Отопление дома солнечными коллекторами: выявляем суть

Различные солнечные коллекторы появились на рынке достаточно давно. Это устройства, использующие энергию солнца для нагрева воды на домашние нужды. Но приобрести популярность среди пользователей им мешает высокая стоимость, это беда всех альтернативных источников энергии. Например, общие затраты на приобретение и монтаж установки, что обеспечит нужды средней семьи, составят 5000$. Но выход есть: можно сделать солнечный коллектор своими руками из доступных по цене материалов. Какими способами это реализовать, будет рассказано в данном материале.

Принцип действия

Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.

Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.

Схематично, принцип работы различных видов устройств, можно отразить следующим образом:

1. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование жидкого теплоносителя: 
2. Плоский солнечный коллектор, работающий с использование воздуха: 
3. Вакуумный солнечный коллектор, с жидким теплоносителем: 

Солнце как энергетический «вечный двигатель»

Звезда нашей планетной системы – Солнце, по современным оценкам еще просветит не один миллиард лет. Кроме света, она дает бесплатное тепло, которое можно использовать для отопления домов солнечными коллекторами. Эту технологию уже не один десяток лет успешно внедряют в странах Западной Европы, США, Японии.  Там до 50% от общего количества вырабатываемой энергии для частного сектора приходится на долю фотоэлектрических устройств. Следует понимать, что они являются альтернативным источником энергопотребления. Их задача – выполнять поддерживающую функцию и экономить традиционные ресурсы в форме электричества, газа или угля.

От природного светила получают два вида энергии – тепловую и электрическую. Преобразователями тепла являются водяные коллекторы. Электроэнергию производят путем трансформации видимого спектра излучения с помощью фотоэлементов. Солнечные батареи для отопления дома можно использовать даже в зимнее время в отличие от водяной системы.

Принцип работы обеих конструкций в корне отличается, но они могут дополнять друг друга, увеличивая общую эффективность обогрева и снижая затраты на приобретение дорогого оборудования фотоэлектрического модуля. Коллектор – это система металлических трубок, заполненных водой. Она нагревается и самотёком или с помощью циркуляционного насоса подается в систему отопления. Электрическая гелиосистема представляет собой комплекс фотоэлектрических преобразователей (полупроводников), вырабатывающих постоянный электрический ток.

Поток солнечного света, доходящий до Земли в безоблачную погоду, составляет по мощности до 1400 Вт/м2. Через облака тепла проникает в 14 раз меньше. КПД современных преобразователей достигает 24%. Флексо-фотовольтаический эффект увеличил время жизни «горячих» электронов и позволил поднять энергоэффективность панелей до 66%. Перспективной разработкой стали наноантенны. Они функционируют на прямом выпрямлении электротока под действием высокочастотного электромагнитного излучения с частотой до 500 ТГц в фотоприёмниках с диаметром до 300 нм. КПД такой термодинамической системы возрастает до 85%. Но стоимость комплекта солнечных батарей для отопления дома для большинства населения слишком высока.

Достоинства и недостатки солнечных коллекторов для нагрева воды

В летний период солнечные коллекторы способны полностью обеспечить дом горячей водой. В межсезонье такая альтернативная системы отопления способна уменьшить нагрузку на газовый котел, что позволит снизить потребление газа, сократив при этом финансовые затраты.

Важно! Зимой солнечные коллекторы работают малоэффективно, что связано с небольшим количеством солнечного излучения.

Коллектор выступает в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, благодаря чему можно снизить зависимость от газа. В летний период для получения горячей воды не понадобятся финансовые затраты.

Солнечный коллектор в летний период может обеспечить дом теплой водой

На монтаж солнечного коллектора не требуется получения разрешения. При выборе оборудования следует подробно изучить всю имеющуюся информацию и проконсультироваться со знающим продавцом. Установку системы необходимо доверить специалисту или выполнить самостоятельно при наличии определенных навыков и умений в области сантехники. Период эксплуатации системы в среднем составляет около 15 лет. В течение этого времени можно использовать бесплатное солнечное тепло для собственных нужд.

К недостаткам такой системы относятся большие финансовые затраты, которые необходимо будет понести при покупке солнечных коллекторов. Средняя стоимость одного элемента составляет 500-1000 $. Система, состоящая из двух коллекторов и собранная под ключ, обойдется в пределах 2300-3000 $.

