Использовать солнечную энергию для бытовых нужд мечтали всегда. Особенно актуально эта идея стала развиваться в последние пятьдесят лет, когда появились новые материалы, позволяющие конструировать довольно эффективные конструкции. Появились и инструменты, с помощью которых можно в домашних условиях производить изготовление сложных технологичных конструкций.

Идея нагревать воду с помощью солнца реализовывалась еще в древности. Обычные бочки, выставленные на солнце или в тени, в течение определенного времени поглощали тепловой поток из окружающей среды. Температура жидкости увеличивалась с ростом интенсивности солнечного излучения.

В семидесятых-восьмидесятых годах XIX века Йозеф Стефан и Людвиг Больцман открыли закон теплового излучения. Ими были выведены расчетные формулы, на основании которых определяется тепловой поток, получаемый от Солнца, на поверхности Земли. Для объектов, расположенных на Земле, используют следующую формулу:

где σ = 5,670367·10-4, Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана;

F – площадь поверхности тепловосприятия, м2;

С2 – степень черноты поверхности тепловосприятия;

Т1 – температура теплового излучателя, для поверхности Солнца принято считать, что она составляет Т1 = 6000 К;

Т2 – температура теплоприемника – это поверхность нагреваемая солнечным излучением, (T2 = t2 + 273), K;

где t2 – температура теплоприемник (тела на Земле), °С;

ϕ – угол падения солнечных лучей, °.

Что такое коллектор и назначение солнечных коллекторов

Под солнечным коллектором понимают устройство, которое собирает энергию излучения, а затем перемещает накопленную теплоту потребителям. На практике используют еще один термин – гелиоколлектор.

По назначению солнечные установки (гелиоустановки) использования подразделяют:

  • гелиоконцентраторы – устройства, собирающие солнечную энергию в узкий поток. Их используют для плавки металла. В институте НПО «Физика-Солнце» (г. Ташкент) были разработаны и изготовлены плавильные печи, в которых достигнуты температуры более 5000…5500 °С;
  • солнечные батареи – устройства для преобразования излучения от Солнца в электрическую энергию;
  • гелиоопреснительные установки – машины, предназначенные для получения пресной воды из воды с высоким содержанием минеральных солей;
  • гелиосушильные установки – тепловые устройства, в которых осуществляется удаление влаги из овощей и фруктов с использованием энергии Солнца;
  • гелионагреватели (воздушный солнечный коллектор) – установки для передачи теплового потока от инфракрасного излучения к теплоносителям.

Как работает солнечный коллектор

Солнечное излучение кроме видимого света имеет еще и невидимый инфракрасный спектр. Именно он и переносит тепловую энергию. На основании исследований установлено, что в зоне умеренного климата интенсивность теплового излучения в полдень достигает более 5 кВт/м2. На рис. 1 представлена зависимость суммарной инсоляции для 48 ° северной широты.

Рис. 1 Суммарная инсоляция солнечного излучения для разных периодов умеренной зоны Европы

Информация к размышлению! Тепловую радиацию разделяют на: прямую и рассеянную. Поэтому даже в пасмурный день ощущается поступление солнечного теплового потока. Из представленной иллюстрации видно, что количество поступающей теплоты в летний и зимний периоды имеет значительные различия. Поэтому при проектировании устройств учитывают возможную эффективность, сообразуясь с затратами.

Принципиальная схема гелиоколлектора представлена на рис. 2. Солнечная радиация поступает внутрь коллектора через светопрозрачное ограждение. На приемной панели, окрашенной в черный цвет, происходит поглощение теплоты. В результате происходит нагрев черного тела. Последующий процесс теплопередачи происходит конвекцией. Теплота передается от нагретой стенки к потоку жидкости (газа), перемещаемого по трубопроводам. Подвижная среда нагревается.

Внимание! Для предотвращения тепловых потерь ограждение коллектора теплоизолируется. Так как внутри полученная теплота используется на нагревание потока, то интенсивность отраженного излучения от панели, воспринимающей излучение, невысока.

Рис. 2 Схема устройства гелиоколлектора

Внимание! На поверхность Земли поступает мощный поток теплового излучения. Основная часть его отражается и не поглощается поверхностью.

Виды коллекторов

Принято разделять виды коллекторов по нагреваемым теплоносителям. Нагревать можно:

  • воду – такие установки могут обеспечивать потребителя горячей водой, а также участвовать в отоплении здания;
  • воздух – воздушные солнечные коллекторы применяют для сушки сельскохозяйственных культур, а также в домах, оборудованных регенерационными теплообменниками, для обогрева жилья или производственного помещения;
  • антифриз (жидкости с низкой температурой замерзания) – здесь назначение одно – отопление с помощью солнечных коллекторов.

Делят гелиоколлекторы и по конструкции солнечных коллекторов:

  • трубчатые – в их основе использованы трубопроводы разного типа;
  • щелевые – в таких устройствах теплоноситель перемещается внутри узкой щели, находясь в контакте с нагретым теплоприемником;
  • параллельного или последовательного исполнения, здесь все зависит от способа задания движения теплоносителю;
  • открытого или вакуумного заложения теплообменников, для снижения теплопотерь в окружающую среду дорогие конструкции оборудую вакуумными трубками. Через них теплопотери в окружающую среду сведены к минимуму.

Приверженцы разных школ создания солнечных коллекторов всегда продвигают определенный принцип в конструировании и изготовлении собственных установок.

Принцип работы

Идея улавливать и преобразовывать световую энергию не нова. В мире достаточно давно и успешно эксплуатируются ветряные электростанции и солнечные батареи, последние в регионах с большим количеством ясных дней позволяют обеспечивать практически полностью автономное снабжение жилищ, коммерческих помещений и техники.

Классическая гелиобатарея принимает и конвертирует в электричество падающий на нее свет. Далее энергия поступает к потребляющим аппаратам. Вакуумный гелиоколлектор устроен иначе: он состоит из крепких стеклянных трубок с откачанным для образования вакуума воздухом. Трубки объединены в систему.

