Как работают солнечные коллекторы •

Что такое солнечный коллектор и для чего он нужен? Разбираемся с экспертами

Во многих странах солнечные коллекторы уже давно широко распространены, но у нас они вплоть до последних лет оставались экзотикой. Теперь всё стремительно меняется: технологии шагают вперёд, так что эффективность таких систем растёт, а стоимость падает, в результате и в России всё больше домовладельцев начинает их использовать.

Хотя затраты на приобретение солнечных коллекторов всё ещё довольно высоки, в южных регионах, где солнечных дней больше, они могут полностью обеспечить потребность в горячей воде, и наполовину – в отоплении. Это существенно снижает расходы, так что в долгосрочной перспективе коллекторы себя окупают. И даже в регионах средней полосы, где их эффективность не так высока, в некоторых случаях она достаточна, чтобы всерьёз задуматься об установке. Рассказываем подробнее о принципе работы, разновидностях и эффективности коллекторов, разбираем с экспертами основные причины для покупки и проблемы, с которыми придётся столкнуться.

Принцип работы и разновидности

Коллекторы улавливают инфракрасную энергию и превращают в тепловую – попросту говоря, солнце нагревает их поверхность. Затем эта энергия передаётся теплоносителю. Это основа, так функционирует любой солнечный коллектор, а тонкости уже будут зависеть от его вида. Разделяют их в первую очередь по типу конструкции, на плоские и вакуумные.

Сразу бросающаяся в глаза часть плоского коллектора – панель, поглощающая свет. Она находится под защитным покрытием и может быть выкрашена чёрной краской, часто на её поверхность наносят составы, повышающие эффективность работы. Ещё одна важная часть, спрятанная от глаз – система трубок для теплоносителя.

Конструкция плоского коллектора довольно проста, так что он надёжен и неприхотлив, при этом относительно недорог – стоимость в разы снизилась в последние 5-7 лет. Из-за этого чаще всего предпочтение отдают именно ему. Такие коллекторы могут работать весь год, но, если летом превосходят вакуумные по производительности, то в холодное время начинают уступать.

Вакуумный коллектор сложнее по конструкции. Это ряд вакуумных трубок, внутри которых расположены тепловые трубки. Свет проходит сквозь прозрачную поверхность верхних трубок, а вакуум, которым они заполнены, сокращает теплопотери на 95-97%. Внутренние трубки покрыты специальным составом для более эффективного улавливания энергии. Теплоноситель при нагревании превращается в газ, поднимается в верхнюю часть трубки и отдаёт тепло, после чего конденсируется и возвращается вниз, вновь нагревается, становится газом – и так далее.

В сравнении с плоским коллектором вакуумный уступает по КПД, при этом превосходя его по габаритам и весу, зато гораздо лучше показывает себя в холодное время года. Для него не станут помехой ни плохая освещённость, ни низкие температуры. Это делает вакуумные коллекторы очень полезными для сложных климатических условий, но они существенно дороже плоских.

Сферы применения и расчёт мощности

Коллекторы применяются для нагрева воды и отопления. Последнее требуется зимой, когда плоские коллекторы неэффективны, так что для отопления целесообразно применять только вакуумные, но они куда дороже. Плоские же хороши в тех случаях, когда потребность в энергии возникает летом, потому их активно применяют в летних загородных домах. Так, с их помощью можно подогревать воду в открытом бассейне до комфортной температуры.

Перед установкой солнечного коллектора следует всё тщательно рассчитать, чтобы вложения в него были оправданными. При расчёте есть немало значимых факторов: расход горячей воды, форма крыши дома и его расположение, материал стен – и тому подобные. Если не углубляться в сложные расчёты, для обеспечения одного человека горячей водой в южных районах России понадобится 0,8 квадратных метров площади вакуумного коллектора и вдвое больше в случае с плоским. Для районов севернее необходимо сделать поправку, поскольку энергии коллекторы будут получать меньше.

Если солнечный коллектор приобретается и для отопления, полученную цифру нужно умножить в 2,5 раза – это позволит обеспечить половину необходимой энергии. Но нужно учесть, что температура теплоносителя будет невысокой – 40-45 °C, то есть потребуются низкотемпературные системы отопления, кроме того, летом лишнее тепло потребуется утилизировать. Из-за всех этих проблем для отопления коллекторы применяют довольно редко.

