Сонячні водонагрівачі (СВ) є, по суті, сонячними колекторами - концентраторами, які переважно застосовуються для нагріву води в системі опалення і в різних резервуарах. У побуті подібні системи називають сонячним накопичувачем або сонячним тепловим колектором.

Змонтований водонагрівач на даху будівлі

За підрахунком вчених сонячна енергія, що надходить на Землю, перевищує енергоспоживання населення планети за рік в 30 тисяч разів і набагато разів більше запасів палива на земній кулі. Але потік сонячного випромінювання надходить розсіяно і має низьку концентрацію. Навіть у сонячну погоду на півдні країни щільність сонячної енергії за рік 1400-1600 кВт/г, а опівдні не перевищує 1800 Вт / м?. А на півночі цей показник за рік становить 550-1200 кВт/г, а опівдні - 1000 Вт / м?.

Тому в розрахунку сонячних колекторів враховують кількість сонця і необхідну кількість води на добу, виходячи з кількості проживаючих людей в будинку.

Хоча людство тисячоліттями використовувало енергію Сонця для різних своїх потреб, у тому числі для нагріву води, всі ці дії були малоефективними, і людина ніколи не досягала бажаного результату. Тому виникає необхідність використовувати це дешеве і невичерпне джерело енергії більш ефективно.

На цьому грунті з'явилася нова галузь енергетики - геліоенергетика. Завданням якої є більш ефективне використання теплової енергії сонця для людських потреб. Вона особливо розвивається в країнах, де не можливо або важко скористатися енергіями води і вітру, відсутні запаси кам'яного вугілля та нафти. Основними об'єктами геліоенергетики є геліоустановки, які розраховані на перетворення сонячної енергії в інший вид енергії і розділяються на 2 основних типи:

• сонячні колектори - для виробництва теплової енергії;
• сонячні батареї - для вироблення електроенергії.

Примітивна схема роботи сонячних водонагрівачів

Сонячний водонагрівач складається з зовнішньої частини (сонячний колектор) і внутрішньої частини, так званого резервуару-теплообмінника. Наприклад, для будинку працюють за таким принципом: резервуар-теплообмінник за допомогою зовнішнього колектора нагріває воду, яка надходить у систему опалення. Воду в резервуарі можна використовувати і як гарячу воду для інших потреб. Але тут потрібно вживати додаткових заходів, щоб резервуар-теплообмінник, поряд з сонячною енергією, також зміг працювати від інших джерел домашнього опалення, коли сонячної енергії буде недостатньо. Зустрічаються саморобні сонячні водонагрівачі для дому з пластикових пляшок або інших абсорберов, але ефективність їх залишає бажати кращого.

Розрізняють такі типи сонячних водонагрівачів, виходячи з виду колектора:

• плоскі;
• вакуумні;
• пластикові.

За способом монтажу і комплектації розрізняють активні і пасивні системи.

Сонячні водонагрівачі з плоскими колекторами

Плоский сонячний нагрівач

Плоский простий сонячний колектор (СК) являє собою прямий абсорбер (поглинач) сонячного випромінювання для нагрівання води. Абсорбер в колекторі - це металева пластина або відлита гума високої якості з колективними і розподільними трубками, які повинні бути стійкими до перепаду температури від -50 ° С до +120 ° С і зберігають при цьому еластичність і гнучкість. Падаючий потік сонячної енергії підвищує температуру поглинача. Щоб уникнути втрати тепла, колектори покриваються склом товщиною не менше 4 мм з високим коефіцієнтом пропускання світла K > 92%. Плоскі сонячні колектори мають велику площу, яка пропорційна площі поверхні води, що нагрівається у відносинах 0,5-0,8 до одного.

Плоский вакуумний сонячний колектор - різновид СК, де вакуум дозволяє збільшити теплоізоляцію колектора. Використовувані мідні трубки зі стінками, стійкі до високого тиску, виготовляються у формі меандру і мають клапани для збереження і створення розрідження в них.