Внутри такой стеклянной трубки находятся один-два медных стержня с заключенным в них теплоносителем. Падающие на медь лучи разогревают ее, и тепло передается носителю. Таким образом улавливается и накапливается солнечная энергия. Конструкция позволяет обеспечить высокую энергоотдачу при низких потерях. Происходит это благодаря вакууму: поскольку нет отнимающей тепло среды, практически все оно остается в носителе. Такой солнечный коллектор сохраняет примерно 95 % уловленной им энергии.

В качестве теплоносителя может использоваться жидкость или воздух. Первый вариант встречается чаще всего.

Конструктивное решение также снижает зависимость от погоды и окружающей температуры. Зимой комплекс будет работать так же эффективно, как и летом. При текущих темпах неуклонного роста цен на органические энергоносители гелиоустановка для отопления дома окупится, в среднем, через 3–5 лет, а прослужит около 25. То есть ее владелец спустя относительно недолгое время станет получать энергию бесплатно.

Рабочие температуры

Коллекторы делятся на виды по температуре рабочей среды:

  • низкотемпературные — в них теплоноситель прогревается до 50 градусов. Их используют при подогреве емкостей с водой для полива, устройстве летних ванн и душевых, создании комфорта прохладной весной или осенью и других задачах, не требующих высоких температур;
  • среднетемпературные, разогревающиеся до 80 градусов. С этой отметки гелиоколлектор можно использовать для отопления помещений (в том числе зимой), и подобные варианты распространены в проектах частных домов;
  • высокотемпературные, где носитель нагревается вплоть до 300 градусов. Такие системы применяют в коммерческих зданиях, цехах и других подобных местах. Высокотемпературные комплексы нуждаются в сложном механизме аккумулирования и передачи тепла и занимают много места, из-за чего мало пригодны для частно-бытовых задач. Кроме того, они трудоемки в изготовлении и монтаже, требуют особого инструмента и соответствующих навыков.

Сфера применения

Вакуумные солнечные коллекторы используются везде, где необходимо обеспечить тепло и горячую воду в условиях ограниченности топлива, невозможности подвода традиционных коммуникаций или нестабильности их работы. Их устанавливают на различных объектах:

  • сельскохозяйственных производствах;
  • предприятиях;
  • медицинских учреждениях;
  • санаториях и других оздоровительных комплексах;
  • детсадах, школах, летних лагерях;
  • местах отдыха туристов и гостиницах;
  • частных и многоквартирных домах;
  • офисных зданиях;
  • железнодорожном транспорте и тому подобное.

Такое устройство как вакуумный солнечный коллектор будет работать везде, где есть дневной свет и подвод холодной воды на объект. С его помощью решаются задачи:

  • организации сезонного и круглогодичного снабжения объектов горячей водой;
  • модернизации и оптимизации имеющейся водопроводной инфраструктуры;
  • дежурного и полного отопления помещений;
  • подогрев бассейнов;
  • обогрев в нуждах сельского хозяйства (питомники, инкубаторы и так далее);
  • подготовки технической подогретой воды и прочее.

Как устроен солнечный коллектор

Существуют различные варианты реализации преобразующих энергию Солнца вакуумных приборов. Основные виды коллекторов:

  • без применения защищающего стекла — это трубчатый;
  • аппарат с сокращенной конверсией;
  • плоский;
  • с прозрачной тепловой изоляцией;
  • воздушный прибор;
  • плоский вакуумный.

Все эти аппараты конструктивно похожи и несут следующие базовых компоненты:

  • прозрачная вакуумная трубка;
  • смонтированный в ней подогреваемый патрубок, где циркулирует рабочий теплоноситель;
  • сборные распределители, соединяемые с трубами большего диаметра. В них находится циркуляционный контур внутренних трубок.

Упрощенно конструкцию можно представить как обычный термос с прозрачными стенками, через которые свет падает на внутреннюю колбу. Благодаря вакууму между стенками и колбой последняя хорошо прогревается и почти целиком передает тепло своему содержимому.

Правильной работой комплекса может управлять циркуляционный насос. Этот элемент обеспечит безопасное и слаженное взаимодействие всех частей гелиоколлектора. Автоматизированная система управления нагревательным комплексом следит за температурой и, если она падает ниже разрешенного уровня (например, ночью), насос останавливается. Благодаря этому удается избежать ситуации обратного прогрева и других связанных проблем.

Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов

Основное достоинство данного класса устройств — минимальные эксплуатационные теплопотери благодаря вакууму, идеальному природному изолятору. Среди прочих плюсов:

  • эффективная работа обогревателей при температурах до −30 градусов и ниже, что делает их пригодными для зимней эксплуатации;
  • сбор тепла с нагревом до 300 градусов включительно (у больших промышленных образцов);
  • надежность и долговечность;
  • поглощение как световой энергии, так и невидимого теплового излучения;
  • стойкость к неблагоприятным погодным факторам;
  • небольшая парусность и способность почти свободно пропускать воздушные массы (благодаря чему системы почти не боятся ветра);
  • даже в местностях с малым числом ясных дней и холодным климатом способны показать высокую эффективность работы;
  • ремонтопригодность распространенных heat pipe решений на высоком уровне;
  • гелиобатарея остается работоспособной даже без контроллера (или при его отключении).

Установка одного или нескольких таких устройств дает возможность существенно сэкономить на отоплении и горячем водоснабжении любых нуждающихся в этом объектов и построек. В среднем, затраты на нагрев воды снижаются на 60 %, а расходы на отопление — на 30 %. Достигается также оптимизация и снижение трат на эксплуатацию и поддержку коммуникаций. Вакуумный солнечный коллектор выступает как автономный источник тепла и обеспечивает потребителей горячей водой даже при перебоях с газом или электропитанием.