Для более точных расчётов может потребоваться информация от производителя приобретаемой модели относительно того, как меняется её производительность в зависимости от угла наклона зеркал, отклонения направления и прочих подобных факторов. Но идеальная точность расчётов обычно и не нужна: достаточно примерных значений, тем более, что выработка энергии всё равно будет зависеть от погодных условий.

Конечно, лучше всего, если её всегда ровно столько, сколько нужно, но в действительности добиться этого нельзя. Потому есть два подхода: устанавливать коллектор меньшей мощности, чем потребность в энергии, либо, наоборот, с существенным запасом по мощности.

В первом случае расчёт необходимой мощности ведут по самому тёплому месяцу года. Энергии при таком подходе никогда не будет слишком много, так что не придётся решать проблему с её избытком (а она существенна), но понадобятся и другие источники тепла. При втором подходе необходимую мощность рассчитывают по самому холодному месяцу. В таком случае недостатка в тепле не возникнет, но потребуется избавляться от его излишков.

Читайте также:

Экономные лампы вред или экономность

Распространение и эффективность

Солнечные коллекторы активно используют в Европе и Америке, Китай очень активно увеличивает производство и наращивает общую площадь. За ним подтягивается и Россия, ведь именно из Китая завозят всё больше недорогих моделей солнечных коллекторов. Но до лидеров ещё очень далеко – по оценкам экспертов, в расчёте на 1000 человек у нас 0,2-0,3 квадратных метра площади коллектора. Например, в странах Северной Европы 150-300 квадратных метров, а на Кипре 800.

Впрочем, даже по этим цифрам заметно, что климат – важный фактор, от которого зависит распространённость солнечных коллекторов. В солнечных странах, вроде Кипра или Израиля, ими пользуются очень многие, иногда существенно больше половины всего населения. В Северной Европе же этот показатель в разы ниже. Потому возникают вопросы насчёт того, насколько вообще эффективны коллекторы в российских условиях.

Расчёты отечественных учёных из Института высоких температур РАН показывают, что их эффективность достаточно высока, но важна и рентабельность – пока они стоили дорого, срок окупаемости был слишком долгим для массовой установки. Теперь, когда они стремительно дешевеют, всё большее количество домовладельцев начинает ими обзаводиться. В особенности это относится к южным районам страны.

Максимальной эффективности может достичь коллектор, ориентированный на юг. Отклонение не должно превышать 40°, при этом выработка энергии может упасть на 20%. Оптимальный угол наклона – 35-45°, иначе оптические потери энергии значительно возрастут, так как её будет отражать защитное стекло. При этом коллектор должен находиться на открытом пространстве, как можно реже находящемся в тени, так что рядом не должны располагаться возвышенности, здания такой же или большей высоты, деревья.

Из-за таких требований лучше всего, если ещё при проектировании жилища предусматривается, что на нём будет установлен коллектор, так можно будет добиться от него максимальной производительности в тех пределах, которые позволяет климат местности. Срок окупаемости – примерно 8 лет, но может сильно отличаться в зависимости от особенностей конструкции, стоимости, природных условий.

Плюсы и минусы

Коллекторы имеют немало как достоинств, так и недостатков – многие из них уже были разобраны, но стоит кратко подытожить сказанное. Начнём с достоинств:

Сокращение потребления энергии из других источников, а значит одновременно сокращение расходов и увеличение автономности дома.
Смонтировать коллектор на крыше несложно, сделать это можно даже своими силами.
Длительный срок службы: работать устройство может десятилетиями, так что окупит своё приобретение несколько раз.
Простота эксплуатации – не нужно постоянно контролировать работу коллектора, достаточно обращать на него внимание изредка.
В случае поломки почти всегда повреждённый элемент можно заменить быстро и недорого.
Экологичность и безопасность – солнечные коллекторы не загрязняют окружающую среду.

