За последнее десятилетие солнечная энергия всё чаще применяется как альтернативный источник энергии для отопления и нагрева воды в зданиях. Причиной этому служит стремление заменить традиционные виды топлива доступными, экологически чистыми и возобновляемыми ресурсами.
Преобразование солнечной энергии в тепловую реализуется в гелиосистемах. Конструкция и принцип действия модуля определяют сферу его применения. Материал рассматривает виды солнечных коллекторов и их работу, а также попурные модели солнечных модулей.
Целесообразность использования гелиосистемы
Гелиосистема предназначена для переработки солнечного излучения в тепловую энергию, которую затем подают в теплообменник для нагрева воды системы отопления или водоснабжения.
Производительность гелиотермической системы зависит от солнечной радиации — количества энергии, которое попадает за световой день на 1 кв. метр поверхности, ориентированной под углом 90° к направлению солнечных лучей. Единица измерения показателя — кВт*ч/кв.м, значение параметра изменяется в зависимости от времени года.

Средний уровень солнечного излучения в регионе с умеренно-континентальным климатом составляет 1000-1200 кВт*ч/кв.м в год. Солнечная активность – ключевой фактор при определении производительности гелиосистемы.
Установка солнечной тепловой системы — затратное начинание. Для окупаемости вложений требуется точное проектирование и аккуратный монтаж.
Пример. Среднесуточная солнечная инсоляция в Туле летом составляет 4,67 кВ/кв.м*день при наклоне панели под углом 50°. Производительность гелиоколлектора площадью 5 кв.м равна 18,68 кВт теплоэнергии за день (4,67*4). Эта энергия позволяет нагреть 500 л воды с температуры 17 °С до 45 °С.
При определении целесообразности использования новых технологий необходимо учитывать технические характеристики каждого гелиоколлектора. Некоторые модели запускают работу при мощности в 80 ватт на квадратный метр солнечной энергии, другие же функционируют с меньшей мощностью — 20 ватт на квадратный метр.
В даже в условиях южного климата установка коллекторной системы только для отопления окупется не полностью. При использовании системы только зимой, когда солнце слабое, стоимость оборудования не возместится даже через 15-20 лет.
Для эффективного использования гелиокомплекса его следует интегрировать с системой горячего водоснабжения. Даже в зимний период гелиолектор способен снизить расходы на энергоносители для нагрева воды на 40-50%.
Помимо экономических выгод, солнечный обогрев обладает и другими преимуществами.
- Экологичность. Выбросы углекислого газа уменьшаются. За год один квадратный метр гелиоколлектора задерживает 350-730 килограммов выбросов в атмосферу.
- Эстетичность. В ограниченном пространстве ванной комнаты или кухни удаётся освободиться от габаритных водонагревателей и газовых колонок.
- Долговечность. Изготовители заявляют, что при правильном монтаже комплекс проработает 25-30 лет. Несколько компаний дают гарантию на срок до трех лет.
Солнечная энергия имеет такие минусы, как ярко выраженная сезонность, погодно-зависимость и большие начальные затраты.
Общее устройство и принцип действия
Рассмотрим вариант гелиосистемы с коллектором в качестве основного рабочего элемента системы. Агрегат внешне напоминает металлический ящик, лицевая сторона которого изготовлена из закаленного стекла. Внутри размещен рабочий орган – змеевик с абсорбером.
Теплопоглощающий блок нагревает теплоноситель, циркулирующую жидкость, которая доставляет тепло в контур водоснабжения.
Гелиоколлектор функционирует совместно с накопительным баком. Из-за того, что теплоноситель нагревается до 90-130°С, его нельзя подавать сразу в краны горячего водоснабжения или радиаторы отопления. Теплоноситель направляется в теплообменник бойлера. Баки часто оснащаются электрическим нагревателем.
Схема работы:
- Солнце нагревает поверхность коллектора.
- Тепловая энергия переносится посредством излучения на поглощающий элемент, содержащий рабочую жидкость.
- По трубкам змеевика движется теплоноситель, который нагревается.
- Насосы, блок управления и контроля направляют теплоноситель по трубам к змеевику накопительного бака.
- В бойлере происходит нагрев воды.
- Теплоноситель, отдав тепло, возвращается в коллектор, и процесс начинается заново.
Горячая вода из водонагревателя поступает в систему отопления или к точкам раздачи воды.
Частные дома часто применяют солнечные батареи как запасной источник электричества.
Помимо занимаемой территории величина мощности системы также коррелирует с погодными условиями, что является ее недостатком.
