Солнечные коллекторы: характеристики и обзор моделей

Конструкция и принцип работы

Солнечный воздушный коллектор представляет собой полый короб, одна из стен которого закрыта стеклом. Внутри установлены трубки, по которым циркулирует воздух. Входное отверстие находится в нижней части, а выходное – в верхней. Как правило, они размещены по диагонали, чтобы обеспечить максимальную эффективность.

Механизм работы устройства прост – воздух находится в изолированном объеме, нагревается от солнечного света и поступает в помещение. В некоторых воздушных солнечных коллекторах есть возможность забора воздуха с улицы, таким образом, они в некотором роде выполняют роль вентиляционной системы.

Солнечный коллектор для отопления: бесплатное тепло или бесполезные расходы

Приветствую, камрады! Как вы думаете, насколько выгоден солнечный коллектор для отопления? Я познакомлю вас с устройством и разновидностями коллекторов, а затем выполню несложный расчет эффективности солнечного отопления, который позволит дать ему однозначную оценку. Итак, в путь.

Вакуумные коллекторы отопления и солнечные батареи на крыше частного дома.

Что это такое

Солнечный коллектор — это несложное устройство, использующее видимый свет и инфракрасное излучение Солнца для нагрева рабочей среды. Принцип его работы основан на поглощении тепла поверхностью с низкой отражающей способностью.

От ближайшего собрата — фотоэлектрической солнечной батареи, коллектор отличает куда более высокая эффективность: если фотоэлектрические элементы преобразуют в электроэнергию не более 15% солнечной энергии, то коллекторы позволяют утилизировать до 80%.

Основная проблема, мешающая использовать солнечные коллекторы для отопления дома в качестве основного источника тепла — непостоянная тепловая мощность. Она связана:

• С суточными циклами освещенности. Ночью по понятным причинам выработка тепла падает до нуля. Больше того: поддержание положительной температуры циркулирующей через коллектор воды требует дополнительных энергозатрат;
• С погодой. При плотной облачности освещенность (и, соответственно, тепловая мощность прибора) снижается.

Солнечные коллекторы востребованы в областях страны с максимальной инсоляцией. На снимке — крыша коттеджа в Ялте.

Зимой , когда работает отопление, преобладает пасмурная погода. Кроме того, зимой выработка тепла коллектором падает примерно на четверить даже в ясные дни. Это происходит из-за изменения угла падения солнечных лучей, вызывающего зимнее похолодание.

Производители, модели, стоимость

На рынке представлены конструкции из Европы, Китая и отечественные изделия.

Европейские изделия, например, плоский коллектор Viessmann стоят от 45000 рублей, аналоги из Китая – от 35000 рублей. Вакуумные изделия, — от 170000 рублей и 115000 рублей, соответственно.

Стоимость российских производителей аналогичной продукции:

1. ООО «Новый Полюс», модель плоского солнечного коллектора «ЯSolar» начинается от 19700 рублей.
2. Фирма «АльтЭнергия», плоская гелиопанель «AlternEnergy 1.3», цена от 15800 рублей. Вакуумные коллекторы изготовляются под требования индивидуальных заказчиков с ценой от 52000 рублей.
3. Компания «АНДИ Групп», солнечный вакуумный коллектор для сезонного применения, цена комплекта начинается от 17500 рублей.

В интернете можно найти и других отечественных производителей с не меньшей эффективностью и подходящей ценой. Для любителей конструировать и собирать своими руками есть большое предложение по отдельным элементам солнечных коллекторов, из которых собираются разнообразные устройства.

Солнечный воздушный коллектор для отопления: особенности изделия

В воздушных солнечных коллекторах для отопления в качестве теплоносителя используется воздух. Устройство может быть выполнено в двух вариантах: в виде плоской гофрированной или перфорированной панели либо системы из металлических труб.

Самым простым вариантом является плоский абсорбер, состоящий из панели и трубки с входным и выходным патрубком. Все элементы располагаются в коробе, задняя и боковые стенки которого покрыты теплоизоляцией. Панель изготавливается из меди или алюминия и окрашивается в черный цвет. Она накрывается прозрачной защитной поверхностью из стекла, пластика или поликарбоната.

Принцип действия солнечного воздушного коллектора

Воздух, поступающий на панель, нагревается от контакта с металлом. Ребра на поверхности изделия способствуют увеличению теплоотдачи. Для максимальной эффективности конструкцию следует установить на южной стороне дома, выполнив качественную изоляцию. Система может быть организована с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя. Последний вариант предполагает монтаж вентилятора.

