Солнечные коллекторы

Во время нынешнего кризиса у всех на слуху новое слово — коллектор. Английское слово collect многозначно, но основное его значение — собирать что-либо. Коллекторы, о которых сегодня пойдёт речь, помогут нам в тяжёлые времена. Благодаря им мы сможем разумно инвестировать наши капиталы, значительно экономить на коммунальных платежах, обеспечивать наши дома теплом и горячей водой, не беспокоясь о повышении тарифов.

Знакомьтесь: ваш новый друг — солнечный коллектор, собиратель солнечных лучей и солнечного тепла.

Солнечный коллектор — основной элемент солярных систем горячего водоснабжения (ГВС). Настало время разобраться в принципах работы солнечных коллекторов и в том, как они устроены, рассмотреть виды и потребительские свойства этих приборов, узнать их достоинства и недостатки.

Солнечные коллекторы предназначены для поглощения радиации нашего светила и её преобразования в тепловую энергию, используемую далее для нагрева бытовой воды.

От эффективности солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Все конструктивные особенности любых солнечных коллекторов сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и минимальным тепловым потерям. Чем больше солнечной энергии поглотит система коллекторов, чем быстрее преобразует эту радиацию в тепловую энергию и чем меньше её потеряет по пути к аккумулирующему баку, тем эффективнее будет работать система ГВС.

Коллектор является основным элементом системы ГВС, но он не может эффективно функционировать, если неправильно подобраны другие части оборудования, трубопроводы, изоляция, комплектующие или произведен неправильный монтаж. Количество коллекторов, их размеры и способ соединения, выбранные для конкретной системы, тоже в значительной степени влияют на эффективность, надежность и долговременность бесперебойной работы солнечных коллекторов и системы ГВС в целом. Любая ошибка может привести к тому, что система не будет вырабатывать желаемое количество тепловой энергии или вообще быстро выйдет из строя.

Учёные подсчитали, что ежедневно на землю поступает солнечная энергия, сопоставимая по количеству с энергией, которую человечество расходует в течение года (в пересчёте на ископаемые виды топлива). Это колоссальный, экологически чистый и практически нескончаемый источник энергии, который мы долгое время вообще никак не использовали. Однако поступающая на землю солнечная энергия нестабильна и зависит от многих факторов, таких как время года и время суток, высота солнца над горизонтом и степень ясности дня, температура воздуха и влажность, плотность облачности и глобальное затемнение атмосферы. Было замечено, что наша атмосфера, в силу колоссальных выбросов и непродуманности расходования человечеством ископаемых видов топлива, постепенно теряет свою прозрачность. Она становится замутнённой. Учитывая эти факторы, солнечные коллекторы систем ГВС почти всегда подключают к аккумулятору тепловой энергии. Это теплоизолированный бак с бытовой водой, в котором происходит передача тепловой энергии от жидкости теплоносителя к воде. Если нагретая бытовая вода не расходуется на нужды потребителей, то бак выполняет функции теплоаккумулятора и хранит в себе горячую воду.

Теплоизоляционный слой бака позволяет пользоваться горячей водой даже в тёмное время суток, когда солнечный коллектор не работает. Получаемая в разные дни горячая вода тоже не будет иметь одинаковую температуру. Это зависит от таких факторов, как погодные условия, температура подаваемой холодной воды, количество потребляемой горячей воды, конфигурация системы ГВС и т. д. Поэтому количество нагретой воды и её температура будут разными в разные дни.

Рассчитав потребность потребителей дома в проточной горячей воде и потребность в горячей воде для отопления здания, определяют вид, тип и необходимое количество солнечных коллекторов. Они объединяются в группы и работают как одно целое — как один большой коллектор.

Солнечные коллекторы бывают разных видов. Наиболее популярными в настоящее время и наиболее доступными (с учётом высокого КПД и приемлемой цены) являются плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Плоские солнечные коллекторы 

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Плоские солнечные коллекторы работают на основе парникового эффекта. Он заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность солнечного коллектора, практически полностью пропускается стеклом. Таким образом достигается накопление солнечной энергии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструктивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем — водой или раствором незамерзающей жидкости.

Чем больше солнечной энергии передается теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Важной характеристикой солнечного коллектора является производство горячей воды с одного квадратного метра его поверхности. При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть теплоноситель до 190— 200 градусов Цельсия.

Плоский солнечный коллектор устроен относительно просто. Самым высокотехнологичным элементом в его конструкции является поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы необходимо, чтобы оно поглощало возможно большую часть энергии падающих солнечных лучей, а при нагреве излучало как можно меньшую долю поглощенной энергии в инфракрасном спектре.

При том, что плоские коллекторы являются самым распространенным типом солнечных коллекторов, они, по всей видимости, уже достигли оптимальных показателей по эффективности, срокам эксплуатации и стоимости. К их недостаткам относится в первую очередь более низкий КПД по сравнению с вакуумными коллекторами в периоды пониженной солнечной активности и в холодное время года.

Вакуумные солнечные коллекторы 

В вакуумном коллекторе объем, где находится темная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды пространством, в котором создан вакуум. Так практически полностью устраняются потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности  конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия.

Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе очень невелик, он обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, практически вне зависимости от внешней температуры. Преимущество вакуумных коллекторов перед плоскими начинает проявляться при температуре воздуха ниже 15 градусов Цельсия.

При отрицательных температурах воздуха вакуумным коллекторам просто нет альтернативы.

Солнечные тепловые установки на основе вакуумных коллекторов могут применяться как для целей горячего водоснабжения, так и для отопления дома. При этом в летнее время можно полностью получать горячую воду от солнечного нагревателя. В остальное время года за счет энергии солнца можно получать до 60 % горячей воды.

Зачем нужны трубки

В различных моделях вакуумных солнечных коллекторов применяются теплонакопители в виде трубок. Эти трубки похожи на термос: одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Вакуум между ними обеспечивает совершенную теплоизоляцию. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи падают на их поверхность перпендикулярно к оси трубки. Это приводит к получению большей энергии с единицы теплоприемной поверхности, даже если солнце и светит под «неудобным» углом, например во время захода и восхода.

Вакуумные трубки не упускают и рассеянный свет солнца, закрытого облаками. В любое время дня под прямым солнечным излучением постоянно находится часть абсорбирующего вещества вакуумной трубки; это как бы плоский коллектор, поворачивающийся за солнцем. При наличии специальных отражателей эффективная площадь такого вакуумного коллектора может быть в несколько раз больше аналогичной площади плоского коллектора.

Вакуумный солнечный коллектор с накопительным баком

Простейшая модель — вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде. Вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком. Из него вода контура теплообменника течет прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. К преимуществам этой системы относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Существуют также коллекторы такого типа без накопительного бака.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником обладает всеми преимуществами предыдущей модели. А отличается тем, что в нем имеется встроенный в бак эффективный теплообменник, что позволяет подсоединить коллектор с баком к напорной сети водоснабжения. Водонагревательный контур можно заполнить незамерзающей жидкостью и пользоваться коллектором при температуре до минус 5—10 градусов. В коллекторе не откладываются соли и другие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.

В самых совершенных и дорогих вакуумных коллекторах применяются термотрубки. Это закрытая медная труба с легкокипящей жидкостью. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются, передавая энергию теплоносителю. Конденсат стекает вниз, и всё повторяется снова. Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. При замене трубки не надо сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника. Коллектор с термотрубками работает при внешних температурах до минус 35 градусов Цельсия (полностью стеклянные коллекторы с тепловыми трубками) или даже до минус 50 (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).