Солнечный водонагреватель для частного дома — устройство и принцип работы гелиоколлекторов

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.

Температурное деление оборудования нагрева воды

Потребителю предлагается уйма различных вариантов устройств, но основное их различие состоит в величинах достигаемых ими температур. По такому принципу они делаться на коллекторы трех основных типов:

  • Первый – низких температур (они дают невысокие температуры до 50 градусов Цельсия) основной расчет применения – подогрев бассейна или другие варианты, когда воду нет нужды греть очень сильно.
  • Далее идут коллекторы средних температур (они поднимают температуру от 50 до 80 градусов) основной расчет применения – для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

Коллекторы средних температур применяются для обогрева производственных зданий и жилых помещений.

Третий вид коллекторы высоких температур (применяют в промышленности для генерации электричества с последующим распространением в центральную электрическую сеть).

Как рассчитывается мощность

Гелиосистемы на солнечных панелях при использовании в частном секторе могут обладать высокой производительностью. Для расчёта мощности оборудования необходимо учесть площадь поглощения коллектора, величину инсоляции для региона и коэффициент полезного действия коллектора.

К примеру:

• коллектор занимает площадь 1 м2;

• оборудование имеет семь трубочек, площадь поглощения каждой составляет 0,15 м2.

Инсоляция 1173,7 (Московская обл.) умножается на 0,15 м2 и снова множится на 0,67 (коэффициент полезного действия). Получается 117,95 кВт•час/кв. м, что в перерасчёте на суточный показатель даёт 0,325 кВт•час. В летние дни при активном солнце система будет вырабатывать 0,545 кВт•час.

Устройство и принцип действия плоского гелиоколлектора

Самодельный солнечный водонагреватель состоит из плоской деревянной рамы (короба) с глухой задней стенкой. На дне размещается главный элемент устройства — абсорбер. Чаще всего он изготавливается из металлического листа, присоединённого к трубчатому коллектору. От контакта пластины абсорбера с трубами теплообменника зависит эффективность передачи энергии, поэтому эти детали приваривают или припаивают непрерывным швом.

Сам жидкостной контур представляет собой массив из вертикально установленных трубок. В верхней и нижней части они присоединяются к горизонтальным трубам увеличенного диаметра, которые предназначаются для подачи и отбора теплоносителя. Входное и выходное отверстие для жидкости располагают диагонально — за счёт этого обеспечивается полный отъём тепла от элементов теплообменника. В качестве теплоносителя используется антифриз для систем отопления или другие незамерзающие растворы.

Абсорбер покрывается светопоглощающей краской, сверху кладут стекло, а короб защищают слоем теплоизоляции. Для упрощения задачи площадь остекления делят на части, а чтобы увеличить производительность, применяют стеклопакеты. Закрытая конструкция создаёт в гелиоколлекторе эффект термоса и одновременно предотвращает потери тепла из-за ветра, дождя и других внешних факторов.

Солнечный водонагреватель работает так:

  1. Нагретая в гелиоколлекторе незамерзающая жидкость поднимается по трубкам и через ветку отбора теплоносителя попадает в теплоаккумулирующую ёмкость.
  2. Перемещаясь по теплообменнику, установленному внутри бака-аккумулятора, антифриз отдаёт тепло воде.
  3. Охлаждённая рабочая жидкость поступает в нижнюю часть контура солнечного водонагревателя.
  4. Нагретая в баке вода поднимается и отбирается для нужд горячего водоснабжения. Пополнение жидкости в теплоаккумулирующей ёмкости происходит за счёт водопровода, подключённого к нижней части. Если же гелиоколлектор работает как нагреватель системы отопления, то для кругообращения воды в замкнутом вторичном контуре применяют циркуляционный насос.

Постоянное движение теплоносителя и наличие теплового аккумулятора позволяет накопить энергию за то время, пока светит солнце, и постепенно расходовать её даже тогда, когда светило скрывается за горизонтом.