Еще один плюс — продление срока службы имеющихся систем отопления. Нагрузка на них снижается, и бойлер, например, способен прослужить до двух раз дольше: гелиоколлектор снижает нагрузку на него до 97 % от обычной. То же касается газовых котлов. При этом вакуумные солнечные модули легко интегрируются в существующие коммуникации. Можно запланировать их установку и на этапе планирования возводимого объекта.

Немаловажный бонус — экологическая чистота. Рассматриваемый класс устройств не производит вредных выбросов, не загрязняет окружающую среду и использует фактически неисчерпаемый источник энергии — солнечный свет. При этом каждый поступающий в систему джоуль используется оптимальным образом.

Интересно: считается, что к 2020 году около 20 % мировой потребности в электроэнергии станут удовлетворяться за счет Солнца. Особенно актуально это для регионов с интенсивным солнечным излучением и большим количеством ясных дней. За год в среднем в эксплуатацию вводится около 3 млн гелиоэнергетических систем.

Отметим также обеззараживающие свойства: под нагревом гибнут многие вредоносные микроорганизмы, вакуум также затрудняет их размножение.

Но есть и минусы. К ним относят высокую стоимость при покупке комплектующих и инструмента для самостоятельной сборки, а также неспособность недорогих трубчатых комплексов самоочищаться от налипшего/намерзшего зимой снега, льда и прочих загрязнений. Хотя существуют и варианты с режимами антизамерзания, и образцы с иными дополнительными возможностями.

Плюсы и минусы коллекторов вакуумного типа

Главным достоинством агрегатов называют практически полное отсутствие теплопотерь в процессе эксплуатации. Это обеспечивает вакуумная среда, являющаяся одним из самых качественных естественных изоляторов. Но на этом список преимуществ не заканчивается. Устройства имеют и другие ярко выраженные плюсы, например:

  • эффективность работы при низких температурных показателях (до -30 °С);
  • способность к аккумулированию температуры до 300°С;
  • максимальное возможное поглощение тепловой энергии, включая невидимый спектр;
  • эксплуатационная устойчивость;
  • низкая восприимчивость к агрессивным атмосферным проявлениям;
  • малая парусность, обусловленная конструкционными особенностями трубчатых систем, способных пропускать сквозь себя воздушные массы разной плотности;
  • высокий уровень эффективности в регионах с умеренным и прохладным климатом с малым количеством ясных и солнечных дней;
  • долговечность при соблюдении основных правил эксплуатации;
  • доступность для ремонта и возможность менять не всю систему, а только один вышедший из строя фрагмент.

К недостаткам относят неспособность коллекторов к самоочищению от инея, льда, снега и высокую цену комплектующих деталей, необходимых для сбора агрегата в домашних условиях.

Как правильно разместить прибор

Чтобы вакуумный коллектор мог полноценно работать и эффективно обеспечивал жилое помещение необходимой энергией, для него необходимо найти наиболее удачное место и правильно сориентировать прибор относительно частей света.

Для населенных пунктов северного полушария актуально разместить коллектор в южной части крыши дома или на солнечной стороне участка. Желательно обеспечить для плоскости прибора минимальное отклонение.

Если возможности направить поверхность на юг нет, стоит выбрать среди запада и востока максимально светлый ракурс на открытом пространстве.

Энергетический солнечный комплекс не должны закрывать дымоходы, декоративные фрагменты кровельного покрытия, раскидистые ветви деревьев и высокие жилые или технические строения. Это понизит эффективность работы и уменьшит уровень прогрева действующих элементов.

Если агрегат расположен правильно, он обеспечит практически одинаковую теплоотдачу в течение всего года, независимо от сезона.

Если большого опыта осуществления сложных ремонтно-монтажных и слесарных работ нет, делать в домашних условиях вакуумирование трубок нерационально. Этот процесс очень трудоемкий и требует наличия специальных знаний и профильного оборудования.

Кроме того, элементы вакуумного типа, сделанные самостоятельно, имеют гораздо более низкий уровень КПД, нежели заводские детали. Поэтому разумнее всего приобрести продукцию у профильного производителя, а потом уже дома попробовать собрать несколько секций.

Разновидности солнечных батарей

Классификация гелиосистем происходит по конструктивным особенностям трубок и типу теплового канала, используемого в качестве приемника:

1. Коаксиальная модель вакуумного солнечного коллектора для отопления дома представляет собой двойную колбу из стекла, в полости которой откачан воздух. На поверхность нанесено абсорбирующее покрытие, поэтому передача энергии происходит от самой трубки.

2. Перьевая конструкция является одностенной, пустота здесь расположена в пространстве теплового канала, часть которого вместе с накопителем интегрирована в колбу.

4. В системах с принудительной циркуляцией установлен маломощный насос, способствующий движению носителя. При этом потребляемая мощность значительно меньше получаемой энергии для обогрева частного дома.

5. Также существует различие по числу контуров. В самых простых коллекторах вода для отопления нагревается и расходуется из бака-накопителя.

6. Более сложные состоят из вакуумной трубки и элементов отбора жидкости. В устройстве находится незамерзающий и нетоксичный носитель с антикоррозийными и противопенными добавками. Такой метод надежно защищает оборудование от солей и накипи и способствует более долгой эксплуатации при отоплении.

Обзор моделей и их характеристики

На данный момент Китай держит лидерство по производству коллекторов, работающих на солнечной энергии. Согласно отзывам владельцев частных домов, отечественные изготовители также поставляют в продажу оборудование с хорошими характеристиками. Европейские устройства отличаются довольно высокой ценой, но со временем затраты на покупку и установку приборов вполне оправдываются. Наиболее известные компании выпускают следующие коллекторы:

Сантехники: Вы будете платить за воду до 50% МЕНЬШЕ, с этой насадкой на кран

Коллекторы Дача и Универсал – наиболее известные приборы отечественного производителя. SCH-18 обладает высоким КПД с температурой в конденсате до 250°C. Колбы сделаны из красной меди, теплоноситель – жидкий. Отсутствие воды в вакууме обеспечивает устойчивость к промерзанию. Прочный корпус хорошо противостоит ветру. Трубопровод защищен манифольдом с полиуретаном. Резиновые противопылевые уплотнители не допускают попадания пыли и осадков.

