Нагрев от солнца зимой

Солнечный коллектор зимой: виды и целесообразность использования для обогрева

В последнее время альтернативные источники энергии вызывают все более живой интерес со стороны наших соотечественников.

Наиболее простыми из них в устройстве являются солнечные коллекторы, благодаря чему их доля в нетрадиционной энергетике, особенно бытовой, чрезвычайно велика.

Данная статья познакомит читателя с их разновидностями, а также поможет найти ответ на вопрос: насколько эффективным является солнечный коллектор зимой?

Работает ли зимой солнечный коллектор?

Как свидетельствует статистика (данные приведены в Википедии), на 1 тыс. россиян приходится примерно 0,2 кв. м применяемых у нас солнечных коллекторов, тогда как в Германии этот показатель составляет 140 кв. м, а в Австрии – целых 450 кв. м. на 1 тыс. жителей.

Ведь на большей части России за день поверхности земли достигает такое же количество солнечной энергии, как и на юге Германии – в теплое время эта величина составляет от 4 до 5 кВт*ч/кв. м.

Чем же вызвано наше отставание? Отчасти оно обусловлено сравнительно низкими доходами россиян (гелиоустановки являются пока довольно дорогим удовольствием), отчасти – наличием собственных крупных газовых месторождений и, как следствие, доступностью голубого топлива.

Но немалую роль сыграло и предвзятое отношение со стороны многих потенциальных пользователей, считающих установку солнечного коллектора нецелесообразной. Дескать, летом и так тепло, а зимой от подобной системы мало проку.

Вот какие аргументы выдвигают скептики касательно эксплуатации гелиоустановок зимой:

Установку постоянно засыпает снегом, так что солнечное излучение достигает ее не так уж часто. Если, конечно, владелец не дежурит постоянно на крыше с веником или щеткой.
Холодный морозный воздух отбирает почти все тепло, накапливаемое коллектором.

Часто упоминают и всесезонный поражающий фактор – град, который может разнести гелиоустановку вдребезги.

Чтобы понять, насколько справедливы эти доводы, рассмотрим устройство различных видов солнечных коллекторов.

Существует масса причин соорудить солнечный водонагреватель своими руками. Самая главная из них – это то, что энергия полученная таким способом, совершенно бесплатная.

Альтернативные источники энергии для частного дома рассмотрены в этом обзоре.

А в этой теме https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/alternativnoe-otoplenie/solnechnye-kollektory-dlya-doma.html все об отоплении дома солнечной энергией и способы изготовления солнечных батарей своими руками.

Устройство и область применения в быту

На сегодняшний день применяются такие типы гелиоустановок: плоскопластинчатые и вакуумные

Плоскопластинчатые

Это самые простые и дешевые устройства. Они состоят из улавливающей солнечное излучение пластины (абсорбера), прозрачного покрытия и закрывающей нижнюю поверхность теплоизоляции. На обращенную к солнцу поверхность пластины наносят черную краску или особое покрытие, например, из оксида титана или черного никеля. Оно называется селективным. Наиболее эффективными являются абсорберы, изготовленные из меди.

Светопропускающее покрытие выполняют из специального профильного поликарбонатного листа (с рифлением) или закаленного стекла, почти полностью очищенного от металлических примесей.

Все зазоры между корпусом коллектора и прозрачной крышкой герметизируются, что способствует уменьшению теплопотерь вследствие конвекции.

Плоский пластинчатый коллектор

В воздушных коллекторах используемый в качестве теплоносителя воздух омывает непосредственно абсорбер – с одной или с двух сторон. В устройствах, ориентированных на применение жидкостного теплоносителя (вода, масло или антифриз), к абсорберу могут быть прикреплены медные или алюминиевые трубки, в которые этот теплоноситель подается.

Если не отбирать накапливаемое плоско-пластинчатым коллектором тепло, он сможет нагреть воду до температуры в 190 – 210 градусов.

Вакуумные

Роль абсорбера в таком коллекторе играет поверхность трубки, по которой протекает теплоноситель. При этом сама она заключена в круглый прозрачный кожух, из которого выкачан воздух. Таким образом, каждая трубка с теплоносителем окружена, подобно колбе термоса, вакуумом.

