Солнечный коллектор своими руками для нагрева воды и для отопления: пошаговая инструкция

Как работают солнечные коллекторы

Гелиоколлектор – это функциональная конструкция, используемая для получения энергии. Ее фоточувствительные элементы поглощают свет для нагрева жидкости или воздуха внутри трубок.

Принцип работы солнечного коллектора (СК): лучи солнца нагревают пластины черного цвета, и энергия аккумулируется для бытовых нужд. Способ ее получения – экологически чистый и экономичный.

Выделяют следующие виды бытовых коллекторов:

• плоские;
• вакуумные;
• воздушные.

Расскажем подробнее о каждом из этих типов ниже.

Плоские

Популярные и бюджетные по расценкам устройства. Состоят из плоскостной светочувствительной пластины, соединенной с теплопроводящими трубами, стеклянного покрытия, теплоизоляции и металлической рамы. Пластина поглощает солнечный свет и аккумулирует тепловую энергию, которая нагревает жидкость-теплоноситель. В отличие от других типов, теряют много поглощенного тепла. Неэффективны в пасмурную погоду. Повышенная влажность плохо сказывается на конструктивных деталях.

Вакуумные

Выделяют 2 типа вакуумных коллекторов: прямоточные и с косвенной передачей тепла. Первые применяются в теплое время года, вторые – всесезонно. В основе конструкции – вакуумная система трубок с металлическим стержнем внутри, в котором находится жидкость-теплоноситель. Такая установка работает по принципу термоса. Характеризуется оптимальным КПД.

Воздушные

По принципу работы похожи на плоские. Но в воздушных коллекторах в качестве теплоносителя используют воздух. Устанавливают для отопления домов. Прогретый воздух заполняет помещение при помощи воздуховодов и вентилятора.

Тип устройства выбирают, ориентируясь на цель использования. Конструкции подходят для дачных участков, коттеджей, деревенских домов и дуплексов.

Принцип работы современных гелиосистем

Понятие «солнечные коллекторы» объединяет в себе несколько вариантов конструкций для домашнего пользования, но схема работы принципиально не отличается. Все коллекторы, «питающиеся» от Солнца, оснащены системой трубок, которые в зависимости от конструкции оборудования, могут быть смонтированы в виде змеевика или последовательно подключены к выходной и входной магистрали. В самих трубках циркулирует жидкостный теплоноситель для гелиосистем — вода, масло или антифриз. Поглощение и последующая аккумуляция тепловой энергии от Солнца осуществляются абсорберами. В техническом плане конструкция достаточно проста. Высокая стоимость таких установок обусловлена использованием дорогих материалов.

Для внешней поверхности конструкции применяют износоустойчивые материалы, обладающие отличными светопропускными характеристиками — органическое стекло, полимерные составы и другие. Но поскольку полимерные «синтетики» не выдерживают продолжительного воздействия УФ-лучей (они имеют высокий коэффициент теплового расширения, что приводит к разгерметизации гелиосистемы), то в качестве альтернативного варианта производители используют каленое или органическое стекло. А сами трубки чаще всего изготавливают из боросиликатного стекла, которое характеризуется минимальным коэффициентом теплового расширения (в 8 раз меньше, по сравнению с кварцевым стеклом). Именно поэтому материал не трескается при резких колебаниях температуры.

Где устанавливать гелиоколлекторы

Основное условие для работы коллектора – открытое пространство, куда в любое время года свободно попадают прямые солнечные лучи. Устройство устанавливают на территориях частных домов, где нет тени от других построек и деревьев. Чаще светочувствительные пластины крепятся на крыше здания.

Распространенный способ – установка нескольких пластин, так называемых «геополей». Для монтажа подходят как скатные, так и плоские крыши. Из-за большого веса коллектора его закрепляют на несущих конструкциях – балках, стропилах и т. д.

Устройства устанавливают на балконах или горизонтальных поверхностях фасада. Чтобы оно работало эффективнее, светочувствительные элементы в России располагают строго на южной стороне. При их отклонении на запад или восток коэффициент поглощения солнечных лучей снизится.

Период окупаемости гелиосистемы

Понять, как быстро окупаются дорогостоящие солнечные коллекторы, поможет несложный расчет. Например, это будет плоское устройство площадью 2 «квадрата» суточной производительностью 6,4 кВт·ч тепла.

Когда главным источником тепловой энергии является электрокотел, то выработанный им киловатт-час обойдется в 5 рублей (согласно ценам 2022 года), а это означает, что ежесуточно экономия на электропитании при эксплуатации плоского устройства составит 6,4х5=32 рубля, а срок окупаемости при цене устройства 20 тысяч – 625 дней (20000:32=625).