Эффективно работают при температуре до -35°C, тип функционала – напорная система для отопления. Имеется контролер по управлению нагревателем, размер трубок – 1800 мм, объем бака – 135-300л, мощность ТЭНа – 1.5-2 кВт. Коллекторы изготовлены в соответствии с международными сертификациями, что обеспечивает их безопасность и надежность.

Плоский коллектор

Самыми распространенными считают плоские гелиоколлекторы. В их основе используют короб, внутри которого размещают все основные элементы (рис. 3). Теплообменник выполняется из тонкой медной трубки. По ней циркулирует вода. Нагрев поверхности трубки происходит от платины теплоприемника, окрашенного в черный цвет.

Рис. 3 Конструктивное исполнение плоского трубчатого гелиоколлектора

Снаружи устанавливают прозрачное стекло. Оно пропускает солнечное излучение, но препятствует конвекционным теплопотерям через верх плоского коллектора. Ниже медной трубки расположен теплоизолятор. Он способствует сохранению теплоты вокруг зоны теплообмена.

Конструкционные нюансы и особенности плоского гелиоколлектора

Чтобы подавать воду на входе и выходе гелиоустановки устанавливают патрубки, для присоединения магистральных трубопроводов на конце имеются резьбы. Чтобы активизировать перемещение воды, устанавливают насосы малой мощности. С их помощью увеличивают производительность солнечного коллектора.

Вода может циркулировать и сама, за счет изменения плотности при нагревании. Но интенсивность естественной циркуляции будет настолько низкой, что нагревание большого объема воды в системе горячего водоснабжения окажется недостаточно эффективной.

Изготовление плоского коллектора своими руками

Чтобы сделать солнечный коллектор своими руками, нужно использовать испарительную решетку (трубка с наружным диаметром 6 мм) от старого холодильника (рис. 4). Аккуратно снимают трубку и промывают ее от остатков хладона, использованного ранее в холодильнике.

Рис. 4 Общий вид испарителя от старого холодильника

В дальнейшем работы выполняются в следующей последовательности:

  1. Подбираются рейки 30х30 или 40х40 мм для изготовления каркаса.
  2. Из реек с помощью гвоздей, а лучше с применением саморезов и шуруповерта изготавливается короб.
  3. Приобретается стекло. Его можно специально не покупать. Сейчас население активно заменяет окна на пластиковые. Поэтому можно всегда подобрать подходящее стекло на свалках. Его нужно будет только отмыть.
  4. Стекло под воздушный солнечный коллектор вырезается в размер рамки.
  5. Необходимо подобрать материал для изготовления черной поверхности. Здесь подойдет автомобильный коврик. Их тоже довольно часто меняют, поэтому проблем с приобретением не будет. В гаражах отдадут с удовольствием.
  6. Все элементы помещаются внутрь каркаса из реек (рис. 5).

    Рис. 5 Сборка основных элементов внутри каркаса

  7. Внутрь помещают фольгу. Тщательно проклеивают все углы, чтобы исключить теплопотери.
  8. Остается только собрать всю конструкцию и закрепить стекло сверху. Вариантов крепления стекла много. Некоторые забивают несколько гвоздей, а потом их сгибают. Чтобы предотвратить утечки теплого воздуха, дополнительно оклеивают скотчем. На несколько сезонов такого утепления хватит.

    Рис. 6 Гелиоколлектор в сборе со стеклом

  9. Воздушный солнечный коллектор готов, он устанавливается на открытом воздухе. Чтобы гелиоколлектор эффективно работал, его ориентируют относительно сторон света. С помощью полихлорвиниловых трубок присоединяют водопроводные трубы. Далее монтируют систему горячего водоснабжения по принятой для себя схеме (рис. 7).

    Рис. 7 Собранный солнечный коллектор, готовый к установке в систему ГВС.

Подобные установки могут применяться не только для производства горячей воды. Весной их используют на отопление теплицы солнечным коллектором. Чтобы теплоноситель не замерзал в ночное время, в нем растворяют обычную поваренную соль. Температура замерзания может быть снижена до -7 °С.

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор в целом. Все система состоит из следующих элементов:

  • сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
  • контроллер управления (включая датчики),
  • насосная группа,
  • накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
  • монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Все компании, которые занимаются изготовлением этих систем, дают примерно одинаковые цифры:

  • Эффективность для нагрева воды (гвс) – 50-90%.
  • Эффективность для отопления дома – до 30%.

Другими словами, эта система может полностью обеспечить дом горячей водой. Отопление дома может покрыть и больше заявленного процента, все зависит от самой системы и количества панелей, а также правильности их установки.

Абсорбер, самая важная часть системы

Часть солнечного коллектора, которая принимает, аккумулирует и передает тепло теплоносителю называется абсорбером. Именно от этого элемента зависит КПД всей системы.

Изготавливают этот элемент из меди, алюминия или стекла, с последующим покрытием. Как раз от покрытия больше зависит эффективность работы абсорбера, чем от материала, из которого он изготовлен. Ниже, на фото, вы можете посмотреть какие покрытия бывают и как эффективно они могут поглощать тепло.

В описании системы указано максимально возможное поглощение солнечной энергии попадающей на абсорбер. «α» – это максимально возможный процент поглощения. «ε» – это процент отражающегося тепла.

По типу строения

Абсорберы отличаются и по типу устройства, сейчас их всего два вида:

Перьевые – устроены следующим образом. Пластины соединяют между собой трубки с теплоносителем. Сами трубки могут быть соединены между собой в одну систему несколькими способами. Это простой тип абсорбера, который можно сделать своими руками.

