Солнечные коллекторы

Они являются экологически чистыми источниками энергии, которую можно бесплатно получать в больших количествах и использовать как для нагрева воды, так и для отопления. И хотя такие системы еще не дешевы, инвестиция себя оправдывает и они все чаще появляются на крышах домов. Окружающей среде все сложнее справляться с продуктами сжигания топлива, количество которых возрастает из года в год, из-за постоянно растущей потребности в энергии. Выброс в атмосферу большого количества углекислого газа, диоксида серы и оксидов азота не остается без последствий и проявляется в виде кислотных дождей и потепления климата.

Кроме того, высокие и постоянно растущие цены на топливо вынуждают искать экологически чистые (возобновляемые) источники энергии и новые технические решения, позволяющие снизить потребление энергии на отопление. Политика Евросоюза также способствует развитию этого направления. В Австрии, в результате введения подобной программы, появилось 42 000 систем, оснащенных солнечными коллекторами. В Европе есть такие места - например, в средиземноморских странах - где даже в холодные месяцы можно получить такое количество солнечной энергии, что его достаточно для полного удовлетворения потребности в тепловой энергии. В этом регионе солнце не закрыто тучами, туманом или дымкой приблизительно в течение 4000 часов в год (для сравнения на территории Украины - 1400-1900 часов). Поэтому, в первую очередь в этих областях использование солнечной энергии является очень рентабельным.

В наших широтах наибольшая интенсивность солнечного излучения наблюдается в период с марта по октябрь - в то время, когда отпадает необходимость в отоплении домов (отопительный сезон длится с октября по апрель). Поэтому коллекторы в основном используют для нагрева воды для системы ГВС и бассейнов, реже - в качестве вспомогательного источника тепла для обогревания домов. Тепловой энергией, полученной летом солнечными коллекторами, можно было бы (по крайней мере, теоретически) обогреть дома в отопительный сезон, если бы ее можно было аккумулировать, например в огромных заполненных водой резервуарах, покрытых очень толстым слоем теплоизоляции. Но затраты на сооружение таких резервуаров были бы очень большими и поэтому экономически не обоснованными.

Солнечные коллекторы
Для переноса из коллектора тепловой энергии (полученной из солнечного излучения) и передачи ее системе ГВС или ЦО необходим теплоноситель. Эту функцию может выполнять воздух или вода, но учитывая очень низкую эффективность теплообмена с помощью воздуха (значительно ниже, чем при использовании воды) в системах солнечных коллекторов в качестве теплоносителя используются вода и/или незамерзающие жидкости. Плоские. Наиболее простые состоят из абсорбера (поглотителя)солнечного излучения и находящимися в хорошем контакте с ним медными трубками. Тепло из абсорбера передается жидкости, протекающей по трубкам, вследствие чего температура жидкости возрастает. Для большей эффективности поглощения солнечных лучей абсорбер имеет черный цвет. Все устройство помещено в плоском герметичном теплоизолированном корпусе, сверху закрытом ударостойким стеклом. Для уменьшения теплопотерь коллекторы могут иметь один, два и даже три слоя остекления. Такое решение используется в странах, расположенных выше 40° географической широты (с более прохладным климатом). Благодаря «парниковому» эффекту, возникающему в результате использования двух (или трех) стекол, пластина может нагреваться до 100-190С.

Однако во время обычной эксплуатации плоских коллекторов температура теплоносителя, отбирающего тепло, не должна превышать 100°С (чтобы не произошло его закипание). Плоские коллекторы из-за плохой теплоизоляции быстро теряют тепло и поэтому обладают более низкой эффективностью, но зато они значительно дешевле, чем более технически совершенные вакуумные трубчатые коллекторы. Трубчатые. Трубчатый коллектор составлен из определенного количества (от десяти до нескольких десятков) стеклянных труб. Для уменьшения теплопотерь в стеклянных трубках создан вакуум. Именно вакуум делает трубчатые коллекторы более эффективными по сравнению с плоскими. На украинском рынке представлено два вида трубчатых коллекторов - с непосредственной циркуляцией теплоносителя и с тепловой трубкой. В трубе коллектора с непосредственной циркуляцией теплоносителя встроен высокоэффективный абсорбер, к которому подсоединен коаксиальный («трубка в трубке») прямоточный теплообменник.