Схема подключения солнечного коллектора к накопительной ёмкости не так сложна

Разновидности солнечных электростанций

Многие страны мира в течение длительного времени пользуются солнечными электростанциями, способными преобразовывать энергию солнца в электрический ток. Они представляют собой различные виды инженерных сооружений, конструктивно различающихся между собой и работающих по собственным принципам.

Наибольшее распространение получили установки, работающие на основе фотоэлектрических элементов. Их основными компонентами являются солнечные панели, нередко занимающие довольно значительные площади. Они используются не только в производственной сфере, но и в частном секторе, обеспечивая электричеством все домашнее хозяйство. Принцип работы этих устройств основан на прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. Наряду с ними используются и другие солнечные электростанции, имеющие свои плюсы и минусы, с помощью которых электричество может производиться в промышленных объемах. В отличие от фотоэлементов, процесс преобразования включает в себя несколько этапов. Вначале энергия Солнца превращается в тепловую и нагревает рабочую жидкость, используемую в качестве теплоносителя. Далее, эта жидкость превращается в пар, поступающий в парогенератор и обеспечивающий вращение вала. Таким образом, получается электроэнергия, вырабатываемая примерно по такой же схеме, как на тепловых или атомных электростанциях.

Принцип работы солнечной электростанции является одинаковым для всех типов данных устройств. Они различаются между собой лишь разновидностями теплоприемников, где концентрируется солнечная энергия. В результате концентрации возникает тепло с температурой 200-1000 градусов, в зависимости от конструкции. Далее в работу включается паровая или газовая турбина, вращающаяся под действием полученного пара. Излишки тепловой энергии применяются в других производственных процессах или используются в системах отопления.

Каждая солнечная электростанция оборудована следящей системой, обеспечивающей максимальную концентрацию солнечных лучей в течение всего светового дня. Конструктивно типы солнечных электростанций могут быть башенными, тарельчатыми, параболическими, солнечно-вакуумными и другими. Для того чтобы понять, как они функционируют, рассмотрим их более подробно.

Лучшие солнечные батареи для туристов

SW-H05

Это самая бюджетная из нашей подборки солнечная батарея, позволяющая заряжать телефоны, планшеты, электронные книги и другую технику. Однако стоит учесть, что ток заряда здесь всего 1 А, поэтому заряжаться будет устройство долго.

Эта солнечная панель представляет собой пластину с четырьмя кольцами на углах, с помощью которых можно закрепить ее на дереве или рюкзаке. Подходит для зарядки мобильных устройств на рыбалке, охоте или в автомобиле.

Goal Zero Nomad 7 Plus

Компактная туристическая панель оснащена монокристаллическим модулем мощностью 7 Вт. Она «одета» в герметичный корпус, который не боится дождя, снега и даже падения в реку. Устройство оснащено двумя USB разъемами: стандартным и для фирменного зарядного устройства Guide 10 Plus.

У солнечной батареи есть сетчатый карман, в который можно складывать заряжаемые устройства. Также конструкция оснащена петлями, которые крепятся на рюкзак, батарея может заряжаться прямо на рюкзаке. Здесь есть индикатор интенсивности заряда. Она показывает, насколько хорошо солнечные лучи попадают на панель.

ФСМ 14-МТ

Солнечная батарея состоит из 4 монокристаллических модулей общей мощностью 14 Вт. Максимальный ток заряда составляет 2,5 А. Она складывается в обычную сумку, которую можно положить в багажник автомобиля, велосипеда или положить в рюкзак.

КПД данного устройства составляет 18 % при условии попадания прямых солнечных лучей. Весит прибор всего 850 гр.

Topray Solar TPS-102-15

Это недорогая автомобильная солнечная батарея для зарядки аккумулятора. Если в дороге аккумулятор внезапно разрядился (хотя такого лучше не допускать),  данная солнечная панель позволит его зарядить. Общая мощность батареи составляет 15 Вт.

В комплекте с устройством сразу идут зажимы-крокодилы для аккумулятора и переходник под прикуриватель. Помимо автомобильного аккумулятора также можно заряжать электронные устройства.

