Сонце – це самий потужний джерело енергії на Землі. Щомиті воно посилає нам більше 80 тисяч мільярдів кіловат. Це в кілька тисяч разів більше, ніж виробляють всі електростанції світу. Люди завжди намагалися знайти спосіб застосувати сонячну енергію для своїх потреб. Вже в ранньому середньовіччі вони вміли добувати вогонь за допомогою лінз, а в наш час ємність на даху, пофарбована в чорний колір, нагріває воду і служить літнім душем в селах і на дачах. До речі, вона є найпростішим сонячним колектором — нескладним і оригінальним пристроєм, що дозволяє використовувати сонячну енергію для нагріву води або опалення. Якщо трохи поліпшити конструкцію, гарячої води вистачить на всі господарські потреби, і на обігрів будинку. Для цього потрібно зрозуміти принцип дії сонячного колектора.
Як працює сонячний колектор?
Принцип роботи цих пристроїв заснований на трансформації сонячної променистої енергії в теплову:
Принцип дії сонячного колектора можна порівняти з автомобільною системою охолодження – зайве тепло допомогою радіатора відводиться від працюючого двигуна і витрачається на обігрів салону. Але, якщо для автомобіля важливо, в першу чергу, відвести тепло від двигуна, то при влаштуванні сонячного колектора необхідно ефективно зберегти його.
Переваги і недоліки використання сонячних колекторів
Світові вчені сходяться на думці, що частка енергії, одержуваної від сонця, буде тільки зростати і наводять такі факти:
- сонце є невичерпним і безкоштовним джерелом енергії;
- застосування сонячної енергії не призводить до забруднення навколишнього середовища і не сприяє збільшенню парникового ефекту;
- сонячну енергію можна використовувати скрізь, вона не потребує транспортування;
- сучасні наукові розробки дозволяють ефективно акумулювати отриману енергію;
- сонячні колектори потребують мінімальному обслуговуванні;
- пристрій колектора відносно просте і коштує недорого.
Разом з тим вчені відзначають і складності у використанні сонячної енергії:
- ефективність колекторів безпосередньо залежить від рівня інсоляції;
- установка обладнання вимагатиме певних початкових витрат;
- взимку тепловтрати відчутно зростають.
Ще одним суттєвим недоліком є можливість отримання енергії тільки протягом світлового дня.
Типи сонячних колекторів
Вище ми коротко описали принцип дії двоконтурного колектора: по одному контуру тече теплоносій, з другого – вода. Це пристрій може бути одноконтурним. У ньому теплоносієм служить тільки вода, яка згодом і витрачається. Одноконтурний колектор непридатний для використання взимку, так як вода буде замерзати і розривати трубки.
Крім поділу колекторів на одно – та двоконтурні, існують і інші загальноприйняті класифікації. Так, сонячні колектори поділяють за принципом роботи:
- плоскі;
- вакуумні;
- повітряні;
- концентратори.
Розглянемо їх пристрій і принцип дії докладніше.
Плоский сонячний колектор
Це нескладний пристрій нагадує сендвіч з наступними шарами:
- алюмінієва рама з кріпленням;
- теплоізоляція;
- поглинаюча поверхня-абсорбент;
- мідні трубки;
- захисне скло.
Пластина-абсорбер пофарбована в чорний колір і забезпечує максимальне поглинання сонячної радіації, а спеціальне загартоване скло, що закриває всю конструкцію, мінімізує втрати енергії, створюючи ефект парника і прогріваючи абсорбуючий шар.
Плоскі сонячні колектори відрізняються простою конструкцією, надійні, але мають невисокий ККД.
Вакуумний сонячний колектор
Сонячні колектори на основі вакуумних трубок мають інший принцип роботи.
На відміну від колекторів плоского типу, тепло в вакуумних колекторах акумулюють герметично запаяні трубки і теплосборник. Скляна поверхня трубок зі спеціальним напиленням ефективно поглинає сонячну енергію, яка нагріває теплоносій всередині трубок. Вакуум запобігає теплові втрати, працюючи як ізолятор. Через теплосборник циркулює рідина надходить в бак-накопичувач для нагріву води і потім повертається назад в систему вакуумних трубок.
