Вакуумный солнечный коллектор – устройство, принцип работы, разновидности, плюсы и минусы, правила выбора и размещения

С наступлением холодного периода года каждый владелец частного дома невольно задумывается о том, как повысить эффективность отопления и при этом сэкономить на расходах. На выход в этой ситуации приходят современные технологии, использующие энергию солнечного света для выработки тепла. Разберем, что собой представляет вакуумный солнечный коллектор, каково его устройство, принцип работы и сфера применения, какими плюсами и минусами обладает, какие разновидности прибора существуют, а также каковы критерии его выбора и правила размещения.

Солнечный коллектор – что это такое, устройство, принцип работы

Климатическое оборудование, напрямую преобразующее энергию солнечного света в тепло, в технической терминологии называется солнечным коллектором. Прибор не вырабатывает электричество, как классическая солнечная батарея, а только собирает, концентрирует и передает тепло в систему отопления. В качестве теплоносителя выступает вода, незамерзающая жидкость или воздух.

По конструкционным признакам и связанным с ними принципом действия солнечные коллекторы, применяемые для отопления дома, в том числе в зимнее время, подразделяются на 3 основные вида – плоские, вакуумные и воздушные. Структурно прибор представляет собой набор последовательно соединенных трубок в форме змеевика, связанных с подающей и обратной магистралью. Внутри них циркулирует теплоноситель – вода, антифриз или воздух.

Любая модель вакуумного коллектора содержит в составе следующий набор основных узлов:

• Внешняя большая прозрачная труба без воздуха.
• Внутренняя малая трубка, внутри которой циркулирует теплоноситель.
• Сборник-распределитель с подсоединенными большими трубами, внутри которых находятся трубки меньшего диаметра.

Схематично такая конструкция является аналогом прозрачного термоса с максимальной теплоизоляцией. Благодаря этому малые трубки хорошо прогреваются и передают тепло циркулирующему внутри них теплоносителю.

Принцип действия коллектора основан на естественных законах изменения свойств веществ под температурным воздействием – движущей силой, заставляющей теплоноситель циркулировать внутри системы трубок, являются такие природные процессы, как изменение плотности вещества, конвекция, сжатие-расширение и проч.

При этом для усиления интенсивности поглощения тепловой энергии от солнца применяются специальные адсорбенты, например, металлические пластины с зачерненным покрытием. И наоборот, для максимального прохода солнечного света верхняя часть установки изготавливается из материала с высокими светопропускными способностями.

Применение

Установка солнечный коллектора для обеспечения нужд частного дома позволяет решить не только проблемы отопления, но также дополнительный ряд вопросов:

1. Производство бытовой горячей воды – для душа, ванны, стирки, уборки, мытья посуды.
2. Поддержание эксплуатационных норм бассейна.
3. Обогревание парников, теплиц, оранжерей.
4. Создание альтернативной дежурной системы отопления на случай аварии действующей.
5. Оптимизация, снижение расходов на работу традиционной системы обогрева.
6. Приготовление технической горячей воды.

Обратите внимание! Эффективность солнечного коллектора настолько высока, что его можно использовать для отопления дома даже зимой – но при условии, что будет установлена модель вакуумного типа. Объясняется это прежде всего конструкционными особенностями оборудования и спецификой их работы в условиях холода. В отличие от плоских аналогов его трубки не засыпаются снегом, прочности материала хватает, чтобы выдержать даже крупный град, а устройство по принципу термоса, позволяет довести воду внутри до кипения при сильном морозе снаружи.

Плюсы и минусы

В зависимости от того, какую конструкцию имеет солнечно-коллекторное оборудование, система отопления обладает определенным рядом плюсов и минусов. Так, достоинства плоских разновидностей проявляются в следующем:

• Наиболее выгодное соотношение «цены оборудования – производства тепла» для регионов с умеренным климатом.
• Полная автономность отопления и производства горячей воды.
• Максимальный КПД в период наивысшей солнечной активности в сравнении с солнечными батареями и ветрогенераторами.
• Независимость от стандартных энергоресурсов и постоянного роста цен на них.

• Средний срок окупаемости – 3-5 лет.
• Срок службы – не менее 30 лет.
• Функция самоочищения от снега, града.
• Легкое подключение к системе отопления.
• Абсолютная безвредность для окружающей среды.

Плоский солнечный коллектор, применяемый для нагрева теплоносителя системы отопления, не лишен некоторых недостатков:

1. Высокая стоимость оборудования, необходимость затрат на установку и внедрение в систему отопления.
2. Наличие парусных характеристик прибора, что создает вероятность повреждения при сильном ветре.
3. Низкий КПД при пасмурной погоде, а также в период холодов.
4. Большие тепловые потери из-за несовершенства устройства конструкции.

Вакуумные разновидности отличаются от плоских в лучшую сторону с точки зрения производительности, а также в силу следующих положительных особенностей:

• Широкий диапазон рабочей температуры, в том числе в мороз до -30-500С.
• Минимальные параметры парусности и вероятность повреждения ветром.
• Расширенные производительные способности ввиду способности поглощать излучение невидимой части спектра солнечного света.
• Незначительные тепловые потери из корпуса.

• Высокая надежность в эксплуатации.
• Ремонтопригодность – при неисправности требуется заменить один или несколько рабочих элементов, а не всю конструкцию.
• Возможность разогрева теплоносителя до 3000С.
• Нечувствительность конструкции к атмосферным осадкам.

Негативные свойства вакуумных моделей связаны прежде всего с высокой стоимостью оборудования и строгими требованиями по монтажу.

