Солнечные водонагреватели: виды и установка

Солнечные водонагреватели (СВ) являются, по сути, солнечными коллекторами – концентраторами, которые преимущественно применяются для нагрева воды в системе отопления и в разных резервуарах. В быту подобные системы называют солнечным накопителем или солнечным тепловым коллектором.

Солнечный водонагреватель

Смонтированный водонагреватель на крыше здания

По подсчету ученых солнечная энергия, поступающая на Землю, превышает энергопотребление населения планеты за год в 30 тысяч раз и намного раз больше запасов топлива на земном шаре. Но поток солнечного излучения поступает рассеяно и имеет низкую концентрацию. Даже в солнечную погоду на юге страны плотность солнечной энергии за год 1400-1600 кВт⋅ч, а в полдень не превышает 1800 Вт/м². А на севере этот показатель за год составляет 550-1200 кВт⋅ч, а в полдень – 1000 Вт/м². Поэтому в расчете солнечных коллекторов учитывают количество солнца и требуемое количество воды в сутки, исходя из количества проживающих людей в доме.

Хотя человечество тысячелетиями использовало энергию Солнца для разных своих нужд, в том числе для нагрева воды, все эти действия были малоэффективными, и человек никогда не добивался желаемого результата. Поэтому возникает необходимость использовать этот дешевый и неисчерпаемый источник энергии более эффективно.

На этой почве появилась новая отрасль энергетики – гелиоэнергетика, задачей которой является более эффективное использование тепловой энергии Солнца для человеческих нужд. Она особо развивается в странах, где невозможно или трудно воспользоваться энергиями воды и ветра, отсутствуют запасы каменного угля и нефти. Основными объектами гелиоэнергетики являются гелиоустановки, которые рассчитаны на преобразование солнечной энергии в другой вид энергии и разделяются на 2 основных типа:

  • солнечные коллекторы – для производства тепловой энергии;
  • солнечные батареи – для выработки электроэнергии.
Схема работы солнечных водонагревателей

Примитивная схема работы солнечных водонагревателей

Солнечный водонагреватель состоит из наружной части (солнечный коллектор) и внутренней части, называемой резервуаром-теплообменником. Например, для дома работают по такому принципу: резервуар-теплообменник с помощью внешнего коллектора нагревает воду, которая поступает в систему отопления. Воду в резервуаре можно использовать и как горячую воду для других нужд. Но тут нужно принимать дополнительные меры, чтобы резервуар-теплообменник, наряду с солнечной энергией, также смог работать от других источников домашнего отопления, когда солнечной энергии будет недостаточно. Встречаются самодельные солнечные водонагреватели для дома из пластиковых бутылок либо других абсорберов, но эффективность их оставляет желать лучшего.

Различают следующие типы солнечных водонагревателей, исходя из вида коллектора:

  • плоские;
  • вакуумные;
  • пластиковые.

По способу монтажа и комплектации различают активные и пассивные системы.

Солнечные водонагреватели с плоскими коллекторами

Плоский солнечный нагреватель

Плоский солнечный нагреватель

Плоский простой солнечный коллектор (СК) представляет собой прямой абсорбер (поглотитель) солнечного излучения для нагрева воды. Абсорбер в коллекторе – это металлическая пластина или отлитая резина высокого качества с собирательными и распределительными трубками, которые должны быть устойчивыми к перепаду температуры от -50 °С до +120 °С и сохраняющими при этом эластичность и гибкость. Падающий поток солнечной энергии повышает температуру поглотителя. Чтобы избежать потери тепла, коллекторы покрываются стеклом толщиной не менее 4 мм с высоким коэффициентом пропускания света K>92%. Плоские солнечные коллекторы имеют большую площадь, которая пропорциональна площади поверхности нагреваемой воды в отношениях 0,5-0,8 к одному.

Плоский вакуумный солнечный коллектор – разновидность СК, где вакуум позволяет увеличить теплоизоляцию коллектора. Используемые медные трубки со стенками, стойкие к высокому давлению, изготавливаются в форме меандра и имеют клапаны для сохранения и создания разрежения в них.

