Вакуумный солнечный коллектор: устройство и принцип работы

Из-за роста цен на природные ресурсы и традиционные источники электроэнергии, ухудшения экологической обстановки, всё больше людей склоняются к использованию систем, работающих на природной возобновляемой энергии Солнца. Например, солнечные коллекторы. Они позволяют, в отличие от широко известных солнечных батарей, наиболее эффективно преобразовывать солнечную энергию в тепло. Например, вакуумный солнечный коллектор характеризуется достаточно высоким КПД (70 %), функционирует в дождливые дни, даже зимой в морозы, не образует вредных отходов.

Как работает солнечный коллектор и что это такое

Лучи инфракрасного спектра и свет оптического диапазона солнца через верхний прозрачный слой попадают на абсорбирующую рабочую поверхность. Тепло собирается и нагревает теплоноситель в теплообменных трубках. Показатель поглощения может составлять 98%. В трубках собранная энергия отдаётся теплоносителю.

Принцип работы солнечного коллектора

Принцип работы солнечного коллектора

Так как один из главных принципов работы солнечного коллектора это накопление тепла, то гелиоустановки для получения максимальной эффективности должны устанавливаться перпендикулярно к падающим лучам в полдень.

Такая строгая ориентация на юг позволяет по максимуму получать энергию светила.

В зависимости от конкретных условий, панели могут монтироваться под любым углом от 5 до 90 градусов к горизонту. Для средних широт считается оптимальной установка под углом 45 градусов. Существуют достаточно дорогие системы слежения, поддерживающие необходимое положение панели для того, чтобы больше уловить тепловых лучей.

Солнечные коллекторы для отопления дома

Популярные солнечные батареи преобразуют свет Солнца в электроэнергию. Коллекторы преобразуют свет в тепло, отдают его носителю тепла. Потом тепловая энергия носителя используется для выработки электроэнергии, но гораздо чаще её применяют в отопительных контурах и ГВС для подогрева воды.

Работа солнечного коллектора

Работа солнечного коллектора

На средней полосе России мощность излучения Солнца зимой около 100-250 Вт с кв. метра, летом достигает 1 кВт. По нашим подсчетам солнечный коллектор для отопления вырабатывает с 1 кв. метра своей площади примерно 700 кВт/час за год работы.

Если известна тепловая потребность помещения, можно рассчитать необходимое количество солнечных коллекторов.

Для отопления дома их нужно установить с 20-30 процентным запасом по мощности. При этом отпадёт необходимость в постоянной покупке или заготовке топлива.

Виды солнечных коллекторов

По принципу и виду устройства солнечные коллекторы разделяют на:

  • плоские;
  • трубчатые или вакуумные;
  • воздушные;
  • концентраторы.

Плоский солнечный коллектор

Панель в виде тонкого короба обычно занимает площадь 2 — 8 кв. м. Устройство содержит аккумулятор. Через его теплообменник полученная энергия передаётся воде и теплоносителю системы отопления.

Плоский солнечный коллектор

Плоский солнечный коллектор

Обычно используют комбинированную технологию, ставят в аккумулирующий бак электрический нагреватель, который включается во время пасмурных дней.

Плоские солнечные коллекторы имеют три — четыре слоя:

  • прозрачный внешний слой (закалённое стекло);
  • рабочий слой, поглощающий (он покрыт чёрной краской или специальным селективным покрытием);
  • светоотражающий слой (эффективность поглощения возрастает до 95%, используется не всегда);
  • слой термоизоляции (например, полиизоцианурит).
Структура плоского солнечного коллектора

Структура плоского солнечного коллектора

Для прозрачного слоя кроме стекла может применяться особый рифленый поликарбонат. Солнечный коллектор из поликарбоната более эффективен. В самом простом исполнении это пара поликарбонатных листов, закрепленных на алюминиевой раме. Рабочий слой, выполненный из меди, повышает производительность по сравнению с вариантами из алюминия.

В воздухонепроницаемый корпус встроены два патрубка из меди или сшитого полиэтилена, через них входит и выходит теплоноситель. Если бы не было циркуляции теплового носителя, то панель солнечного коллектора из поликарбоната смогла бы нагреть его до 210 градусов в ясную погоду летом.

Но такой перегрев может стать причиной поломок в некоторых видах панелей.

