коллектор площадью 1,0 — 1,4 метра кв. на одного человека.Расчет солнечного коллектора весьма прост. Например, для ГВС на пять человек – не менее 5 — 7 м кв.

Для системы отопления от солнечного коллектора должно поступать максимум 20 – 30% энергии. Тогда в среднем площадь коллектора – 0,4 м кв. на 1 м кв. дома.
Расчет солнечного коллектора для системы отопления, — для дома 200 м кв. – площадь около 70 м кв.

Как устанавливать

Оптимально устанавливать солнечный коллектор на крыше, тогда он не занимает место на участке. Но доступ для обслуживания должен быть обеспечен – необходим лаз, лестницы. Конструкция крыши и дома, должны выдерживать тяжелый коллектор, в том числе и возможные ветровые нагрузки.

Поверхность прибора должна быть перпендикулярной солнечным лучам. Тогда будет максимум энергии. Чаще выбирают определенный угол, который позволяет получать наибольшее среднесуточное количество энергии. Это направление на юг с возможным разбросом в 15 градусов в каждую сторону.

Предусматривается возможность регулировки наклона по сезону – меняется угол наклона вслед за солнцем.

Угол наклона равняется примерно географической широте местности. Зимой угол увеличивают на 15 градусов. Летом наоборот уменьшают на 15 градусов.

Схемы подключения солнечных коллекторов

Приведены типичные схемы подключения солнечных коллекторов без указания всего оборудования. Основное правило: солнечный коллектор должен передавать энергию теплоаккумулятору — бойлеру ГВС или буферной емкости отопления, которые оборудуются теплообменником для подключения солнечного коллектора.

Аккумулятор обязательно оборудуется дополнительным подогревом от электричества или от котла. Ведь в пасмурную погоду энергии можно и не дождаться.

Предпочтительней схема с самотечным движением жидкости. Но чтобы теплоноситель двигался сам, охладитель должен находиться выше, чем нагреватель. Поэтому низ бака должен находиться не менее чем на 0,5 метра выше, чем верхняя точка коллектора.

В этой схеме коллектор можно расположить и на крыше, если бойлер разместить в верхней части чердака. Трубопроводы должны хорошо теплоизолироваться — не менее 100 мм толщины утеплителя. Гидравлическое сопротивление системы уменьшают – применяют трубы большего диаметра и коллектора для самотека. Можно ознакомится подробней — системы с самотечным движением жидкости

Следующая схема – солнечный коллектор нагревает бойлер косвенного нагрева (в нагреве которого участвует и котел). Используется насос, так как целесообразней устанавливать бойлер в котельной возле котла.
Сделать водоснабжение дома — подробное описание

Схема подключения солнечного коллектора на буферную теплоаакумулирующую емкость. Эта схема для круглогодичного использования и подогрева солнцем системы отопления в доме.

Солнечный коллектор подключен на отдельный бак-аккумулятор, для нагрева отопления или ГВС. Эта схема часто применяется, когда получение тепла от солнца встраивается в уже работающие системы в доме, чтобы не менять имеющееся оборудование.

Самая дешевая и простая схема с солнечным коллектором для применения только летом на дачах. Бак применяется без теплообменника, а коллектор может быть дешевым летним. В контуре коллектора движется та же вода, что используется для ГВС. Нагретая вода накапливается в верхней части бака, откуда и забирается для нужд.

Также в контур обогрева солнечным коллектором обязательно включаются;
— аварийный клапан повышенного давления — жидкость может сильно разогреваться и кипеть;
— расширительный бак закрытого типа объемом не менее 1/10 данного контура;
— автоматический воздухоотводчик;

Принимаются меры по контролю и недопущению ухода воды из бойлера, ведь контур солнечного коллектора может быстро перегреться. Ставится обратный клапан на холодный трубопровод.

Также оборудуются средства автоматики, которые управляют циркуляционными насосами по командам с датчиков температуры, например, чтобы отключить контур, когда нагрева от солнца нет. Обязательная автоматика приводит к удорожанию всей системы.

Для системы, которая должна работать круглый год в качестве теплоносителя нужно применить незамерзайку. Для летней работы лучше использовать воду, а затем сливать осенью.

Мы рассмотрели, как солнечный коллектор выбрать и как подключить. Энергоносители (углеводороды) сейчас недорогие, поэтому, популярней дешевые летние коллектора. А что будет дальше….

Установка солнечных коллекторов

Цены на отопление и горячую воду постоянно растут, вынуждая искать способ экономии и оптимизации. В связи с этим спрос на гелиосистемы для частных домов увеличивается. Установка солнечных коллекторов поможет сократить расходы по оплате коммунальных услуг.

Как работают солнечные коллекторы

Гелиоколлектор – это функциональная конструкция, используемая для получения энергии. Ее фоточувствительные элементы поглощают свет для нагрева жидкости или воздуха внутри трубок.

Принцип работы солнечного коллектора (СК): лучи солнца нагревают пластины черного цвета, и энергия аккумулируется для бытовых нужд. Способ ее получения – экологически чистый и экономичный.

Выделяют следующие виды бытовых коллекторов:

Расскажем подробнее о каждом из этих типов ниже.

Плоские

Популярные и бюджетные по расценкам устройства. Состоят из плоскостной светочувствительной пластины, соединенной с теплопроводящими трубами, стеклянного покрытия, теплоизоляции и металлической рамы. Пластина поглощает солнечный свет и аккумулирует тепловую энергию, которая нагревает жидкость-теплоноситель. В отличие от других типов, теряют много поглощенного тепла. Неэффективны в пасмурную погоду. Повышенная влажность плохо сказывается на конструктивных деталях.