Вакуумный коллектор стоит дороже, но зато является более эффективным: с его помощью воду можно нагреть уже до 250 – 300 градусов.

Значительно повысить производительность вакуумного коллектора можно при помощи параболоцилиндрических отражателей. Это продолговатые элементы с вогнутой зеркальной поверхностью, которая в поперечном сечении образует параболу. Такие отражатели устанавливаются в коллекторе за трубками, фокусируя на них весь неусвоенный солнечный свет.

Оснащенная такими элементами установка может нагревать теплоноситель (применяется масло) до температуры в 300 – 390 градусов. Чтобы еще больше увеличить производительность коллектора, его оснащают системой слежения за солнцем.

Прочие элементы системы

Помимо собственно коллектора в гелиоустановке имеется накопительный бак с водой, которой при помощи встроенного теплообменника передается накопленная теплоносителем энергия.

Существуют системы как с естественной циркуляцией теплоносителя (накопительный бак устанавливается выше коллектора), так и с принудительной – при помощи насоса (бак можно устанавливать на любом уровне).

Гелиоколлекторы в системе отопления

Применение

В быту гелиоустановки применяются для приготовления горячей воды, в том числе для бань, подогрева бассейна либо в качестве дополнительного источника тепла для системы отопления. В промышленности сфера применения таких систем является более широкой: на их основе сооружают опреснители воды, парогенераторы (пар приводит в движение различные машины) и даже электростанции.

Эффективность зимой

Эффективно ли отопление дома солнечными коллекторами зимой?

Ну что же, теперь посмотрим, как различные виды солнечных коллекторов работают в условиях зимы. Напомним, что противники внедрения таких установок выдвигают следующие аргументы:

Засыпка панели снегом: данная проблема актуальна только для плоско-пластинчатых коллекторов. На трубках вакуумных установок, как показала практика, снег задерживается только в тех редких случаях, когда в силу особых погодных условий на их поверхности образуется изморозь. Если же во время снегопада дует хотя бы слабый ветер (от 3 м/с), панель точно останется чистой.
Из-за того, что коллектор окружен холодным воздухом, все тепло с коллектора улетучивается: этот аргумент опять же справедлив только в отношении плоско-пластинчатых коллекторов. Действительно, зимой производительность такой установки в сравнении с летней уменьшается пятикратно. В более совершенных вакуумных моделях прослойка вакуума позволяет сберечь до 95% усвоенного тепла. Самые современные модели даже в сильный мороз способны довести воду до кипения.
Коллектор легко может быть поврежден градом: в заводских условиях коллекторы изготавливаются из высокопрочных материалов. В Сети можно найти видеоролики, снятые во время испытаний панелей на ударную прочность. Коллекторы обстреливают стальными шариками и нетрудно заметить, что удар они держат очень хорошо.

Плюсы и минусы гелиосистемы

Говоря о солнечных коллекторах в целом, можно выделить следующие их достоинства:

Им присущ более высокий КПД по сравнению с фотоэлектрическими элементами и ветрогенераторами.
Усваиваемая с их помощью энергия является абсолютно бесплатной.
Работа солнечного коллектора полностью безвредна для экологии: используемый ресурс – солнечное тепло – является неисчерпаемым и усваивается напрямую, без сжигания чего-либо и загрязнения окружающей среды.

Теперь укажем слабые места гелиоустановок:

Коллекторы заводского изготовления стоят пока сравнительно дорого – от 500 до 1000 дол. Таким образом, стоимость системы из 2-х коллекторов с монтажом может достигать 2,5 тыс. дол.
Из-за переменчивости погодных условий производительность коллектора не является стабильной.

Отзывы

По свидетельствам владельцев гелиосистем, подобная установка окупается примерно за 7 – 10 лет. У одного из пользователей, проживающего в Московской области, 3 вакуумных солнечных коллектора (в каждом по 15 трубок) обеспечивают подогрев воды для бани.

Система оснащена баком накопителем объемом 300 л, в котором вода летом даже при переменной облачности закипает за 2 – 3 часа (без отбора тепла). Во время простоя бани производимое коллекторами тепло направляется на подогрев бассейна.

Те, кто пока не готов тратить значительную сумму на покупку фирменного коллектора, изготавливают такие устройства своими руками. Одному из пользователей, проживающему в Подмосковье, удается летом снимать с 1 кв. м самодельного коллектора до 500 Вт энергии. Зимой этот показатель падает до 100 Вт.

