Отопление жилого помещения или офисного здания даже при отрицательной температуре, подача горячей воды для общего пользования или подогрев воды в бассейне без ощутимых затрат для семейного бюджета возможен при установке солнечного коллектора. Ключевым элементом такой системы являются солнечные панели или вакуумные трубки, на поверхность которых попадают лучи Солнца, затем преобразовывающиеся в тепловую энергию. От того, какое покрытие солнечного коллектора используется, зависит КПД, уровень теплопотерь и общая эффективность работы гелиоустановки. Современные типы покрытия чаще всего являются селективными. Принцип их работы в том, чтобы поглощать еще больше солнечного излучения извне, но не пропускать наружу энергию, максимально предотвращая теплопотери. Существует до 30 видов селективных материалов, которые наносятся на установку как в заводских условиях, так и самостоятельно, в домашних условиях.
Виды селективных покрытий
Существует три варианта абсорберов:
- Краски.
- Химически обработанный металл.
- Готовые пленки.
Они отличаются тремя показателями:
- Поглощательная способность
- Излучательная способность
- Общая эффективность
Поглощательная способность определяется тем, какое количество солнечного излучения материал может преобразовать в тепловую энергию. Она играет большую роль, но не главную.
Излучательная способность характеризует количество тепла, которое отдает абсорбер в окружающую среду в виде излучения. Чем она выше, тем больше теплопотери и ниже эффективность работы солнечного коллектора.
Общая эффективность – отношение первых двух показателей. Это относительный коэффициент, он не характеризует реальную тепловую производительность, но показывает эффективность селективного покрытия.
Таблица эффективности селективных покрытий для солнечных коллекторов
Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления
Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.
Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.
Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.
В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.
Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:
- снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
- экологичность данного вида энергии.
Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.
Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.
Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.
Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.
Основные разновидности солнечных коллекторов
Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.
КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.
Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:
- водяные (жидкостные);
- воздушные.
По уровню предельных температур коллекторы бывают:
- низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
- среднетемпературными до 80°C;
- высокотемпературными – более 80°C.
Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.
Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:
- плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
- вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
- трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
- термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.
Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.
Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.
Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.
Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.
Солнечный коллектор своими руками, видео:
Селективная краска для солнечных коллекторов
Многие считают, что поверхность коллектора достаточно покрыть черной краской – она максимально поглощает солнечное излучение и хорошо нагревается. Такая солнечная панель будет неэффективной потому что:
- Краска поглощает в основном видимую часть спектра, остальное излучение не используется;
- Она излучает тепло в инфракрасном спектре в атмосферу;
- Большинство красок выцветают под воздействием солнечного ультрафиолета и теряют способность поглощать излучение;
- При высоких температурах краска рассыхается, снижая эффективность абсорбера в разы(!);
- Покрытие обычной краской действует как теплоизоляция, не пропуская тепло внутрь панели.
Поэтому для самостоятельного изготовления солнечного коллектора нужно использовать селективные краски, специально для этого предназначенные. Их стоимость зависит от:
- Коэффициента эффективности;
- Термостойкости;
- Срока службы;
- Раскрученности бренда.
Селективная краска для используется как для плоских, так и для воздушных солнечных коллекторов.
Количество стеклопакетов для окон
Количество стеклопакетов
Чтобы определить количество стекол в мстеклопакете для окон нужно исходить из того, где будут применяться окна. Если это помещение, которое нет необходимости отапливать в зимний период, будет достаточным применение однокамерных конструкций. Это летние кухни, веранды, беседки и различные хозпомещения.
Для жилья, которое эксплуатируется круглый год лучше использовать двухкамерные стеклопакеты, которые вмонтированы в рамы с профилем толщиной до 70 мм, обеспечивающий достаточную защиту от холода. В том случае когда требуется более эффективная защита тепла, например, в детских учреждениях, очень часто применяют уже стеклопакет, состоящий из трех камер, для которых профиль в 70 мм будет недостаточным чтобы расположиться в нем трехкамерной конструкции. В этом случае ширина профиля увеличивается до 90 мм.
Однако даже трехкамерных пакетов бывает порой недостаточно для эффективного энергосбережения, так как стекло имеет теплопроводность, которая слабо препятствует уходу тепла с помещения. Чтобы улучшить сохранность тепла в подобных случаях, начали ставить стекла со специальным покрытием.
Самостоятельное нанесение селективной краски
Идеальной подложкой для краски является алюминий или медь. Металл является отличным проводником тепла и эффективно отдирает его у абсорбера и отдает внутренней части панели гелиоколлектора.
Перед окрашиванием медные или алюминиевые листы обязательно надо отполировать механическим способом и пастой ГОИ. Чем меньше шероховатости на поверхности металла, тем ниже его излучательная способность – дополнительные неровности увеличивают площадь, через которую уходит тепло.