Вакуумные

Выделяют 2 типа вакуумных коллекторов: прямоточные и с косвенной передачей тепла. Первые применяются в теплое время года, вторые – всесезонно. В основе конструкции – вакуумная система трубок с металлическим стержнем внутри, в котором находится жидкость-теплоноситель. Такая установка работает по принципу термоса. Характеризуется оптимальным КПД.

Воздушные

По принципу работы похожи на плоские. Но в воздушных коллекторах в качестве теплоносителя используют воздух. Устанавливают для отопления домов. Прогретый воздух заполняет помещение при помощи воздуховодов и вентилятора.

Тип устройства выбирают, ориентируясь на цель использования. Конструкции подходят для дачных участков, коттеджей, деревенских домов и дуплексов.

Где устанавливать гелиоколлекторы

Основное условие для работы коллектора – открытое пространство, куда в любое время года свободно попадают прямые солнечные лучи. Устройство устанавливают на территориях частных домов, где нет тени от других построек и деревьев. Чаще светочувствительные пластины крепятся на крыше здания.

Распространенный способ – установка нескольких пластин, так называемых «геополей». Для монтажа подходят как скатные, так и плоские крыши. Из-за большого веса коллектора его закрепляют на несущих конструкциях – балках, стропилах и т. д.

Устройства устанавливают на балконах или горизонтальных поверхностях фасада. Чтобы оно работало эффективнее, светочувствительные элементы в России располагают строго на южной стороне. При их отклонении на запад или восток коэффициент поглощения солнечных лучей снизится.

Как рассчитать площадь коллектора

Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.

Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.

Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.

Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.

Каким должен быть угол наклона коллектора

Угол установки плоского солнечного коллектора зависит от следующих факторов:

1. Регион проживания. Для южных регионов – 30-35°, для средней полосы – от 40°.
2. Время года, когда планируется использовать установку (летний или зимний сезон, круглогодично). Для всесезонного применения выбирают угол, которые примерно равен географической широте региона. Летом это значение уменьшают на 15°. Зимой, наоборот, увеличивают.
3. Климатические условия и количество осадков. Если гелиосистема используется в зимой, угол наклона делают крутым, чтобы снег не скапливался на ее поверхности.

В сопроводительной инструкции производитель указывает оптимальные показатели угла наклона для каждого солнечного нагревателя. Соблюдение всех условий для определения значений углового наклона способствует максимально эффективной работе оборудования.

Необходимые инструменты и материалы для монтажа солнечного коллектора

Установка солнечных коллекторов осуществляется под открытым небом. Следовательно, сама конструкция, трубопроводная система и все вспомогательные крепления со временем подвергаются разрушающему воздействию окружающей среды. На них могут появиться коррозии и деформации. Поэтому для установки используют только нержавеющие материалы.

Для монтажа солнечного коллектора используют следующие вспомогательные инструменты:

• кран или подъемник;
• строительные леса;
• кровельная лестница;
• страховочное оборудование – жилет, трос и т. д.;
• строительный уровень;
• вакуумный захват;
• изоляционный материал для труб.

От качества установки зависит надежность, эффективность и долговечность оборудования.

Схемы подключения солнечного коллектора

При установке солнечного водонагревателя или системы отопления к устройству обязательно подключают накопительный бак. Он нужен из-за непропорционального расхода энергии и распределения генерируемого тепла. Со временем бак заполняется водой, которой владельцы системы используют по своему усмотрению.

Рекомендуется устанавливать стандартный бойлер или буферную емкость. Рационально построенная конструкция представляет собой соединение коллектора с теплопроводником, который сообщается с бойлером.

Для отопления дома

В северо-восточных регионах России осенью и зимой отсутствует максимальная солнечная активность. Гелиоустановки используются в качестве вспомогательного энергоисточника для подогрева. Схема подключения представлена на рисунке ниже.

Солнечный коллектор подключают к водопроводу и циркулярному насосу. Энергию используют для косвенного нагрева помещения.

Для горячего водоснабжения

Существует 2 варианта использования: для лета и зимы.

Первый подходит для дачников. Они нагревают воду только летом. Поэтому такая установка имеет минимальную инерционность. Нужно установить солнечный коллектор ниже уровня бака-накопителя, чтобы вода циркулировала естественным путем.

Зимой в качестве жидкости-теплоносителя используют антифриз, который вливают в аккумулирующую емкость со змеевиком. За счет его непрерывной циркуляции вода постоянно нагревается до оптимальной температуры.

Отопление + ГВС

Суть схемы подключения – объединение процессов отопления и ГВС. Применяется двухконтурная теплоаккумулирующая емкость с внутренним резервуаром. Это помогает отделить техническую воду от питьевой. Для автоматизации включают в схему контроллер СК для предупреждения перерасхода.

Для подогрева бассейна

Для прогрева переносного или стационарного бассейна используют погружную помпу. Ее можно заменить на автоматизированную насосную станцию, которая будет осуществлять циркуляцию холодной воды из бассейна, а нагретой – из СК.

Монтаж и стоимость подключения гелиоколлектора специалистами

Установка солнечных коллекторов – дело трудоемкое. Если есть опыт в подобных работах, то можно сделать монтаж самостоятельно.

Перед установкой рекомендуется изучить инструкцию, почитать информацию на специализированных форумах. Монтаж популярных СК “Солтек” и Solar Fox можно посмотреть в специальном видео-инструктаже.

Монтаж солнечного коллектора и подключение его к водоснабжению можно заказать сертифицированным фирмам. Цена установки зависит от региона, минимальная сумма – 12 000 р. В смету входят наружные и внутренние работы.

Применение коллекторов для частичного или полного отопления и снабжения горячей водой – рациональное решение. Это экологически чистый и доступный способ получения энергии, который поможет сэкономить на оплате коммунальных услуг.