Цилиндрические – в этом случае покрытие наносится на стеклянную поверхность колбы и применяется в вакуумных коллекторах. Благодаря этому устройству тепла концентрируется больше как раз в центре трубки где расположен тепло съемник, или стержень. Работает эта система с более высоким КПД, нежели перьевая.

Вакуумный коллектор

Солнечные коллекторы промышленного типа изготавливают с применением стеклянных коаксиальных вакуумных трубок. При отсутствии воздуха конвективный теплообмен сводится к нулю. С этим и связано появление подобных коллекторов. Они имеют самый высокий КПД, так как нет неконтролируемых тепловых потерь (рис. 8).

Рис. 8 Конструкция колбы вакуумного солнечного коллектора

Внутри стеклянной колбы помещена тепловоспринимающая трубка (абсорбер), окрашенная в черный цвет. Она контактирует с пластиной, изготовленной из алюминия (материал имеет самое низкое значение коэффициента теплопроводности, что и обусловило ее применение). Теплообменник изготовлен из медных трубок, внутри которых циркулирует жидкость.

Внимание! Даже в условиях низких значений солнечного излучения, что наблюдается в зимний период, вакуумные коллекторы способны получать тепловую энергию и отдавать ее в систему отопления или горячего водоснабжения.

Конструкционные нюансы вакуумного гелиоколлектора

На рис. 9 показана схема монтажа вакуумного гелиоколлектора.

Рис. 9 Монтажная схема вакуумного солнечного коллектора

Особенности следующие:

  1. В качестве теплоносителя чаще всего используют низкокипящие спирты, которые не замерзают даже при температуре ниже -30 °С.
  2. В системе используют принцип последовательной циркуляции теплоносителя. Он нагревается до температуры выше, чем вода в накопительном баке, который и нагревается от теплоносителя вакуумной установки.
  3. Необходимо избегать присутствия любых затемняющих элементов во внешней среде.
  4. Необходимо минимизировать расстояние между коллектором и потребителем. С ростом расстояний растут и потери, которые понижают эффективность использования подобного устройства.

Изготовление вакуумного коллектора своими руками

Важно! Сделать солнечный коллектор своими руками вакуумного типа крайне сложно. Затраты могут быть весьма высокими.

Вакуумный солнечный коллектор своими руками изготовить можно. Потребуется приобрести стеклянные трубки для молочной промышленности или доильных установок. Они реализуются вместе со специальными резиновыми патрубками, с помощью которых могут монтироваться в разные монтажные схемы.

Внутри стеклянных труб потребуется расположить стальные или медные трубки, окрашенные в черный цвет. Сварку или пайку придется дополнительно защищать теплоизолирующими лентами, например, вырезанными из вспененного полиэтилена.

Изготавливая солнечный коллектор вакуумного типа, потребуется произвести откачку воздуха из стеклянных труб. Откачку воздуха выполняют с помощью вакуумного насоса. Здесь понадобится использовать специальный штуцер, который плотно закроется сразу после отсоединения всасывающего трубопровода от вакуум-насоса. Современные пластинчатые устройства позволяют получать разряжение до 25…30 % от исходного атмосферного значения.

Перед началом работ следует оценить свои силы. Подобные устройства довольно дороги в изготовлении. Здесь нужны не только дорогие инструменты и приспособления. Нужен еще и навык выполнения работ с вакуумными установками.

Можно собрать установку из готовых элементов (рис. 10)

Рис. 10 Сборка вакуумной установки

  1. Изготавливают раму для монтажа.
  2. Ориентируют ее относительно сторон света.
  3. Приобретают коаксиальные трубки в сборе с теплообменниками.
  4. Производят монтаж подводящих и отводящих трубопроводов.
  5. Устанавливают вакуумные трубки и соединяют их с магистральными трубопроводами.
  6. Выполняют работы по тепловой изоляции всех точки стыковки колб и трубопроводов.

Принцип работы вакуумных трубок

Функция вакуумированных трубок солнечного коллектора – поглотить солнечное излучение и не дать выйти в окружающую среду. Тепловая энергия может покинуть рабочую часть вакуумного солнечного коллектора двумя способами – за счет прямой теплоотдачи и в виде ИК-излучения.

Полость между стеклянными стенками практически полностью исключает возможно прямой отдачи тепла в вакууме нет молекул веществ, которые могли бы осуществить его перенос.

Селективное покрытие (абсорбент) обеспечивает поглощение солнечной энергии и не позволяет ей выйти наружу. Существуют разные типы таких покрытий, отличающиеся поглощательной и излучательной способностью.

Некоторую часть солнечного излучения отражает стекло, но она незначительна – видимы свет составляет только часть поглощаемого спектра. Качественные коллекторы изготавливают из боросиликатного стекла высокой прочности, которое стойко к механическим повреждениям.

Боросиликатное стекло сложно поцарапать или заматовать, оно служит десятки лет без изменения пропускной способности.

Плоские коллекторы

Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. Устроен он довольно просто. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость.

Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа. Оно устанавливается над абсорбером и выполняет функцию верхней крышки корпуса. Кроме того, использование подобного стекла позволяет создать своеобразный «эффект парника», что еще больше увеличивает прогрев абсорбера, а значит, и температуру теплоносителя.

Как собрать воздушный коллектор

Если же вы решились провести сборку гелиосистемы своими руками, для начала позаботьтесь обо всех необходимых инструментах.

Что потребуется в работе

1. Отвертка.

2. Разводной, трубный и торцевой ключи.

Комплект торцевых ключей

3. Сварка для пластиковых труб.

Сварка для пластиковых труб

4. Перфоратор.

Перфоратор

Технология сборки

Для сборки желательно обзавестись хотя бы одним помощником. Сам процесс можно разбить на несколько этапов.

