Виды солнечных нагревателей и их устройство

Принцип работы солнечного водонагревателя

Для начала, давайте, разберёмся с принципом работы солнечных водонагревателей. Функционирование такого устройства рассмотрим на примере фабричной модели вакуумного водонагревателя. Он без проблем подогревает воду зимой. Производительность зимой, конечно, ниже, чем в летнее время. Конструкция водонагревателя – это батарея, которая представляет собой несколько стеклянных трубок из кварцевого стекла. В каждой такой трубочке находится медная трубка, выкрашенная в чёрный цвет. В этих внутренних трубочках находится теплоноситель. В стеклянных трубках создан вакуум для того, чтобы не было потерь тепла из внутреннего контура. Кроме того, вакуум защищает батарею от воздействия окружающей среды. Все трубки соединяются с горизонтальным коллектором, по которому циркулирует теплоноситель. Вакуумные трубки поглощают солнечную энергию и отдают его воде.

Принцип работы солнечного водонагревателя

• Рабочая жидкость (в роли жидкости необязательно должна быть вода) под действием солнечных лучей испаряется, и пар поднимается в верхнюю часть стеклянной колбы;
• Пар контактирует через стенку с водой, которая циркулирует по коллектору. Пар отдаёт тепловую энергию, охлаждается и снова превращается в жидкость;
• Под действием силы тяжести, жидкость стекает вниз и так цикл замыкается;
• Коллектор водонагревателя соединяется с помощью трубопроводов с бойлером косвенного нагрева. Там уже подогревается вода, которая циркулирует в контуре отопления или водоснабжения. Теплоноситель циркулирует с помощью насоса.

Кварцевое стекло, из которого сделаны вакуумные трубки, пропускают ультрафиолетовые волны. Обычное стекло их задерживает. Благодаря пропусканию ультрафиолета солнечная энергия поглощается, когда пасмурно и в зимнее время года. Такую конструкцию в домашних условиях изготовить очень сложно.

О гелиосистеме

Солнечные водонагреватели применяются для повышения температуры воды и для отопительных систем. Они просто подключаются к действующим системам, и экономический эффект от них использования получается колоссальным – до 60%.

Такое техническое устройство работает просто:

1. Нагрев воды солнцем осуществляется в теплообменнике, расположенном в специально предназначенном аккумуляторном баке. Как правило, использование в одно время двух баков наиболее эффективно. Обычно их изготавливают из меди, так как теплопроводность этого металла имеет высокие показатели. Это позволяет использовать нагретую воду на бытовые нужды и в отопительной системе.
2. Конвекционным путем горячая года направляется вверх, а холодная остается внизу. При наличии  встроенной электроники можно обеспечить регулирование этих процессов и оперативно реагировать на все изменения в функционировании системы. Прямого контакта человека с этими функциями быть не может, потому что за всем можно наблюдать дистанционно.

Если погода пасмурная, то от солнечной энергии не будет вырабатываться нужное количество тепла, но продолжает функционировать система отопления. И, напротив, если на улице жара, то от солнца можно получить достаточное количество энергии. В этом случае в расширительном баке происходит перераспределение теплоносителя, ввиду расширения материала под воздействием высоких температур.

Расчёт мощности солнечного коллектора

По фактическим расходам считается, что для удовлетворения потребности одного человека в горячей воде требуется от двух до четырёх киловатт тепловой энергии.

Для примера произведём расчёт мощности для реальных условий Подмосковья.

Исходные данные:

1. Основываясь на данных, приведённых в таблице поступления солнечной энергии в различных регионах России, площадь поглощения составит 2,35 м2.
2. Показатель инсоляции для Подмосковья составляет 1173,7 киловатта в час с квадратного метра.
3. Коэффициент полезного действия коллекторов составляет 0,67–0,8. Целесообразно использовать первый показатель, характерный для самодельных конструкций и устаревших моделей.
4. Величина угла наклона будет использована оптимальная для региона. В первом приближении он должен быть равён величине географической широты места нахождения преобразователя.

Показатель инсоляции зависит от региона

Расчёт площади поглощения солнечной энергии для одной трубки, учитывая, что приведённая величина соответствует коллектору из 15 элементов: 2,35 м2 / 15 шт. = 0,15 м2. Соответственно, приведённая величина для 1 м2 составит: 1 / 0,15 = 6,67 (штук), то есть регистр коллектора указанной площади будет состоять из 7 трубок.