Вакуумный солнечный коллектор

Одно из самых эффективных устройств гелиоустановок. В солнечных коллекторах для отопления одной из главных задач является обеспечение сохранности тепла, сведение к минимуму тепловых потерь. Всем известно, что лучшим изолятором тепла является вакуум. Его и применяют в качестве теплоизолятора для вакуумных солнечных коллекторов.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумный солнечный коллектор

Благодаря применению вакуума в режиме малого потребления тепла температура нагрева может достигать трёхсот градусов по Цельсию, так как около 95% энергии сохраняется.

Они бывают с различными видами трубок из стекла и разнообразными тепловыми каналами. Обычно применяют коаксиальные и перьевые трубки. Коаксиальная трубка схожа по конструкции с термосом. Это две соединённые колбы. Между ними вакуум. Внутреннее стекло покрыто специальным составом, которое поглощает свет и греет воздух. Тепловая энергия от воздуха передаётся жидкости, движущейся по специальному каналу. Такой солнечный коллектор зимой работает не хуже чем летом. КПД таких нагревателей не слишком высокий. Несмотря на это они популярны, так как работоспособны ночью и в сильные морозы, благодаря отличной теплоизоляции. Устройство солнечного коллектора с перьевой трубкой производит больше тепла, однако значительно дороже коаксиальных вариантов. Перьевая трубка — это толстостенная вакуумная колба. В её внутренней части проходит тепловой канал с абсорбирующей пластиной, похожей на перо.

Инструкция по установке солнечных коллекторов

Три основных вида вакуумных солнечных коллекторов
  • «Колба в колбе». Промежуток между ёмкостями заполнен разрежённым воздухом. Поверхность внутренней колбы покрыта абсорбером, от него греется тепловой носитель, циркулируя внутри. Этот вид наиболее часто применяются при пассивной циркуляции теплоносителя (вода, антифриз).
  • «Две колбы с тепловой трубкой». В этом варианте исполнения тепловая энергия с поглотителя передаётся через рёбра в медную трубку. Потом конденсатор передаёт энергию контуру, в котором циркулирует тепловой носитель.
  • «Колба с вакуумом». Абсорбер и тепловая трубка помещаются в разряжённом воздухе. Всего один слой стекла способствует повышению эффективности.

Наибольшее распространение получили тепловые каналы Heat-pipe и U-типа (прямоточные каналы).

Heat-pipe — полые трубки с металлическими, чаще всего медными окончаниями, соединёнными в одну шину — манифолд (manifold). Сквозь шину двигается теплоноситель через 1, 2 канала.

Внутри трубки есть жидкое вещество с низкой температурой кипения. По мере роста температуры наполнитель закипает, пар поднимается. В массивном манифолде он охлаждается, конденсируется и скатывается. Потом опять греется, поднимается и цикл повторяется.

Теплообменники с Heat-pipe каналом применяются чаще ввиду блочной системы и ремонтопригодности. Такие устройства дешевле и легко меняются, поэтому более популярны.

Солнечный воздушный коллектор

Если нет возможности установить полноценную гелиосистему из описанных выше, но есть желание сэкономить на оплате отопления, достаточно применить простой воздушный солнечный коллектор.

Отопление дома с помощью солнечного коллектора

Его устройство чаще всего выполнено в виде двух пластин. Между ними расположен лабиринт для воздуха. Двигаясь по лабиринту, воздух греется и уже тёплым или горячим идёт в помещение.
Солнечный воздушный коллектор

Солнечный воздушный коллектор

Солнечные воздушные коллекторы работают на эффекте парника. Свет солнца проходит сквозь прозрачное покрытие, попадает на теплоприёмник и нагревает его. В свою очередь теплоприёмник отдаёт тепло воздуху, который используется для обогрева дома.

Устанавливать воздушные солнечные коллекторы лучше всего на южную стену здания.

При монтировании на крыше, в систему необходимо добавить вентилятор, который будет гнать тёплый воздух в помещение.

В данном варианте солнечный воздушный коллектор будет иметь пониженный КПД, с учётом потребления электроэнергии вентилятором.


Применяться устройства могут в различных сушилках, но больше всего они используются для отопления. Их основные достоинства — это простота и надёжность, ведь теплообменник не нужен. Воздух, применяемый как теплоноситель, не боится низких температур. Подобные устройства могут служить 20 и более лет. Эффективность солнечных воздушных коллекторов небольшая, ведь теплоёмкость воздуха в четыре тысячи раз меньше теплоёмкости воды. Поэтому такие устройства применяют реже.