Когда основной источник тепла – газовый агрегат, киловатт-час энергии будет стоить 0,7 рубля, а суточная экономия — 6,4х0,7 = 4,48 рубля. Период окупаемости увеличится до 4464 дней или 12 лет. Если учесть, что средний срок эксплуатации коллектора составляет не больше 15 лет, то можно сделать вывод, что в данном случае гелиосистема не окупится никогда.

Как рассчитать площадь коллектора

Площадь рабочей поверхности системы рассчитывают, учитывая ее вид и особенности расположения. Следует помнить, что КПД коллектора зависит от температурного режима и количества солнечной энергии.

Примерные значения для лета в России на 1 м²: до 160 кВт*ч в месяц, в остальное время – от 20 до 80 кВт*ч.

Для горячего водоснабжения потребуется приблизительно 100*1,16*30=3,48 кВт*ч. При этом 1,16 Вт*ч – это та энергия, которая понадобится для нагрева 1 кг воды на 1 °C.

Для регулирования выработки энергии в жаркую погоду используют тепловые насосы. Также летом конструкции накрывают плотным тентом, если генерируют много энергии. План установки и площадь светочувствительных элементов определяются индивидуально.

Классификация по температурному режиму

Солнечное оборудование для дома часто классифицируют по типу теплоносителя. Сегодня на мировом рынке можно встретить жидкостные и воздушные системы. Кроме этого, коллекторы разделяют по температурному режиму работы, то есть применяется классификация по максимальной температуре нагрева рабочих элементов. Выделяют следующие типы систем:

• низкотемпературные — теплоноситель для солнечных коллекторов разогревается до 50℃;
• среднетемпературные — температура циркулирующей жидкости не превышает 80℃;
• высокотемпературные — максимальная температура материала-теплоносителя может подниматься до 300 градусов.

Первые два варианта больше всего пригодны для домашнего использования, тогда как модели коллекторов с высокотемпературным режимом работы чаще применяют в производственной и промышленной отрасли хозяйства. Это обусловлено тем, что в высокотемпературных системах нагрева воды сам процесс трансформации солнечной энергии в тепло достаточно сложный. При этом такие гелиоустановки занимают большие площади. Не каждый собственник «дачной» недвижимости может позволить себе подобную роскошь.

Каким должен быть угол наклона коллектора

Угол установки плоского солнечного коллектора зависит от следующих факторов:

1. Регион проживания. Для южных регионов – 30-35°, для средней полосы – от 40°.
2. Время года, когда планируется использовать установку (летний или зимний сезон, круглогодично). Для всесезонного применения выбирают угол, которые примерно равен географической широте региона. Летом это значение уменьшают на 15°. Зимой, наоборот, увеличивают.
3. Климатические условия и количество осадков. Если гелиосистема используется в зимой, угол наклона делают крутым, чтобы снег не скапливался на ее поверхности.

В сопроводительной инструкции производитель указывает оптимальные показатели угла наклона для каждого солнечного нагревателя. Соблюдение всех условий для определения значений углового наклона способствует максимально эффективной работе оборудования.

Немного из использование систем на практике

Решил добавить этот раздел так как появились данные реального использования. Мой хороший знакомый установил ее 3 года назад (Украина, Киевская область).

Используется гелиосистема для отопления дома 100 кв м и горячей воды на 6 человек. Расходы на газ составляли для отопления и горячей воды 33 400 грн

в год. Было принято решение приобрести солнечный коллектор.

В комплекте собраны 6 плоских коллекторов и накопительный бак на 1000 литров. Результат:

• — 100%
  в течение 6 «теплых» месяцев по нагрузке на ГВС (температура 55 градусов),
• — 50%
  в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на ГВС,
• — 25%
  в течение 6 «холодных» месяцев по нагрузке на отопление в поддерживающем режиме.

Итоговая сумма экономии за год составила 11 300 грн

(в пересчете на рубли сумму нужно умножить на 2.2).

Вся система стояла 94000 грн

. При такой стоимости газа она окупится за 8.4 года. Производители дают гарантию 15 лет, так что 7 лет минимум будет идти чистая прибыль.

Эффективность системы можно было значительно увеличить, купив вакуумные модели. Также, низкотемпературные системы отопления, такие как теплые полы, которые работают на температуре 30-40 градусов, будут более производительные.

Необходимые инструменты и материалы для монтажа солнечного коллектора

Установка солнечных коллекторов осуществляется под открытым небом. Следовательно, сама конструкция, трубопроводная система и все вспомогательные крепления со временем подвергаются разрушающему воздействию окружающей среды. На них могут появиться коррозии и деформации. Поэтому для установки используют только нержавеющие материалы.