Разновидности солнечных коллекторов
При всех различиях назначений, гелиосистему составляют трубки-гелиоколлекторы: плоскости или формы шара. Каждое исполнение обладает собственными нюансами в технике и работоспособности.
Вакуумный – для холодного и умеренного климата
Вакуумный гелиоколлектор похож на термос: внутри колб большего диаметра расположены узкие трубки с теплоносителем. Между сосудами создаётся вакуум, который сохраняет тепло до 95%. Трубчатая форма хорошо удерживает вакуум и позволяет эффективно поглощать солнечный свет.
Внутренняя трубка, заполненная солевым раствором с низкой температурой кипения (24-25 °С), нагревается. Жидкость при этом испаряется, пары поднимаются вверх по колбе и нагревают теплоноситель, движущийся в корпусе коллектора.
Во время конденсации капли воды скатываются в наконечник трубки, и это происходит снова и снова.
Внутри тепловой колбы вакуумная прослойка позволяет жидкости закипать и испаряться даже при отрицательных наружных температурах (до -35 °С).
Параметры солнечных модулей определяются следующими факторами.
- конструкция трубки – перьевая, коаксиальная;
- устройство теплового канала – «Heat pipe», прямоточная циркуляция.
Перьевая колба Внутри стеклянной трубки находится пластинчатый абсорбер и тепловой канал. Между ними протянулась вакуумная прослойка.
Коаксиальная трубка Это термотрубка с двумя стенками, разделенными вакуумом. Тепло передается от внутренней стороны трубки. На конце термотрубки установлен индикатор вакуума.
Канал с тепловым трубкой – самый популярный способ теплоотдачи в гелиоколлекторах.
Работа механизма строится на применении быстро испаряющейся жидкости, помещенной в герметичные металлические трубки.
Прямоточный канал Металлические трубки, образующие U-образную дугу, идут через стеклянную колбу параллельно друг другу.
Поток теплоносителя, проходя через канал, нагревается и поступает к корпусу коллектора.
Трубки коаксиальные и перьевые способны к различным комбинациям с тепловыми каналами.
Вариант 1. Коаксиальная колба с «Heat pipe» — наиболее распространенное решение. В коллекторе многократно происходит передача тепла от стенок стеклянной трубки вовнутрь колбы, а затем к теплоносителю. Уровень оптического КПД достигает 65%.
Вариант 2. Коаксиальная колба с прямым потоком теплоносителя получила название «U-образного коллектора». Такая конструкция снижает теплопотери, так как тепло от алюминия переходит в трубки с текущим теплоносителем.
Кроме высокого КПД (до 75%), модель обладает недостатками.
- Установка сложная, так как колбы нераздельно связаны с двухо tuboвым корпусом коллектора.
- исключена замена одиночных трубок.
Кроме того, агрегат У-образной формы предъявляет высокие требования к теплоносителю и стоит дороже моделей с тепловыми трубами.
Вариант 3. Трубка с нагревательным элементом типа «Heat pipe». Характеристики коллектора:
- высокие оптические характеристики – КПД около 77%;
- Плоский абсорбер направляет тепловую энергию непосредственно в трубку с теплоносителем.
- Применение одного слоя стекла уменьшает отражение солнечных лучей.
Повреждённый элемент можно заменить, не сбрасывая теплоноситель из солнечной системы.
Вариант 4. Перьевая солнечная колба прямоточного действия — эффективный способ использовать солнечную энергию для нагрева воды или отопления дома. Коллектор с КПД 80% показывает высокую производительность. Сложности возникают при ремонте такой системы.
Трубчатые коллекторы обладают следующими преимуществами, независимо от способа изготовления.
- работоспособность при низкой температуре;
- низкие тепловые потери;
- длительность функционирования в течение суток;
- Возможность нагревания теплоносителя до значительных температур.
- невысокая парусность;
- простота установки.
Главный недостаток вакуумных моделей – отсутствие возможности самостоятельного очищения от снега. Вакуумная прослойка препятствует теплоотдаче наружу, из-за чего снег не тает и перекрывает солнечный свет колбочному полю. К минусам также относятся высокая стоимость и обязательное соблюдение угла наклона колб не менее 20°.
Для подогрева воды можно применять коллекторные солнечные установки, нагревающие воздух, если к ним подключен бак для хранения.
Узнайте подробнее о принципах функционирования вакуумных солнечных коллекторов с трубками. далее.
Водяной подходит наилучшим образом для южных областей.
Плоский гелиоколлектор — прямоугольная алюминиевая пластина с крышкой из пластика или стекла. Внутри корпуса находится абсорбционное поле, металлический змеевик и слой теплоизоляции. Трубопровод для теплоносителя заполняет всю площадь коллектора.
