Что нужно знать о солнечных коллекторах (солнечных водонагревателях)

Солнечные коллекторы (или другое их актуальное и нашумевшее название - солнечные водонагреватели)– это устройства для передачи тепловой энергии cолнечного излучения теплоносителю (самые ходовые теплоносители в коллекторах - это вода и пропиленгликоль). Эффективность работы (КПД) современных солнечных коллекторов составляет до 90%. К примеру, гелиоколлектор с рабочей поверхностью 2 м.кв. с легкостью в течение летнего дня доводит до кипения 100 литров воды.

Работа солнечного коллектора основывается на попадании солнечного излучения (в виде визуально видимых или электромагнитных лучей) на приемный узел солнечного гелиоколлектора, где протекает процесс нагревания. Далее тепло передаётся самой жидкости непосредственно или посредством тепловой трубки (более эффективный вариант).

Самыми популярными на данный момент и максимально доступными являются трубчатые вакуумные и плоские водонагревательные коллекторы.

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор фактически представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которой размещен поглотитель солнечного тепла. Пластина поглотителя как правило изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (в основном из меди, реже – из алюминия) и покрыта специальным селективным покрытием. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическую основу. Такое покрытие обладает высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области (хорошо поглощает тепло и крайне плохо излучает его назад, т.е. работает как тепловой диод). Благодаря остеклению (зачастую применяется стекло матового типа, которое пропускает исключительно свет и содержит минимальный процент железа, или поликарбонат) значительно снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают специальным теплоизолятором (минераловатная теплоизоляционная подложка), что еще больше сокращает тепловые потери.

Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

Этот тип солнечного коллектора имеет в своей основе стеклянные трубки с двойными стенками, между которыми находится вакуум. Именно вакуум между внутренней и наружной трубками позволяет практически до нуля устранить теплопотери. Теплоноситель (вода или другая жидкость) из-за существующей разницы температур (следовательно, и плотностей) нагревается лучами от солнца и перемещается в верхний участок трубки, совмещенной с баком, который выполняет роль аккумулирующей ёмкости. Затем из верхней области этого бака-аккумулятора вода непосредственно поступает к потребителю. В нижнюю часть бака-аккумулятора подается холодная вода, при этом управление процессом ведет контроллер либо клапан поплавкового типа.

К основному преимуществу этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет снизить стоимость и упростить конструкцию гелиоколлектора. Благодаря малому коэффициенту потерь в вакуумном коллекторе, теплоноситель может нагреться в пределах температур 120-160°С (допустимая температура воды ≤100°С).

Основным недостатком данной конструкции можно назвать отсутствие в баке давления, что делает несколько сложней регулировку потребителем температуры воды. Но этот минус отсутствует в конструкции с теплообменником трубчатого типа (змеевиком) внутри накопительного бака, где вода, протекая под давлением, берет тепловую энергию от жидкости бака и нагревается.

Основное применение данного типа солнечного коллектора - сезонный нагрев воды.

Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой (heat pipe или super heat pipe)

В настоящее время наиболее совершенной конструкцией в данной сфере является вакуумный трубчатый коллектор с тепловой трубкой.

Конструкционно вакуумированный трубчатый коллектор с тепловой трубкой похож на конструкцию прямоточного вакуумированного коллектора, от которого отличается способом отбора тепла от поглотителя. Внутри стеклянной вакуумной колбы установлен поглотитель с высокой способностью к поглощению солнечной энергии (этому способствует селективное покрытие, состоящее из нескольких слоев). Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. Жидкость при нагреве начинает испаряться, унося все тепло с поверхности (иногда поверхность остывает ниже температуры воздуха, находящегося снаружи коллектора), и пар, проходя через конденсатор, передает свою тепловую энергию теплообменнику. Конденсатор монтируется в верхний теплообменник соединением по типу "труба в трубе". Соединение относится к так называемому "сухому" типу, что позволяет провернуть или с легкостью заменить трубки даже при заполненной системе, несмотря на давление.

Необходимо отметить самое важное из плюсов и преимуществ вакуумных коллекторов с тепловой трубкой -- этот тип может работать при минусовых температурах, не выходя за рамки -30°С (коллекторы имеющие стеклянные тепловые трубки) и до -45°С (металлические тепловые трубки). Такая система круглогодично находит своё применение, идеально справляясь с отоплением и подогревом воды.

По времени использования солнечные коллекторы разделяют на два типа:

• сезонные;
• круглогодичные.

Солнечные коллекторы сезонного использования гарантированно обеспечат Вас горячей водой с апреля по октябрь.

Принцип работы одноконтурных солнечных коллекторов прост – жидкость, проходя через теплоприёмные трубки, нагревается и под действием выталкивающей силы скапливается в баке, установленном вверху трубок. Теплоносителем в таких коллекторах является вода, в холодное время года воду из солнечного коллектора необходимо сливать и по взможности бак продувать воздушным пневмматическим компрессором.