Довольно высокая стоимость и длительный срок окупаемости. В последнее время цены на коллекторы падают, так что эта проблема становится всё менее актуальной.
Зависимость от погоды и времени года, необходимость ориентироваться или на летнюю, или на зимнюю производительность. Как следствие, значительную часть года энергии будет либо слишком много, либо слишком мало, и обе проблемы придётся решать.
Требовательность к расположению, ориентации и углу наклона – не на каждом доме коллектор можно разместить так, чтобы он выдавал близкую к заявленной производительность.

Как работают солнечные коллекторы

Солнечная энергия – это хороший альтернативный источник энергии для бытовых и хозяйственных нужд. Ее пользу сложно переоценить, ведь использовать энергию Солнца можно не только для получения электроэнергии, но и тепла. Именно для этого существуют солнечные коллекторы.

Что такое солнечный коллектор

Солнечные коллекторы – это устройства, которые преобразуют энергию Солнца в тепло и предназначены для нагрева циркулирующего в них теплоносителя (антифриз, вода) с последующей передачей накопленного тепла потребителям. Их используют для нагрева воды в системах горячего водоснабжения, для отопления, для устройства теплых домов, подогрева воды в бассейнах. Солнечные коллекторы оснащают специальными селективными материалами (покрытием), которые способствуют лучшему поглощению и накоплению гелиоэнергии, а затем преобразуют ее в тепловую, чтобы направить потребителю.

По сути, солнечный коллектор выполняет функцию водонагревателя, поэтому их широко применяют в домах в качестве основного или дополнительного источника энергии для нагрева воды (системы горячего водоснабжения) и/или отопления. Они особенно востребованы вне зоны городов, например, в частных домовладениях, на дачах – там, где не всегда есть доступ к централизованным тепловым коммуникациям, а установка электрического или газового котла требует большого вложения средств.

Если говорить совсем простым языком, солнечный коллектор – это устройство, которое, нагреваясь от солнечных лучей и пропуская через себя воду, нагревает ее. Примитивные примеры коллекторов встречаются и в повседневной жизни: именно так отдает тепло воде пластиковая бутыль или водопроводный шланг, лежащие на солнцепеке, а также нагретый металлический бак за счет высокой теплопроводности металла. Кстати, если выкрасить емкость в черный цвет, то вода нагреется еще сильнее и быстрее, ведь черная краска лучше всего поглощает солнечные лучи и практически не отражает их – это свойство черного цвета с успехом используется сегодня и в солнечных коллекторах.

Читайте также:

Строительство подпорной стенки

Принцип работы солнечных коллекторов

Схема работы солнечного коллектора

Несмотря на существование различных видов солнечных коллекторов, принцип их работы идентичен. В основе – элементарные законы физики, которые изучают еще в школе. А именно – при нагревании воды ее плотность уменьшается, и поэтому при равном уровне горячая вода весит меньше холодной. Таким образом, жидкость с меньшей плотностью (то есть горячая вода) вытесняется жидкостью с более высокой плотностью (холодной водой).

Поэтому циркулирующая по трубам холодная вода будет вытеснять (гонять) нагретую, а за счет этого процесса и происходит нагрев воды и/или обогрев дома. Единственное и основное отличие от привычных тепловых коммуникаций – источник получения тепла, которым вместо газового или электрического котла является Солнце. Для поддержания стабильности системы в течение суток и круглогодичной бесперебойной работы используется циркуляционный насос и другое дополнительное оборудование.

Мощность солнечного коллектора рассчитывается на основе данных о КПД коллектора, коэффициентов тепловых потерь, площади коллектора и предполагаемого обогрева и/или объема воды, которую надо нагреть, значения инсоляции системы, погодных и климатических условий конкретного региона.

Как делают солнечные коллекторы и как они работают – детали устройства

Световые лучи падают на поверхность коллектора и нагревают теплоноситель, который находится внутри него. Затем по системе специальных тонких трубок теплоноситель поступает в накопительный бак, заполненный водой. Чтобы прогреть всю находящуюся в нем жидкость равномерно, трубки проходят через весь объем бака. По мере протекания через бак теплоноситель понемногу остывает, а затем попадает назад в коллектор уже охлажденный и опять здесь нагревается. Так происходит постоянная естественная циркуляция горячего теплоносителя воды в баке, откуда жидкость может подаваться в радиаторы отопления или в системы горячего водоснабжения дома. Если вдруг вода в баке охладится ниже заданного минимума, включается резервный подогрев – чаще всего это электрический или газовый котел. Эта температура регулируется специальными датчиками, установленными в системе управления коллектором.