Система с естественной циркуляцией используется крайне редко, что связано с медленным движением воздушных масс, вследствие чего происходят значительные потери тепла. Воздушные солнечные коллекторы Solar Fox могут функционировать уже при температуре 25 °С, в то время как для водяной гелиосистемы оптимальным является значение 45 °С. Такие конструкции можно использовать только для воздушного обогрева дома. Коллекторы не способны нагреть воду. Устройства характеризуются низким КПД, отличаются весьма внушительными габаритами, однако имеют простую конструкцию, легки в монтаже и доступны по стоимости.

Теплопроводность воздуха в значительной степени ниже данных показателей воды, что отражается на эффективной работе системы. Во избежание потерь тепла все стыковые соединения должны быть тщательно изолированы. Несмотря на существующие недостатки, воздушный солнечный коллектор хорошо справляется с задачей нагрева воздуха в помещении при разнице температур внутри и снаружи в 15-17 °С.

2 Основные виды устройств

Гелиоустановки можно разделить на несколько типов, зависящих от их конструкции. Самые популярные — плоскопластинчатые солнечные коллекторы для дома. Их основные составные части:

• абсорбер — пластина, улавливающая солнечные лучи;
• прозрачное покрытие;
• теплоизоляция, находящаяся на нижней поверхности.

Предпочтительнее выбирать абсорберы, которые сделаны из меди, прекрасно проводящей тепло. Сверху пластины покрывают специальным покрытием на основе чёрного никеля или оксида титана, хотя в самых дешёвых вариантах может использоваться и обычная чёрная краска.

https://youtube.com/watch?v=9eCJvdirj5s

Покрытие, пропускающее свет, изготавливают из закалённого стекла, в котором почти нет металлических примесей, или из профильного рифлёного листа из поликарбоната.

Чтобы конвекция не вызывала теплопотери, все щели между корпусом коллектора и прозрачным покрытием нужно тщательно загерметизировать. Существует два типа таких конструкций:

1. 1. Воздушные — в качестве теплоносителя используют воздух, который непосредственно примыкает к абсорберу с одной или двух сторон.
2. 2. Жидкостные (с применением воды, антифриза, масла) — в них теплоноситель подаётся при помощи специальных трубок, сделанных из меди или алюминия.

Второй распространённый тип тепловых коллекторов для отопления — вакуумные. Они куда дороже, но эффективнее собирают энергию. Абсорбером в таких устройствах является трубка, внутри которой протекает теплоноситель. Множество этих элементов собрано и находится в круглом прозрачном кожухе, в котором поддерживается вакуум.

Чтобы повысить производительность таких устройств, можно использовать отражатели света с вогнутой зеркальной поверхностью, которые собирают непойманные лучи и направляют их в сторону коллектора. Дополнительным способом увеличения производительности может стать установка системы слежения за солнцем.

Варианты установки

Основной проблемой в подобных условиях является ограниченность подходящей для монтажа площади. Кроме того, следует учитывать предпочтительность выхода окон на юг или относительно небольшое отклонение от данного направления, которое можно компенсировать не во всех случаях.

Вариантов у владельцев квартиры всего три.

1. Установка солнечных батарей для квартиры на балконе

Является не самым оптимальным вариантом. Главные недостатки:

• требование максимально близкой к перпендикуляру ориентации рабочих плоскостей панелей относительно солнца;
• возможность использовать минимальную площадь, из-за чего совокупная мощность станции не превысит 1-2 кВт.  

По этой причине мини СЭС такого типа применяются для ограниченного количества целей:

• обустройства на балконе «зимнего сада», для освещения и обогрева которого генерации будет достаточно даже зимой. Использовать такие солнечные батареи для отопления всей квартиры не получится;
• обеспечения питанием наиболее важных потребляющих ток устройств – осветительных приборов, ноутбуков, газовых котлов – в случае отключения электроэнергии.

Теоретически монтаж и пуско-наладку можно провести самостоятельно, но во избежание проблем лучше обратиться к специалистам MyWatt.

2. Комплект солнечных батарей для квартиры на несущей стене здания

Более сложный технически, но обладающий расширенным функционалом и увеличенной мощностью вариант. Недостатки «балконной» установки в нем практически отсутствуют. Из достоинств модификации следует отметить:

• за счет варьирования формы и конструкции крепежа панелям можно придавать оптимальный угол наклона в широком диапазоне;
• единственным непреодолимым обстоятельством является отсутствие места на стене, освещаемого солнцем. Это возможно только при расположении дома в окружении деревьев с густой листвой или постоянного отбрасывания тени близлежащими высокими зданиями;
• суммарная мощность станции и удельный КПД оказывается значительно выше, чем при размещении на балконе.