Первый этап. Сначала соберите раму, желательно сразу в том месте, где она будет установлена. Оптимальный вариант – крыша, туда можно по отдельности передать все детали конструкции. Сама процедура монтажа рамы зависит от конкретной модели и прописывается в инструкции.

Второй этап. Прочно закрепите раму на крыше. Если крыша шиферная, то используйте брус обрешетки и толстые шурупы, если бетонная – то обычные анкера.

Обычно рамы рассчитаны на монтаж на ровные поверхности (максимум – под 20-градусным наклоном). Герметизируйте места крепления рамы к поверхности крыши, иначе они будут протекать.

Третий этап. Пожалуй, самый сложный, ведь вам предстоит поднять на крышу тяжелый и габаритный накопительный бак. Если нет возможности использовать спецтехнику, укутайте бак в плотную ткань (во избежание возможных повреждений) и поднимите его на тросе. Затем прикрепите бак к раме с помощью шурупов.

Четвертый этап. Далее вам предстоит смонтировать вспомогательные узлы. Сюда можно отнести:

  • ТЭН;
  • температурный датчик;
  • автоматизированный воздуховод.

Каждую из деталей установите на специальную смягчающую прокладку (такие тоже идут в комплекте).

Пятый этап. Подведите водопровод. Для этого можете использовать трубы из любого материала, главное, чтобы он выдерживал температуру в 95°С тепла. Кроме того, трубы должны быть устойчивыми к низким температурам. С этой точки зрения больше всего подходит полипропилен.

Шестой этап. После подключения водопровода заполните накопительный бак водой и проверьте на герметичность. Посмотрите, не протекает ли трубопровод – оставьте на несколько часов наполненный бак, после чего внимательно все осмотрите и, в случае необходимости, устраните неисправность.

Седьмой этап. Убедившись, что герметичность всех соединений в норме, приступите к установке нагревательных элементов. Для этого оберните медную трубку листом алюминия и поместите в стеклянную вакуумную трубку. На нижнюю часть стеклянной колбы наденьте чашку-фиксатор и резиновый пыльник. Медный наконечник на другом конце трубки вставьте до упора в латунный конденсатор.

Осталось лишь защелкнуть чашку-фиксатор на кронштейне. Аналогичным образом установите остальные трубки.

Восьмой этап. Установите на конструкции монтажный блок и подведите к нему питание в 220 вольт. Затем подсоедините к этому блоку три вспомогательных узла (их вы установили на четвертом этапе работы). Несмотря на то, что монтажный блок влагозащищен, постарайтесь накрыть его козырьком или какой-либо другой защитой от атмосферных осадков. Затем подсоедините к блоку контроллер – он позволит мониторить и регулировать работу системы. Установите контроллер в любом удобном месте.

На этом монтаж вакуумного коллектора закончен. Внесите все необходимые параметры в контроллер и запустите систему.

Как выбрать коллектор вакуумного типа

Для начала следует определиться для какой цели выбирается гелиосистема. Для удовлетворения потребностей в ГВС в течение дачного сезона, подойдет моноблочный водонагреватель. Объем накопительного бака до 200 л.

Чтобы отапливать помещение используются исключительно вакуумные коллекторы с внешним баком косвенного нагрева. Следует ознакомиться со следующими техническими характеристиками:

  • коэффициент тепловых потерь;
  • параметры оптического КПД;
  • площадь установки.

По указанным параметрам можно определить производительность вакуумного коллектора и в конечном счете высчитать окупаемость системы.

Как рассчитать мощность гелиоколлектора

Подбор гелиосистемы по производительности осуществляется в индивидуальном порядке. Во время расчетов вакуумных солнечных коллекторов учитывают: территориальное размещение, количество необходимой нагретой воды и т.д. Точные вычисления требуют наличия инженерных навыков.

Для приблизительных расчетов потребуется:

  • определить коэффициент инсоляции (для Московской обл. равен 1137,7);
  • узнать активную площадь абсорбции вакуумной трубки (в среднем 0,15 м²);
  • с помощью технической документации узнать КПД коллектора (0,67).

Имея перечисленные данные можно высчитать мощность одной вакуумной трубки. Для этого умножаем все числители между собой. В итоге получаем, что в течение года одна колба способна произвести 117,95 кВт/час, что равняется 0,325 кВт/час в течение одного дня. Дальнейшие расчеты не представляют сложности. Умножаем полученную производительность на количество вакуумных колб:

  • 15 трубок = 4,8 кВт/час;
  • 20 трубок = 6,5 кВт/час;
  • 30 трубок = 9,75 кВт/час.

Оптимальный расход теплоносителя высчитывается в согласии с средней нормой тепловой энергии для обеспечения потребностей ГВС в день. Для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, на одного человека требуется от 2 до 4 кВт.

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах

Архангельск 0.85

Новосибирск 1.14

Петербург 0.93

Москва 1.01

Омск 1.26

Ростов-на-Дону 1.29

Екатеринбург 1.1

Астрахань 1.38

Махачкала 1,35

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м². Оптимальный наклон площадки

Город

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

В год

Москва

20,6

108,4

127,6

166,3

167,7

104,6

60,7

34,8

1173,7

Воронеж

30,7

60,1

81,8

50,3

37,1

Краснодар

42,8

77,8

81,7

55,6

Махачкала

48,2

77,2

Рязань

21,2

62,3

35,2

В солнечные летние дни температура в вакуумной трубке увеличивается до 300°С. Теплоотдача одной трубки увеличивается до 0,545 кВт/час, соответственно производительность блока прямого нагрева на 15 трубок, поднимается до 8 кВт/час.

Какой бренд выбрать и стоимость

На цену влияет несколько факторов:

  • раскрученность бренда;
  • территориальная принадлежность производителя;
  • мощность гелиосистемы;
  • сложность подключения.

В среднем цена за блок на 15 трубок обойдется порядка 50-90 тыс. руб. в зависимости от марки. Точную стоимость вакуумного солнечного коллектора рассчитывают в индивидуальном порядке.