Интенсивность солнечной энергии отличается в разный период года, поэтому солнечные коллекторы не могут использоваться как единственный источник тепла. Для работы системы понадобится накопительная емкость, покупка которой повлечет увеличение затрат на обустройство системы нагрева воды от солнца.

Конструкция плоского коллектора

Для самостоятельного изготовления наибольший интерес представляют плоские солнечные коллекторы, предназначенные для нагрева воды. В корпусе из металла или алюминиевого сплава прямоугольной формы размещен тепловой приемник — пластина с запрессованным в ней змеевиком из медной трубки. Приемник выполняется из алюминия или меди, покрытой абсорбционным слоем черного цвета. Как и в предыдущем варианте, снизу пластина отделена от дна слоем теплоизоляционного материала, а роль крышки играет прочное стекло или поликарбонат. Ниже на рисунке изображено устройство солнечного коллектора:

Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

Данный вид – самый популярный среди покупателей из-за оптимального соотношения цена — качество, а среди домашних мастеров — по причине относительно несложной конструкции. Но применять такой коллектор для отопления можно лишь в южных регионах, с понижением температуры наружного воздуха его производительность значительно падает из-за высоких тепловых потерь через корпус.

Сравнение характеристик солнечных коллекторов

Самым главным показателем солнечного коллектора является КПД. Полезная производительность разных по конструкции солнечных коллекторов зависит от разности температур. При этом плоские коллекторы значительно дешевле трубчатых.

Значения КПД зависят от качества изготовления солнечного коллектора. Цель графика показать эффективность применения разных систем в зависимости от разницы температуры

При выборе солнечного коллектора стоит обратить внимание на ряд параметров показывающих эффективность и мощность прибора.

Для солнечных коллекторов есть несколько важных характеристики:

• коэффициент адсорбции – показывает отношение поглощенной энергии к общей;
• коэффициент эмиссии – показывает отношение переданной энергии к поглощенной;
• общая и апертурная площадь;
• КПД.

Апертурная площадь – это рабочая площадь солнечного коллектора. У плоского коллектора апертурная площадь максимальна. Апертурную площадь равна площади абсорбера.

Особенности солнечного коллектора как прибора для отопления дома

Солнечный коллектор — это устройство, работающее за счёт поглощения солнечного излучения и передачи его энергии с помощью жидкости-теплоносителя.

Конструкция гелиосистемы состоит из следующих элементов:

• Солнечный абсорбер(панель).
• Резервуар-накопитель.
• Узлы подачи и слива воды.
• Регуляторы и датчики.

Принцип работы заключается в улавливании солнечных лучей панелью и преобразование их в теплоэнергию. Накопленная энергия воздействует на жидкость-теплоноситель (воду или антифриз). Теплоноситель поступает к резервуару с водой и отдаёт энергию. Запуск системы осуществляется специальным регулятором.

Проходя по контуру теплообмена — системе труб, нагретая жидкость отдаёт тепло в воздух. И за счёт этого отапливает помещение. В резервуаре-накопителе из-за подаваемого тепла происходит запас горячей воды впрок. За счёт системы теплоизоляции нагретая солнцем вода хранится до того момента, когда её необходимо будет использовать.

Для поддержания нужной температуры воды в резервуаре система снабжается специальными датчиками и насосами для принудительной циркуляции. В более простых вариантах циркуляция происходит за счёт естественного самотёка.

Современные гелиосистемы в настоящее время используются как основные и вспомогательные элементы отопительного оборудования. В качестве главного источника тепла гелиосистема может использоваться исключительно в южных регионах, где солнца достаточно круглый год.

Установка в доме солнечного коллектора позволяет извлечь следующую выгоду:

• Приобретение энергонезависимости.
• Снижение затрат на закупку газа и электричества для отопления и горячего водоснабжения.
• Доступность.
• Долговечность. Срок службы одного коллектора не менее 20-25 лет.
• Отсутствие грязи и отходов.
• Снижение нагрузки на электросеть дома.

У гелиосистем есть и некоторые недостатки:

• Высокая стоимость оборудования. Срок окупаемости системы равен примерно 7-10 годам.
• Зависимость от климатических условий. В некоторых регионах солнечная энергия поступает не регулярно, поэтому система не сможет работать в нужном режиме. В северных регионах КПД солнечного коллектора слишком низкий, и затраты на установку не окупаются.

Выгодно ли это

Определить, выгодно ли использовать солнечные коллекторы, каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей.