3. Солнечные панели для квартиры на кровле высотного здания

Вариант, наиболее привлекательный с точки зрения возможностей, но характеризующийся серьезными административными сложностями и техническими ограничениями.

Главная технологическая проблема состоит в непрактичности использования такой СЭС жильцами квартир, расположенных на нижних этажах высоких зданий. Связано это с прямой зависимостью величины энергетических потерь от длины кабелей. При расстоянии до крыши в десятки метров КПД системы может упасть на 15-25%.

Тем не менее, в южных регионах России подобные СЭС в многоэтажных домах функционируют уже не один год. Правда, устанавливаются они сразу для всего дома за счет застройщика, и покрывают в основном потребность освещения подъездов и питания лифтов.

Теоретически такая станция ограничена по мощности только площадью кровли. Монтаж на плоских крышах тоже не составляет труда и позволяет:

• развернуть панели в любом направлении и под любым углом;
• использовать солнечные батареи даже для отопления квартиры.

Советы

Установка солнечных систем позволяет экономить электроэнергию, обеспечивая дом «бесплатным» теплом и горячей водой. Но выбирая данный вид устройств, нужно помнить, что эффективность системы будет значительно снижаться вечером и утром, так как основной объем энергии вырабатывается при ярком солнце. Чтобы солнечные коллекторы надежно прослужили много лет и бесперебойно обеспечивали здание теплом, при их выборе и монтаже необходимо учесть следующие рекомендации специалистов:

Покупая батарею, следует уточнить можно ли ее эксплуатировать зимой и какая мощность системы.

• Если коллектор собирается самостоятельно, то нижнюю часть его теплообменника нужно обеспечивать денежными вентилями и теплоизоляцией, которая позволить сохранить качество разогретой жидкости. При этом трубы можно также обмотать плотной тканью или полиэтиленом.
• В конструкции должен обязательно присутствовать вентиль, предотвращающий циркуляцию от теплоносителя. Если наблюдается резкое снижение температуры, то вентиль нужно закрыть.
• Перед тем как соорудить солнечные установки, следует сделать детальный расчет площади батарей, а также максимальную выработку энергии.

О том, как сделать солнечный коллектор своими руками из алюминиевых банок, смотрите в следующем видео.

• https://vteple.xyz/raschet-solnechnogo-kollektora-dlya-otopleniya-doma/
• https://pikabu.ru/story/raschet_teplovoy_moshchnosti_ot_geliosistem_okupaemost_solnechnogo_kollektora_6919823
• https://arsolar.ru/uproshyonnyj-teplovoj-raschet-solnechnogo-kollektora
• https://www.solarhome.ru/basics/solar/solar-heat/solar-heating-design.htm
• https://stroy-podskazka.ru/solnechnye-batarei/kollektor-dlya-otopleniya/

Положительные и отрицательные качества коллекторов

Плюсы и минусы коллекторов

Как и любое другое устройство, коллектор обладает сильными и слабыми моментами

Это также следует принимать во внимание, так как благодаря им удастся определить – имеется ли необходимость монтировать гелиосистему или же выгоднее будет обойтись без нее

Главным положительным моментом данного устройства является их полная экологичность, так как они не способны нанести вред окружающей среде. Для нагрева теплоносителя не применяются процессы горения, во время эксплуатации нет никаких отработанных материалов, соответственно, в атмосферу не выделяется никаких вредных веществ. Такие системы идеально подойдут для людей, которые больны заболеваниями органов дыхания.

Несмотря на то, что стоит солнечный коллектор для отопления довольно-таки дорого, он представляет собой весьма экономичную конструкцию. Начать экономить можно уже на монтаже, если заниматься этим самостоятельно, но большинство специалистов советуют обратиться за помощью к профессионалам. В течение пяти лет коллектор в полном объеме возвращают свою стоимость и начинают работать на то, чтобы сохранить средства и ресурсы.

Если сравнивать такую систему отопления с твердотопливным или газовым котлом, то применение котлов значительно дороже, так как год от года горючее продолжает становиться все дороже и дороже, а за солнечную энергию платить вовсе не придется. В летний период, когда солнце постоянно на небосводе, эффективность солнечных коллекторов значительно превышает пользу от котла.

Гелиосистемы поглощают тепло даже  в случае, если в окружающей среде минимально освещение. Если конструкция будет собрана правильно, то даже в пасмурную погоду она станет давать нужное количество тепла.