Рассчитываем тепловую мощность одной трубки, что позволит определить необходимое их количество для удовлетворения средней потребности в энергии. Получаемая от одного нагревателя мощность из расчёта потребления на день рассчитывается из соотношения: N = S * I * K, где:

• N — мощность одной трубки;
• S — площадь поглощения одной трубки;
• I — показатель величины инсоляции для Подмосковья;
• K — коэффициент полезного действия в минимальном размере.

N = 0,15 * 1173,7 * 0,67 = 117,95 киловатта в час на метр квадратный.

Средний показатель выработки энергии за сутки составит (с учётом продолжительности светового дня) для Подмосковья 0,325 киловатта в час. А годовая экономия с одного квадратного метра составит: 117,95 * 7 = 825,6 киловатта в час.

Таким образом, выработка тепловой энергии солнечным коллектором в 2,35 квадрата достигает 8 киловатт в день. Обратившись к началу, можно убедиться, что коллектор приведённой величины полностью отвечает потребностям в горячей воде для семьи из трёх человек.

Приведённая методика весьма условна, однако, как показывает практика, вполне достоверна для определения основных параметров коллектора.

Мощности одного коллектора достаточно для семьи из трёх человек

Как устроен солнечный водонагреватель (СВ)

Большинство солнечных нагревателей имеют схожий принцип работы и состоят из:

• Коллектора – обязательной детали, представляющей собой сеть трубок или шлангов. Диаметр трубок небольшой, поэтому и объём воды в них такой, чтобы успевать греться от солнечного тепла.
• Оборудования, создающего напор – вода может быть и центральной, тогда этот пункт не нужен. Или же можно использовать насос. Кроме того, некоторые модели используют естественное конвекционное движение или силу гравитации и обходятся без насоса.
• Трубопроводные элементы. Их число и наличие тоже зависят от модели нагревателя.
• В конструкции может также быть бак.

Для повышения эффективности устройства применяют следующие приёмы:

1. Коллектор наклоняют под углом, чтобы он улавливал больше солнечных лучей.
2. Под коллектор кладут материал чёрного цвета, чтобы он дополнительно грел воду в трубах.
3. Коллектор иногда «вставляют» в раму и накрывают стеклом или плёнкой. Это создаёт парниковый эффект и греет воду ещё сильнее!

Солнечный водонагреватель для отопления и горячего водоснабжения

Применять СВ можно для летнего душа, отопления, подогрева воды для бани, ванны и кухни.

Рекомендации по установке солнечных водонагревателей.

Количество тепловой энергии, которую вырабатывает солнечный водонагреватель зависит от многих факторов: от угла наклона относительно горизонтали и от ориентации установки к сторонам света (азимут).

Угол наклона — это угол между горизонталью и солнечной батареей. При установке на крыше угол наклона задается скатом кровли. Небольшое количество энергии воспринимается панелью водонагревателя при расположении его плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Так как угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости водонагревателя следует выполнять в соответствии с высотой солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.

Рекомендованный угол наклона для европейских стран 50-60º. Азимут описывает отклонение плоскости водонагревателя от направления на юг. Если плоскость солнечного водонагревателя ориентирована на юг, то азимут = 0°. Чем меньше отклонение от направления на юг, тем лучше. В идеале, необходимо учитывать режим потребления горячей воды: если воды больше потребляется утром, то лучше ориентироваться на юго-восток и т.д.

Устанавливайте солнечный водонагреватель и определяйте его размеры таким образом, чтобы воздействие дающее тень соседних зданий, деревьев, линий электропередач и т.п. было незначительным.

Важной частью гелиоустановок есть поддерживающая конструкция в виде рамы. С ее помощью вы обеспечите правильный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции от порывов ветра и других неблагоприятных воздействий окружающей среды и природы

Солнечный коллектор своими руками

Цены на солнечные коллекторы и сопутствующее оборудование заставляют владельцев домов изыскивать способы снижения расходов на обзаведение системами обогрева и ГВС. Наиболее экономичным вариантом считается самостоятельное изготовление коллектора и других элементов, способное снизить затраты во много раз при практически неизменном результате. Рассмотрим наиболее доступные варианты:

Материалы для изготовления

Для изготовления простой конструкции понадобятся:

• доски толщиной 30 мм и шириной 120 мм (для создания короба)
• лист фанеры, утеплитель, оцинкованная сталь (днище короба)
• 2 дюймовых трубы длиной 700 мм и 15 полудюймовых по 1600 мм. В дюймовых трубах необходимо просверлить соосные отверстия во одной линии, чтобы присоединить полудюймовые отрезки
• хомуты или металлические полоски для монтажа труб к днищу короба
• черная и белая краска для внутренних и наружных элементов коллектора
• лист стекла (оптимально — монолитного поликарбоната) для изготовления прозрачной крышки
• герметик для крышки и всех частей корпуса коллектора
• шурупы, гвозди, клей для короба
• сварочный аппарат, газовый или электрический
• линейка, рулетка
• электродрель, молоток, пассатижи, отвертка

Во время работы могут пригодиться и другие инструменты, перечислены только самые необходимые материалы и приспособления.