Самый простой способ нанесения краски – окрашивание краскопультом. Толщина слоя может быть неравномерной, не соответствовать стандартам. Если слой толще указанного производителем – снизится общий коэффициент поглощения, если тоньше – повысится коэффициент теплоотдачи.
Идеальный вариант – заказать окраску листов металла на производстве, где есть оборудование для окрашивания металла путем напыления, гальванической окраской или электромагнитным способом.
Особенности функционирования в холод.
Всем известно, что одним из важнейших предназначений окна является защита от холода как одного помещения, так и всей квартиры (дома). Однако не многие знают, что помещением через окно теряется тепла гораздо больше, чем, скажем, через стены, вентиляцию и даже дверь. Поэтому так важно, для обеспечения комфортных условий, озаботиться установкой качественного современного окна. Неважно, какой профиль вы выберете: ПВХ, деревянный или алюминиевый. Необходимо особое внимание уделить выбору стеклопакета и стекла для него, ведь именно оно занимает практически 90% оконной конструкции, а значит, является одним из главных составляющих элементов.
Селективные пленки
Альтернатива окрашиванию – использование селективной пленки. Она бывает двух видов – однослойной и многослойной на металлизированной подложке.
Коэффициент эффективности пленки высок и сравним с селективными красками, хотя стоимость в перерасчете на квадратные метры гораздо выше. Качественные селективные пленки имеют излучательную способность 5% и менее.
Однослойная самоклеящаяся пленка наносится на лист металла (меди, цинка, никеля, алюминия). Металлический абсорбер должен быть предварительно подготовлен так же, как для нанесения краски.
Многослойная пленка крепится с натяжением на рабочую поверхность солнечной панели. Отдельные полосы спаиваются между собой с внутренне стороны. При выборе высокоселективной пленки надо учитывать температуру пайки, а при монтаже придерживаться ее. В противном случае образуются мостики холода и панель гелиоколлектора будет терять тепло.
Многослойная пленка не требует подложки или металлического абсорбера для гелиоколлектора.
Селективное покрытие солнечного коллектора медью
Оксидная пленка на меди изначально черного цвета, имеет хороший коэффициент поглощения солнечного излучения (см. таблицу). Чтобы оксид не распадался и не позеленел, его защищают покрытием с хорошим соотношением поглощения и излучения.
Перед началом любых работ с медью, листы абсорбера необходимо очистить. Разводим соль или соду из расчета 1 чайную ложку на 1 литр воды и промываем лист губкой. После всего смываем остатки раствора, желательно дистиллированной водой.
Химическую обработку меди нужно производить максимально равномерно, чтобы толщина окисла была одинаковой по площади абсорбера.
Важно
Температура раствора должна быть 60-65 градусов. Все работы проводить в средствах защиты – перчатках, очках и газопылевом (как минимум) респираторе. При попадании реагенты разъедают кожные покровы и слизистые.
Окисление меди персульфатом калия
Смешать до полного растворения:
- Сода каустическая, химически чистая (едкий натр NaOH) – 50-60 грамм;
- Калия персульфат (K2S2O8) – 14-16 грамм;
- Вода – 1 л.
Чернение медного покрытия аммонием
Смешать до полного растворения:
- Сода Каустическая, химически чистая (едкий натр NaOH) – 50-60 грамм;
- Аммоний надсернистокислый ((NH4)2S2O8) – 14-16 грамм;
- Вода – 1 л.
Образование оксидной пленки хлоритом натрия
Смешать до полного растворения:
- Сода каустическая, химически чистая (едкий натр NaOH) – 100 грамм;
- Хлорит натрия (NaClO2) – 50-60 грамм;
- Вода – 1 л.
Кухонный способ оксидирования
Добавить в готовый щелочной раствор для очистки канализационных труб (продается в любом супермаркете или магазине сантехники) медицинскую перекись водорода. От концентрации зависит скорость образования оксидной пленки, подбирать надо в зависимости от типа раствора для очистки труб.
Наносить раствор губкой или тряпкой на медный лист, после того как выделение кислорода закончится – наносить заново. Повторять до образования черной оксидной пленки.
Каление металла
Качественное и прочное селективное покрытие своими руками можно сделать путем нагревания медного листа до 1200 градусов и быстрого охлаждения в воде. Увы, для этого нужно соответствующее оборудование – неравномерный прогрев не даст однородной пленки одинаковой толщины.
Каление имеет преимущества по сравнению с химической обработкой – пленка образуется равномерная и устойчивая к повреждениям.
Другие способы
- Жидкости для чернения (воронения) меди;
- Обработка газовой горелкой (коэффициент поглощения ниже на 10-12% чем при химической обработке);
- Протравки самостоятельного приготовления.
Если медь не будет обработана должным образом, вскоре после чернения, травки, воронения или доругих работ по образованию оксидной пленки она приобретет такую фактуру.
Стекло солнцезащитное
Такое изделие способно или отражать, либо поглощать инфракрасное излучение.