Коллекторы представляют собой конструкции, совершенно не зависимые от подачи электрической или иной энергии. В некоторых регионах нашей страны солнце зачастую светит полгода, поэтому здесь можно и вовсе отказаться от использования исчерпаемых ресурсов типа газа или электроэнергии для отопления строения. Даже в случае, если наблюдаются периодические проблемы с подачей энергии, конструкция будет продолжать производить достаточное количество теплоты.

Гарантия на гелиосистемы составляет порядка 15 лет, однако здесь имеется ряд определенных нюансов: воздействие атмосферных осадков не является гарантийным случаем, поэтому следует тщательно продумать, как защитить коллектор от подобных поломок.

Главным отрицательным моментом гелиосистем является их стоимость. Одни из наиболее дорогих конструкций могут обойтись примерно в 10 тысяч долларов без установки и обслуживания. Производители говорят, что для установки такой конструкции не нужно получать никаких разрешений: в частности, для  монтажа в индивидуальном жилом доме, действительно не придется оформлять никаких документов. Для установки на крыше многоквартирного дома нужно будет получить соответствующую бумагу от жилищного управления.

Вследствие того, что в большинстве регионов нашей страны довольно холодно и пасмурно, такие изделия на сегодняшний день не отличаются популярностью. Однако за пределами нашей страны, где люди гораздо больше заботятся о сохранности окружающей среды, их можно встретить значительно чаще.

На что обращать внимание при покупке коллектора?

Особенности коллекторов

Все гелиосистемы промышленного производства генерируют тепловую энергию, которая выражается в киловаттах. На этот показатель обязательно следует смотреть, так как существует вероятность приобрести либо слабую, либо чересчур мощную конструкцию

Очень важно проверить, насколько хорошо коллектор сохраняет полученное от солнечных лучей тепло, так как этот фактор будет играть одну из ключевых ролей, если его планируется устанавливать в холодных регионах

При установке коллектор помещается в специальный каркас, который имеет определенную массу. Следует выяснить, насколько сильная конструкция крыши – может ли она выдержать массу данного оборудования. Если обрешетка слабая, то ее нужно будет предварительно усилить. В некоторых случаях коллектор размещают в вертикальной плоскости, что позволяет не допустить лишнего воздействия атмосферных осадков, но из-за этого несколько снизится коэффициент полезного действия оборудования.

Обзор лучших моделей

Лучшие коллекторы

Среди плоских конструкций наилучшей считается FPC-2200. У этого устройства активная площадь составляет 2,1 квадратных метра. Коэффициент полезного действия, если правильно установить изделие, будет достигать 94%. С его помощью можно достичь температуры теплоносителя в 135 градусов, наибольшее давление в системе будет составлять 1МПа. Без каркаса устанавливать запрещено. Стоит порядка 30 тысяч рублем.

Лучшим воздушным коллектором считает SOLARVENTI SV3, он способен работать полностью в автономном режиме. Предназначен не только для жилых помещений, но и для складов, разного рода иных технических помещений. Максимальная площадь, которую он может обогревать составляет всего лишь 25 квадратных метров. Изделие отличается компактными габаритами, масса составляет около 6 см, его разрешается устанавливать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Стоит достаточно дорого – 40 тысяч рублей.

На сегодняшний день вакуумные модели на российском рынке не представлены. Такой коллектор будет хорошим дополнением к стандартной отопительной системе дома или квартиры.

Плюсы и минусы коллекторов с вакуумными трубками

Опыт использования гелиоустановок на территории РФ достаточно продолжительный, что позволяет увидеть реальную картину теплоэффективности систем. При описании достоинств и недостатков учитывают возможности работы в режиме отопления и горячего водоснабжения, технические характеристики и реальные отзывы о вакуумных коллекторах.

Для определения рентабельности важно принимать в расчет сроки окупаемости гелиоустановок, с учетом существующих законов, действующих на территории Российской Федерации

Об эффективности в режиме отопления

Важно помнить, что коллекторы не используются в качестве основного источника тепла в доме. Цель подключения компенсировать определенные энергозатраты

Причем изначально в отапливаемом здании должен быть установлен котел, способный полностью обогреть здание.

Эффективность гелиоустановки определяется тем, на сколько процентов система с солнечными вакуумными коллекторами способна компенсировать затраты на отопление дома. Максимальные показатели достигают 40-50%.