Монтаж батареи

Трубы свариваются между собой. По размерам собирается короб, днище которого тщательно утепляется и покрывается слоем оцинковки. Трубы укладываются на нее, тщательно прикрепляются с помощью хомутов или металлических полосок. Все внутренние элементы — стенки, днище, трубки — окрашиваются в черный цвет. Затем укладывается прозрачный лист поликарбоната или стекла и тщательно герметизируется, чтобы не было доступа наружного воздуха внутрь корпуса. Внешние части (кроме стекла) окрашиваются в белый цвет.

Кроме коллектора потребуются накопительная емкость, установленная выше коллектора, но не более 1 м, и аванкамера, выполняющая роль расширительного бака и параллельно с этим создающая избыточное давление в системе. Объем аванкамеры не превышает 40 л, она устанавливается выше накопительной емкости, но не более, чем на 0,8-1 м.

Все элементы собираются между собой. Присоединения производятся на сварку, или на соответствующие фитинги, имеющие собственные способы монтажа. Расположение коллектора в обязательном порядке выбирается таким образом, чтобы в период максимального падения солнечной энергии он находился повернут лицевой (фронтальной) плоскостью к солнцу под прямым углом.

Усиливаем эффект с помощью пластиковых бутылок

Если на полудюймовые трубки натянуть прозрачные пластиковые бутылки, эффективность нагрева заметно увеличится. Необходимо подобрать нужное количество бутылок, просверлить днища, снять крышки и одну за другой надеть на трубки. Они будут работать как термосы, создавая дополнительную отсечку от внешнего пространства и обеспечивая парниковый эффект в небольшом объеме. Как вариант, используют не стальные, а пластиковые трубы для полива, обязательно черного цвета. Этот способ позволит обойтись без сварки, а вода, циркулируя по шлангу, успеет хорошо прогреться и получить достаточно высокую температуру.

Монтаж солнечного коллектора

Оптимальным местом для установки системы является солнечная сторона дома. Коллектор устанавливается на основание, желательно как можно ближе к стенам дома. Накопительная емкость располагается внутри, за стеной, соединительные трубопроводы проводятся сквозь отверстия в стене. Сложность заключается в необходимости обеспечить правильные перепады высот и расстояния между узлами системы, чтобы исключить потери тепловой энергии при перемещении потоков. Если все величины удается обеспечить, то работа системы станет наиболее эффективной. Вода в накопительной емкости не будет остывать так быстро, как на улице, для чего можно ее дополнительно утеплить. Для разводки труб внутри дома понадобится меньшее количество трубопроводов, потери тепла снизятся до минимума.

Менее удачный вариант — установка накопительной емкости на улице. При этом температура воды будет быстро падать, снижая эффективность системы. Такой способ можно рассматривать только как временный, рассчитанный на пользование до тех пор, когда завершится монтаж системы, расположенной внутри дома.

Типы солнечных водонагревателей и их характеристики

Выделяют несколько принципиальных классификаций:

По типу циркуляции

1. Естественная – в этом случае циркуляция протекает благодаря физическим свойствам воды. Нагретая жидкость, как известно, имеет меньшую плотность, но увеличивается в объеме. На основе этого происходит ее перемещение по трубкам в самый верх. На освободившееся место поступает новая порция воды.
2. Принудительная – для того, чтобы происходила естественная циркуляция, резервуар необходимо размещать над коллектором. Но такая схема монтажа не всегда целесообразна, и ее можно воплотить в жизнь, особенно, если резервуар большого объема.

Солнечный коллектор с принудительной циркуляцией

В случае солнечного водонагревателя при естественной циркуляции коллектор размещают на скате крыши и тут же устанавливают резервуар. Если последний имеет большой объем, то такая нагрузка для кровли может стать критической. Решением будет размещение резервуара в подвальной части здания, тогда в этом случае применяют принудительную циркуляцию специальными насосами.

При таком способе циркуляции в качестве теплоносителя можно использовать масла. Способности к естественной циркуляции у них практически нет, но с функцией теплоносителя справляются отлично.