Регион проживания – это важный критерий, при определении эффективности использования устройств, служащих для преобразования энергии солнца в другие виды энергии. Солнечная активность (продолжительность солнечного сияния), в разных регионах нашей страны разная, что видно на приведенной ниже схеме. 

Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.

При необходимости создать абсолютно автономную систему, от внешних, традиционных поставщиков тепловой энергии, следует помнить, что, установив только коллектор, создать подобную систему не получится, т. к. для создания циркуляции теплоносителя, работы системы автоматики, необходима электрическая энергия. Поэтому, для полной автономии, необходимо проработать вопрос по независимому электроснабжению подключаемого объекта. Следовательно, для того, чтобы сделать абсолютно независимую систему, потребуются дополнительные финансовые затраты, что увеличит срок окупаемости оборудования.

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома?

Устройство выгодно использовать для обогрева помещений в районах, где солнечных дней в году не меньше 200. Фотопанели вырабатывают электроэнергию и выдают её в домашнюю сеть на отопительные элементы. Для синхронизации с движением солнца по небосводу панели перемещаются вслед за светилом благодаря системе отслеживания.  Существует несколько типов солнечных батарей:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• аморфные.

Монокристаллические преобразователи представляют собой пластины из кристаллов кремния. Они имеют энергоэффективность в пределах 18%, температуру эксплуатации – 5-25°С. Фотоэлементы их поликристаллов изготавливаются из вязкой кремниевой массы, постепенно отвердевающей до заданного состояния. Максимальное значение КПД -12%. Аморфные или пленочные панели получают методом испарительной фазы кремния, оседающего на полимерной пленке. Имеет самую небольшую производительность – 7%.

Внешние элементы поглощают и трансформируют энергию фотонов в упорядоченное движение электронов (отрицательная проводимость n-типа). Их энергия концентрируется в аккумуляторе. Один элемент создаёт мощность, достаточную для работы одной лампочки от 100 до 250 Вт. Панель площадью 30 м2 обеспечит светом небольшой дом. Но для отопления необходимо в разы больше энергии и преобразователь переменного тока — инвертор. Без него обогревательные ТЭНы  с распределительной разводкой работать не будут. Купить солнечные батареи для отопления дома можно в специализированных магазинах.

Важно! Собрать домашнюю мини-электростанцию под силу только подготовленному мастеру. Он поставит систему на обслуживание и даст гарантию. Самостоятельный монтаж приведет к поломке дорогостоящего оборудования.

 Самая эффективная солнечная панель та, которая работает по гибридной схеме. Например, фотоэлементы параллельно подключены к ветрогенератору или общей электросети. Тогда гарантирована безотказная работа системы при отключении одного из элементов. После монтажа всех компонентов инвертор подключается к водонагревателю. Мощность инвертора находится в пределах 250-6000 Вт. Увеличения мощности добиваются параллельным подключением нескольких инверторов. В качестве накопителя энергии используются автомобильные или специальные аккумуляторы.

Для отопления дома и обеспечения его электричеством необходимо установить панели общей мощностью до 20 КВт. Цена комплекта солнечных батарей для отопления дома составляет от 1040600 рублей.  Стоимость панелей с оборудованием, включающим инвертор, аккумуляторы в 10 и 15 КВт колеблется от 522 и от 847 тысяч рублей.  Солнечные батареи для отопления загородного дома обойдутся чуть меньше – 484 тысяч рублей.

Виды, состав водяной гелиосистемы для частного пользования

Промышленность выпускает несколько типов солнечных коллекторов для установки в личном хозяйстве. Они отличаются по:

• назначению;
• внешнему виду;
• конструкции;
• принципу работы;
• сезонности эксплуатации.

В зависимости от назначения конструкцию можно использовать для обогрева дома, воды в бассейне, горячего водоснабжения. Внешне конструкция выполняется в виде радиаторов с плоским или круглым сечением. Самотечный принцип работы позволяет экономить электроэнергию. Введение в состав оборудования циркуляционного насоса дает возможность ускорить прогрев воды в контуре прямой и обратной подачи. Разрешается производить отопление дома солнечным коллектором зимой.

Наиболее популярным видом оборудования является гелиосистема с суточным аккумулированием тепла. Существенный ее недостаток – невозможность применения излишков накопленной энергии в летнюю пору. Реализация сезонной концентрации тепла для частного домовладения не реальна, поскольку в землю нужно устанавливать и закапывать большие накопительные резервуары в объеме до 10 м3. Такое количество воды (до 10 тонн) можно использовать разве что на приусадебном участке, и то не всегда.