Поиски альтернативных источников энергии – вопрос вполне рациональный. В наше время некоторые люди успешно применяют солнечную энергию для отопления домов. Солнечные батареи своими руками изготовить гораздо дешевле, чем купить готовые.

Обзор типов солнечных батарей и отзывы реальных людей об их применении читайте в этом материале.

Видео на тему

Источник

Как нагреть воду солнцем: несложная гелиоконструкция и ее установка

Источники энергии, дорожающие год от года, заставляют владельцев частных домов искать иные способы сделать дополнительное освещение, обогревать помещения или получать горячую воду. И находить их. Вернее, всего один, мощный, бесконечный, бесплатный и безопасный. Солнечная энергия позволяет использовать альтернативные водонагреватели — гелиоколлекторы. Технология это не нова, она успешно применяется в разных странах мира. У нас ситуация несколько другая: это оборудование внедряется не такими темпами. Причина этой «отсталости» — высокая цена оборудования, которое способно окупиться в довольно суровом климате только за несколько (десятков) лет. Однако Россия богата талантами, поэтому самодельных конструкций домашними изобретателями придумано много. О том, как нагреть воду солнцем, речь пойдет далее.

Функции гелиоколлектора

Солнечный водонагреватель (или воздушно-жидкостной гелиоколлектор) — устройство, нагревающее теплоноситель с помощью солнечной энергии. Используя такие приборы, организуют горячее водоснабжение, отапливают помещения, нагревают воду в бассейнах. Так как солнечное излучение нас сопровождает круглый год, идея его использования родилась довольно давно, так как желание «пустить ее в дело» вполне понятно и логично.

Интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от времени года. В весенне-осенний период для средних широт количество энергии составляет 4-8 кВт*ч/м 2 на 1 м 2 , зимой оно гораздо скромнее — всего 1-3 кВт*ч/м 2 . В южных регионах эти цифры ощутимо увеличиваются — на 20-30%. По этой причине эффективность солнечного оборудования напрямую зависит от региона.

В средней полосе и на «крайнем юге» солнечная установка сможет стать настоящей альтернативой дорогому бойлеру и обеспечить дому даже отопление зимой. Но речь, естественно, идет о достаточно производительных приборах, имеющих большую площадь.

Достоинства и недостатки солнечных коллекторов

Если человек задумался о том, как нагреть воду солнцем, то ему не мешает оценить приобретение (или изделие, которое будет изготавливаться самостоятельно) со всех сторон. Знание всех качеств и слабых сторон даст возможность вынести окончательное решение: быть ему или не быть.

Плюсы

К преимуществам солнечных коллекторов можно отнести большой список выгод. Это:

Существенная экономия. Приличные деньги, которые ежемесячно приходилось тратить на ставшее «полудрагоценным» электричество, останутся в семье. Если не все, то хотя бы часть их.
Бесплатность получения горячей воды. Траты на изготовление системы, на ее подключение неизбежны, но после наступления первого же похолодания экономия станет заметной.
Солнечные коллекторы экологически чистые, они не наносят вреда окружающей среде, а теперь эта проблема перед человечеством стоит очень остро.
Экономия природных ресурсов. Они рано или поздно закончатся, поэтому необходимо начать беречь планету от «полного разорения».
Абсолютная автономия. Для частных домов мощные солнечные коллекторы — способ избавиться от зависимости от «коммунальщиков».
Возможность использовать солнечное оборудование вместе с другими системами.
Безопасность эксплуатации гелиоколлекторов, длительный срок их службы.
Возможность самостоятельного изготовления несложных моделей.
Относительная простота конструкции.

Самым главным подкупающим фактором для многих (если не для всех) является избавление от лишних расходов. Однако на пути к цели могут возникнуть препоны…

Минусы

Прежде чем узнавать, как нагреть воду солнцем, необходимо познакомиться с минусами этих устройств. Есть они и у «бесплатного сыра». К недостаткам солнечных коллекторов относится:

слишком высокая цена заводских моделей;
необходимость качественного утепления элементов и труб, соединяющих их на открытом воздухе;
невозможность обеспечить все «блага цивилизации» только за счет солнечного излучения;
полная зависимость КПД оборудования от времени года, облачности, географической широты;
необходимость корректного расчета площади накопительной батареи для регионов, где климат прохладный, а солнце радует своим появлением редко;
относительная требовательность монтажа: если не соблюдать все правила, то система будет работать неправильно, станет не слишком неэффективной.