Для монтажа солнечного коллектора используют следующие вспомогательные инструменты:

• кран или подъемник;
• строительные леса;
• кровельная лестница;
• страховочное оборудование – жилет, трос и т. д.;
• строительный уровень;
• вакуумный захват;
• изоляционный материал для труб.

От качества установки зависит надежность, эффективность и долговечность оборудования.

Изготовление устройств своими руками

Можно обустроить горячее водоснабжение и отопление при помощи солнечных коллекторов, сделанных собственноручно. Их простейшая конструкция будет состоять из полиэтиленовой трубы для водоснабжения, уложенной в форме спирали, которую помещают в деревянную раму и накрывают пленкой из полиэтилена.

Но такой самодельный коллектор имеет недостатки:

• небольшой КПД по причине того, что теплообменник не имеет контакта по всей площади подложки, в результате чего много тепла тратится бесполезно;
• энергозависимость;
• недостаточная защищенность от воздействия ветра и механических повреждений.

Если имеется желание собрать прибор, который прослужит продолжительное время и обеспечит отопление дома солнечными коллекторами зимой, можно воспользоваться пошаговой инструкцией:

1. Каналы для нагретой жидкости сваривают с нижним и верхним коллектором. Для этого желательно применять профильную трубную продукцию, имеющую размер от 20 х 20 миллиметров – она за счет плоской кромки способна обеспечить тепловой контакт с подложкой абсорбера. К коллекторам приваривают патрубки с резьбой 1/2-3/4 дюйма, предназначенные для вывода жидкости.
2. К трубкам методом сварки прикрепляют подложку из стального 3-миллиметрового стального листа. Промежуток между прихватками не должен превышать 20 сантиметров. Такое расстояние позволяет исключить прогиб листа и избежать нарушения контакта с трубками.
3. Вокруг абсорбера сооружают деревянную раму. Между листом абсорбера и краями рамки оставляют зазоры, необходимые для установки стекла и укладки теплоизоляционного материала. Древесину нужно предварительно обработать антисептиком.
4. В раме просверливают отверстия под патрубки, выводящие теплоноситель.
5. Абсорбер утепляют минватой с тыльной стороны. Потом теплоизоляционный материал зашивают досками, листами фанеры или ОСП.
6. Далее абсорбер окрашивают черной кремнийорганической жароустойчивой краской, поскольку обычные красящие составы для наружного использования в данных условиях эксплуатации начинают шелушиться. Кромки рамы после этого проклеивают резиновым оконным уплотнителем и накрывают обычным 4-миллиметровым стеклом. Если остекление формируется из нескольких листов, тогда нужно герметизировать стыки при помощи силиконового герметика.
7. Стекло прижимают к раме, используя алюминиевый или оцинкованный уголок, заранее проклеив его фронтальную сторону уплотнителем для окон.

Схемы подключения солнечного коллектора

При установке солнечного водонагревателя или системы отопления к устройству обязательно подключают накопительный бак. Он нужен из-за непропорционального расхода энергии и распределения генерируемого тепла. Со временем бак заполняется водой, которой владельцы системы используют по своему усмотрению.

Рекомендуется устанавливать стандартный бойлер или буферную емкость. Рационально построенная конструкция представляет собой соединение коллектора с теплопроводником, который сообщается с бойлером.

Для отопления дома

В северо-восточных регионах России осенью и зимой отсутствует максимальная солнечная активность. Гелиоустановки используются в качестве вспомогательного энергоисточника для подогрева. Схема подключения представлена на рисунке ниже.

Солнечный коллектор подключают к водопроводу и циркулярному насосу. Энергию используют для косвенного нагрева помещения.

Для горячего водоснабжения

Существует 2 варианта использования: для лета и зимы.

Первый подходит для дачников. Они нагревают воду только летом. Поэтому такая установка имеет минимальную инерционность. Нужно установить солнечный коллектор ниже уровня бака-накопителя, чтобы вода циркулировала естественным путем.

Зимой в качестве жидкости-теплоносителя используют антифриз, который вливают в аккумулирующую емкость со змеевиком. За счет его непрерывной циркуляции вода постоянно нагревается до оптимальной температуры.

Отопление + ГВС

Суть схемы подключения – объединение процессов отопления и ГВС. Применяется двухконтурная теплоаккумулирующая емкость с внутренним резервуаром. Это помогает отделить техническую воду от питьевой. Для автоматизации включают в схему контроллер СК для предупреждения перерасхода.

Для подогрева бассейна

Для прогрева переносного или стационарного бассейна используют погружную помпу. Ее можно заменить на автоматизированную насосную станцию, которая будет осуществлять циркуляцию холодной воды из бассейна, а нагретой – из СК.

