Солнечные коллекторы

Чтобы подогреть воду, используемую для бытовых нужд, можно задействовать целый ряд различных систем. Наиболее современная и экологичная из них - гелиоколлектор. Солнечные коллекторы, или гелиоколлекторы, - это устройства, которые поглощают солнечное излучение и преобразуют его в тепловую энергию, в свою очередь передавая ее теплоносителю. Тепло, отданное теплоносителю, можно использовать для получения горячей воды или теплоснабжения. Современные высокоселективные покрытия поглощают большее количество солнечной энергии, чем обычные предметы, окрашенные в черный цвет. То есть по сути бак с водой, используемый в садовом душе, является прародителем гелиоколлекторов. Но разница в КПД и практичности эксплуатации современных систем и подобных баков примерно такая же, как при сравнении твердотопливных котлов последнего поколения и классических буржуек.

Несмотря на массу преимуществ, использование солнечных коллекторов как источника тепловой энергии имеет ряд ограничений. Перед тем как принять решение, необходимо разобраться, насколько эффективно устанавливать устройство в системе тепло- и водоснабжения частного дома именно в вашем регионе и как именно его расположить, чтобы польза была максимальной, а срок окупаемости - минимальным. Сразу стоит обратить внимание на несколько нюансов, возникающих при получении тепла с помощью солнечных коллекторов. Один из них заключается в том, что эти устройства эффективно генерируют только так называемое низкопотенциальное тепло. Они обычно рассчитаны на нагрев теплоносителя до 50°С. А если показатель достигает отметки 60-70°С и более, то КПД коллектора при этом ощутимо снижается.

Второй нюанс в том, что количество вырабатываемого тепла зависит от температуры воздуха, погодных условий (ясно-пасмурно), от того, с какой стороны света будет установлен аппарат и под каким углом наклона, а также от других факторов. Поэтому в качестве самостоятельных источников тепла для систем горячего водоснабжения (ГВС) или отопления гелиоколлекторы практически не используют. В большинстве случаев они являются вспомогательными системами, снижающими нагрузку на котел и экономящими расход энергоносителей.

Типы оборудования
Открытые коллекторы представляют собой поглощающую панель, которую обычно изготавливают из стойких к ультрафиолетовому излучению материалов - пластика или резины. Их преимущества - в простоте, дешевизне, легкости монтажа и высоком КПД. Недостатки таких устройств - зависимость эффективности работы от температуры воздуха и погодных условий, а также небольшой срок службы. Как правило, их используют в одноконтурных системах для нагрева воды в бассейнах в странах с теплым климатом.

Плоские солнечные коллекторы - самый распространенный тип. Они состоят из теплоизолированного алюминиевого корпуса, внутри которого расположена медная или алюминиевая панель с селективным поглощающим покрытием и теплоотводящими трубками, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Сверху поглощающая панель закрыта стеклом с пониженным содержанием железа, а между ними находится воздух. Высокоселективное покрытие обеспечивает самый высокий коэффициент поглощения солнечной энергии - 93-95 %.

Вакуумные трубчатые коллекторы оснащены высокоселективным поглощающим покрытием. Они наиболее эффективны с точки зрения термодинамики, поскольку вакуум является плохим проводником тепла, а высокоселективное покрытие нанесено непосредственно на трубку, по которой циркулирует теплоноситель. Таким образом, потери тепла оказываются меньше, чем при использовании плоских коллекторов. При эксплуатации вакуумные трубки часто подвергаются поломкам, чувствительны к механическим повреждениям, например от падения града, и не функционируют, если покрыты снегом или инеем.

Каждый серьезный производитель вакуумных коллекторов предоставляет как минимум 5 лет гарантии на вакуумные трубки. Некоторые немецкие компании дают 10 лет гарантии при повреждении градом. Существуют даже специальные тесты на испытание прочности изделия. Ледяной шарик весом в 7,5 г и диаметром 25 мм направляют на вакуумную трубку со скоростью 90 км/ч. Если она не разбилась с первого раза - тест пройден. Это - обычная процедура выборочного тестирования каждой партии вакуумных трубок.