Достоинств больше, но недостатки тоже нельзя сбрасывать со счетов. Самое привлекательное качество таких установок — экономия на электроэнергии, самая тревожащая перспектива — недостаточная эффективность.

Разновидности солнечных водонагревателей

Все устройства классифицируют по температуре, которую может обеспечить использование прибора, и по типу конструкции.

Температура нагрева

По температуре воды водонагреватели делятся на:

Низкотемпературные. Эти конструкции могут обеспечить владельцев водой, подогретой до 50°.
Среднетемпературные. Температура на выходе таких гелиоколлекторов составляет около 80°.
Высокотемпературные. Эти установки без труда нагревают жидкость до температуры кипения.

Для тех, кто интересуется, как нагреть воду солнцем, но не приобретать для этих целей дорогое оборудование в магазине, есть другой выход — изготовление устройства своими руками. В этом случае можно обратить внимание только на два вида — на низко- и среднетемпературные приборы. Последние конструкции для домашнего мастера — недостижимая мечта.

Типы устройств

Конструктивно солнечные коллекторы делятся на три вида.

Плоские устройства

Это самая простейшая модель. Она представляет собой плоский короб с теплоизоляцией, внутри него находится контур из труб и светопоглощающая панель с повышенной теплопроводностью — абсорбер. Благодаря этой пластине нагревается вода, циркулирующая по контуру, расположенному над ней. Простота и эффективность таких плоских приборов привлекает домашних умельцев, поэтому подобных моделей разных модификаций придумано великое множество.

Вакуумные термосифонные установки

В конструкции этих приборов используют эффект термоса. В роли нагревательных элементов выступает большое количество двойных стеклянных колб. Внешний их слой изготавливают из ударопрочного материала — закаленного стекла, защищающего оборудование от ветра и града. На внутреннюю трубку наносят специальное напыление, увеличивающее светопоглощение. Пространство между элементами — вакуум, который предотвращает потери тепла. В центре устройств располагают медный тепловой контур, его заполняют фреоном. Именно он нагревает гелиоколлектор.

Гелиоконцентраторы

Это оборудование похоже на спутниковые антенны, только в нашем случае внутри сферы находится большое количество зеркал. Солнечное излучение фокусируется в одну точку. В фокусе установки размещают спиральный металлический контур, в котором нагревается жидкость. Главное достоинство этих приборов — возможность получения очень горячей воды. Минус — необходимость постоянного ориентирования оборудования по Солнцу. Обязательная система слежения — причина не слишком большой популярности устройства у тех, кто решается на самостоятельное изготовление гелиоколлектора.

Гелиоконцентраторы для изготовления своими руками не подходят, хитрые вакуумные конструкции собрать еще сложнее, поэтому вопрос, как нагреть воду солнцем, но не покупать оборудование, имеет всего один достойный ответ. Он — плоский солнечный водонагреватель, требующий для создания только набор из доступных материалов.

Знакомство с плоским гелиоколлектором

Самодельная конструкция — плоская деревянная рама, к которой снизу прикреплено дно (стенка). Там размещают абсорбер — светопоглощающую панель. В большинстве случаев в этом качестве выступает лист металла. Его присоединяют к трубчатому коллектору: Чтобы прибор был максимально эффективным, оба элемента соединяют хомутами, сваркой или пайкой, непрерывным швом.

Контур состоит из вертикальных трубок малого диаметра, которые в верхней и нижней части присоединяют к более толстым трубам, служащим для подачи и отбора нагретого теплоносителя. Отверстия для входа/выхода жидкости располагают диагонально. Это способ гарантирует полный отъем тепла. В роли теплоносителя используют незамерзающие растворы: например, антифриз.

Панель-абсорбер покрывают светопоглощающей краской, сверху конструкцию накрывают стеклом или другим прозрачным материалом, сам короб защищают, устраивая качественную теплоизоляцию. Утепленная, полностью герметичная конструкция предотвращает даже минимальные потери тепла. Так как она надежно защищена от попадания осадков, внутри создается эффект термоса.