Это надежная защита в летний зной. При том, что стекло остается прозрачным, оно весьма эффективно защищает от попадания солнечных лучей, подобно закрытым жалюзи. Если в доме установлены окна с солнцезащитным стеклами, то он будет нагреваться минимум в 2 раза меньше, чем при установке стеклопакетов со стандартными стеклами.
Распределяется на группы, согласно технологии изготовления:
- Рефлекторное;
- Тонированное в массе;
- С мягким покрытием (магнетронное нанесение нанопокрытия).
Маркировка:
- 4ANTELIO — 4 мм толщина, может быть в трех цветовых решениях — бронзовый, зеленый, серый (производитель Saint –Gobain);
- 4 SunStop — 4 мм, изготовитель Глас-Трёш;
- 4 SGSolar — 4 мм, от SunGuard;
- 4SolarCool — 4 мм, рефлекторное от PPG;
- 4StopSol — производитель AGC. Может иметь четыре типа покрытия: Supersilver, Classic, Silverlight, Phoenix.
Цинковое покрытие для солнечных коллекторов
Цинк – хороший материал в качестве селективной поверхности для солнечных коллекторов. Есть три способа его обработки чтобы достичь максимальной эффективности абсорбера.
Обмеднение и оксидирование
Листы цинка необходимо промыть раствором 20 гр. фосфата натрия и 20 гр. мыла в 1 литре воды. Раствор предварительно подогреть до температуры кипения. После обезжиривания работать с листом можно только в резиновых перчатках.
Для снятия окислов обработать раствором 5 гр. соляной или серной кислоты в 100 мл. воды. Температура раствора должна быть 18-24 градуса, время обработки – 1 минута. После протравки промыть лист водой и высушить.
Для обмеднения готовим раствор:
- Медный купорос (CuSO4) – 10 грамм;
- Серная кислота концентрированная (H2SO4) – 10 мл;
- Вода – 1 литр.
Обработать лист раствором на 2-5 минут (смотреть по результату), после чего промыть его водой. После процедуры обмеднения поверхность можно обрабатывать как обычный медный лист.
Нанесение порошковой краски
В качестве селективной краски для солнечных коллекторов можно использовать тонер для ксерокса или принтера. Лист цинка или оцинковки необходимо прогреть строительным феном, после чего равномерно покрыть его порошком.
Тонер припаивается к цинку не теряя матовости, что обеспечивает хорошие поглощение солнечного света. Если порошок оплавляется и образуется глянцевая поверхность, ее обрабатывают мелкозернистой наждачной бумагой.
Тонер для принтера или ксерокса также используется для повышения качеств цинка как абсорбера.
Чернение оцинковки
Цинк можно чернить химическим способом для повышения поглощающей способности. Химические реактивы собственного приготовления малоэффективны – полученное селективное покрытие быстро разрушается. Аналогом служат готовые смеси и реагенты, доступные в свободной продаже.
Бытовые нагреватели длинноволнового ИК-диапазона
Согласно СНиП 41-01-2003 температура поверхности высокотемпературных приборов лучистого обогрева не должна превышать 250°С. Это ограничение связано с тем, что длительное нахождение вблизи устройства, разогретого до 300°С и более, может нанести вред здоровью человека, поскольку тепловые лучи проникают на достаточную глубину от поверхности кожи. Именно поэтому в быту предпочтительны такие источники тепла, как теплые полы (до 27°С), теплые стены (40°С), пленочные ИК-обогреватели (45°С), ИК-нагреватели с карбоновыми панелями (до 75°С), батареи центрального отопления (до 90°С), масляные радиаторы (до 150°С), кирпичная печь (до 100°С), металлическая печь (до 150°С), ИК-обогреватели с алюминиевыми пластинами (250°С).
Длина волны ИК-излучения от перечисленных приборов находится в диапазоне 8–80 мкм и не попадает даже в зону средневолнового диапазона с длиной волны менее 5,6 мкм и температурой выше 300°С.
Отражение теплового излучения поверхностью стеклопакета
Для придания стеклу селективных свойств применяют два типа покрытий — твердое (k) из тонкослойной окиси металлов и мягкое (i) из оксидов металлов.
К-покрытие
наносят методом пиролиза на горячую поверхность в процессе производства стекла и затем отжигают. Его достоинством является более высокая твердость, чем у самого стекла. В роли светового фильтра в данном случае выступает слой окислов цветных металлов — индия или олова. Коэффициент эмиссии
e
у k-стекол составляет не более 0,2. В стеклопакете их ставят так, чтобы той стороной, на которую нанесено покрытие, они смотрели внутрь помещения: отражающий слой достаточно прочный, так что можно не бояться нечаянно его повредить.
Селективные стекла отличаются по составу отражающего слоя, способу его нанесения, а также по своим энергосберегающим характеристикам. При этом современные изделия с любым типом оптического покрытия абсолютно прозрачны и выглядят как обычные стекла