По типу коллектора

1. Панельный – наиболее простое исполнение. Трубки коллектора покрыты черной краской и установлены в панельном корпусе, который закрыт стеклом или прозрачным пластиком. Хотя конструкция очень простая, но и эффективность также небольшая, поскольку теплоноситель теряет часть тепла, находясь в коллекторе. Потери накопленного тепла могут быть значительными, потому что конструкция коллектора идентична радиатору. Такой тип солнечного коллектора подойдет для местности, где солнечное освещение регулярное или полученная подогретая вода будет использоваться как вспомогательная.
2. Вакуумный – в трубке находится теплоноситель. Сама же трубка помещена во внутрь вакуумной колбы, которая способна пропускать солнечное тепло.

Панельный тип водонагревателя

Такая конструкция практически полностью исключает потерю тепла, при этом водный теплоноситель нагревается до температуры кипения, а масляный – до 200-300 градусов, что дает возможность использовать полученное тепло для отопления здания. Закономерно, что такой коллектор дороже панельного, но полученный результат оправдает затраты.

По типу контура циркуляции

1. Разомкнутый – применяется для обеспечения горячей водой жилого помещения. Теплоносителем в этом случае выступает вода, которую используют для различных бытовых нужд и, соответственно, она уже не попадает обратно в контур.
2. Система с одним контуром – используют для отопления дома. Нагретый таким способом теплоноситель используют как добавку к теплоносителю, который подогрели традиционным методом. В этом случае нагретый теплоноситель переходит в отопительную систему, после которой опять переносится в приемный резервуар и в коллектор.
3. Двухконтурнаянагревательная система – самая универсальная. Есть возможность использования таковой для отопления зимой или для водоснабжения.

Двухконтурная система водоснабжения и отопления

Также можно выбрать один из возможных теплоносителей – вода, масло или антифриз. После коллектора теплоноситель проходит теплообменник, в котором происходит теплоотдача на второй контур. Второй используемый теплоноситель уже идет по назначению – для отопления или водоснабжения.

Как сделать водонагреватель своими руками?

Самостоятельное изготовление солнечного водонагревателя позволяет сэкономить некоторое количество денег и получить возможность бесплатного нагрева воды для любых нужд. Нет смысла использовать дорогостоящие материалы, поскольку результат будет зависеть не столько от их, сколько от тщательности и аккуратности сборки, а также от площади нагрева. Браться за изготовление вакуумных или конденсационных установок нецелесообразно, проще сделать самые доступные и надежные панели. Рассмотрим наиболее популярные и распространенные варианты самостоятельного изготовления солнечных водонагревателей:

Из поликарбоната

Поликарбонат — прозрачный листовой пластик. Для изготовления коллектора нужен сотовый материал, представляющий собой двойной лист, соединенный поперечными полосками. Вся плоскость представляет собой множество каналов, разделенных друг с другом, но имеющих выход наружу с торцовой части.

Для изготовления надо взять два листа одинакового размера. Один будет абсорбером, т.е. получать солнечное тепло и отдавать его воде. Второй — наружный защитный слой, обеспечивающий безопасность рабочей пластины и способствующий сохранению тепловой энергии. Для утепления используется пенопластовый лист такого же размера, который будет наклеен на заднюю сторону.

В качестве манифольда (распределителя) будет использоваться полипропиленовая труба. Для каждой панели нужно 2 таких трубы. В них надо сделать продольный пропил, длина которого точно равна ширине листов поликарбоната. В эти пропилы вставляются торцы рабочих пластин (оба), после чего тщательно герметизируются с помощью клеевого пистолета.

На диагонально противоположные торцы полипропиленовых трубок наклеиваются штуцеры, с помощью которых коллектор будет присоединяться к остальной системе. Свободные торцы плотно герметизируются заглушками. После высыхания клея коллектор наполняют водой и проверяют наличие утечек, которые сразу же устраняют. После этого панель можно присоединять к системе и вводить в эксплуатацию.

Из пластиковых бутылок

Коллектор из пластиковых бутылок — один из вариантов самодельного трубчатого водонагревателя. Собственно, бутылки служат только для теплоизоляции, основную функцию выполняют черные пластиковые трубки, торцы которых вставлены в средние патрубки ПВХ тройников. Эти тройники соединяются в одну линию, образуя коллектор, который можно впоследствии увеличивать до любого размера, просто присоединяя дополнительные трубки. У бутылок отрезают дно, одевают их на трубку одну за другой так, чтобы горлышко плотно входило в заднюю част.

Получается внешняя прозрачная труба, прикрывающая трубку и создающая эффект парника внутри. Когда по трубкам пропускается вода, она нагревается от солнечного тепла и направляется в систему для использования по назначению.