В состав отопительной гелиосистемы входят:

• накопительный и теплообменный бак расширения;
• контроллёры солнечных систем;
• бойлер;
• насосы;
• блоки управления насосами;
• трубы.

Еще одним видом гелиосистемы являются вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома. У них вместо металлических трубок устанавливаются стеклянные конструкции. Особенностью является монтаж на крыше стеклянной трубчатой системы, внутри которой проходит теплоноситель. Он изолирован от внешней среды вакуумной прослойкой, которая не даст промерзнуть воде. Герметичность достигается установкой уплотнителей. Обслуживание заключается в своевременной замене прокладок.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Демонстрация действия солнечного коллектора в зимнее время:

Видео #2. Сравнение разных моделей солнечных коллекторов:

На протяжении всего собственного существования человечество с каждым годом потребляется все больше энергии. Попытки использовать бесплатное солнечное излучение предпринимались давно, но только в последнее время стало возможным эффективно использовать солнце в наших широтах. Несомненно, что за гелиосистемами будущее.

Хотите сообщить об интересных особенностях в организации солнечного отопления загородного дома или дачи? Пишите, пожалуйста, в расположенном ниже блоке. Здесь же можно задать вопрос, оставить фото с демонстрацией процесса сборки системы, поделиться полезными сведениями.

Заключение

Осуществлять отопление дома солнечными коллекторами, сделанными своими руками, – привлекательная перспектива для многих домовладельцев. Жителям южных районов этот вариант более доступен, только придется заполнить систему антифризом и как следует утеплить корпус. На севере самодельный коллектор поможет нагреть воду на хозяйственные нужды, но для обогрева дома его не хватит. Сказывается холод и короткий световой день.

Как изготовить солнечный коллектор?

Прежде чем приступить к работе, следует определиться с габаритами будущего водогрейного аппарата. Произвести точный расчет площади теплообмена непросто, многое зависит от интенсивности солнечного излучения в данном регионе, расположения дома, материала нагревательного контура и так далее. Правильным будет сказать, что чем больше тепловой коллектор, тем лучше. Однако, его размеры наверняка ограничиваются местом, где планируется его устанавливать. Значит, надо исходить из площади этого места.

Корпус проще всего изготовить из древесины, проложив на дно слой пенопласта или минеральной ваты. Также для этой цели удобно использовать створки старых деревянных окон, где сохранилось хотя бы одно стекло. Выбор материала для приемника тепла неожиданно широк, чего только не используют мастера-умельцы, чтобы собрать коллектор. Вот перечень популярных вариантов:

• тонкостенные  медные трубки;
• различные полимерные трубы с тонкими стенками, желательно черного цвета. Хорошо подойдет полиэтиленовая РЕХ труба для водопровода;
• наружный теплообменник старого холодильника;
• трубки из алюминия. Правда, соединять их сложнее, чем медные;
• стальные панельные радиаторы;
• черный садовый шланг.

Примечание. Кроме перечисленных, существует масса экзотических версий. Например,воздушный солнечный коллектор из пивных банок или пластиковых бутылок. Подобные прототипы отличаются оригинальностью, но требуют значительного вложения труда при сомнительной отдаче.

В собранный деревянный корпус или старую оконную створку с приделанным дном и уложенным утеплителем надо поместить металлический лист, накрывающий всю площадь будущего нагревателя. Хорошо, если найдется лист алюминия, но подойдет и тонкая сталь. Ее необходимо окрасить в черный цвет, а затем уложить трубы в виде змеевика.

Без сомнения, коллектор для нагрева воды лучше всего получится из медных труб, они отлично передают тепло и прослужат долгие годы.Змеевик плотно прикрепляется к металлическому экрану скобами или любым другим доступным способом, наружу выводятся 2 штуцера для подачи воды.

Поскольку это плоский, а не вакуумный коллектор, то поглотитель тепла нужно закрыть сверху светопрозрачной конструкцией – стеклом или поликарбонатом. Последний легче обрабатывается и надежнее в эксплуатации, не разобьется от ударов града.

После сборки солнечный коллектор надо установить на место и подключить к накопительному баку для воды. Когда позволяют условия монтажа, то можно организовать естественную циркуляцию воды между баком и нагревателем, в противном случае в систему включается циркуляционный насос.

