Плоский солнечный коллектор — устройство и принцип работы панельной гелиосистемы

Согласно статистике, плоские солнечные коллекторы на территории РФ ставят чаще, чем трубчатые вакуумные и воздушные гелиоколлекторы. Принцип работы гелиопанели основан на аккумуляции тепла, возникающего при воздействии ультрафиолетового излучения на твердые поверхности. Похожее устройство имеют парники.

При грамотном расчете панелей коллектор в летнее время года способен полностью удовлетворить потребности в горячей воде, а зимой компенсировать до 50% энергозатрат на ГВС или отопление. Окупаемость гелиоколлекторов, при коммерческом применении, наступает через 2-3 года.

Устройство и принцип работы панельного коллектора

Ультрафиолетовые лучи попадая в атмосферу прогревают твердые поверхности, которые разогреваясь отдают тепло окружающей среде: воздуху, воде. Принцип работы и устройство плоского коллектора основан на этом физическом свойстве. Фактически панель представляет небольшой парник с прозрачной поверхностью и абсорбирующим основанием. Лучи солнца разогревают поверхность до 250-300°С.

Тепло аккумулируется и направляется в накопительную емкость. В обвязке гелиопанелей предусмотрен небольшой бак, эффективно борющийся против закипания теплоносителя.

Внутренняя конструкция солнечной панели

В устройстве панельного солнечного коллектора присутствует несколько важных компонентов, увеличивающих эффективность преобразования ультрафиолетового излучения в тепловую мощность. Солнечные водонагревательные панели состоят из:

• Верхнее покрытие — в зависимости от модели используется обычное или закаленное стекло, либо поликарбонат. Коэффициент спектрального интервала находится в пределах 0,4-1, 8 мкм. Чтобы обеспечить необходимый нагрев, проницаемость солнечных лучей должна достигать 95%. С этой целью используют матовые стекла. Глянцевая поверхность пропускает ультрафиолет хуже на 10-15%. В зависимости от стоимости изделия верхний слой изготавливают из:
  • обычного или закаленного стекла;
  • антирефлексного стекла, с слоем, элиминирующим отражение солнечного света;
  • полярного или самоочищающегося стекла.
• Корпус — конструкция коллектора изготавливается из металла устойчивого к нагреву и воздействию внешних факторов. В модулях европейских и российских производителей обычно используется анодированный алюминий.
• Абсорбер коллектора — это медная пластина с селективным покрытием. Для отвода тепла к теплообменнику припаян проточный трубопровод, располагаемый внутри конструкции двумя схемами «арфа» и «меандр».
  Сам абсорбер для увеличения теплопоглощения вмонтирован между двух стекол. На верхнюю поверхность наносится специальное высокоселективное покрытие. Нижняя часть защищается слоем теплоизоляционного материала.

Комплектующие, тип раскладки медного теплообменника абсорбера могут отличаться в зависимости от производителя, стоимости гелиоколлектора и необходимых дополнительных функций.

Чем покрывают солнечные коллекторы

От эффективности работы абсорбера зависит КПД гелиопанели. Чтобы увеличить аккумуляцию тепла, медный или алюминиевый сердечник покрывается теплопоглощающей краской для солнечных коллекторов. ЛКМ обычно темного или черного цвета. Основу составляет:

• черный никель;
• оксид титана.

К селективной краске для солнечных коллекторов предъявляются высокие требования: стойкость к выгоранию, устойчивость к высоким температурам. Нанесенный слой должен иметь хорошую адгезию к медной или алюминиевой пластине. Селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора на основе цинка в большей мере соответствует предъявляемым требованиям.

Как аккумулируется и хранится тепло

Плоский солнечный водонагреватель устроен как парник, только с тем различием, что накопленная тепловая энергия не остается во внутреннем пространстве, а перенаправляется в накопительную емкость. Коллекторы не работают самостоятельно и требуют обязательного подключения к накопительному баку косвенного нагрева.

Процесс аккумуляции и перенаправления тепловой энергии происходит следующим образом:

• абсорбер для солнечного коллектора накапливает тепло;
• металлический сердечник подсоединен к проточному трубопроводу;
• жидкий теплоноситель снимает излишки тепла и направляет его в бойлер косвенного нагрева.

По принципу хранения тепла различают несколько типов плоских коллекторов:

• моноблочный солнечный водонагреватель — накопительная емкость присоединена к панелям;
  
  

• блок косвенного нагрева — предусмотрено подключение к отдельно стоящему бойлеру, установленному внутри здания.
  

   

Моноблочные системы эффективны в летнее время года, на нагрев ГВС. Один м² панели обеспечит приблизительно 50 л воды, с температурой 60°С. С коллектором панельного типа, работающим по принципу косвенного нагрева можно компенсировать часть тепла необходимого для отопления здания в зимнее время года. Вместо воды в проточном трубопроводе циркулирует антифриз. Гелиоколлекторы продолжают работать до температуры –50°С.