Важно! Эффективность солнечных коллекторов зависит далеко не только от погоды, но также условий установки, рельефа ландшафта и продолжительности солнечного сияния. Все эти факторы в существенной степени влияют и на время окупаемости.

Разновидности

Современные солнечные коллекторы бывают водяными и воздушными. У первых в качестве теплоносителя используется вода, антифриз или иная жидкость с подходящими свойства. Циркулируя по внутренним трубкам, она передает тепло в теплообменник системы отопления. Внутри воздушной модификации аналогичным образом нагревается поток воздуха, который затем поступает на нужды обогрева.

По особенностям конструкции приборы различаются на 2 основных типа:

1. Плоские. Имеют форму невысокой вытянутой коробки, нижняя часть которой выложена теплоизоляционным слоем, а верх закрыт светопропускающей оболочкой, как правило, прочным стеклом. Внутри находится хорошо поглощающий тепло материал, в массу которого внедрены трубки с циркулирующим теплоносителем. Устройства характеризуются низкой себестоимостью.
2. Вакуумные. Представляют собой набор отдельных трубок-термосов, внутри которых располагается теплопоглощающий наполнитель и трубки с теплоносителем. Приборы отличаются большой рабочей поверхностью и максимальной производительностью.

По температуре теплоносителя и соответствующей сфере применения оборудование подразделяется на 3 разновидности:

• Низкотемпературные. Нагрев теплоносителя до 50-600С. Находят применение для разогревания воды для душа, бассейна, орошения растений, а также отопления весной или осенью.

• Среднетемпературные. Нагревают теплоноситель до 80-900С. К данному сегменту относится большинство самодельных солнечных коллекторов на базе ПНД-труб и других доступных материалов. Применяются для отопления домов.
• Высокотемпературные. Температура теплоносителя достигает 3000С. Основная сфера применения – промышленный обогрев больших площадей и территорий ангаров, цехов, торговых центров и проч.

По способу применения гелиоустановки классифицируются на 2 категории:

• Пассивные. Используются без дополнительного оборудования. Подсоединяются к бойлеру косвенного нагрева для производства бытовой горячей воды.
• Активные. Система работает с участием сопутствующих приборов – циркуляционного насоса, клапанов, накопительного бака, дополнительными нагревателями и проч. Используется для отопления и нагрева воды.

По схеме передачи тепловой энергии коллекторы делятся на 2 типа:

1. Косвенные. В схеме задействуется аккумуляторный резервуар, в котором тепло от внешнего контура передается внутреннему.
2. Прямые. Тепло от установки напрямую передается приемнику.

Рекомендация! Для поддержки эффективности работы в морозы система отопления на солнечном коллекторе сопрягается с дополнительным источником энергии. Для этого в бак-аккумулятор внедряется ТЭН, а параметры его работы контролируется автоматика на базе терморегулятора.

Критерии выбора

При выборе солнечного теплового коллектора необходимо заострить внимание на следующем ряде критериев:

• Модели плоского типа отличаются максимальной прочностью, однако при поломке требуют полной замены, что подразумевают максимальные финансовые затраты.
• Вакуумные экземпляры более эффективны для зимы, так как сильнее разогревают теплоноситель, но отличаются хрупкостью трубок. Однако при поломке дают возможность менять отдельные элементы.

• Воздушные модификации благодаря простоте устройства дольше служат и не требуют особого обслуживания. Главный их недостаток – недостаточная выработка тепла в холодное время года.
• Количество вырабатываемого вакуумным прибором тепла напрямую зависит от размера трубок. Оптимальными считаются модели с несколькими трубками, протяженностью не менее 2 м и диаметром от 6 см.
• Показатель мощности оборудования характеризует количество вырабатываемого тепла, выражаемого в кВт, при условии расположения солнца в зените и полной безоблачности.

На заметку! Солнечный коллектор эффективно работает только днем. Для поддержки тепла в помещении ночью обязательно требуется установка теплового аккумулятора. Днем он будет накапливать тепло, а ночью отдавать.

Правила размещения

Для того чтобы солнечный коллектор эффективно обеспечивал дом теплом, в том числе зимой, необходимо при его размещении учесть следующие правила:

• Рабочая поверхность прибора должна быть обращена на южную часть небосклона, и не отклоняться более, чем на 30 град.

• На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
• При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
• Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
• Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.

Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелио-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.

Коротко о главном

Солнечный коллектор представляет собой климатический прибор для сбора и передачи тепла солнечной энергии теплоносителю системы отопления. Приборы такого типа бывают жидкостными и воздушными, плоскими и вакуумными. Общая схема их работы сводится к тому, что теплоноситель, расположенный во внутренних трубках, нагревается теплом солнечного света, а затем поступает в теплообменник и передает энергию на отопление или горячее водоснабжение.

Тепловой коллектор может применяться для различных целей – нагрева воды для бытовых нужд, обогрева дома, теплиц и подсобных помещений, поддержки теплового режима резервуаров, создания альтернативной системы отопления, снижения расходов основной системы обогрева. Плюсы оборудования – выгодное производство тепла, независимость от внешних источников энергии, большой КПД, быстрая окупаемость, долговечность, работа в морозы, безвредность. Недостатки – высокая стоимость оборудования и монтажа, возможность повреждения ветром, вероятность теплопотерь.

Солнечные коллекторы классифицируются по ряду признаков:

• Конструкции – плоские, вакуумные.
• Уровню нагрева теплоносителя – низко-, средне- и высокотемпературные.
• Способу применения – активные и пассивные.
• Схеме теплопередачи – прямые и косвенные.

Выбирать и устанавливать оборудование необходимо, исходя из специальных правил, рекомендаций и конкретных условий применения.