Солнечный коллектор: устройство и принцип действия

О том, сколько дармового тепла нам могут дать летние потоки солнечного света, зачастую приходит в голову летом, в период неистовой жары и раскаленных на солнце асфальта и стен. В ясную летнюю погоду на квадратный метр может падать от 600 до 800вт/ч. Это немало. Если перемножить на площадь залитого солнцем подворья или крыши, с помощью солнечного коллектора можно собрать энергию, сопоставимую по величине с потребностями на отопление дома.

Назначение солнечных коллекторов

Солнечные тепловые коллекторы дают возможность собрать энергию и направить полученное тепло в нужное русло:

• Обеспечение горячей водой для душа, ванной и кухни;
• Обогрев помещений небольшой закрытой теплицы или сада любой конструкции практически круглый год;
• Значительная добавка в контур отопления дома в морозы и почти полное обеспечение в прохладные осенние дни.

Коллектор предназначен для сбора солнечной энергии в наиболее удобном для использования виде. Условно по устройству солнечного коллектора их конструкции можно разделить на три основные группы:

1. Вакуумные многотрубные или плоские с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя. Чаще всего это стационарные конструкции, рассчитанные на сезонную работу.
2. Воздушные солнечные коллекторы, самые простые и легкие. Накопленное тепло снимается с нагреваемой поверхности коллектора потоком воздуха.
3. В третьем варианте конструкций солнечных коллекторов полученное тепло может использоваться для преобразования его в электроэнергию, начиная от термохолодильных установок, заканчивая сложными машинами с пароэлектрическими устройствами.

Последняя группа изделий редко находит спрос среди населения из-за высокой стоимости и сложности обслуживания.

Как работает полнопроточный солнечный коллектор

Самой простой разновидностью плоской конструкции солнечного коллектора является полнопроточный вариант с двухслойным поглотителем тепла. Само устройство по принципу работы схоже с дачным вариантом летнего душа, основу которого составляет бочка, обработанная по наружной поверхности битумной мастикой или черной краской.

Для увеличения количества собранной солнечной энергии конструкция солнечного коллектора выполняется в виде плоской емкости относительно небольшой толщины, в 5-7см, ширина и длина устройства зависит от конкретных потребностей в мощности коллектора. Одна из стенок выполнена из анодированного алюминия и окрашена в черный, как сажа, цвет, без единого блеска. Это так называемая приемная, или рабочая поверхность коллектора. С внутренней стороны рабочей части коллектора зачастую выполняются тонкие ребра из алюминия или пластика, улучшающие теплоотвод энергии от стенки рабочей поверхности к теплоносителю — воде или тосолу.

Для уменьшения загрязнения и потерь на рабочую поверхность устанавливаются тонкая прозрачная пленка или лист пластика или стекла, обладающие хорошими теплоизоляционными показателями. С внутренней стороны такая защита напыляется зеркальным слоем алюминия, что позволяет в итоге уменьшить потери тепла за счет отражения и конвекции.

Конструкция плоского солнечного коллектора может иметь вместо обычного алюминиевого листа стенку-сэндвич из порошкового графита, металлических волокон и армирующей смолы. У такого материала хорошая теплопроводность и высокая стойкость к окислению.

Такие конструкции в обязательном порядке монтируются на усиленном каркасе, обычно на солнечной стороне крыши или стене дома.

Вакуумные системы нагрева

При всей своей простоте, надежности и дешевизне плоские солнечные накопители обладают относительно неплохой продуктивностью тепла только в солнечный день. Для более высоких широт или ранней весной – поздней осенью теплопроизводительность его падает наполовину.

Более высокой эффективностью в сравнении с плоскими солнечными коллекторами обладают вакуумные системы. В основу конструкции заложен индивидуальный тепловой элемент — вакуумная трубка, принцип работы такого солнечного коллектора основывается на известном в физике устройстве – тепловой трубке,  достаточно сложной и капризной, но эффективной в работе. Особенностью конструкции является сверхвысокая теплопроводность, благодаря которой все тепло, попавшее на один конец трубки, в считанные мгновения собирается и концентрируется на противоположном конце.

Вакуумный элемент представляет собой вытянутую колбу-трубку из прочного стекла, с внутренней стороны которого напылено зеркальное покрытие. Благодаря одностороннему зеркалу, солнечный поток энергии свободно проникает вовнутрь колбы и не может вырваться обратно, эффективно поглощается медным концом тепловой трубки, помещенной внутри корпуса колбы. Для уменьшения потерь воздух из стеклянной колбы откачан. Полученную от светового потока энергию центральный медный элемент передает в поток теплоносителя, обычно тосола, или напрямую в бак с водой.