На отечественном рынке представлены коллекторы российского производства. Существует возможность выбрать продукцию европейских производителей. Судя по отзывам покупателей особой популярностью и востребованностью пользуются следующие модели:

  1. Россия:
    • Атмосфера СВК-Nano
    • Сокол-Эффект
  2. Европа:
    • Sunrain
    • Elecro Thermecro
    • Azuro
    • Vaillant auroTHERM exclusiv
    • Viessman Vitosol
    • Hummel HVC
    • Ecosystem
    • Sidite SCH

{banner_downtext}
В сериях оборудования указанных производителей есть вакуумные коллекторы для бытового и коммерческого применения, работающие только летом и внесезонные модели.

Воздушный коллектор

Воздушный солнечный коллектор используется только для нагревания воздуха. Подобные установки испытывались в системе «теплый дом», где нагретый воздух передавал теплоту аккумулятору из гранитных камней. Для создания теплового аккумулятора под жилым домом вырыли большой котлован (более 12 м3). По периметру обложили теплоизоляционными матами, а внутрь заложили гранитные камни массой по 10-12 кг.

Подобное устройство изготавливается с применением разных типов труб. С появлением современных материалов многие вопросы изготовления значительно упростились.

На рис. 11 показаны варианты воздушных гелиоколлекторов.

Рис. 11 Варианты изготовления воздушных гелиоколлекторов: а – использование резинового шланга; б – применение алюминиевых банок

Конструкционные особенности

Принципиальных отличий в конструкции нет, единственное отличие в том, что для циркуляции теплоносителя при принудительном способе задания движения используют не насос, а вентилятор. Здесь не принципиально, какому типу вентиляторов отдать предпочтение, центробежному или осевому. Каждый из них может быть довольно просто приспособлен для выполнения работы.

Оригинально выглядят установки, в которых теплообменник выполнен с использованием сотового поликарбоната.

Как изготовить солнечный коллектор своими руками при использовании поликарбоната

Особенностью поликарбоната является наличие в нем сот, длина которых достигает 12 м (стандартный лист имеет размеры 12,0х2,1 м). Проходя по такому протяженному пути, теплоноситель может нагреваться до довольно высокой температуры. Поэтому подобный материал привлекает внимание мастеров.

Делать громадный по размерам коллектор довольно сложно, поэтому ограничивают размеры отдельных секций. Обычно для удобства монтажа принимают листы размером 1,0х2,0 м. Для таких листов несложно изготовить корпус. Вместо поверхностного стекла обычно применяют тот же сотовый поликарбонат, что используют для изготовления теплообменника. Наличие сот сокращает конвекционные потери теплоты. Светопрозрачное покрытие работает довольно эффективно: пропускает солнечное излучение, не позволяет сконцентрированной теплоте внутри коллектора покидать его пределы.

На рис.12 показано строение листа сотового поликарбоната. Видно, что соты образуют строгие прямоугольники. Их сечение сохраняется неизменным по всей длине рулона (листа).

Рис. 12 Строение листа поликарбоната

Алгоритм изготовления гелиоустановки следующий:

  1. Для создания верхнего и нижнего коллектора используют пластиковые трубы, в которых с помощью отрезного диска углошлифовальной машинки делают продольный разрез (рис. 13).

    Рис. 13 Продольный разрез в пластиковой трубе

  2. Отрезанный лист сотового поликарбоната вставляется в полученный паз (рис. 14)

    Рис. 14 Монтаж сотового поликарбоната в паз пластиковой трубы

  3. С помощью клеевого пистолета выполняется герметизация шва

    Рис. 15 Пайка шва клеевым пистолетом

  4. Отдельные элементы собирают в батарею. Площадь ее может быть сколь угодно большой (рис. 16).

    Рис. 16 Батарея из воздушных солнечных коллекторов

После сборки выполняют монтаж всех тепловой системы и начинают использовать подобные устройства. Если применять поликарбонат толщиной 10 мм и более, то можно создавать не только воздушные установки. Они успешно будут работать для получения горячей воды.

Как выбрать коллектор для себя

Часто задают подобные вопросы те, кому предстоит определиться с параметрами солнечной системы получения горячей воды и отопления. Многое зависит от назначения и длительности использования в течение года.

Если предусматривается проживание в течение только летнего сезона (дачный вариант), то создавать дорогое устройство или приобретать его для собственных нужд будет не обосновано. Лучше остановить свой выбор на простых установках, которые несложно изготовить своими руками.

Другое дело, если проживание в индивидуальном доме происходит в течение всего года. Здесь стоит подумать о более дорогом устройстве. Например, вакуумном солнечном коллекторе. Но и тут имеются определенные ограничения. Для северных районов выше 55 ° северной широты эффективность применения подобной установки может оказаться недостаточно высокой. Она сумеет компенсировать не более 10-20 % затрат от потребностей системы отопления, хотя и такая экономия может оказаться весьма существенной.

Для районов южнее указанных широт традиционная система отопления может быть только в качестве резервной, используемой только для нескольких самых холодных дней в году. В остальное время будет достаточно того теплового потока, который будет получен от солнечной радиации.

Преимущества и недостатки

У любых типов установок имеются свои положительные и отрицательные характеристики. Для гелиоколлекторов тоже есть свои показатели.

Плюсы:

  1. Система солнечного обогрева позволяет экономить энергию на получение горячей воды.
  2. Часть затрат на отопление в зимний период может быть снижена путем использования солнечной радиации.

Минусы:

  1. Потребуется изготовление совершенно новой системы теплообеспечения, которую необходимо вмонтировать в традиционные отопительную установку и устройства получения горячей воды.
  2. Солнечные системы не могут гарантировать пиковые заморозки. Здесь понадобится применять устройства, сжигающие топливо или электрические установки для обогрева помещений.

Эта статья об электронном устройстве. Для экспериментов в эвакуированной трубе, см свободного падения . Для транспортной системы, см пневматической трубки .