Достоинства:

• низкая цена;
• максимальная простота конструкции;
• высокая надежность работы.

Недостатки конструкции: 

• возможен выход из строя из-за замерзания воды;
• высокие требования к качеству воды (низкая жесткость и высокая степень очистки), если не использовать фильтровальную установку, то на стенках каналов солнечного коллектора начинают интенсивно оседать соли, каналы засоряются намываемой грязью, что приводит к значительному снижению эффективности работы солнечного водонагревателя.
• необходимость консервации на холодное время года.

Сезонные термосифонные системы идеально подходят курортных гостиниц, пансионатов, санаториев, баз отдыха, владельцев дач, где необходима подача теплой воды только в летний сезон.

Во всесезонных (двухконтурных) системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками), теплообменник в таком случае передает воде тепловую энергию от теплоносителя. Циркуляция происходит с помощью насоса по команде   контроллера. Теплоприёмник такого коллектора состоит из медных пластин (в плоских солнечных коллекторах) или специальных вакуумных трубок (heat pipe).

Плюсы круглогодичных солнечных коллекторов:

• значительное увеличение надежности работы системы (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии из-за отсутствия выпадения солей и намывания грязи);
• возможность работы и нагрева воды при минусовой температуре воздуха;
• коллекторы не требуют дополнительного обслуживания;
• длительный гарантированный эффективный срок эксплуатации (20-30 лет).

Недостатки двухконтурных всесезонных солнечных коллекторов:

• каждые 6-7 лет необходимо проверять состояние и работоспособность теплоносителя, что может повлечь за собой его замену;
• более высокая стоимость гелиосистемы.

Именно двухконтурные системы могут длительно, эффективно и надежно работать на всей территории Украины, т.к. в большинстве своем вода имеет высокую жесткость. Если система была разморожена или каналы коллекторов практически забились солями, то в большинстве случаев, это приводит к необходимости полной замены гелиоколлекторов, т.к. на месте (в полевых условиях) устранить такого рода неисправности практически невозможно.

Кроме самого солнечного коллектора в состав системы солнечного отопления или нагрева воды также входят:

• бойлер (бак-аккумулятор), который способен накопить энергию солнца пока работает гелиосистема в течение дня. Емкость должна быть хорошо теплоизолирована, иметь не один вход и выход, включать в себя дополнительный ТЭН и теплообменник;
• насосная система, которая отвечает за циркуляцию теплоносителя;
• солнечный тепловой контроллер управления, являющийся очень важной частью системы, и управляющий включением насосной станции и запорно-смешивающей арматуры. От того, насколько вовремя контроллер включит насосную группу и отведёт нагретую (перегретую) жидкость в бак очень сильно зависит эффективность всей системы;
• расширительный бак. Для современных систем нагреть воду до температуры кипения -- дело нескольких часов, но, дабы избежать закипания (и связанного с этим выхода системы из строя) обязательно использовать расширительный бачок или клапан сброса;
• дополнительные компоненты гидравлики: автоматические клапаны для выпуска воздуха, защитные клапаны, устройства перераспределения потоков теплоносителя и др.

В Украине солнечные коллекторы успешно применяются для:

• в случае необходимости частично ДОгреть воду в летний период;
• полного нагрева воды в летний период. Следует отметить, что горячая вода от солнца выгодна не только базам и домам отдыха в южных регионах Украины, но также и частным домовладельцам, и промышленным предприятиям (срок окупаемости при цене электроэнергии около 1 грн/кВт*час менее года и даже жителям многоэтажек (существуют специальные балконные модели – размер коллектора 2,5х0,8 м);
• круглогодичного горячего водоснабжения;
• в качестве поддержки системы отопления. В средний зимний солнечный день на 1 м.кв. поверхности коллектора приходится 1,5...3 кВт*час солнечной энергии, т.е. система из 4-х солнечных 30-ти трубочных коллекторов может давать до 1200 кВт*час тепла в зимний месяц (до 3000 кВт*час в летний), что достаточно для отопления дома 40…50 м.кв либо поддержки основной системы отопления (к примеру догрев теплого пола в зимнем саду);
• для экономичного нагрева воды в бассейнах;
• полностью солнечное отопление. Вершина применения солнечных коллекторов. Данные системы, как правило, не очень дёшевы, но очень эффективны и имеют реальный срок окупаемости.

Самый длительный срок окупаемости солнечных коллекторов, которые мы установили, составляет 5 лет. И это дополнительное преимущество, свидетельствующее об их экономической эффективности..

Устанавливая у себя дома, на даче, загородном доме или коттеджа, на предприятии солнечный коллектор, Вы не только обретаете большую свободу от растущих коммунальных счетов, но и вносите свою лепту в дело сохранения природы нашей страны.