Варианты самодельных солнечных установок

Особенностью солнечных водонагревателей, построенных своими руками, является то, что практически все устройства имеют одинаковую конструкцию теплоизолированного короба. Часто каркас собирается из пиломатериалов и покрывается минеральной ватой и теплоотражающей плёнкой. Что же касается абсорбера, то для его производства используют металлические и пластиковые трубы, а также готовые узлы от ненужного бытового оборудования.

Из садового шланга

Сложенный улиткой садовый шланг или водопроводная ПВХ-труба имеет большую площадь поверхности, что позволяет использовать подобный контур в качестве водонагревателя для нужд летнего душа, кухни или подогрева бассейна. Разумеется, для этих целей лучше брать материалы чёрного цвета и обязательно использовать накопительную ёмкость, иначе в пик летней жары абсорбер будет перегреваться.

Плоский коллектор из садового шланга — простейший способ подогревать воду в бассейне

Из конденсатора старого холодильника

Внешний теплообменник отслужившего свой срок холодильника или морозильной камеры является готовым абсорбером гелиоколлектора. Всё, что остаётся сделать — дооборудовать его теплопоглощающим листом и установить в корпус. Конечно, производительность такой системы будет маленькой, но в тёплое время года водонагреватель из деталей холодильного оборудования перекроет потребности в горячей воде небольшого загородного дома или дачи.

Теплообменник старого холодильника представляет собой практически готовый абсорбер для небольшого гелионагревателя

Из плоского радиатора системы отопления

Изготовление гелиоколлектора из стального радиатора не потребует даже монтажа абсорбирующей пластины. Достаточно покрыть устройство чёрной жаростойкой краской и смонтировать его в герметичный кожух. Производительности одной установки с лихвой хватит для системы горячего водоснабжения. Если же сделать несколько водонагревателей, то можно сэкономить на отоплении дома в холодную солнечную погоду. К слову, собранная из радиаторов гелиоустановка обогреет подсобные помещения, гараж или теплицу.

Стальной радиатор системы отопления послужит основой для постройки экологичного водонагревателя

Из полипропиленовых или полиэтиленовых труб

Трубы из металлопластика, полиэтилена и полипропилена, а также фитинги и приспособления для их монтажа позволяют строить контуры гелиосистем любой площади и конфигурации. Такие установки обладают хорошей производительностью и используются для обогрева помещений и получения горячей воды на хозяйственные нужды (кухня, ванная и т. д.).

Достоинство гелиоколлектора из пластиковых труб — невысокая стоимость и простота монтажа

Из медных трубок

Абсорберы, построенные из медных пластин и трубок, обладают самой высокой теплоотдачей, поэтому с успехом применяются для подогрева теплоносителя отопительных систем и в горячем водоснабжении. К недостаткам коллекторов из меди относятся большие трудозатраты и стоимость материалов.

Применение медных труб и пластин для изготовления абсорбера гарантирует высокую производительность гелиоустановки

1 Сфера использования

Солнечный гелиоколлектор используется для нагрева воды в бассейнах, отопления помещений или горячего водоснабжения. Суть работы заключается в использовании энергии солнца для нагрева теплоносителя. Хотя солнце имеет разную интенсивность зимой и летом, обогрев воды таким способом возможен круглый год. Это и является предпосылками для использования такого способа.

К примеру, на один квадратный метр зимой нужно от 1 до 3 кВт/час вырабатываемого электричества, а летом этот показатель возрастает до 6−8 кВт/час. В северных регионах все показатели можно увеличивать на 30% и более. Даже в северных регионах гелионагреватели активно применяются и помогают решить проблему с подачей горячей воды, отопления и тому подобного. В южных регионах и средней полосе такие устройства полностью обеспечат дом горячей водой и теплом, конечно, имеется в виду большие агрегаты на несколько квадратных метров. Они могут полностью заменить бойлер.

К достоинствам системы можно отнести:

• большая надёжность;
• простая и понятная конструкция;
• довольно большой срок службы;
• простота монтажа;
• маленький вес;
• автономность работы;
• эффективность в эксплуатации;
• не нужно получать разрешения на установку от контролирующих органов;
• экономия на газе и электричестве.

Недостатками такой системы являются:

• высокая цена при покупке заводского оборудования;
• коэффициент полезного действия напрямую зависит от месторасположения и времени года;
• зависимость эффективности от солнечного света и облачности;
• несмотря на довольно высокую мощность панели подвержены градобитию;
• необходимость в установке теплоаккумулирующей ёмкости.