Солнечные водонагреватели с вакуумными коллекторами

Ваккумный солнечный водонагреватель

Ваккуумный солнечный водонагреватель

Вакуумные солнечные коллекторы или вакуумированные трубчатые коллекторы имеют то же назначение, что и плоские. В них поток солнечного излучения попадает во внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Трубки вакуумированы и их внутренняя поверхность покрыта поглотителем. Благодаря вакууму и внутреннему поглотителю потеря тепла не происходит. Тепло от коллектора передается в теплообменник. Жидкость в трубке теплообменника нагревается. Часть жидкости превращается в пар, который поступает в конденсатор, где вновь превращается в жидкость. Она опять возвращается в теплообменник. При процессе конденсации выделяется теплота, которая передается потоку обогреваемой воды.

Некоторые вакуумные коллекторы конструктивно созданы таким образом, что коллектор представляется в виде неглубокой коробки, и она заполнена стеклянными трубками. Эти трубки с двойной стенкой, создается эффект, что одна труба находится внутри другой. Воздух в пространстве между двумя трубками откачивается, и создается вакуум. Кроме того, внутренняя трубка имеет поверхность, покрытую слоем абсорбера (поглотителя), и этот слой находится в вакууме между двумя трубками. Внутренняя трубка наполнена легкоиспаряемой жидкостью. Под воздействием потока солнечных излучений жидкость на горячем конце трубки испаряется, и пар переходит на холодный конец трубки, конденсируется и превращается в жидкость. Этот замкнутый цикл жидкость – пар – конденсат – жидкость повторяется бесконечно, пока действует солнечная энергия. При каждом цикле тепловая энергия передается обогреваемой воде.

Солнечные водонагреватели с пластиковыми коллекторами

Пластиковые солнечные коллекторы изготавливаются из полиэтилена марки ПЭВП методом заводской штамповки. Эти коллекторы дешевы и практичны. Их можно напрямую подключить к системе горячего водоснабжения. Не имеют теплоизоляционные покрытия, поэтому они не используются в холодное время года. Их невозможно установить в регионах с сильными ветрами.

Установка и применение солнечных нагревателей

Установка водонагревателей производится с размещением солнечных коллекторов на крыше домов и других зданий, или на стенах в виде козырьков, или на поверхности земли на разных конструкциях. Лицевую сторону панелей и коробок коллекторов нужно установить в направлении юга. Угол наклона плоскости панелей выбирают дифференцированно для местности. Он зависит от географической широты.

Схема системы солнечных водонагревателей

На стенде: схема работы водонагревателей на солнечной энергии

Активные и пассивные системы

Пассивная система солнечных водонагревателей характеризуется тем, что абсорбция и аккумулирование происходит само собой элементами конструкции. Солнечные лучи прямо подаются на объект без их регулирования. Отсутствуют механизмы и другие движущие части. Это просто и дешево. Но такая система работает неравномерно и недостаточно полно. Примитивным примером такой системы может служить зачерненный бак над летним душем для обогрева воды.

В пассивном режиме работают одноконтурные гелиосистемы с естественной циркуляцией. При естественной циркуляции применяется термосифонная система: горячий теплоноситель под действием законов механики поднимается вверх на бак-накопитель. Следовательно, в этой системе бак-накопитель должен устанавливаться выше солнечного коллектора, что порой создает неудобство. Этот недостаток устраняется с применением активного режима.

Активная система солнечных водонагревателей – это, когда солнечные лучи поступают в специальные устройства и превращаются в тепловую энергию нужных параметров. Потребителю и баку-аккумулятору систематически передается тепловая энергия. Активный режим достигается применением принудительной циркуляции одноконтурных и двухконтурных гелиосистем. Будут использованы электродвигатели для поворота панелей и насосов подпитки, применяется аппаратура измерительная, контроля и управления.

Схема подключения солнечных коллекторов

Простая схема подключения солнечных коллекторов

Заключение

Солнечные водонагреватели нашли широкое применение в Европе, Израиле, Саудовской Аравии, Мальте и других странах. На отечественном рынке наряду с продукцией таких известных фирм, как VIESMANN, SOLVIS, VAILANT, представлены и качественные изделия российских производителей. Солнечные водонагреватели – экологически чистое оборудование с малыми затратами и большой долговечностью. По сообщениям Сети, панель солнечного коллектора российского производства с площадью абсорбера 188 м² летом на широте города Львова при угле наклона 35 нагревает до 55 градусов 141 литр воды. Если вы собрались изготовить солнечный коллектор своими руками, то на разных сайтах можно встретить инструкции, чертежи и схемы по сборке водонагревателей из серии «сделай сам».