Фактически, конструкция коллектора представляет собой достаточно сложное устройство и включает в себя:

поверхность для поглощения солнечных лучей (плоская панель или специальные трубки);
система тонких трубок (змеевик), по которому циркулирует теплоноситель;
накопительный или расширительный бак для теплоносителя, где он доводится для нужной температуры; для большей эффективности бак желательно утеплить минеральной ватой или другим теплозащитным слоем (утеплителем);
теплообменный контур, через который теплоноситель обогревает бак с водой;
станция управления – автоматика для контроля подачи и циркуляции воды (контроллер, датчики температуры и давления, насос и запорные элементы);
электронагревательный элемент на случай подогрева воды при недостаточной интенсивности солнечной энергии.

Нужно понимать, что солнечный коллектор – это полностью автономное и независимое устройство, производящее экологически чистую энергию и позволяющее экономить средства при правильном его устройстве и функционировании. Устанавливать его предпочтительно в самом высоком месте, например, на крыше. Это позволит обеспечить надлежащую циркуляцию теплоносителя, не прибегая к помощи насоса.

Принцип работы солнечного коллектора, как выбрать для дома

Солнечный коллектор, или гелиосистема, оборудование, предназначенное для использования в качестве альтернативных источников энергии. Такие системы давно используют во многих странах в промышленных масштабах, но в последнее время они стали популярны и в частном секторе для подогрева горячей воды, отопления домов и подогрева бассейнов.

Востребованы ли гелиосистемы

Уже сейчас установлено более 160 млн.м2 этих панелей во всем мире. Лидируют Китай и Япония. Не отстают и некоторые европейские страны, где выработка тепла такими системами составляет около 5% от всей необходимой.

Пройдет не много лет и многие страны откажутся от газа и угля совсем. К примеру, в Украине, где тарифы достаточно высокие, такие системы устанавливают в больших количествах. Единоразовое вложение денег позволит получить энергонезависимость, пусть даже и частичную. И дело не только в экономии, такие установки экологически чисты и не загрязняют окружающую среду.

Преимущества этих систем

Альтернативных источников энергии сейчас много, это и солнечные панели, ветрогенераторы, тепловые насосы и тд. Однако именно солнечные коллекторы набирают все большую популярность, этому есть ряд причин:

Стоимость системы самая низкая из всех альтернативных источников, это обусловлено несложной технологией изготовления и монтажа.
Несложный монтаж, который можно сделать даже самому, обладая определенными знаниями и навыками.
Легкость в эксплуатации, не нужно никаких особых навыков чтобы следить за ними.
Низкая стоимость ремонта, все детали системы недорогие. Нет крупных узлов, требующих замены целиком. Ремонт можно выполнить самостоятельно, предварительно немного изучив устройство.
Универсальность. Гелиосистему можно использовать для нагрева воды и отопления, без дополнительных циклов преобразования энергии. Подобрать количество панелей можно исходя их конкретной необходимости.

Немного о недостатках

У любой системы есть недостатки и солнечные коллекторы здесь не исключение. Они занимают значительную площадь, одна панель занимает в среднем 2-3 м2. Эффективность их работы зависит от климатической зоны где они используются.

Также они очень климатически зависимые, зимой их КПД минимально, при этом расходы энергии на обогрев максимально. Это делает солнечные коллекторы не очень эффективными для отопления. Как заявляют многие производители, они способны покрыть до 30% расходов на отопление.

Однако, это все относительно. Большее количество панелей и аккумулирующие баки большей емкости увеличат этот %. Но, дополнительное оборудование увеличит и стоимость системы.

Принцип работы солнечного коллектора

Он очень прост. Панели аккумулируют солнечное тепло и передают их теплоносителю. Он циркулирует через змеевик в накопительном резервуаре и отдает тепло воде, которую можно использовать для любых нужд. Весь процесс контролируется контроллером, который запускает насосную группу если теплообменник набрал необходимую температуру.