Bio Lite Solar Panel 10+

Эта солнечная батарея представляет собой совокупность солнечного модуля и Power Bank емкостью 3000 мА*ч. С помощью нее можно зарядить различные гаджеты, причем заряжает она довольно быстро. Здесь два разъема: USB и microUSB.

Металлическая скоба, которой оборудована конструкция панели, позволяет выставить батарею на подставку. Правда стоит учесть, что панель монокристаллическая, а не аморфная, поэтому в пасмурную погоду она заряжаться не будет.

Советы электрика:

  • Как найти фазу и ноль: простые и действенные способы
  • Удлинители и тройники: как найти и починить неисправность?

Область применения солнечных панелей

Стационарные панели

Солнечные панели могут использоваться как в стационарных условиях, так и быть переносными.

Фиксированные модули применяются в следующих областях:

  • на солнечных электростанциях;
  • в автономных, резервных или гибридных электростанциях для дома или дачи;
  • для обогрева помещений и нагрева воды (солнечный коллектор);
  • в автономных системах освещения улиц;
  • для питания рекламных щитов;
  • в системах навигации и сигнализации;
  • в насосных станциях и др.

Рассматривая стационарные солнечные электростанции, остановимся подробнее на тех, которые используются для электроснабжения дома. Чтобы обеспечить жилище электричеством с помощью энергии Солнца, понадобятся следующие комплектующие:

  • солнечные модули;
  • аккумулятор (для накопления неизрасходованной энергии);
  • контроллер напряжения (увеличивает срок службы аккумулятора, но не обязателен для установки);
  • инвертор (преобразует постоянный ток аккумулятора в необходимый переменный ток для электроприборов).

Домашние солнечные электростанции по отношению к централизованному электроснабжению могут быть:

автономные.

Автономные, т.е. независимые от других источников питания, солнечные электростанции используются там, где невозможно по определенным причинам (значительная удаленность от населенных пунктов) подключение к общей электросети. Их использование целесообразно в южных районах, где длиннее световой день и большое количество ясных дней. В любом случае ее желательно продублировать генератором на горючем топливе. Основные преимущества автономной станции – это ее экологичность, бесшумность, минимальное техническое обслуживание в течение эксплуатации. Минус – ночью или в пасмурные дни электроэнергия вырабатываться не будет. Кроме того для их работы необходимы выше названные комплектующие, которые делают автономную систему довольно дорогой.

резервные.

Резервные, или сетевые, электростанции устанавливаются там, где есть подключение к центральной электрической сети. Она используется, как дополнительный источник электроэнергии. Резервная солнечная электростанция начинает свою работу в случае перерыва подачи электроэнергии от сети. Преимущества – бесшумность, надежность, возможность монтажа на крышу или фасад здания. Также плюсом является отсутствие аккумулятора, контроллера и инвертора, что значительно удешевляет систему.

гибридные.

По сути, представляет собой автономную станцию, подключенную к электрической сети. Энергия, полученная от Солнца, используется в первую очередь, при ее нехватке подача электроэнергии идет уже от централизованного электроснабжения. Позволяет значительно экономить на платежах за потребленную электроэнергию.

Мобильные модули

Мобильные устройства по преобразованию энергии Солнца в электрический ток могут применяться:

  • для зарядки мобильных телефонов и других мобильных устройств;
  • для питания радиоприемников во время походов, рыбалки;
  • для питания систем навигации во время экспедиций;
  • для освещения в темное время суток во время походов.

Портативные батареи стали незаменимым аксессуаром у любителей загородных поездок и туристов, путешествующих по диким местам, в которых отсутствует электричество. Так как современная жизнь даже на необитаемом острове или в горах невозможна без различных гаджетов, их подзарядка производится от зарядных устройств, преобразующих солнечную энергию. Портативные солнечные батареи чаще всего выпускаются на основе монокристаллического кремния. Они различаются размерами, формой, мощностью. Компактные батареи с небольшой мощностью могут поместиться в кармане, а большие и мощные  могут быть установлены на крыше автомобиля. Кроме того они снабжены всевозможными переходниками для подключения различной техники.