Вакуумні елементи дозволяють забезпечити в колекторах цього типу більш високий ККД у порівнянні з плоскими аналогами.
Сонячний повітряний колектор
Колектори такого типу не володіють високою ефективністю, так як повітря має більш низьку теплоємність. Зате їх можна використовувати круглий рік, так як повітря не здатний замерзати взимку.
Конструкція повітряного колектора простіше і відрізняється високою надійністю. Колекторами повітряного типу можна обігрівати як житлові будинки, так і виробничі приміщення, овочесховища, склади, гаражі, підвали.
Пристрій і принцип роботи повітряного колектора мало відрізняються від плоских аналогів: систему мідних трубок з циркулюючим за ним теплоносієм замінює панель-теплоприемник з ребрами.
Пристрій панелі схоже на стільниковий полікарбонат. Між ребрами панелі проходить повітря і в процесі нагрівається. Нагріте повітря подається в приміщення, віддає своє тепло і повертається назад в колектор. Панелі виготовляють з матеріалів з високою теплопровідністю – міді, алюмінію, сталі.
В умовах російської кліматичної зони з морозними зимами повітряний колектор не обігріє будинок повністю, але в якості додаткового джерела безкоштовного тепла може істотно заощадити витрати на опалення.
Як зробити сонячний водонагрівач своїми руками?
Потужність сонячного колектора безпосередньо залежить від його площі, але з збільшенням площі будуть рости і витрати на придбання. В деяких випадках набагато вигідніше самим виготовити сонячний колектор з підручних матеріалів. Ефективність його буде відносно невелика, але і витрати на матеріали не позначаться на сімейному бюджеті. Окупиться будь саморобна конструкція дуже швидко, якщо вдасться запобігти втрати тепла. Простіше всього в домашніх умовах виготовити повітряний або плоский сонячний колектор.
Перш за все потрібно визначити місце для його установки:
- Панелі потрібно орієнтувати строго на південь під певним кутом, що забезпечує максимальну інсоляцію. ККД пристрою буде вище, якщо кут нахилу панелі можна змінювати, орієнтуючись на висоту положення сонця в даний період. Так, взимку кут нахилу повинен бути максимальним, а влітку панелі повинні стояти під меншим кутом.
- Панелі колектора потрібно встановлювати як можна ближче до приміщення, яке буде обігріватися, щоб знизити тепловтрати. Ефективна установка колектора на південний схил даху будинку або на фронтон. Це мінімізує теплові втрати, але в даху, доведеться робити додаткові отвори.
- На вибране для установки колектора місце не повинна падати тінь від парканів, дерев або інших будівель.
Слід враховувати, що взимку тіні набагато довшим за рахунок низького положення сонця над горизонтом.
Після вибору оптимального місця потрібно визначитися з матеріалами, які будуть служити теплоприемниками. Для саморобного повітряного колектора підійдуть алюмінієві банки з-під напоїв. Зручності очевидні – алюміній має високу теплопровідність і легко ріжеться, банки мають стандартні розміри і стикуються один над одним.
Після того, як необхідна кількість банок зібрано, їх необхідно ретельно вимити, просушити, вирізати отвори в шийці і донці, склеїти клеєм-герметиком і пофарбувати в чорний колір.
Кількість банок в довжину і ширину повинно відповідати розміру панелі. Після укладання банок батареї в панель потрібно організувати канали подачі та відведення повітря. Для цього можна скористатися готовими трубками, які продаються для монтажу вентиляції. В процесі складання системи потрібно передбачити утеплення задньої сторони панелі і верхнє скло. Його можна замінити на шматок полікарбонату.
Готовий колектор можна підключити до системи вентиляції приміщення або залишити автономним. Для більшої ефективності до нього підключають вентилятор. Різниця температур на вході і виході в такому колекторі може досягати 35 градусів.
Крім повітряного можна організувати і водяне опалення. Як теплоприемников можуть служити чавунні або алюмінієві батареї, труба чи шланг ПНД. Якщо колектором планується
користуватися цілий рік, систему слід робити двоконтурної і в якості теплоносія заливати тосол або будь-яку іншу охолоджуючу рідину.
Пристрій в своєму будинку або на дачі сонячного колектора здатне значно знизити витрати на опалення і повністю забезпечити потреби у гарячій воді.