Как устроен солнечный коллектор в целом. Все система состоит из следующих элементов:

сами панели в необходимом количестве согласно расчетов,
контроллер управления (включая датчики),
насосная группа,
накопительная емкость (как правило это бак на 300-3000 литров),
монтажные элементы, трубы и фитинги.

Убрать какой либо элемент из этой схемы нельзя, она не будет работать. Исключение только коллекторы с проточными нагревателями. О них немного позже.

Производительность, на что можно рассчитывать

Прежде чем устанавливать такое оборудование стоит учесть такой фактор как окупаемость. Ведь плох тот предприниматель, который не получает прибыль со своих инвестиций. Окупаемость коллектора зависит напрямую от его производительности.

Все компании, которые занимаются изготовлением этих систем, дают примерно одинаковые цифры:

Эффективность для нагрева воды (гвс) — 50-90%.
Эффективность для отопления дома — до 30%.

Другими словами, эта система может полностью обеспечить дом горячей водой. Отопление дома может покрыть и больше заявленного процента, все зависит от самой системы и количества панелей, а также правильности их установки.

Абсорбер, самая важная часть системы

Часть солнечного коллектора, которая принимает, аккумулирует и передает тепло теплоносителю называется абсорбером. Именно от этого элемента зависит КПД всей системы.

Изготавливают этот элемент из меди, алюминия или стекла, с последующим покрытием. Как раз от покрытия больше зависит эффективность работы абсорбера, чем от материала, из которого он изготовлен. Ниже, на фото, вы можете посмотреть какие покрытия бывают и как эффективно они могут поглощать тепло.

В описании системы указано максимально возможное поглощение солнечной энергии попадающей на абсорбер. «α» — это максимально возможный процент поглощения. «ε» — это процент отражающегося тепла.

По типу строения

Абсорберы отличаются и по типу устройства, сейчас их всего два вида:

Перьевые — устроены следующим образом. Пластины соединяют между собой трубки с теплоносителем. Сами трубки могут быть соединены между собой в одну систему несколькими способами. Это простой тип абсорбера, который можно сделать своими руками.

Цилиндрические — в этом случае покрытие наносится на стеклянную поверхность колбы и применяется в вакуумных коллекторах. Благодаря этому устройству тепла концентрируется больше как раз в центре трубки где расположен тепло съемник, или стержень. Работает эта система с более высоким КПД, нежели перьевая.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Солнечный коллектор — достоинства и недостатки, перспективы

С каждым годом люди все больше осваивают альтернативные источники потребления энергии. Это связано не только с тем, что запасы нефти и газа становится меньше, но и с минимизацией загрязнения окружающей среды. Одним из таких источников является солнце, которое вырабатывает большие объемы энергии. С помощью специальных установок это энергию можно использовать для различных нужд.

Что такое

Гелиоустановка — это современный экологичный способ получения и последующего применения тепловой энергии от солнца. Во многих странах установки уже давно используют в частном секторе и промышленных масштабах. Системы подходят для нагрева воды или отопления. Преимущества для владельца:

Владелец установки бесплатно получает солнечную энергию, которую может потом распределить по дому.
Процесс получения и преобразования энергии экологичен и не наносит вреда планете.
Энергия солнце неиссякаема, поэтому владелец установки всегда может быть уверен в ее получении.
По сравнению с другими установками альтернативного получения энергии, стоимость коллектора невысокая.

Как и у любой установки, у солнечного коллектора есть и свои минусы — результат работы зависит от погоды.

В нашей стране использование гелиосистем не так распространено, как в Европе и Америке, по причине низкой эффективности, связанной с погодными условиями. Лидеры по установке гелиоколлекторов сегодня Япония и Китай.

Из чего состоит и как работает солнечный коллектор

Каждый солнечный коллектор включает в себя следующие элементы:

коллектор для сбора энергии;
насосы для циркуляции;
трубопровод, где происходит циркуляция теплоносителя;
система управления за установкой;
теплоноситель;
бойлер.

Гелиоустановка совместима с водонагревателями и газовыми котлами. Дополнительно монтируют теплосчетчик, который помогает вычислить выработанную энергию и подсчитать реальную экономию киловатт.

