Гелиоколлектор представляет собой ключевой элемент системы, преобразующей солнечную энергию в тепло. В основу функционала узла заложена возможность поглощения энергии инфракрасного и видимого диапазона солнечных лучей и передачи теплоносителю. Последний позволяет направить полученную энергию на бытовые нужды.
Конструктивные особенности и принцип работы
Гелиосистемы воплощаются как набор оборудования, предназначенного для добычи тепловой энергии из солнечной. Рабочими компонентами являются:
- солнечные коллекторы,
- насос,
- аккумулирующий бак,
- управляющий контроллер.
Теплообменник заключен в бак-аккумулятор, заполненный водой, здесь происходит передача тепла от нагретой рабочей жидкости. Во время монтажа аккумулятора следует предусмотреть возможность дополнительного нагрева, например, посредством газового котла. Эта мера позволит восполнить недостаток мощности коллектора при пасмурной погоде.
Насос обеспечивает циркуляцию теплоносителя (рабочей жидкости) между баком и гелиоколлектором. Управляющий контроллер координирует деятельность основных узлов и защищает схему от перегрева.
Входящая в конструкцию медная панель укреплена высокоселективным материалом. Для изготовления корпуса чаще всего используется алюминий. Ударопрочное стекло, предусмотренное в современных моделях, содержит в составе минимум металла.
Виды гелиоколлекторов, их плюсы и минусы
Основными конструктивными типами оборудования являются плоские, воздушные и вакуумные.
Плоские
Данный вид солнечных коллекторов получил самое широкое распространение, он представлен тонкими прямоугольными панелями. Изделия имеют основу в виде несущего каркаса, на который со стороны нижней стенки и боковин нашита теплоизоляция, также присутствует абсорбер, поглощающий солнечную энергию, он объединен с теплопроводом. Последний собирается из медных трубок (выбор материала обусловлен высокой теплопроводностью данного металла). Снаружи абсорбер защищен с помощью закаленного стекла. Конструкция предусматривает патрубки, обеспечивающие ввод и вывод теплоносителя.
Плоский гелиоколлектор
Инфракрасные и видимые солнечные лучи активно нагревают абсорбер. Образуемая в процессе энергия направляется в теплоноситель, последний впоследствии отходит к рабочим элементам системы. Чаще всего в качестве проводника используется вода. В тех регионах, где температура опускается ниже нуля, помимо воды применяются и другие жидкости, устойчивые к замерзанию в суровых климатических условиях.
Плюсы решения:
- универсальность использования,
- эффективность эксплуатации,
- возможность применения круглогодично,
- высокая надежность,
- неприхотливость к условиям установки и обслуживанию,
- длительный рабочий ресурс.
Среди недостатков приводят низкий КПД и непригодность к локальному ремонту: при повреждении придется заменить панель новой.
Вакуумные
Также относятся к числу популярных вариаций, представлены в виде плоских и трубчатых изделий. Главным рабочим элементом здесь служит тепловая труба, образуемая двумя цилиндрами с разными диаметрами. Они помещены один в другой так, чтобы образовался вакуумный зазор.
Вакуумный гелиоколлектор имеет корпус с несколькими тепловыми трубами, они объединены в верхнем сегменте с теплопроводом. Солнечные лучи нагревают наружные абсорбирующие трубки, что приводит к повышению температуры специальной жидкости, заключенной в узкие медные трубки. После достижения определенной отметки жидкость испаряется, газообразные массы при этом движутся вверх, энергия в итоге передается теплоносителю. Далее пар конденсируется и по мере охлаждения жидкость перемещается вниз. Процедура циклична.
Преимущества вакуумных устройств:
- круглогодичная работоспособность,
- универсальность,
- высокий КПД.
Слабые стороны:
- небольшой эксплуатационный ресурс – требуется время от времени заменять трубки,
- массивность агрегата,
- уязвимость перед механическими воздействиями – герметичность трубок может быть нарушена в результате попадания под град, к примеру.
Вакуумный гелиоколлектор
Подобная система не предназначена для эксплуатации в регионах, климат в которых предполагает минусовые температуры, так как на приемной поверхности возникает иней, накапливается снег.
Воздушные
Считаются недостаточно эффективными, так как они не способны самостоятельно удовлетворять нужды коттеджей. Принцип их действия основывается на перемещении наружного воздуха через щели в коллекторе, предусмотренные снаружи абсорбера, в результате потоки нагреваются, далее воздух через отверстия во внутреннем слое корпуса проникает в помещение. Нагревание абсорбера происходит благодаря окружающей температуре.
Достоинства варианта:
- отсутствие необходимости в профилактических работах,
- примитивная конструкция,
- длительный эксплуатационный ресурс.
Большие габариты являются существенным недостатком, также нужно принимать во внимание низкий КПД решения. Чтобы увеличить производительность, рекомендуется внедрить в схему подачи воздуха вентилятор. Но и в этом случае невозможно добиться 100% удовлетворения потребности дома в тепловой энергии.
Критерии выбора
Инженерный расчет базируется на следующих факторах:
- площадь и толщина стен дома, их географическая ориентированность,
- роза ветров,
- жилая и общая площадь строения,
- размещение жилых зон,
- климатические условия,
- тип внедренной сантехники,
- количество потребителей горячей воды.
Оптимальное решение – если солнечный нагреватель для воды будет способен обеспечить хотя бы 75% запросов жилого строения. Обычно для семьи из 3-4 человек приобретают плоский гелиоколлектор с рабочей площадью 5-6 кв. м или вакуумный в пределах 2,5-3,5 кв. м. Данный показатель увеличивается, если в доме есть бассейн.
Современные модели рассчитаны на создание не более 50% энергии для обогрева в холодные месяцы и до 80% потребностей в дежурном отоплении (поддержание минимальной температуры в период отсутствия владельцев). Чтобы микроклимат в доме всегда был комфортным, придется на 100-150% увеличить площадь солнечной системы, но даже при этом коллектор нагреет воду не сильнее 35-40°С. Поэтому его обычно используют в тандеме с низкотемпературным отоплением в виде теплых полов или специальных радиаторов.
Также следует учитывать фактор целесообразности: солнечный коллектор оправдает себя лишь в том случае, если коттедж находится в значительном отдалении от магистральных линий электро- и газоснабжения. Покупка и монтаж гелиоколлектора повлекут значительные финансовые траты, превышающие стоимость подключения к близлежащим сетям.
Особенности эксплуатации устройств
Существующие типы гелиоколлекторов способствуют использованию солнечной энергии круглогодично. Но производительности агрегатов будет достаточно для отопления дома только в периоды межсезонья. Зимой придется дополнительно воспользоваться традиционными источниками тепла (печами и котлами на жидком, твердом топливе, электричестве). Тем не менее, гелиоколлекторы помогут уменьшить расходы на энергоносители.
Устройства объединяются в группы в зависимости от потребностей.
Следует учитывать, что температура и объем горячего водоснабжения и отопления зависят от уровня потребления воды, погоды, то есть интенсивность нагрева будет каждый день разной.
В качестве теплоносителя специалисты рекомендуют использовать нетоксичные антифризы, позволяющие эксплуатировать оборудование в холодные месяцы, увеличить рабочий ресурс схемы.
Как собрать гелиоколлектор своими руками
Для самостоятельного изготовления солнечного коллектора могут пригодиться такие материалы, как оконные рамы, зеркала или медные трубы. Вне зависимости от технологии самоделки первым этапом всегда является определение оптимальных габаритов оборудования.
Расчет площади гелиоколлектора
Все вычисления можно свести к следующему алгоритму:
- Зафиксировать на бумаге количество потенциальных потребителей тепла и горячего водоснабжения.
- Рассчитать примерный объем горячей воды, который будет использован каждым жильцом.
- Полученные цифры будут равнозначны объему накопительного бака, который будет внедрен в систему.
Дальнейшие действия зависят от того, в северном или южном регионе расположено строение – в соответствии с этим выбирают угол наклона панелей. Также при расчете учитывают, что солнечная активность не является постоянной величиной: в пасмурные и облачные дни продуктивность гелиоколлектора будет ниже.
Вариация из плоских зеркал
Здесь нецелесообразно применение обычных стеклянных зеркал ввиду их тяжеловесности и хрупкости. Подойдут алюминиевые листы, прошедшие полировку, или тонкая, аналогично обработанная нержавейка. Каркас собирают из алюминиевого уголка (он легкий и достаточно прочный), также необходимо предусмотреть систему слежения за солнечной активностью на двигателе. Из уголка собирают решетку, с помощью болтов прикручивают зеркала. На штангах фиксируют теплообменник.
Коллектор с теплообменником из меди
В этом случае используются медные трубки, флюс, газовая горелка, свинцово-оловянный припой. Решение оптимально в том случае, когда крыша покрыта темной битумной черепицей или черным рубероидом – они служат абсорбером. Изготавливается рама, на которой фиксируется стекло, такой каркас создает свободное воздушное пространство между крышей и теплообменником.
На трубы наносится разметка, по которой нарезают куски, формируют отверстия. При соединении медных элементов их оснащают фитингами и заглушками. Теплообменник проверяют на отсутствие протечек и подключают к водопроводу. Конструкцию красят в черный и покрывают прозрачным защитным шифером.
Гелиоколлектор своими руками
Изделие из оконной рамы
Деревянная рама послужит корпусом для гелиоколлектора, в одной части вместо стекла его забивают фанерой. Конструкцию открывают книжкой и покрывают теплоизолятором слоем не менее 3 см, по периметру устанавливают утеплительную резинку. Изолятор накрывают оцинковкой, выкрашенной в черный, которая послужит абсорбером.
Сверху устанавливают с помощью хомутов змеевидный теплообменник. Далее изделие накрывают второй частью, в которой осталось стекло, и затягивают винтами. Чтобы увеличить КПД, изделие монтируют на крышу перпендикулярно падению солнечных лучей, со сменой времен года угол наклона регулярно меняют. Весной и осенью солнце не поднимается высоко, поэтому можно разместить раму вертикально.
Варианты подключения системы
Схемы монтажа бывают летними и зимними. Первая категория подразумевает использование коллектора для обеспечения горячего водоснабжения на основе естественной циркуляции. Это самая простая возможность подключения самодельного оборудования, оптимальная для летнего душа, но ее можно использовать и дома, если установить бак внутри. При естественной циркуляции горячая жидкость движется вверх, поэтому коллектор должен находиться ниже бака, расстояние между ними не должно превышать 1 м. Рабочие элементы объединяются с помощью труб с диаметром от ¾ дюйма.
Зимняя схема может быть использована для горячего водоснабжения, отопления или комбинированного решения. Теплообменники заполняют антифризом, в систему внедряют бак косвенного нагрева с медным змеевиком и утеплением. При обустройстве горячего водоснабжения применяют расширительный бак.