Охлажденный (отдавший тепло в накопительном баке) теплоноситель попадает в теплообменник по внутренней трубке, нагревается, и по внешней - возвращается в накопительный бак. Иногда в трубах дополнительно наносится зеркальное покрытие, фокусирующие свет на абсорбер, что позволяет еще более эффективно использовать солнечную энергию. Солнечный коллектор с тепловыми трубками очень похож на трубчатый - с непосредственной циркуляцией теплоносителя, но у него несколько иной принцип передачи тепла. Тепловая трубка - закрытая трубка (обычно медная), частично наполненная легко испаряющейся жидкостью. Одним концом она контактирует с абсорбером, вторым (конденсатором) - с теплообменником контура теплоносителя. Под воздействием тепла, поступающего от абсорбера, жидкость испаряется и поднимается в конденсатор. Здесь она, нагревая теплоноситель, отдает тепло, конденсируется и стекает вниз. Чтобы коллектор можно было устанавливать с минимальным уклоном, внутренняя поверхность трубки покрыта пористым материалом. Капиллярные силы, возникающие в таком материале, способствуют возвращению конденсата к абсорберу. Поскольку контур теплоносителя отделен от трубок, то при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Трубку при необходимости можно очень просто заменить.

Коллекторы поглощают прямое и рассеянное излучение, количество и качество которого меняются в зависимости от времени года и в течение дня. В декабре максимальная интенсивность излучения составляет около 80 Вт/м в апреле и сентябре - 350 Вт/м а в июне - 600 Вт/м. Доля прямого излучения в полном количестве излучения выше всего летом - около 54%, а ниже всего зимой - 30%. Коллектор начинает преобразовывать солнечную энергию в тепло после превышения порогового значения излучения. Это значение зависит от его конструкции. В коллекторах с абсорбером без покрытия оно составляет около 210 Вт/м, в коллекторах со стеклянным покрытием - 70-90 Вт/м, в зависимости от количества стекол. Использование селективных оболочек на абсорбере позволяет снизить этот порог до 50 Вт/м Самое низкое пороговое значение (около 20 Вт/м) имеют вакуумные коллекторы. Сравнение пороговых значений работы коллекторов со значением излучения в конкретный месяц, в данном месте, позволяет оценить - по крайней мере, теоретически - будет ли коллектор функционировать в этот период.

Зачем нужен накопительный бак?
Бак предназначен для аккумулирования тепла в виде горячей воды, в системах солнечных коллекторов, нагревающих воду для ГВС, он необходим, учитывая смещение во времени между периодом самой высокой производительности коллектора - с 9 до 15 часов - и временем, в которое потребность в горячей воде максимальная:
• утром (7-9) - для умывания;
• во второй половине дня (13-16) - для приготовления обеда и мытья посуды;
• вечером (19-22) - для принятия ванны.

Поскольку только потребность в воде во второй половине дня приходится на период максимальной эффективности коллектора, в накопительном баке необходимо аккумулировать горячую воду для более позднего использования. На случай, если будут пасмурные дни, нужно также предусмотреть возможность нагрева воды другим способом, например, с помощью электрического ТЭНа или газового котла. В системах для нагрева воды для ГВС и поддержки работы системы ЦО накопительный бак делает возможной совместную работу котла, как основного источника тепла, с солнечным коллектором в качестве вспомогательного оборудования. Таким образом можно снизить расходы на отопление, уменьшив потребление топлива, и одновременно в полной мере обеспечить дом тепловой энергией в периоды, когда количества солнечного излучения недостаточно, а потребность в тепле - наивысшая (зимой). Такая система с солнечными коллекторами в качестве дополнительного источника тепла для системы ЦО является очень хорошим, но дорогим капиталовложением.

Какой теплоноситель?
В качестве теплоносителя между солнечным коллектором и накопительным баком можно использовать воду, но, учитывая то, что она замерзает при температуре 0'С, вода подходит только для систем, которые используются исключительно летом (например, на даче) и опорожняются перед наступлением заморозков. Незамерзающие жидкости. Если такие жидкости имеют соответствующую концентрацию, они не замерзнут даже во время очень суровой зимы. Но помимо того, что незамерзающие жидкости значительно дороже воды, они вызывают коррозию металлического оборудования (особенно это относится к водным растворам гликоля). Учитывая более высокую вязкость, они также требуют увеличения диаметров труб или создания насосом большего напора. Кроме того, необходимо также увеличение интенсивности потока теплоносителя (жидкость имеет меньшую теплоемкость, чем вода). Наиболее подходящими являются готовые специальные растворы гликоля, содержащие ингибиторы коррозии и биоциды, предотвращающие размножение бактерий и водорослей в системе.

Теплоноситель должен не только не замерзать, но он также должен иметь как можно более высокую температуру кипения, поскольку во время, когда коллектор не используется, температура в нем может подняться даже до 190'С. Температура кипения растворов гликоля составляет 100-115'С. Масла. В качестве теплоносителя в системах солнечных коллекторов могут использоваться теплоносители с точкой затвердевания от -40°С до -100°С и температурой кипения 220-350°С. Учитывая то, что их вязкость более чем в десять раз превышает вязкость воды, они требуют использования насосов, создающих намного больший напор.