1.Солнечный коллектор. 2. Буферный бак. 3. Горячая вода. 4. Холодная вода. 5. Котроллер. 6. Теплообменник. 7. Помпа. 8. Горячий поток. 9. Холодный поток.

Разновидности

Все устройства можно поделить на 2 категории: по принципу нагрева и способу хранения теплоносителя. При выборе гелиоустановки всегда необходимо выбирать исходя из параметров использования. В зависимости от конструкции, отличается способ эксплуатации и обслуживания оборудования.

Коллекторы с встроенным баком

Моноблочные установки предназначены для работы в период весна-осень. В зимние месяцы их отключают. Модели со встроенным баком легкие в монтаже и использовании. Все что необходимо — подключить его к системе водоснабжения.

солнечные лучи попадают на поглощающую панель (абсорберум);
полученная энергия передается в змеевик, который расположен в баке;
тепловая энергия передается от теплоносителя к воде.

В хороший солнечный день, такой коллектор может нагреть до 200 литров воды. Коллекторы с встроенным баком работают без давления, поэтому монтаж производят в наивысшей точке — крыша дома. Делается этого чтобы обеспечить необходимый напор воды.

Такие установки пользуются широким спросом, из-за простоты использования и легкого монтажа. Чаще всего их используют для летних домов и дачных участков.

Основной принцип работы — циркуляция воды. Теплая вода вверху, холодная снизу. При монтаже важно установить емкость для жидкости выше коллектора.

Гелиосистемы с выносным баком

Такие типы коллекторов могут работать круглый год. Единственное условие, температура не должна падать ниже -50 градусов. Для нагрева воды используется внешний бойлер косвенного нагрева, а в качестве теплоносителя — антифриз.

поглощающая панель получает тепло и передает его в теплоноситель;
под давлением, теплоноситель поступает в теплообменник бака накопителя;
когда антифриз проходит по змеевику, он нагревает воду.

Такие гелиосистемы работает с подключением к насосной группе. Управление производится автоматически.

Достоинством солнечного коллектора с выносным баком является возможность получения энергии круглый год, при определенных условиях. Однако такие установки требуют подключения дополнительного оборудования, и работа коллектора зависит от электричества — его отключение может сказаться на работе установки.

В зависимости от работы можно выделить следующие вид гелиоустановок — плоская, вакуумная, воздушная. Рассмотрим подробнее каждый их них.

Плоские

Панель является воздухонепроницаемой и состоит из нескольких элементов:

Поглощающая пластина или абсорбер напрямую связан с теплопроводящей системой. Покрыт черной краской или специальным покрытием.
Прозрачное покрытие сделано из поликарбоната или из закаленного стекла с низкой содержанием металлов.
Термоизолирующий слой. Трубки теплоносителя изготавливают из меди или сшитого полиэтилена.

Принцип работы простой — абсорбер нагревается и передает тепло змеевику, в котором находится теплоноситель. Установка простая в монтаже и использовании.

невысокая стоимость;
возможность устанавливать систему под любым углом;
высокий КПД в теплое время года;
не нужно вручную очищать установку от снега и инея.

Единственным весомый минус системы — высокий уровень тепловых потерь. Чтобы минимизировать потери используют утеплители, например, винвату. Однако и это не лучший способ, если температура внутри корпуса и снаружи сильно отличается. Поэтому такие установки малоэффективны для работы в холодное время года.

Вакуумный

Вакуумный или трубчатый коллектор имеет более сложную конструкцию. Панель представляет собой много стеклянных трубок, внутри которых вставлен абсорбер. Каждая трубка полностью вакуумированная, поэтому сохраняет до 97% тепла. Такие коллекторы используют круглый год, они способны эффективно работать при температуре до -37 градусов.

низкие теплопотери;
работа при низким температурах;
низкая парусность конструкции;
легкий монтаж.

рабочий угол установки 20 градусов;
необходимо чистить гелиосистемы от снега и инея.

Воздушный

Представляют собой тепловой абсорбер, а в качестве теплоносителя выступает воздух. Принцип работы простой: холодный воздух попадает в систему каналов, нагревается и выходит в систему вентиляционных труб. Там теплый воздух можно распределить в нужном направлении. Достоинства гелиосистемы:

быстрый нагрев воздуха;
не нужно использования электричества и газа.