Об эффективности панельных коллекторов

Целесообразность приобретения определяется несколькими факторами:

• теплоэффективностью;
• предназначением;
• стоимостью и временем окупаемости;
• техническими характеристиками: сложностью монтажа и обслуживания.

Эффективность панельного солнечного коллектора можно четко увидеть при сопоставлении с аналогами. Ниже приводятся сравнительные характеристики:

Производительность — летом тепловая мощность выше чем у вакуумных трубчатых коллекторов приблизительно на 15-20%. Зимой теплоотдача существенно падает.

• Регион размещения — оптимальное соотношение стоимости панельного солнечного водонагревателя и его производительности достигается в южных регионах и местностях с теплым климатом.
• Обслуживание — монтаж сложен за счет того, что поднимать и впоследствии фиксировать на кровле, приходится собранную панель. С другой стороны, в модулях с полярным стеклом присутствует функция самоочищения от пыли и грязи. Функция автоматического удаления снега и инея присутствует в большинстве гелиопанелей.
• Тепловая мощность — солнечные коллекторы панельного типа не способны сгенерировать теплоноситель высокой температуры.
• При повреждении панели замещается целый блок, в отличие от вакуумных коллекторов, где меняется только разбитая трубка.

График сравнения аккумуляции солнечной энергии, в зависимости от времени года приводится в следующем графике:

Чтобы определить целесообразность применения нагревателей стоит прочитать реальные отзывы о плоских коллекторах. Рекомендации пользователей помогут увидеть определенные недостатки и преимущества, которые не удастся обсудить в рамках одной статьи.

Из чего можно изготовить плоский солнечный водонагреватель

Коллектор, хотя и с меньшей теплоэффективностью (по сравнению с заводской продукцией), получится сделать своими руками. Чтобы изготовить гелиоколлектор понадобится:

• Фанера, ДСП и деревянный брус для изготовления короба.
• Стекло, толщиной 3 или 4 мм, для изготовления крышки (можно использовать поликарбонат), а также для создания своеобразного абсорбера.
• Металлический лист (медный или алюминиевый) для теплообменника, можно использовать радиатор от старого холодильника.
• Специальная селективная краска — улучшает теплопоглощение. На этом компоненте не стоит экономить, затраты окупятся производительностью собранного гелиоводонагревателя. Хорошие отзывы заслужила краска для солнечных коллекторов Iliolac.
• Профнастил — для производства подложки под абсорбер.

Вместо светопоглощающей краски можно использовать селективную пленку для панельных коллекторов. Материал выпускается двух типов: однослойным и многослойным, на металлизированной подложке.

Варианты использования водогрейных панелей

Плоские солнечные коллекторы не используются в качестве самостоятельного и полноценного источника тепла. Панели перестают работать ночью. В зимнее время года существенно снижается теплоэффективность. КПД панельных солнечных водонагревателей летом в ясную погоду возрастает по сравнению с вакуумными трубчатыми аналогами, не менее чем на 30%.

Несмотря на высокие показатели теплоэффективности за счет особенностей конструкции, нагрев воды не будет превышать температуру окружающей среды на 20-30°С. Максимальная теплоотдача достигается при необходимости подогревать теплоноситель до 40°С. От этой особенности и зависят возможности нагревателя:

• Для отопления дома — в зимнее время года солнечный панельный коллектор сможет обеспечить от 10-25% необходимого тепла. Рекомендуется подключение к низкотемпературным системам отопления: водяным теплым полам. Для радиаторов, с температурой теплоносителя 60-80°С, подключать гелиопанели нецелесообразно.
  

   

• Для ГВС — основное предназначение солнечных теплоаккумулирующих панелей: нагрев горячей воды. Расчет площади коллектора осуществляют в соотношении производительности 1 м² = 50 л горячей воды.
  

   

Для северных широт плоские солнечные теплопоглощающие коллекторы будут малоэффективны. Панели лучше устанавливать в домах, расположенных в южных регионах и теплых областях, с умеренным климатом.

Производители и цены на панельные коллекторы

На рынке источников альтернативной энергии представлена продукция разных производителей. Большой сегмент рынка занимают китайские гелиопанели. Благодаря ценовой доступности и хорошему качеству сборки популярностью пользуются плоские солнечные коллекторы российского производства. Практически не имеют конкуренции по теплоэффективности солнечные панели, изготовленные в ЕС.

Наиболее популярные модели:

• ЯSolar — коллекторы российской компании «Новый Полюс». В устройстве используется энергопоглащающее покрытие TiNOX, медный абсорбер. Корпус отличает уменьшенный вес, что существенно облегчает установку гелиоколлектора на кровлю. Коллектор ЯSolar площадью 1 м² обойдется в 16500-17000 тыс. руб.
• Сокол-Эффект-А — солнечный водонагреватель с алюминиевым или медным теплообменником. В устройстве используется антибликовое, противовандальное стекло с эффектом самоочищения. Гелиопанель Сокол-Эффект-А полностью соответствует отечественному ГОСТ Р 51595-2000.Kairos Ariston — плоский солнечный коллектор для подключения к системам горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией теплоносителя. Абсорбер вскрыт краской на основе титана. Защитное стекло с антибликовым покрытием, устойчиво к ударам града. Гидравлический контур полностью из медных труб. Средняя стоимость Kairos Ariston за м² 30 тыс. руб.