Защита коллектора и системы
Температура теплоносителя в системе изменяется в значительных пределах, что сопровождается изменением его объема. Чтобы предотвратить повреждение системы, необходимо использовать расширительные баки с мембраной, обладающей стойкостью к воздействию воды, гликоля или масла (они должны иметь соответствующие допуски). Кроме того, система должна быть оборудована предохранительным клапаном, чтобы в случае закипания теплоносителя и сопровождающего его роста давления не произошло повреждение коллектора. Коллектор должен иметь прочный корпус, стойкий к разным атмосферным факторам (в том числе, к граду) и быть надежно закрепленным, чтобы его не сорвал сильный ветер.

Как подобрать размер коллектора?
Принято считать, что система солнечных коллекторов должна покрывать 60-70% потребности в тепловой энергии, необходимой для нагрева воды для ГВС. Для этого на каждого жильца дома должно приходиться около 1-1,5 м площади коллектора. Для обеспечения 100% тепла площадь коллекторов должна быть очень большой. Это значительно увеличит капиталовложения, а использовать полученную энергию в полной мере не удастся. Системы солнечных коллекторов, работающие совместно с системой ЦО, должны покрывать 20-30% потребности дома в тепловой энергии, что ориентировочно составляет 0,3-0,5 м коллектора на 1 м дома. Площадь коллекторов для нагрева воды в бассейне должна приблизительно составлять около 40% площади зеркала воды для закрытого бассейна и около 70% - для открытого. Нельзя рассчитывать на то, что условия, в которых будет работать коллектор, всегда будут благоприятными. Поэтому нагрев воды при помощи коллекторов следует воспринимать как дополнительное решение, тем более что должна предусматриваться возможность периодического повышения температуры горячей воды в коллекторе и системе ГВС минимум до 70°С {чтобы предотвратить появление в системе бактерий легионеллы). Правда, в системах с солнечными коллекторами можно достичь даже более высокой температуры, но только при благоприятных погодных условиях. Для того чтобы система ГВС отвечала требованиям нормативных документов, необходимо предусмотреть возможность подогрева воды {иным источником) в системе, нагреваемой коллекторами.

Где и как установить?
Где? Чаще всего коллекторы монтируют на крыше, хотя обычно производители указывают, что место монтажа является произвольным. Нельзя забывать, что, как и любое другое устройство, коллектор требует периодического техобслуживания, а в случае поломки - ремонта. Поэтому необходимо обеспечить к нему свободный доступ. Наполненный теплоносителем коллектор является достаточно тяжелым, следовательно, перед его установкой на крыше необходимо проверить ее на прочность и, в случае необходимости (особенно при монтаже нескольких коллекторов), установить дополнительную опорную конструкцию.

Как? В первую очередь под углом наклона по отношению к поверхности земли, обеспечивающим максимальное поглощение солнечной энергии. Круглогодичные коллекторы должны устанавливаться под углом b=а±15' к горизонту (а - географическая широта). В Украине, которая находится между 44° и 52° северной широты, этот угол может составлять 29-67°. Практика свидетельствует, что наиболее подходящим является угол 35-37°. Если есть возможность изменять угол наклона, летом наиболее эффективным будет угол 25°, а зимой - 55°. Иногда коллекторы монтируют на опоре с сервоприводом, который автоматически подбирает оптимальный угол наклона. На производительность коллектора также влияет точность его ориентирования на юг. При отклонении, превышающем ±15°, производительность коллектора ощутимо снижается. Поэтому плоские и вакуумные коллекторы с тепловой трубкой следует устанавливать на скате крыши с южной стороны или отдельно стоящими, сориентированными на юг. Трубчатые вакуумные коллекторы с непосредственной циркуляцией теплоносителя менее требовательны к ориентации на юг, их можно монтировать везде - при условии обеспечения возможности их нагревания на солнце по крайней мере в течении шести часов в день. Угол наклона абсорбера в течении года может быть изменен.

Автоматика
Она необходима для согласования работы системы, состоящей из коллекторов и котла или электрического ТЭНа. Когда не хватает тепла, получаемого из коллектора, включается второй источник тепла. В более сложных системах автоматики могут быть установлены несколько датчиков температуры: воды в накопительном баке, воды в коллекторе, а также на освещаемой солнцем поверхности. На основании анализа этих данных будет приниматься решение о включении циркуляционного насоса или дополнительного нагревательного оборудования. Это позволит регулировать параметры работы, такие как: температура воды в накопительном баке, максимальная температура ГВС, ограничение работы котла на протяжении дня, а также контролировать работу системы. Однако использование более сложной автоматики повышает стоимость всей системы. Более утонченные системы автоматики позволяют управлять углом наклона коллектора и изменять ориентацию его поверхности, отслеживая движение солнца.

Когда окупится
Эксплуатационные расходы системы с коллекторами значительно ниже, чем систем с традиционными источниками тепла, но срок окупаемости капиталовложений - больше, чем срок службы коллекторов серийного производства. Поэтому в ближайшие годы следует рассчитывать на появление все большего количества систем, оснащенных солнечными коллекторами, выполненными потребителями самостоятельно. Такое решение позволяет снизить капиталовложения на 50-60%.