Коллекторы работают только при солнечной погоде. При пасмурной погоде эффективность практически нулевая.
При монтаже необходимо будет высверливать отверстия в стене или крыше, в зависимости от места установки.

Воздушные солнечные коллекторы сейчас получили широкое применение среди владельцев частных домов. Их использование является дополнительным источником отопления и вентиляции воздуха.

Принцип работы солнечного коллектора

Принцип работы простой — установка преобразует энергию солнце в тепло. Как это работает: поглощающие пластины притягивают и удерживают солнечные лучи, которые в свою очередь нагревают теплоноситель. Пластины имеют черный цвет, так как он не отражает, а поглощает лучи, попадающие на него. С помощью насоса нагретая жидкость передает тепло в бак. В хорошую солнечную погоду гелиосистема способна обеспечить ежедневную потребность в теплой воде.

На эффективную работу влияет:

продолжительность дня;
уровень облачности;

Чтобы коэффициент эффективности работы коллектора был выше, устанавливают дополнительное оборудование — газовые котлы, тепловые насосы.

Чем заправляют гелиосистемы

Теплоноситель для гелиосистем заправляют в зависимости от вида и условий эксплуатации. Если коллектор работает круглый год, необходимо заправлять незамерзающим составом, если для сезона весна — осень, то подойдет заправка дистиллированной водой.

если коллектор используется зимой, то для заправки подойдет смесь пропиленгликоля с водой и антикоррозийными веществами. Пропорция раствора зависит от условий, в которых используется система:

при температуре ниже 20 градусов пропорция, следующая — на 10 литров теплоносителя добавляют 6 литров пропиленгликоля;
при температуре ниже 30 градусов раствор делают в равных пропорциях.

Можно купить сразу готовый антифриз, разведенный в нужных пропорциях.

Важно: нельзя в качестве теплоносителя зимой использовать воду, так как она замерзнет и разорвет трубы. Поэтому в конце сезона воду необходимо слить с установки.

Как работает солнечный коллектор зимой

Возможно, из-за недостоверной информации большой процент населения игнорирует альтернативный способ получения энергии. Самое распространенное ошибочное мнение, что зимой коллектор не может эффективно работать. Но это не совсем так. Основные теории, которые выдвигают противники гелиосистем:

Необходимость чистить зимой установку от снега и наледи, чтобы она могла эффективно работать.
В пасмурные дни установка бесполезна.
При минусовой температуре коллектор не сможет вырабатывать нужное количество энергии.

В данных убеждениях есть доля истины, но не во всем. При выборе коллектор нужно учитывать, где он будет устанавливаться, в какой период времени работать и другие факторы.

К примеру, вакуумные коллекторы продолжают свою работу даже при рассеянном свете. Их эффективность ниже, чем при прямых солнечных лучах, но рабочий процесс не останавливается.

Если панель вакуумного коллектора засыпает снегом, то ее работа снижается на 10-15%, в то время как с плоских гелиоустановок снег сходит самостоятельно.

Появление на коллекторе наледи или инея не мешает процессу, так пропускаемость света остается хорошей.

Обратите внимание: если сравнивать эффективность работы коллектором в зимний и летний период, то эффективность вакуумного падает на 10-15%, а плоского до 40%.

Сколько воды может нагреть солнечный коллектор

Чтобы ответить на этот вопрос нужно учесть несколько факторов: какой сейчас сезон и погодные условия, какой используется способ нагрева. Учитывая все факторов данные могут меняться. На 1 квадратный метр гелиосистемы принято считать следующую возможность нагрева в час:

100 литров на 7 C;
50 литров на 14 C;
25 литров на 28 C;
15 литров на 46 C;
10 литров на 70 C.

Для большего количество воды устанавливают накопительную емкость.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Гелиосистемы работают от энергии солнце, поэтому логично, что их нужно размещать снаружи дома на солнечной стороне участка или крыши. Для монтажа пластин подходят как плоские, так и крыши с наклоном. Коллекторы имеют большой вес, рекомендуется крепить их на несущих балках. В наших широтах рекомендовано устанавливать конструкции на южную сторону. Даже не большое отклонение будет давать меньшую производительность энергии.