Солнечные панели Сокол

Корпус этого солнечного коллектора для отопления сделан из стойкого к коррозии алюминиевого сплава. Такой сплав выдерживает излучение солнца, высокую влажность и резкую смену температуры.

Солнечные панели Сокол

Солнечные панели Сокол

Сверху корпус закрыт стеклом, под которым находится панель, покрытая абсорбером. Низ и стенки устройства защищены теплоизолятором. Дно закрыто пластиком. Действующие преобразователи энергии солнца не требовательны к частому проведению технических и регламентных работ.

Солнечный коллектор Сокол спроектирован ОАО «ВПК НПО Машиностроения». Объединение за свою качественную работу отмечено международными медалями и дипломами.

Технические особенности солнечных коллекторов Сокол

Преобразователь энергии солнца относится к заводскому оборудованию, рассчитанному на массовое использование для теплообеспечения.

Достоинства плоских панелей: простота, более низкая цена, простота работ по установке.

Недостатки: наибольшая эффективность только летом, нерациональное применение при температуре меньше -5 градусов по Цельсию.

Установка панели Сокол на крыше

Установка панели Сокол на крыше

Солнечный коллектор Сокол устанавливается как главный, либо вспомогательный нагреватель в тепловых системах. На базе «Сокола» оборудуются системы горячей воды, тепловые системы частных строений, производственных объектов.

Одно из преимуществ оборудования Сокол — его модульность, второе — панели мобильны.

Это значимо при планировании подключения его на больших объектах. Панели пригодны для снабжения теплом и горячей водой частников и крупных промышленных предприятий. Сокол адаптирован к экстремальным погодным явлениям, таким как сильный град, ливень, заледенение. Маленькая масса модулей даёт возможность устанавливать их без изменений в конструкции крыши.

Как работает солнечный коллектор Сокол

Основное преимущество коллектора «Сокол» — многослойное абсорбирующее покрытие светового поглотителя методом вакуумного магнетронного напыления. Такое покрытие хорошо поглощает солнечную энергию, а само почти не излучает. Получается высокий коэффициент полезного действия, достигающий 80%. Эти параметры зафиксированы при испытаниях в передовом институте энергетики SPF Solartechnik в Швейцарии. По ряду показателей «Сокол» лучше многих мировых аналогов.

Нетрадиционная установка панели Сокол

Нетрадиционная установка панели Сокол

В гелиопанелях Сокол применяют особую теплоизоляцию от охлаждения окружающим воздухом. Это позволяет продлить сезон применения.

Поверхности панелей сделаны из устойчивого к коррозии сплава. В качестве теплоносителя допускается применение антифриза.

Характеристики панелей «Сокол»:

  • площадь панели 2.05 кв. м;
  • полезная площадь 1.9 кв. м;
  • объём каналов 1.5 л;
  • давление 700 Килопаскаль;
  • давление при испытаниях 1 Мегапаскаль;
  • коэффициент поглощения 92%;теплоизолирующее покрытие Rockwool;
  • вес 49 кг;
  • верхний слой закаленное стекло;
  • материал корпуса алюминий, покрытый порошковой эмалью.
Панель Сокол в часном доме

Панель Сокол в часном доме

Примерные данные по ГВС в частном одноквартирном здании, в средней полосе России:

  • Годовой срок службы до 10 месяцев.
  • Объём горячей воды 350 л в сутки.
  • Производительность за сезон 1,5 МВт.

Примерные данные по ГВС в частном одноквартирном здании на юге России:

  • Годовой срок службы до 12 месяцев.
  • Объём горячей воды до 450 л в сутки.
  • Производительность 2,1-2,2 МВт.
  • Расчёт сделан на применение 2 панелей «Сокол» с общей площадью 4 м2.

Отечественные солнечные коллекторы Сокол, которые стоят около 17 тысяч рублей — достойная альтернатива большинству иностранных панелей. Необходимо помнить, что неправильная эксплуатация может вывести из строя профильную систему из-за перегрева, или система может работать неэффективно.