Впитывающее покрытие с высокой степенью селективности поглощает до 90% тепла. Металлический трубопровод, используемый для подачи жидкости, располагается между абсорбирующим покрытием и теплоизоляцией. Для укладки трубок применяются две схемы: «арфа» и «меандр».
Сборка солнечных коллекторов, предназначенных для нагревания жидкости, осуществляется поэтапно и включает в себя обычные процедуры.
При присоединении санитарного водоснабжения к ГВС и установке солнечного коллектора целесообразно подключить теплоаккумулятор. В качестве простого варианта можно использовать бак с подходящей емкостью и теплоизоляцией, способный поддерживать температуру нагреваемой воды. Установка его должна быть произведена на эстакаду.
Коллектор с жидкостью нагревается под действием солнца подобно теплице: лучи проходят сквозь стекло и разогревают трубы. Герметичность и теплоизоляция предотвращают потерю тепла из панели.
Надежность солнечного модуля зависит от материала, из которого изготовлена защитная крышка.
- обычное стекло – самое дешевое и хрупкое покрытие;
- закаленное стекло – большой угол преломления света и повышенная стойкость.
- антирефлексное стекло По сравнению с другими материалами обладает наибольшей способностью поглощать солнечный свет (95%), благодаря специальному слою, который препятствует отражению лучей.
- самоочищающееся (полярное) стекло Благодаря диоксиду титана органические загрязнения испаряются под солнечными лучами, а остатки мусора размывает дождь.
Самым ударопрочным материалом является поликарбонатное стекло. Его используют в высококлассных моделях.
Эксплуатационно-функциональные особенности панельных гелиоустановок:
- В системах принудительной циркуляции есть функция оттаивания для быстрого удаления снега с гелиопола.
- Призма способна ловить большое количество лучей под различными углами – летом производительность системы составляет 78-80%.
- Коллектор способен противостоять перегреву за счет возможности принудительного охлаждения теплоносителя при излишне высоком уровне тепловой энергии.
- Эти изделия отличаются большей прочностью к ударным нагрузкам по сравнению с трубами.
- возможность монтажа под любым углом;
- доступная ценовая политика.
Гелиоколлекторы имеют определённые ограничения. Во время недостатка солнечного света, при возрастании разницы температур эффективность плоского гелиоколлектора заметно снижается из-за несовершенства теплоизоляции. Потому модуль эффективен в летние месяцы или в регионах с благоприятным климатом.
Гелиосистемы: особенности конструкции и эксплуатации
Гелиосистемы различают по ряду параметров: способу использования солнечной радиации, циркуляции теплоносителя, числу контуров и срокам работы.
Активный и пассивный комплекс
В любой солнечной системе для получения энергии предназначен гелиоприемник. По назначению получаемого тепла выделяют два вида гелиокомплексов: пассивные и активные.
Первое решение – солнечное отопление, в котором тепло поглощается элементами конструкции здания. В качестве поверхности для сбора солнечного тепла выступает крыша, настенный коллектор или окна.
В странах Европы для строительства экономичных домов применяются пассивные технологии. Солнечные поверхности выглядят как ложные окна. Под стеклом — черная кирпичная стена с проёмами.
Стенами и перекрытиями, снабжёнными наружным слоем полистирола, служат теплоаккумуляторы.
Активные системы используют автономные устройства, которые не являются частью объекта.
Термосифонные и циркуляционные системы
Работа гелиотермического оборудования, где теплоноситель циркулирует по контуру коллектор-аккумулятор-коллектор естественным образом, основана на конвекции: горячая жидкость с малой плотностью поднимается вверх, а охлажденная – стекает вниз.
В термосифонных системах бак располагается над коллектором, что позволяет теплоносителю двигаться без внешнего принуждения.
Безнапорная гелиосистема обладает множеством недостатков.
- В пасмурные дни эффективность комплекса снижается, поскольку для перемещения теплоносителя необходима большая разность температур.
- Потери тепла из-за медленной циркуляции жидкости.
- Возможен перегрев бака из-за неконтролируемого нагрева.
- нестабильность работы коллектора;
- Установка аккумулятора на крышу здания усугубляет тепловые потери, ускоряет коррозию и создаёт угрозу замерзания трубопроводов.
Система обладает простой конструкцией и является доступной по цене.
Вложения в создание принудительной гелиосистемы больших, чем в установку системы без давления.
Для работы такого комплекса используется насос, отвечающий за движение теплоносителя. Насосная станция подчиняется контроллеру.