Назначение

Солнечные коллекторы предназначены для улавливания энергии солнца. Принцип их действия достаточно прост. Он заключается в том, что поступающее излучение нагревает теплоноситель. Посмотрев на фото солнечных коллекторов можно увидеть, что все они имеют внешнее сходство. Они состоят из панелей с трубками, которые под действием солнца нагреваются.

Полученное тепло может использоваться для нагрева воды в хозяйственных нуждах или для отопления помещений. Нагретый теплоноситель поступает в накопительный бак. В нем может быть установлен дополнительный нагреватель, который повышает температуру теплоносителя до необходимого значения при недостаточной интенсивности солнечного излучения.

Нагрев может быть осуществлен с помощью электронагревателя или с использованием более совершенного теплового насоса. Кроме того, этот аппарат может передавать тепло в систему отопления, дополняя её с целью экономии.

Использование коллекторов позволяет или полностью отказаться от нагревательных приборов или существенно сократить их использование и дать дополнительную экономию электроэнергии или газа.

Монтаж и стоимость подключения гелиоколлектора специалистами

Установка солнечных коллекторов – дело трудоемкое. Если есть опыт в подобных работах, то можно сделать монтаж самостоятельно.

Перед установкой рекомендуется изучить инструкцию, почитать информацию на специализированных форумах. Монтаж популярных СК “Солтек” и Solar Fox можно посмотреть в специальном видео-инструктаже.

Монтаж солнечного коллектора и подключение его к водоснабжению можно заказать сертифицированным фирмам. Цена установки зависит от региона, минимальная сумма – 12 000 р. В смету входят наружные и внутренние работы.

Применение коллекторов для частичного или полного отопления и снабжения горячей водой – рациональное решение. Это экологически чистый и доступный способ получения энергии, который поможет сэкономить на оплате коммунальных услуг.

Особенности, на которые стоит обратить внимание при выборе коллектора

Показатель передачи лучистой солнечной энергии солнца в тепловую энергию теплоносителя в вакуумном солнечном коллекторе напрямую зависит от величины трубок этого устройства. Если вакуумная трубка коллектора будет короткая и тонкая, то она не сможет достаточно эффективно аккумулировать вакуумную энергию. Обычно для комплектации вакуумных солнечных коллекторов используются трубки длиной до 2 метров с диаметром около 6 сантиметров. Внутри вакуумной трубки может монтироваться простая прямая или изогнутая U-образная трубка для более эффективного сбора тепла.

Отопление воздушной гелиосистемой

Установка подогрева воздуха делается аналогичным образом, только теплообменник выполняется из труб большего диаметра, а нагнетание обеспечивает вентилятор. Приемник излучения умельцы изготавливают из таких материалов:

• алюминиевая гофра для вентиляции;
• пластиковые бутылки, вставленные одна в другую;
• пивные банки с вырезанным дном.

В коробе выполняется 2 отверстия под воздушные трубы, внутри прокладывается мелкая сетка, исключающая попадание насекомых. Вентилятор – кулер от компьютера – устанавливается на одном из отверстий, теплообменная часть окрашивается в черный цвет. Подводящие трубы утепляются и прокладываются в обогреваемое помещение. Алгоритм сборки воздушного коллектора показан в видеосюжете:

Минусы системы

• Зависимость эффективности работы от угла установки
  . Лучше расположить коллектор под прямым углом к солнечным лучам, поэтому желательно ориентировать его на юг. При невозможности такой установки, если дом уже построен, не отклоняйте конструкцию более чем на 45° к востоку или к западу. Располагайте ее с наклоном 30–45°. Кроме того, на коллектор не должна падать тень от соседних зданий или от высоких деревьев.

Рекомендация! Желательно продумать расположение солнечного коллектора еще на стадии проекта. Это позволит эффективно сориентировать коллектор и заранее предусмотреть усиление стоек крыши и места для вывода соединяющихся с ним трубок.

• Сложность монтажа
  . Жесткость крепления конструкции к дому должна быть достаточной, чтобы выдерживать порывы ветра. При установке коллектора крыша не должна протекать из-за негерметичных соединений.

Качественная теплоизоляция мест входа трубок в дом не даст им промерзнуть в этих местах. Но при этом утеплитель необходимо хорошо укрыть – крупные птицы, например, вороны, расклевывают его.

• Невозможность использования как единственного источника отопления. В осенне-зимний период, когда и включается отопление в доме, дни короткие, и облачных дней намного больше, чем солнечных.

Эксперты разделяют бытовые солнечные коллекторы на плоские и вакуумные Источник remstrdom.ru
Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на отоплении.