Схемы подключения
В зависимости от типа оборудования гелиоколлекторы можно подключать по одноконтурной или двухконтурной схеме с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя. Сразу стоит заметить, что для круглогодичного использования в системах ГВС и отопления подходят только двух-контурные устройства с принудительной циркуляцией.

ОДНОКОНТУРНАЯ СХЕМА. В одноконтурных системах в солнечных коллекторах нагревается непосредственно та вода, которая затем расходуется. Они позволяют получить самый высокий КПД, поскольку отсутствуют потери при передаче тепла в теплообменнике, как это происходит в двухконтурных схемах. Для того чтобы система работала долго, желательно, чтобы вода проходила предварительную очистку (смягчение). Если этого не делать, на стенках каналов солнечного коллектора будут оседать соли, что в свою очередь приведет к значительному уменьшению эффективности работы аппарата или к полному выходу его из строя. На практике, если принимают решение об установке одноконтурной системы, например для нагрева бассейна, обычно рассчитывают на то, что через несколько лет ее придется ремонтировать или менять.

ДВУХКОНТУРНАЯ СХЕМА. В двухконтурных системах в солнечных коллекторах контур является замкнутым - в нем находится теплоноситель, который чаще всего представляет собой незамерзающую нетоксичную жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или просто обессоленную воду. Тепловая энергия передается системам ГВС и отопления с помощью теплообменника. Преимущества двухконтурного устройства в том, что в нем не оседают соли, а антифриз обеспечивает безопасную работу при низких температурах. Солнечные коллекторы в таких системах, как правило, имеют длительный срок эксплуатации - 20-50 лет. Недостатком является снижение эффективности работы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника. Вдобавок через 5-10 лет эксплуатации может возникнуть потребность в периодической замене теплоносителя. Тем не менее, именно двухконтурные системы могут длительно и надежно работать в качестве вспомогательного источника тепла.

Варианты установки
Коллекторы зачастую размещают на крыше. На плоской кровле их устанавливают под углом на опорные конструкции из алюминиевого сплава или черного металла, которые рассчитаны на ветровую нагрузку. Металлоконструкции крепят непосредственно к плитам перекрытия, после чего места креплений герметизируют. Если для размещения аппарата выбрана наклонная крыша, не следует забывать о том, что солнечные коллекторы - это дополнительная нагрузка, которая может увеличиваться во время сильного ветра. Поэтому стропила как несущая основа должны иметь соответствующий запас прочности. Существует несколько вариантов монтажа коллекторов в зависимости от кровельного материала наклонной крыши. Кроме того, разные производители гелиоустановок используют разные комплекты элементов для крепежа конструкции. Возможно также размещение коллекторов на участке, на стенах дома или рядом с ним в виде козырька.

Энергоэффективность работы системы напрямую зависит от типа панелей и их правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны установки, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 15° в сторону востока или запада - это снизит его эффективность незначительно. Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом не имеет четкой ориентации по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера. Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.

Эффективность коллектора зависит от угла, под которым он закреплен. Лучшего результата достигают, когда лучи падают на поверхность системы перпендикулярно. Поскольку положение Солнца на протяжении года меняется, оптимального угла наклона не существует: летом - это 30°, зимой - 60°. Коллекторы, рассчитанные на работу только летом, обычно устанавливают под углом 30°, круглогодичные - под углом 45°. Изменить наклон коллектора, стационарно установленного на скате крыши, невозможно, но между 35° и 50° его эффективность снижается незначительно. Впрочем, некоторые производители предлагают специальные каркасы, позволяющие увеличивать угол до 20°. Также вакуумные коллекторы могут быть оснащены зеркальным концентратором, который позволяет направлять солнечные лучи на всю плоскость вакуумной трубки, повышая КПД системы.