Варианты создания воздушного солнечного коллектора своими руками

Изготовление традиционного воздушного солнечного коллектора для отопления дома своими руками начинается с создания каркаса из деревянных досок. Заднюю и торцевые стенки следует утеплить минватой. Корпус закрепляется на стене. Все зазоры необходимо заизолировать монтажной пеной. По боковым сторонам выполняются отверстия под патрубки для входа и выхода воздушных масс. Наружные элементы надежно обматываются теплоизоляционным материалом.

В качестве абсорбера используется перфорированный металлический лист из алюминия, который характеризуется высокой теплопроводностью и низкой стоимостью. Для увеличения селективных качеств он покрывается черной краской. Сверху укладывается лист из стекла или поликарбоната.

Важно! Степень нагрева определяется габаритами солнечной панели.

В качестве абсорбера для воздушного коллектора можно использовать водопроводные трубы

Абсорбер может быть выполнен из водопроводных труб прямоугольного сечения, которые устанавливаются на лист из алюминия и фиксируются к нему с помощью монтажной ленты и саморезов. Задняя стенка деревянного корпуса утепляется минеральной ватой, а боковые – пенополистиролом. Трубы окрашиваются в черный цвет и покрываются листом закаленного стекла или поликарбоната.

Еще более простая конструкция изготавливается из профнастила. Каркас выполняется из деревянных брусков. В дне проделывается выходное отверстие. На брус укладывается профнастил со множеством отверстий по всей площади изделия, которые обеспечат приток воздуха.

Хорошим решением является сооружение воздушного коллектора на окне. Это довольно эффективный вариант, позволяющий неплохо обогреть помещение. Каркас изготавливается из алюминиевых рамок и крепится к окну в виде москитной сетки. Задняя стенка выполняется из листа алюминия, в котором проделываются отверстия в нижней, (для забора холодного воздуха) и в верхней (для отведения теплого воздуха) частях. Роль абсорбера может также выполнять черная фольга, которая покрывается защитной пленкой ПВХ.

Отечественные производители солнечных коллекторов для дома

Популярным производителем солнечных коллекторов является компания Новый полюс, которая предлагает широкий ассортимент моделей по демократичным ценам. Особое место занимают плоские устройства, выполненные из алюминия. Теплоноситель циркулирует по медным трубкам, оснащенным двойной изоляционной защитой, благодаря чему обеспечивается эффективная работа системы при низких температурах.

Отечественная компания Новый полюс предлагает широкий ассортимент коллекторов

Оборудование для отопления дома можно приобрести в комплекте с накопительным баком, контроллером температуры и циркуляционным насосом. Средняя цена солнечного коллектора составит 20-22 тыс. руб.

Другим успешным производителем преобразователей солнечной энергии в тепловую является компания АльтЭнергия, которая выпускает плоские и вакуумные коллекторы. Первый вариант изделий может поставляться совместно с бойлером объемом 200-500 л, который работает по принципу косвенного нагрева. Вакуумные коллекторы комплектуются накопительными емкостями на 100-1000 л и циркуляционными насосами.

Важно! Продукция от компании АльтЭнергия проходит сертификацию в Германии.

Плоское устройство будет стоить около 13 тыс. руб. Цена вакуумного солнечного коллектора составит 35-50 тыс. руб.

Плоский солнечный коллектор от АльтЭнергия будет стоить около 13 тыс. рублей

Отечественный производитель АНДИ Групп специализируется на изготовлении коллекторов вакуумного типа. Главной особенностью изделия является их возможность адаптироваться к сложным погодным условиям. Коллекторы способны преобразовывать энергию даже в пасмурные дни. Каждая колба имеет трехслойное покрытие, благодаря которому обеспечивается максимальное поглощение солнечного излучения. Купить солнечный коллектор можно в среднем за 25-35 тыс. руб.

Компания НПО Машиностроения выпускает ряд солнечных коллекторов, которые отличаются простой модификацией, функциональностью и доступной стоимостью. При изготовлении изделий задействуют новейшие технологии. Отличительной чертой коллекторов является наличие многослойного поглотителя, который наносится на абсорбер способом магнитного напыления. Данный слой способствует максимальному захвату и удержанию солнечной энергии, благодаря чему КПД устройств составляет 85-90%. Купить гелиосистему можно за 15-20 тыс. руб.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...