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов

Преимущества в преобразовании солнечной энергии в варианте с тепловой трубой:

1. Эффективность поглощения и преобразования солнечного тепла в 3-4 раза выше плоских и воздушных коллекторов;
2. Отлично работает в диапазоне температур 0-50^оС, тогда как остальные виды солнечных коллекторов, по отзывам пользователей, имеют рабочий интервал от 20^оС;
3. Наименьшая чувствительность к направлению и углу падения солнечного света. Для нормальной работы солнечного коллектора достаточно быть освещенным солнцем даже под острым углом падения солнечных лучей, у остальных конструкций солнечных коллекторов при выходе за оптимальный угол освещения более чем на 20^о эффективность падает на 10% в час.
4. Малый вес конструкции солнечного накопителя позволяет установить его непосредственно на крыше, даже без специальной несущей опоры.

При планировании приобретения стоит принимать ориентировочный расчет площади солнечного коллектора, исходя из соотношения: квадратный метр даст в сутки примерно 50-55литров горячей воды, но не кипятка. Более точную информацию можно узнать на сайтах компаний, занимающихся производством солнечных коллекторов. Там же можно получить сведения о стоимости изделий. Каждая фирма доказывает сверхэффективность и дешевизну своей продукции. Вакуумный прибор из 15 элементов обойдется примерно в 15-20тыс. рублей на мощность подогрева в 1,3-1,5кВт и накопительного бака 80-100литров.

К интересным особенностям подобных систем солнечных коллекторов можно отнести возможность проверки работоспособности каждой вакуумной колбы самостоятельно, без каких-либо специальных инструментов. Достаточно вечером, в неработающем состоянии, приложить ладонь к нижнему торцу трубы. Если элемент будет длительное время оставаться холодным, и в области запайки колбы не будет иней-подобного налета, — устройство считается исправным.

Горячая вода из бака может подаваться самотеком, но чаще всего устанавливают маломощный подкачивающий насос, позволяющий быстро заполнять резервуар после израсходования горячей воды. В более серьезных вариантах конструкции солнечный коллектор объединяют с теплоаккумулятором и электронной системой контроля и управления горячим водоснабжением и отоплением. Стоимость таких систем уже не менее 1000EUR. Гарантия на системы с тепловыми трубками, как правило, составляет от 5 до 25 лет, в зависимости от уровня качества материалов, применяемых в устройстве.

Воздушные коллекторы

Чем сложнее конструкция, тем она дороже в эксплуатации, и больше вероятность непредвиденной поломки. В этом вопросе конструкции коллекторов с воздушным переносом тепла являются чемпионами в простоте и надежности. По сути, воздушный коллектор – это набор вертикальных каналов или труб с матовым черным покрытием. В работе коллектора используется принцип разгона нагреваемого воздуха в вертикальной трубе.

К преимуществам и достоинствам воздушной конструкции стоит отнести:

• Самую высокую надежность и простоту конструкции;
• Маленькую массу устройства, гибкость настройки и простоту монтажа;
• Минимальный расход электроэнергии на работу вентилятора, в некоторых случая вентилятор может отключаться, и обогрев осуществляется самотёком.

Конструкция коллектора состоит из большого числа тонкостенных алюминиевых труб с зачерненной матовой поверхностью. Батарея труб имеет центральный подводящий холодный и отводящий горячий воздуховоды, в холодном устанавливается центробежный вентилятор нулевого сопротивления. В случае необходимости он может быть отключен и в таком состоянии практически не создавать сопротивление движущемуся потоку воздуха.

В устройстве есть воздухозаборник, позволяющий регулировать количество и соотношение воздуха, забираемого извне, и из отапливаемого помещения.

В теплопроизводительности воздушные коллекторы практически не уступают плоским системам, требуют вертикального расположения труб и максимальной освещенности солнцем. Мощность легко регулировать подбором количества труб теплообменника. Зачастую воздушные солнечные коллекторы являются незаменимыми в отоплении и вентиляции разнообразных складских помещений, применяются для сушки разнообразной овощной и фруктовой продукции.

• Как выбрать чугунную печь для бани
• Проектирование системы отопления частного дома
• Каменная печь для бани и дома
• Чем замазать печь, чтобы не трескалась