Принцип работы солнечных коллекторов

Принцип работы солнечных коллекторов является относительно простым.

Абсорбер

Первым элементом, «захватывающим» солнечные лучи является коллектор, а если точнее, то установленный в нем абсорбер.

Устройство поглощает излучение и преобразует его в тепло. Производительность системы зависит, главным образом, от типа абсорбера.

Часто используются батареи, оборудованные следующими типами поглотителей или абсорберов:

  • Нормальный – мы его узнаем по характерному черному цвету. Этот тип поглотителя является не самым эффективным и имеет не очень хорошую обратную связь. Он может поглощать до 80% солнечного света.
  • Селективный – устройство гораздо лучшего качества, которое гарантирует более высокую эффективность. Эффективно принимает лучи, его эффективность может достигать 95%.

Теплоноситель

Затем абсорбер нагревает теплоноситель, протекающий через батареи или панели. Чаще всего это обычная вода, которая может быть использована с весны до поздней осени. В зимнее время теплоносителем может быть только незамерзающая жидкость, которая защищает всю систему от возможного повреждения.

Теплоноситель работает в замкнутой системе и при нагревании поступает в бак. В баке он отдает свое тепло воде. Охлажденный теплоноситель снова проходит через поглотитель и нагревается вновь с помощью солнечного света.

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.

Для чего можно использовать?

Солнечный нагреватель воды, как правило, используется в качестве основного или дополнительного источника энергии для подготовки теплоносителя отопительного контура. Кроме того, солнечный подогреватель воды может готовить горячую воду для бытовых нужд.

Одним из распространенных способов использования нагрева воды от солнца является подача горячей воды в летний душ или умывальник, а также подогрев воды в бассейне. Возможно использование подогретой воды для полива растений в теплицах и парниках. Чем удачнее внешние условия, тем больше способов применения солнечных панелей для нагрева воды можно найти и использовать.

Эффективность отопления от солнечной энергии

Солнечные батареи применяются чаще всего как источник возобновляемой и бесплатной энергии. Поэтому в целях отопления дома эффективны они будут для электрических систем отопления, а также для нагрева воды. В комплект солнечных батарей входит:

  • обыкновенный преобразователь;
  • преобразователь переменного тока в постоянный;
  • датчик уровня заряда батареи;
  • система отбора мощности;
  • панели и аккумулятор.

Отопление для дома можно сделать на основе электрических обогревателей. при этом можно выбрать красивые настенные радиаторы с датчиками и регулировкой температуры. чтобы достичь наибольшей экономии. Также удобно использовать такую систему, как теплый пол. В этом случае нагрев будет равномерный, а распределяться в помещении будет путем движения потоков воздуха. По эффективности система не будет уступать радиатору или конвектору. А при использовании батарей с большой мощностью (мощность можно наращивать, добавляя панели), можно использовать энергию для нагрева воды. Комплект солнечных батарей для дачи или загородного дома в этом случае будет не только экономным, но и полезным, особенно на участках, где существуют перебои с подачей воды, или ее отключают на лето.

Чтобы нагрев воды и подача электричества в дом поступали с максимальной выгодой, солнечная батарея устанавливается на крыше дома. Нагрев панелей в этом случае будет максимально эффективным. От пластин ведут две батареи, по одной холодная вода поступает к батарее, нагревается и поступает во внешний теплообменник. Далее в котел и распределяется к душу или раковине. Если солнечная батарея довольно большая можно попробовать подключить радиаторы с теплоносителем в виде воды. Для этого потребуется большой котел или бак, электрический насос и ТЭН.

Если от солнечной энергии будет работать и источник горячей воды, то необходимо рассчитать мощность и для него. В среднем 1 квадратный метр площади панели на человека. Примерно по такой же формуле рассчитывается и затраты на теплый пол, один квадратный метр панели на 10 квадратных метров пола.

Если в году не так много солнечных дней, преобладают пасмурные дни и долгая зима, лучше использовать солнечную энергию, как дополнительный источник электричества. Также для эффективной работы следует убрать возможные помехи (тень от деревьев) или исключить близость высоток. Для установки оборудования и монтажа панелей можно воспользоваться видео инструкцией.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.


Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

ДостоинстваНедостатки
Низкая стоимость панелей Низкой КПД, примерно на 20% ниже вакуумных
Несложная конструкция Большой количество теплопотерь через корпус

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Солнечный коллектор из змеевика холодильника

Солнечный коллектор своими руками можно смастерить из обычного змеевика, снятого со старого холодильника. Для работы потребуется подготовить:

  1. Непосредственно змеевик
  2. Рейки и фольга для каркаса
  3. Бочка или бак для воды
  4. Резиновый коврик
  5. Запорная арматура (вентили, труб и т. д.)
  6. Стекло

Промыв змеевик от фреона, необходимо сбить вокруг реечный каркас. Его точные размеры будут зависеть от размера рабочего узла, который был демонтирован с холодильника. Коврик необходимо подогнать под рейки, среди которых змеевик должен свободно располагаться.

На резиновый коврик (дно каркаса) укладывается фольгирующий слой. Затем змеевик фиксируют при помощи винтовых хомутов. В стенках проделываются отверстия, через которые будут проходить трубы. Повысить продуктивность можно за счет герметизации стыков герметикам.

Дно также укрепляется рейками. Сверху монтируется стекло и фиксируют при помощи скотча. Чтобы не волноваться, можно вырезать несколько алюминиевых пластинок и сделать из них прижимы.

Видео о техническом устройстве и испытании солнечного коллектора:

В заключении

Такое сооружение, как солнечный коллектор своими руками, может существенно повысить уровень комфорта в загородном доме или на даче. Пусть незначительно, но оно снижает траты на потребляемую энергию, вырабатываемую классическими источниками энергии.

Преимущества и недостатки использования солнечных коллекторов и батарей

Основным преимуществом в использовании солнечных систем отопления является общедоступность. На втором месте стоит отсутствие выбросов. Солнечная энергия считается самым экологичным и естественным видом энергии.

Кроме того работа солнечных батарей и коллекторов отличается бесшумностью, а расположение на крыше здания позволяет сэкономить полезную площадь.

Основное неудобство при использовании солнечной энергии для дома потребители испытывают от непостоянного освещения. Например, в ночное время отсутствует возможность сбора энергии, а в зимнее время, когда требуется большое количество тепла, световой день довольно короткий.

Что такое

Гелиоустановка — это современный экологичный способ получения и последующего применения тепловой энергии от солнца. Во многих странах установки уже давно используют в частном секторе и промышленных масштабах. Системы подходят для нагрева воды или отопления. Преимущества для владельца:

  • Владелец установки бесплатно получает солнечную энергию, которую может потом распределить по дому.
  • Процесс получения и преобразования энергии экологичен и не наносит вреда планете.
  •  Энергия солнце неиссякаема, поэтому владелец установки всегда может быть уверен в ее получении.
  • По сравнению с другими установками альтернативного получения энергии, стоимость коллектора невысокая.

Как и у любой установки, у солнечного коллектора есть и свои минусы —  результат работы зависит от погоды.

В нашей стране использование гелиосистем не так распространено, как в Европе и Америке, по причине низкой эффективности, связанной с погодными условиями. Лидеры по установке гелиоколлекторов сегодня Япония и Китай.

Из чего состоит и как работает солнечный коллектор

Каждый солнечный коллектор включает в себя следующие элементы:

  • коллектор для сбора энергии;
  •  насосы для циркуляции;
  • трубопровод, где происходит циркуляция теплоносителя;
  • система управления за установкой;
  • теплоноситель;
  • бойлер.

Гелиоустановка совместима с водонагревателями и газовыми котлами. Дополнительно монтируют теплосчетчик, который помогает вычислить выработанную энергию и подсчитать реальную экономию киловатт.

1.Солнечный коллектор. 2. Буферный бак. 3. Горячая вода. 4. Холодная вода. 5. Котроллер. 6. Теплообменник. 7. Помпа. 8. Горячий поток. 9. Холодный поток.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitter
Напишите комментарий