На этапе проектирования необходимо предусматривать возможность будущей установки гелиопанелей и подключения их к системам отопления и горячего водоснабжения здания. При переоборудовании действующих систем подключают столько панелей, чтобы их общая мощность была больше расчётной на 25-30%.

Этот запас необходим на случай непредвиденных увеличений периодов пасмурной и холодной погоды, учитывая главный принцип работы солнечного коллектора.

Подключение "Сокола"

Подключение «Сокола»

Самодельное изготовление солнечных источников ГВС приемлемо для дачи, небольшого частного дома. Производить необходимое количество горячей воды и тепла в течение длительного времени могут только заводские солнечные системы, многократно испытанные и проверенные на практике.

Нюансы

Коллекторные устройства в системах солнечных водонагревателей осуществляют основное или дополнительное нагревание теплового носителя в отопительных сетях. В роли теплоносителя может применяться вода, антифриз (чаще всего это этиленгликоль) или масло.

Антифриз - один из основных теплоносителей конвектора

Антифриз — один из основных теплоносителей коллектора

Коллектор абсорбирует (поглощает) энергию солнца и передаёт её тепловому носителю. Далее теплоноситель в баке-теплообменнике отдаёт тепловую энергию циркулирующему по системе отопления веществу. Такая схема может использоваться в системах отопления и горячего водоснабжения.

В современных моделях солнечных водонагревателей циркуляция энергоносителя организуется при помощи электрических насосов.

Это даёт возможность при маленьких дополнительных затратах запустить гелиоустановку на всю мощность.

Существуют также солнечные водяные насосы (стирлинг-насосы), на сегодняшний день это экспериментальные образцы. Системы без принудительной циркуляции менее эффективны.

Теплоноситель в гелиоустановках

Применять воду в качестве теплоносителя можно только при плюсовой температуре. Перед наступлением заморозков из панелей её сливают.

Для использования водонагревателя в холодное время года применяют масло или антифриз. Солнечные водонагреватели с применением масла или антифриза передают тепло в аккумулирующем баке через змеевик, движение жидкости обычно осуществляется при помощи насоса. Подобные системы являются замкнутыми.

Жидкость-теплоноситель WTF 20

Жидкость-теплоноситель WTF 20

Если применяется насос, то такие системы называются активными. В пассивных системах для организации самотёка жидкости в коллекторном контуре бак-аккумулятор необходимо располагать выше коллекторов. Для этого коллекторы могут монтироваться на стене дома, утеплённый бак-аккумулятор устанавливаться на чердаке.

Если энергии солнца недостаточно, для дополнительного нагрева используется электронагреватель, подключенный в систему за накопительным баком.

Есть варианты, использующие солнечные водонагреватели без аккумулирующего бака. В таком случае горячая вода сохраняется в самих коллекторах, которые обычно имеют вид прямоугольного плоского бака. Работать подобные водонагреватели могут только при положительных температурах.

Преимущества использования Солнца, как источника тепла

Опыт эксплуатации подтвердил ряд технических и экономических расчётов по использованию солнечных коллекторов. В зависимости от региона, затраты на установку окупаются от 2 до 5 лет.

Так как цены на топливо постоянно растут, применение солнечных коллекторов для отопления дома является выгодным делом.

Период эксплуатации достигает 30 лет.

Получается, что гелиосистема может бесплатно обеспечивать потребителей теплом и горячей водой полностью или частично на протяжении четверти века, без загрязнения и растраты полезных ископаемых. Работает солнечный коллектор и зимой при сильных морозах. Нужны ли ещё доводы по целесообразности и выгодности применения гелиосистем?

Солнечный коллктор для отопления поможет вам сократить расходы

Солнечный коллктор для отопления поможет вам сократить расходы

Проблемы, решаемые при их установке:

  • альтернативное горячее водоснабжение;
  • автономное отопление;
  • уменьшение затрат на оплату коммунальных услуг по горячему водоснабжению и теплоснабжению;
  • увеличение времени работы основных систем ГВС и отопления из-за снижения нагрузки;
  • отсутствие вредных выбросов и других загрязнений, нарушающих экологию.
Если Вам понравился наш сайт или пригодилась информация на этой странице поделитесь ею с друзьями и знакомыми - нажмите одну из кнопок соц сетей внизу страницы или вверху, ведь среди кучи ненужного мусора интернете достаточно сложно найти действительно интересные материалы.