• Vaillant auroTHERM plus — немецкий водогрейный коллектор, предназначенный для подключения к системам с принудительной циркуляцией. Защитное стекло, с толщиной 3,2 мм, для лучшего светопоглащения сделано рифленым. Корпус auroTHERM plus из алюминия, адонированного в черный цвет. Площадь модуля 2,51 м².
• Galmet KSG REGAL — польская гелиопанель. Материал корпуса алюминий. Медный теплообменник. Предполагаемый срок эксплуатации 50 лет. Рекомендован к использованию для ГВС и компенсации расходов системы отопления. Средняя стоимость KSG REGAL 25 тыс. руб. за модуль с площадью 2-2,5 м².
• Светогрей Стандарт-2 — панельный коллектор от компании Эксморк, расположенной в РФ. Отличается качеством сборки и надежностью. Основная сфера эксплуатации: коммерческое применение в системах с высоким давлением циркуляции теплоносителя. Модуль выдерживает нагрузку до 12 атм. Стоимость Светогрей Стандарт-2 — 16 тыс. руб. за панель.
• Buderus SKN — еще одна модель гелиоколлектора, выпускаемая в Германии. Солнечный коллектор имеет высокую производительность 3,6 кВт на каждый м². солнечные панели Buderus SKN отличает небольшая толщина и вес 41 кг.
• Energy EVO — изготавливается компанией Kyriazis (Греция). Установлено призматическое закаленное стекло. Существует возможность одновременного подключения до 4 коллекторов в единую сеть. Гарантия 10 лет. Стоимость плоской гелиопанели Energy EVO — 17 800 руб.
• Hummel FKHE — солнечный коллектор, выпускаемый европейской компанией, одним из родоначальников производства гелиосистем. Отличие продукции: возможность подключения в один ряд до 10 модулей одновременно. Разработана надежная теплоизоляция, делающая возможным использование солнечных теплопоглощающих коллекторов в местностях с холодным климатом. Стоимость Hummel FKHE — 47 600 руб.
• Huch EnTEC FKF — гелиоколлекторы для подключения к безнапорным системам нагрева горячей воды. Корпус из алюминия. Рама устойчивая к порывам ветра. Закаленное стекло выдерживает прямое попадание крупного града. Стоимость Huch EnTEC FKF — 51000 руб.

Российские компании традиционно предлагают плоские солнечные коллекторы бюджетного сегмента, адаптированную к отечественным условиям. Европейские панели отличаются красивым внешним видом и надёжным качеством сборки, но и стоят в 2-2,5 раза дороже.

Установка и подключение коллектора панельного типа

Вариантов монтажа несколько. Во время составления проекта гелиосистемы, потребуется определить какое расположение будет максимально эффективным для получения солнечной энергии. Производители рекомендуют следующие способы монтажа:

• установка на плоской кровле;
• скатной крыше;
• площадке.

В каждом случае существуют определенные правила, обязательные к исполнению. От выполнения рекомендаций зависит теплоэффективность схемы подключения панельных солнечных коллекторов:

• Монтаж на плоской кровле — требователен к углу наклона панелей (16,2°). В качестве регламентирующего документа, определяющего разрывы между рядами коллекторов, можно принять ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения». Гелиопанели устанавливаются в специальных металлических рамах, устойчивых к порывам ветра.

Скачать: ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения».pdf

• Установка на площадке — действуют правила схожие с теми, что описывают подключение на плоской кровле. Единственная разница, место расположения следует оградить от свободного прохода людей.

• Монтаж на скатной кровле — место подключения ориентируют в южную сторону. Допускается размещение как над кровельным покрытием, так и (при условии использования специальной рамы) со встраиванием в крышу. Место монтажа панельного солнечного водогрейного коллектора не должно затеняться деревьями. Стыки тщательно герметизируются.

Скачать: Инструкция по монтажу панельного гелиоколлектора на крыше.pdf
Скачать: Инструкция по установке плоских гелиопанелей на фасад.pdf

Технология монтажа гелиоколлектора заключается в использовании специальной рамы, на которую навешивается панель. На самой основе присутствуют фиксаторы, надежно закрепляющие коллектор. Между собой теплопоглощающие панели соединяются при помощи гидравлического соединителя.

При решении сколько блоков объединить между собой следует придерживаться рекомендаций изготовителя. К примеру, в технической документации к Hummel FKHE указывается на возможность одновременного подключения в единую сеть до 10 модулей.

После установки все резьбовые соединения проверяют под давлением воздуха. Если опрессовка показала полную герметичность системы, допускается ввод плоских солнечных коллекторов в эксплуатацию.