Сонячні водонагрівачі з вакуумними колекторами

Вакуумний сонячний водонагрівач

Вакуумні сонячні колектори або вакуумні трубчасті колектори мають те ж призначення, що і плоскі. У них потік сонячного випромінювання потрапляє у внутрішню поверхню скляних трубок. Трубки вакуумні і їх внутрішня поверхня покрита поглиначем. Завдяки вакууму і внутрішньому поглиначу втрата тепла не відбувається. Тепло від колектора передається в теплообмінник. Рідина в трубці теплообмінника нагрівається. Частина рідини перетворюється на пару, яка надходить в конденсатор, де знову перетворюється в рідину. Вона знову повертається в теплообмінник. При процесі конденсації виділяється теплота, яка передається потоку обігрівається води.

Деякі вакуумні колектори конструктивно створені таким чином, що колектор представляється у вигляді неглибокої коробки, і вона заповнена скляними трубками. Ці трубки з подвійною стінкою, створюється ефект, що одна труба знаходиться всередині іншої. Повітря в просторі між двома трубками відкачується, і створюється вакуум. Крім того, внутрішня трубка має поверхню, покриту шаром абсорбера (поглинача), і цей шар знаходиться у вакуумі між двома трубками. Внутрішня трубка наповнена легковипаровоючою рідиною. Під впливом потоку сонячних випромінювань рідина на гарячому кінці трубки випаровується, і пар переходить на холодний кінець трубки, конденсується і перетворюється в рідину. Цей замкнутий цикл рідина - пар - конденсат - рідина повторюється нескінченно, поки діє сонячна енергія. При кожному циклі теплова енергія передається обігрівається воді.

Сонячні водонагрівачі з пластиковими колекторами

Пластикові сонячні колектори виготовляються з поліетилену марки ПЕВП методом заводського штампування. Ці колектори дешеві і практичні. Їх можна безпосередньо підключити до системи гарячого водопостачання. Не мають теплоізоляційні покриття, тому вони не використовуються в холодну пору року. Їх неможливо встановити в регіонах із сильними вітрами.

Установка і застосування сонячних нагрівачів

Встановлення водонагрівачів проводиться з розміщенням сонячних колекторів на даху будинків та інших будівель, або на стінах у вигляді козирків, або на поверхні землі на різних конструкціях. Лицьову сторону панелей і коробок колекторів потрібно встановити в напрямку півдня. Кут нахилу площини панелей вибирають диференційовано для місцевості. Він залежить від географічної широти.

На стенді: схема роботи водонагрівачів на сонячній енергії

Активні і пасивні системи

Пасивна - система сонячних водонагрівачів характеризується тим, що абсорбція та акумулювання відбувається само собою елементами конструкції. Сонячні промені прямо подаються на об'єкт без їх регулювання. Відсутні механізми та інші рушійні частини. Це просто і дешево. Але така система працює нерівномірно і недостатньо повно. Примітивним прикладом такої системи може служити  бак над літнім душем для обігріву води.

У пасивному режимі працюють одноконтурні геліосистеми з природною циркуляцією. При природній циркуляції застосовується термосифонна система: гарячий теплоносій під дією законів механіки піднімається вгору на бак-накопичувач. Отже, в цій системі бак-накопичувач повинен встановлюватися вище сонячного колектора, що часом створює незручність. Цей недолік усувається із застосуванням активної системи.

Активна - система сонячних водонагрівачів - це, коли сонячні промені надходять у спеціальні пристрої і перетворюються на теплову енергію потрібних параметрів. Споживачеві і баку-акумулятору систематично передається теплова енергія. Активний режим досягається застосуванням примусової циркуляції одноконтурних і двоконтурних геліосистем. Будуть використані електродвигуни для повороту панелей і насосів підживлення, застосовується апаратура вимірювальна, контролю та управління.

Проста схема підключення сонячних колекторів