Принцип работы самодельного устройства довольно прост.

Незамерзающая жидкость, нагретая в гелиоколлекторе, проходит вверх по трубкам, затем попадает в ветку водоотбора и следует в емкость, предназначенную для аккумуляции тепла.
Благодаря теплообменнику, расположенному в качественно утепленном накопительном баке, антифриз при движении по спирали-змеевику отдает тепло воде.
Затем отработанная, охлажденная жидкость снова поступает в нижнюю часть контура водонагревателя, где она впоследствии опять нагревается.
Поднявшуюся к поверхности воду, нагретую в баке антифризом, забирают на нужды горячего водоснабжения.
Ее заменяет вода, поступающая в накопительную емкость из подключенного водопровода.

Движение жидкости обеспечивается за счет разной плотности: у горячей она меньше. Для прибора, работающего нагревателем для отопительной системы, дополнительно требуется циркуляционный насос, маломощный, но достаточно эффективный. В этом случае бак можно располагать в любом месте, даже в подвале. Если обращение теплоносителя естественное, то накопительная емкость обязана находиться выше, чем верхняя часть теплообменника. Постоянное движение антифриза и наличие аккумуляторного бака дает возможность накопить жидкость в светлое время суток, а расходовать ее вечером или ночью.

Из чего можно сделать водонагреватель?

Если уже в общих чертах понятно, как нагреть воду солнцем, то можно обдумывать, какие материалы лучше использовать для создания конструкции. Единственное, что почти неизменно во всех самодельных приборах, это короб. Этот каркас обычно собирают из «теплого» дерева, изнутри его утепляют при помощи минеральной ваты (пенопласта, пенополистирола), покрывают пленкой, отражающей тепло. Или металлическим листом, который красят в черный цвет. Для «начинки» короба используют различные трубы — металлические или пластиковые. Другой возможный вариант — подходящие узлы, оставшиеся от оборудования, отслужившего свой срок.

Изделия из меди

Устройства, сделанные их этого металла (пластины, трубки), гарантируют максимальную теплоотдачу, поэтому используются как для систем горячего водоснабжения, так и для отопления. Серьезных минусов у материала два: это сложность работы и высокая цена медных элементов.

Садовые шланги

Этот материал, сложенный спиралью, дает возможность получить достаточно большую площадь поверхности, поэтому такие контуры используют для создания солнечного водонагревателя для летнего душа, кухни, небольшого бассейна. Этот шланг должен быть черного цвета, а конструкция обязана иметь накопительную емкость, чтобы мягкому абсорберу не угрожал перегрев.

Различные трубы и фитинги

Нередко используются металлопластиковые, полиэтиленовые, полипропиленовые изделия и детали для их соединения. Этот вариант позволяет придать нагревательным солнечным системам любую конфигурацию и площадь. Установки больших размеров дают шанс рассчитывать на хорошую производительность: их используют для обогрева помещений, для нагревания воды на хозяйственные нужды.

Радиатор старого холодильника

Внешний теплообменник холодильника или морозильной камеры — «полуфабрикат», который будет уже готовым абсорбером для солнечного нагревателя. Мастеру останется лишь добавить светопоглощающую пластину и сделать для конструкции корпус. Такое устройство не может похвастаться большой производительностью, однако на хорошую его работу в теплое время года можно рассчитывать. Устройство, собранное из деталей старого холодильника способно обеспечить горячей водой небольшой дом или дачу.

Плоская батарея отопления

Лучший вариант — стальной радиатор. В этом случае необходимости в светопоглощающей пластине нет. Сделать такое устройство довольно легко. Мастеру нужно покрыть батарею черной краской и соорудить для нее удобный герметичный короб. Производительность этой конструкции будет достаточно для устройства системы горячего водоснабжения. Если сделать несколько гелиоколлекторов, то такие водонагреватели позволят иметь бесплатную горячую воду даже в морозные солнечные дни. Подобная установка способна обогреть гараж, большую теплицу, любое подсобное помещение.

Как нагреть воду солнцем: самодельное устройство

Самый простой солнечный водонагреватель состоит из корпуса, абсорбера (поглотителя), теплообменника и прозрачного материала — поликарбоната либо стекла. Если установку сделать правильно, то насоса не потребуется. Теплая жидкость будет поступать вверх, вытесняя холодную.