За время эксплуатации в регионах с холодным и средним климатом были выявлены следующие преимущества вакуумного коллектора, по сравнению с плоскими гелиоколлекторами:

• оптимальное соотношение стоимости и теплоотдачи;

теплопотери минимальны, 75% абсорбируемой энергии передается в буферную емкость;

трубчатая гелиосистема способна работать при отрицательных температурах и при низком ультрафиолетовом излучении, что делает возможным всесезонное солнечное отопление с использованием вакуумных коллекторов;

простая установка и демонтаж.

Практика показывает, что в зимнее время года аккумулируемого тепла достаточно для полноценного отопления системой теплых полов. Даже при низкой солнечной активности теплоноситель будет прогреваться до температуры 30-40°C. Водяные полы соответственно будут нагреваться до комфортных 26-35°C.

Отопление частного дома солнечными вакуумными коллекторами имеет несколько недостатков:

• высокая стоимость — необходимость первоначальных вложений;

жесткие требования к монтажу, при неправильном угле наклона, относительно земли теплоэффективность резко снижается;

обслуживание — еще один недостаток вакуумных коллекторов: в зимнее время года трубки, нередко заметает снегом, их приходится чистить.

В зимнее время года работают исключительно коллекторы с выносным баком. Буферная емкость к которой подключаются вакуумные трубки, используется для обеспечения многовалентных систем отопления.

Использование для горячей воды

Солнечные коллекторы применяются в качестве основного водонагревателя летом и дополнительного в зимнее время года. Система ГВС на вакуумных коллекторах, с апреля по сентябрь, стабильно обеспечивает высокую температуру подогрева жидкости. Установка с прямой теплоотдачей на 30 трубок, способна подогреть около 300 л. воды в течение одного дня, чего более чем достаточно для принятия душа 4-5 человек.

Зимой для нагрева воды мощности может быть недостаточно. В внешних накопительных баках дополнительно устанавливают электроТЭН, предназначенный компенсировать недостаток нагрева. Существуют решения, в которых для подогрева воды гелиосистемы работают одновременно с бойлером.

Горячее водоснабжение от солнечных вакуумных коллекторов, также, как и аналогичная система отопления, требует значительных первоначальных вложений, что и остается главным недостатком. Рентабельность применения достигается при коммерческом использовании гелиоводонагревателей. В гостиницах, кемпингах, отелях окупаемость систем достигается через 3-4 года.

Типы отопительных солнечных коллекторов для дома

Современная промышленность освоила выпуск различных типов солнечных отопительных коллекторов. Для того, чтобы понять, какой из них может подойти для монтажа системы домашнего отопления или горячего контура водоснабжения в вашем доме – необходимо ознакомиться с их разновидностями. Основных типов насчитывается два: плоские и вакуумные, менее широко распространены воздушные коллекторы.

Плоский светопоглощающий

Плоский отопительный солнечный коллектор представляет собой тонкую коробку, внутри которой находится особое вещество, активно аккумулирующее, адсорбирующее тепло. Сверху коробка закрыта стеклом, которое пропускает солнечные лучи. Внутри адсорбирующего слоя, собирающего тепло расположена система трубопроводов, внутри которых перемещается теплоносителя. В качестве теплоносителя в таких системах, как правило используется пропилен-гликоль.

плоский коллектор в разрезе

Вакуумный

Внутри вакуумного отопительного коллектора на месте единственной плоской коробки находятся полые стеклянные или кварцевые трубки, из которых откачан воздух, то есть создан вакуум. А вот уже внутри таких полых трубок располагаются трубки с веществом, адсорбирующем солнечную тепловую энергию. Соответственно трубопроводы с теплоносителем находятся внутри трубок с адсорбером. Солнечные лучи легко проникают сквозь вакуум в промежутке между трубами и нагревают теплоноситель. Однако этот же вакуум препятствует обратной утечки тепловой энергии из адсорбера в окружающее пространство, выступая в роли теплоизолятора.

вакуумный коллектор

Воздушный

Как уже понятно из названия – такие устройства не имеют теплоизолирующего вакуумного слоя. Следовательно КПД их действия будет ниже, чем у вакуумных коллекторов. Такие устройства рекомендуется устанавливать в местности с большим количеством солнечных дней. Более того, в таких коллекторах теплоносителем является обычный воздух. Он переносится в отапливаемое помещение вентилятором или естественной конвекцией. Работа вентилятора при перемещении воздушных потоков также требует отдельного источника питания Это дополнительная причина того, что данная система имеет более низкий КПД, чем плоские или вакуумные коллекторы. Конечно же, ни о каком горячем водоснабжении в такой конструкции не может быть и речи.