В круглогодичных двухконтурных гелиотермических установках используется этот способ циркуляции.
Плюсы полнофункционального комплекса:
- Безограничный выбор места для установки накопительного бака.
- работоспособность вне сезона;
- выбор оптимального режима нагрева;
- безопасность – блокировка работы при перегреве.
Недостаток системы – зависимость от электроэнергии.
Варианты технических решений схем: одно- и двухконтурные.
В системах с одним контуром жидкость циркулирует и подаётся к точкам водозабора. Зимой её нужно сливать из системы, чтобы избежать замерзания и разрушения труб.
Особенности одноконтурных гелиотермических комплексов:
- Для работы системы рекомендуется использовать очищенную мягкую воду. Накопление солей на внутренних поверхностях труб может вызвать их забивку и поломку коллектора.
- Разрушение от высокого содержания кислорода в воде.
- Срок эксплуатации не превышает четырёх-пяти лет.
- высокий КПД летом.
В двухконтурных гелиокомплексах незамерзающая жидкость с противовспенивающими и антикоррозийными добавками передает тепло воде через теплообменник.
Особенности использования двухконтурных модулей: утилизация энергии понижается на 3-5 процентов по сравнению с одноконтурными установками, требуется полная замена теплоносителя раз в семь лет.
Условия для работы и повышения эффективности
Установка гелиосистемы должна быть поручена специалистам, чтобы гарантировать её исправную работу и достижение заявленной производительности. Для повышения эффективности и срока службы системы стоит учитывать определённые детали.
Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент Редко устанавливается, потому что температуру регулирует теплогенератор. Но при монтаже солнечной системы защитный клапан не стоит игнорировать.
Для эффективной работы клапан следует располагать на расстоянии 60 см от нагревательного элемента. Вблизи нагревателя термостат перегревается и прерывает подачу горячей воды.
Размещение бака-аккумулятора. Буферную емкость горячего водоснабжения следует располагать там, где к ней будет легко добраться. В случае установки в маленьком помещении важно обратить внимание на высоту потолков.
Установка расширительного бака. Этот элемент сглаживает влияние температурных изменений во время простоя.
Расположение бака над насосным оборудованием может привести к перегреву мембраны и ускоренному её разрушению.
Подсоединение гелиоконтура. Подсоединяя трубы, следует предусмотреть петлю, которая уменьшает потерю тепла, не позволяя прогретой жидкости выйти наружу.
Обратный клапан предотвращает обратное движение теплоносителя. При уменьшении солнечной активности… обратный клапан Удерживает тепло, собранное днем.
Популярные модели «солнечных» модулей
Популярностью пользуются гелиосистемы от российских и иностранных компаний. Хорошо зарекомендовали себя изделия производителей НПО Машиностроения, Гелион, Ariston, Альтен, Viessman и Amcor.
Гелиосистема «Сокол»: плоский гелиоколлектор с многослойным оптическим покрытием, которое включает магнитронное напыление. Благодаря минимальной способности излучения и высокому уровню поглощения КПД достигает 80%.
Эксплуатационные характеристики:
- рабочая температура – до -21 °С;
- обратное излучение тепла – 3-5%;
- верхний слой – закаленное стекло (4 мм).
Коллектор СВК-А (Альтен) — вакуумная гелиоустановка с площадью абсорбции от 0,8 до 2,41 квадратных метров (в зависимости от модели). Теплоноситель – пропиленгликоль. Теплоизоляция медного теплообменника толщиной 75 мм минимизирует теплопотери.
Дополнительные параметры:
- корпус – анодированный алюминий;
- диаметр теплообменника – 38 мм;
- изоляция – минвата с антигигроскопичной обработкой;
- покрытие – боросиликатное стекло 3,3 мм;
- КПД – 98%.
Vitosol 100-F — плоский солнечный коллектор, устанавливаемый горизонтально или вертикально. Состоит из медного абсорбера с трубчатым змеевиком и гелиотитановым покрытием. Пропускание света — 81%.
Выводы и полезное видео по теме
Как работают солнечные коллекторы и какие существуют типы?
Оценка эффективности плоского коллектора при отрицательных температурах.
Установка панельного гелиоколлектора по технологии Buderus.
Солнечный свет является возобновляемым источником тепла. Рост цен на обычные виды энергии делает установку солнечных систем выгодной, с окупаемостью в течение пяти лет при правильном монтаже.
Уважаемые посетители, если у вас есть полезная информация, которую вы хотели бы разместить на сайте, оставляйте свои комментарии под статьей. Вы также можете задать вопросы по теме публикации или рассказать о своем опыте работы с солнечными коллекторами.