Для работы потребуется раздобыть или приготовить:

строганую доску 30-150 мм для рамы;
водостойкую фанеру (пластик) для задней стенки;
алюминиевую фольгу для отражающей поверхности, альтернатива — лист оцинкованной стали либо меди;
радиатор от холодильника (или стальной отопительный прибор);
поликарбонат (монолит либо сотовый, толщина 4 мм) или стекло;
уплотнитель для поликарбоната;
черная краска для металла, кисть (валик);
рулонный (листовой) утеплитель: минвата, пенопласт, пенополистирол;
труба для теплообменника (нержавейка, пластик либо медь);
трубы для соединения с баком (металлопластик, пластик);
выпускная и приемная трубы;
соединительные муфты;
степлер для фиксации;
шуруповерт, дрель;
саморезы;
хомуты;
клей.

Все заготовки из дерева предварительно обрабатывают противопожарными пропитками и антисептиками. Поликарбонат покупают тот, что не имеет защитного слоя от ультрафиолета. До изготовления оборудования надо определиться с его размерами. Так как мастер волен выбрать любые, ему и решать. Обычно ширина конструкции составляет от 400 до 800 мм, высота — 30-60 мм, а ее длина — 600-2000 мм. Сама операция состоит из трех этапов: сборки корпуса, подготовки конструкции и монтажа солнечного коллектора.

Корпус гелиоколлектора

Сначала из фанеры вырезают прямоугольник, к которому будут присоединять стенки и начинку устройства.

Доски разрезают на заготовки, которые крепят саморезами к фанере, шаг больше зависит от размеров, обычно он составляет 250-300 м.
Внутри коробки степлером монтируют утеплитель, длина скоб — как минимум 10 мм. Сверху на него укладывают фольгу.
Если используют металлический лист, то его поверхность заранее покрывают черной матовой краской.

На торец досок коробки наклеивают уплотнитель. После высыхания краски переходят к следующему этапу.

Монтаж коллектора

Перед тем как установить радиатор, его также покрывают черной краской. К задней стенке его крепят стальными хомутами и саморезами, оставляя зазор около 20 мм. Для этого используют прокладки. Входную и выходную трубу выводят из корпуса, используя металлопластиковые изделия.

После сборки водонагревателя на лицевую стенку крепят поликарбонат. Чтобы компенсировать тепловое расширение, отверстия под крепеж делают больше его диаметра на миллиметр или полтора. Если используют стекло, то корпус устройства можно законопатить, изолировать уплотнителем или воспользоваться силиконовым герметиком. Когда герметичность не так важна, этот шаг пропускают.

Выбор места

Только корректная установка способна обеспечить эффективную работу прибора.

Место монтажа (южное направление) на протяжении всего светового дня должно находиться под прямыми солнечными лучами, затемнение недопустимо.
Плоскость гелиоколлектора обязана быть перпендикулярной направлению солнечных лучей. В летний период для определения угла наклона к широте местности прибавляют 15°. В зимний от нее отнимают те же 15°.

Зимой и весной, когда Солнце «путешествует» по небосводу низко, возможна вертикальная установка.

Емкость для воды

Чтобы организовать отопление с использованием солнечной энергии, понадобится накопительный бак. В этом качестве можно использовать электрический бойлер, который не работает, газовые баллоны либо бочки, предназначенные для пищевых продуктов. При выборе емкости надо помнить, что сосуд должен выдерживать давление в несколько атмосфер.

В емкости делают несколько отверстий: для ввода и забора воды, для входа/выхода теплообменника. Эту спираль чаще изготавливают из надежной нержавеющей стали. Коллектор соединяют с баком. Чтобы избежать потерь тепла, трубы дополнительно изолируют, поэтому максимально короткий путь между элементами системы предпочтителен.

Есть и более простой ответ на вопрос, как нагреть воду солнцем. Хозяева дач чаще используют бочки большого объема. Их красят в черный цвет и устанавливают на крышах зданий. Этот вариант идеально подойдет для душевых кабинок.

Тому, кто задумывается о более серьезной системе, требующей некоторых вложений, может оказаться полезным это видео:

Источник