Позже термоэлектронные вакуумные трубки, в основном миниатюрный стиль, некоторые с верхними колпачком анодных соединениями для более высоких напряжений

В электронике , A вакуумная трубка , электронно — лучевая трубка или клапан (британское использование) или, в просторечии, A труба (Северная Америка), представляет собой устройство , которое контролирует электрический ток поток в высоком вакууме между электродами , к которым электрическая разность потенциалов , которая была применяется.

Типа , известные как термоэлектронная труба или термоэлектронной клапан использует явление термоэлектронной эмиссии электронов из нагретого катода и используются для ряда основных электронных функций , таких как сигнал усиление и тока ректификация .

Номера термоэмиссионных типы, такие как вакуумный фотоэлемент однако, достичь электронной эмиссии за счет фотоэлектрического эффекта , и могут быть использованы для таких , как обнаружение уровня освещенности. В обоих типах, электроны ускоряются от катода к аноду с помощью электрического поля в трубке.

Простейшим вакуумной трубки, то диод изобретен в 1904 году Джоном Ambrose Fleming , содержит только нагретый электронной эмиссии катода и анода. Ток может протекать только в одном направлении через устройство-от катода к аноду. Добавление одного или несколько сеток управления внутри трубки позволяет ток между катодом и анодом , чтобы находиться под контролем напряжения на сетке или сетках. Эти устройства стали одним из ключевых компонентов электронных схем для первой половины двадцатого века. Они имеют решающее значение для развития радио, телевидения, радиолокации, звукозапись , междугородной телефонной сети, а также аналоговых и ранних цифровых компьютеров . Хотя некоторые приложения использовали ранее технологию , такие как передатчик искрового промежутка для радио или механических компьютеров для вычислений, это изобретение термоэлектронной вакуумной трубки , которые сделали эти технологии широко распространены и практически, и создали дисциплину электроники .

В 1940 — х годах изобретение полупроводниковых приборов позволило произвести твердотельные устройства, которые меньше, более эффективным, надежным и долговечным, и дешевле , чем термоэлектронной труб. С середины 1960-х годов, термоэлектронной Пробирки затем заменяются на транзисторе . Тем не менее, электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) оставалась основой для телевизионных мониторов и осциллографов до начала 21 — го века. Термоэмиссионные трубки до сих пор некоторые приложения, такие как магнетрон , используемой в микроволновых печах, некоторые усилители высокой частоты, а также усилители , которые аудио энтузиастов предпочитают их звук трубы .

Не все электронные цепи клапаны / электронные трубки вакуумные трубки. Газовые заполненные трубки имеют аналогичные устройства, но содержащее газ, как правило , при низком давлении, которые эксплуатируют явления , связанные с электрическим разрядом в газах , как правило , без нагревателя.

Вакуумная трубка Heat Pipe (с тепловой трубкой)

Конструкция:

Разработана на основании трубки типа 1 для напорных активных систем. Внутрь введена контактная пластина и теплопроводный стержень. Данная трубка устойчива к замораживанию и работоспособна без повреждений до -50°С. Внутри стержня находится небольшое количество антифриза при малом давлении, поэтому испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При меньшей температуре трубка «запирается» и дополнительно сохраняет тепло.

Область применения коллекторов на трубках Heat pipe:

В настоящее время получила наибольшее распространение в регионах с умеренным и суровым климатом для систем отопления и горячего водоснабжения. Работает в системах с пассивной и активной циркуляцией. Подходит для всесезонного применения во всех регионах России до 60-65 широты (выше просто недостаточно солнца).Универсальная,неприхотливая, надежная трубка.

Достоинства: удобство транспортировки, монтажа, обслуживания. Не нарушает работу системы при разрушении, работает при экстремально низких температурах.

Недостатки: Цена выше по сравнению с типом 1

Разновидности вакуумных коллекторов

Разновидности вакуумных коллекторов

В конструкции коллекторов используются два типа стеклянных трубок:

  • коаксиальные;
  • перьевые.

Ознакомимся подробнее с каждым из них.

Трубка коаксиальная

Это своего рода термос, который состоит из двойной колбы. Наружная колба покрывается специальным веществом, поглощающим тепло. Между двумя трубками создается вакуум. Это позволило добиться того, что тепло при работе передается непосредственно от стеклянных колб.

Внутри каждой трубки находится еще одна – медная (ее заполняют эфирной жидкостью). При повышении температуры эта жидкость испаряется, передает накопленное тепло и стекает обратно в виде конденсата. Далее цикл повторяется снова и снова.

Трубка перьевая

Такого рода трубки состоят из одностенной колбы. К слову, по толщине стенок они существенно превышают коаксиальные аналоги. Медная трубка усиливается специальной гофрированной пластиной, обработанной влагопоглощающим веществом. Выходит, что воздух в данном случае выкачивается из всего теплового канала.

Такие каналы, к слову, тоже бывают разными:

  • прямоточными;
  • «Хит пайп».

Каналы типа «Хит пайп»

Теплообмен в вакуумном солнечном коллекторе типа “Heat Pipe”

Другое их название – тепловые трубы. Они работают следующим образом: эфирная жидкость в закрытых трубах при повышении температуры поднимается вверх по каналу, после чего конденсируется там в специально оборудованном теплосборнике. В последнем жидкость передает тепловую энергию и опускается вниз по трубке. Из теплосборника тепло передается дальше в систему при помощи циркулирующего теплоносителя.

Коаксиальная вакуумная трубка heat-pipe с 2-трубным manifold’ом

Характерно, что металлические трубки здесь могут быть не только медными, но и алюминиевыми.

Прямоточные каналы

В каждом из таких каналов в стеклянной трубке находятся сразу два металлических патрубка. По одному из них жидкость попадает в колбу, нагревается там и выходит по второму.

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

  • Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
  • Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
  • Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет. Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Рубрики: Статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *