Принцип работы солнечного коллектора

Содержание:

• Что такое солнечный коллектор
• Принцип действия гелиосистемы
• Виды солнечных коллекторов
• Принцип действия плоского солнечного коллектора
• Принцип работы вакуумного солнечного коллектора
• Особенности применения солнечных коллекторов

Алгоритм функционирования солнечного коллектора основывается на трансформации энергии солнечного излучения в тепловую. Осуществляется это с помощью нагревающегося в коллекторе теплоносителя, который передает накопленную энергию в систему отопления или горячего водоснабжения. Обычно таким теплоносителям является вода, в некоторых случаях также используют антифриз.

Поэтому все более активно внедряются в эксплуатацию специальные устройства, позволяющие направлять солнечную энергию на решение практических задач. Одним из таких устройств является солнечный коллектор. Его можно эффективно использовать для целей отопления или получения горячей воды.

Чтобы правильно подобрать гелиосистему и максимально эффективно использовать ее возможности, нужно понимать принцип работы солнечного коллектора для отопления дома и горячего водоснабжения.

Что такое солнечный коллектор

Солнечный коллектор — это устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую для нагрева теплоносителя. Нагретая вода может применяться для отопления или для ГВС.

Устройство солнечного коллектора отличается сравнительной простотой. Его основным элементом является адсорбер — медная пластина, которая соединяется с трубопроводом для циркуляции воды в системе. Адсорбер покрывается специальным черным покрытием для максимально эффективного поглощения солнечных лучей. При нагреве медной пластины от солнца происходит нагревание и воды в трубе. После этого она подается в систему отопления или горячего водоснабжения.

Адсорбер для защиты от внешних воздействий покрывается закаленным стеклом. Качественные характеристики стекла оказывают большое влияние на эффективность солнечного коллектора для нагрева воды. Обычное стекло оказывается недостаточно прозрачным, что приводит к увеличению потерь энергии. Кроме того, эти потери растут также за счет его бликования, в результате которого часть солнечного света отражается. Чтобы повысить КПД гелиоколлектора, для его оснащения применяют специальное стекло, состав которого отличается уменьшенным содержанием железа, что делает его более прозрачным. Также используются антибликовые покрытия. В некоторых случаях вместо стекла может использоваться поликарбонат.

Для эффективной работы солнечного коллектора он выполняется в герметичном корпусе. Это дает возможность предотвратить попадание в пространство между стеклом и пластиной адсорбера влаги и пыли, рассеивающей солнечный свет. Также в это пространство может закачиваться инертный газ, что позволяет снизить переход тепла от медной пластины к стеклу.

Принцип действия гелиосистемы

Принцип работы солнечного коллектора для дома, коммерческого или офисного здания заключается в нагревании им воды для нужд отопления или ГВС. Циркуляция воды может быть естественной или принудительной.

При естественной вентиляции гелиоколлектор устанавливается ниже уровня буферного бака. Часто его устанавливают непосредственно на грунте. Такая система отличается малой производительностью, что не позволяет его использовать для нужд капитальных зданий. Обычно коллекторы с естественной циркуляцией применяют для обслуживания временных сооружений.

Наиболее распространены гелиосистемы с принудительной циркуляцией, в состав которых входят следующие виды оборудования:

• солнечный коллектор, который преобразует энергию солнечного излучения в тепло;
• система трубопровода, соединяющая гелиоколлектор с теплообменником;
• циркуляционный насос, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе;
• контроллер, обеспечивающий автоматическое управление работой оборудования.

Принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды предусматривает, что передача тепловой энергии от нагретого теплоносителя контуру ГВС или отопления осуществляется в теплообменнике. Его зачастую дополнительно оборудуют ТЭНом для подогрева теплоносителя в периоды, когда солнечной энергии недостаточно для достижения требуемой температуры.

Учитывая, как работает солнечный коллектор, особые требования предъявляются к параметрам теплоносителя. Это должна быть нетоксичная жидкость с высокой морозостойкостью, не испаряющаяся при высоких температурах. Обычно для этой цели используют водогликолевые растворы (40%).

Автоматика обеспечивает управление циркуляционным насосом и при необходимости включает дополнительный ТЭН. Это позволяет поддерживать требуемый нагрев теплоносителя для поддержания заданной температуры горячей воды или температуры внутри помещений.

Виды солнечных коллекторов

В зависимости от устройства и принципа работы солнечных коллекторов различают три основных вида этого оборудования:

• плоские гелиоколлекторы;
• трубчатые (вакуумные) гелиоколлекторы;
• коллекторы-концентраторы.

В российских условиях наиболее широкое применение получили плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов, помещенных в алюминиевый корпус:

• медная пластина адсорбера на всю площадь корпуса;
• защитное стекло или поликарбонат;
• змеевик из медных трубок, расположенный под адсорбером.

Работает солнечный коллектор для нагрева воды этого типа очень просто. Адсорбер нагревается от солнца и отдает тепловую энергию змеевику, по которому циркулирует теплоноситель.

Благодаря простой конструкции плоский коллектор стоит относительно недорого и не требует сложного обслуживания. Однако его недостатком является достаточно высокий уровень тепловых потерь. Для их снижения применяется теплоизоляция задней поверхности. Для этой цели чаще всего используется минеральная вата или другие эффективные утеплители. Однако полностью решить проблему не удается. Наиболее высокие потери тепла наблюдаются при значительной разнице температуры внутри корпуса и снаружи. Это делает плоские коллекторы малоэффективными в холодное время года.

Принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Трубчатый (вакуумный) солнечный коллектор отличается более сложным устройством. Он выполняется в виде панели, состоящей из множества небольших стеклянных трубок. Внутри каждой стеклянной трубки располагается пластина адсорбера, поглощающая солнечное излучение, к которой подведена медная труба с теплоносителем. Из каждой стеклянной трубки откачивается воздух. Благодаря вакуумированию сохраняется до 97% тепловой энергии.

За счет более сложного устройства вакуумный солнечный коллектор стоит дороже. В процессе эксплуатации приходится чаще выполнять очистку сегментов панели от загрязнений и снега зимой. Однако при этом оборудование эффективно работает в северных широтах. Вакуумный коллектор поддерживает достаточно высокий уровень КПД даже при температуре воздуха ниже -37 °C и в условиях недостаточной освещенности (при условии правильной установки под определенным углом).

Особенности применения солнечных коллекторов

Учитывая, как работает солнечный коллектор для нагрева воды, максимальная эффективность оборудования достигается при условии интенсивного солнечного излучения. Лучше всего гелиоколлекторы работают в южных широтах. Однако и в средней полосе они демонстрируют высокую эффективность. Их применение позволяет экономить до 60% энергии на отопление и горячее водоснабжение объектов. При благоприятных же погодных условиях солнечные коллекторы обеспечивают работу системы отопления и ГВС в автономном режиме.

Плоские солнечные коллекторы демонстрируют высокую эффективность в теплое время года. С наступлением осенних холодов их эффективность уменьшается, а зимой — снижается кардинально. Однако при этом они значительно дешевле вакуумных моделей и являются намного более простыми в обслуживании. Поэтому гелиоколлекторы плоского типа оптимально подходят для объектов, на которых необходимость в получении горячей воды существует в течение теплого сезона. В том числе их применяют на дачах, на туристических объектах, используют для подогрева воды в открытых бассейнах и т.д.

Трубчатые вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. В зимний период их эффективность снижается намного меньше, что дает возможность применять их в качестве источников тепловой энергии для отопления помещений.

Важным условием для высокой эффективности солнечного коллектора является его правильная установка. Располагать оборудование необходимо таким образом, чтобы на него не падала тень от соседних строений, деревьев и других объектов. Кроме того, панель должна быть ориентирована лицевой поверхностью в сторону юга. Если это невозможно реализовать технически, то нужно задать максимально приближенное к югу направление.

Таким образом, при условии правильного выбора и установки гелиоколлектора он поможет с максимальной эффективностью использовать солнечную энергию и сократить затраты на отопление и горячее водоснабжение.