Важно установить коллектор под правильным углом, это связано с тем, что солнечные лучи падают на земную поверхность под определенным преломлением. Нужно учитывать следующие факторы:

Место расположения. Для южных регионов угол наклона примерно 30-35 градусов, для северных — 40 градусов.
Если установка будет использоваться круглый год, то угол примерно равен широте местности. Если только в летнее время — значение увеличивают на 15 градусов, в зимнее — уменьшают на 15 градусов.

Все данные ориентировочные, поэтому лучше делать расчет установки исходя от конкретной местности. В инструкции по эксплуатации будут указаны средние показатели для конкретного коллектора. Нужно выбрать место, чтобы на пластины коллектора не падала тень от деревьев или соседних зданий.

Обратите внимание: лучший вариант — это установки с автоматическим регулированием угла наклона.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Выбор мощности гелиоустановки зависит от эксплуатации — круглогодичная или сезонная, какой необходим объем вырабатываемой энергии и другие факторы.

Если первостепенной задачей установки является нагрев воды, то можно выбирать системы с более низкой мощностью. Если система будет участвовать в отоплении дома, то мощность нужна выше.

Средний показатель: площадь коллектора в 4-6 квадратных метра хватает, чтобы наполовину обеспечить дом горячей водой. Для полного обеспечения дома тепловой энергией понадобится не меньше 12 квадратных метров системы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

Перегрев гелиоколлектора приводит к частичной или полной поломки и последующему ремонту. Чтобы этого избежать нужно соблюдать следующих рекомендаций:

Правильно рассчитать покрываемую пластинами площадь. Недобросовестные продавцы могут посоветовать покупать большее количество пластин для выработки энергии, чем необходимо для потребления. Нужно учитывать, что в летний период скорость нагрева больше, чем в зимний.
При необходимости сброс горячей воды в канализацию. Делается это автоматически, когда температура доходит до предельных показателей.
Прикрытие коллектора с помощью роллета. Когда температура воды в бойлере достигает нужного нагрева, шторка автоматически опускается и прикрывает пластины. Когда горячая вода снова понадобится, роллет открывается и пластины снова начинают поглощать солнечные лучи.

Придерживаясь небольших рекомендаций, можно защитить гелиосистему от ремонта.

Солнечный коллектор для подогрева воды

Гелиоустановки для нагрева воды — это самые распространенный вариант использования энергии солнца, которые можно использовать круглый год. Есть некоторые нюансы в подключении, эффективности работы и уходе. Подробнее разберем чем отличается схема подключения коллектора в зимний и летний период.

Летний вариант горячего водоснабжения от солнечного коллектора

Монтаж установки для работы в теплое время года не сложный. Чаще устанавливают для летнего душа или для обеспечения дачного дома горячей водой.

Если вода будет использоваться на улице, как в случае с летним душем, то бак тоже должен располагается на улице. Если водоснабжение требуется в доме, то бак устанавливается там же.

В таких установкам происходит естественная циркуляция жидкости, поэтому необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

Батарея коллектора устанавливается немного ниже уровня бака, куда будет поступать горячая вода.
Для соединения бака с коллектором используют трубки не меньше, чем 7,5 сантиметров.

Для эффективной работы иногда используют циркуляционный насос.

Зимняя схема подключения солнечного подогрева воды

Если гелиосистема используется все сезоны, то нужно помнить, что нельзя использовать в качестве теплоносителя воду, так как она замерзнет и порвет трубы. Для использования установки зимой используют антифриз. Схема установки будет выглядеть так:

Устанавливается бойлер косвенного нагрева.
Антифриз нагревается и проходит по змеевику и согревает воду, которая находится в этот момент в баке.
Для контроля устанавливают расширенный бак, автоматический воздухоотводчик, предохранительный клапан.

Эффективность работы гелиосистем в зимой ниже, по сравнению с выработкой энергии в летом.

Достоинства и недостатки солнечных коллекторов для нагрева воды

Рассмотрев различные виды коллекторов, можно выделить достоинства и недостатки применения у себя на участке таких систем.

Солнце — это бесплатный и неисчерпаемый источник альтернативной энергии.
Гелиосистемы — экологически чистый способ добычи энергии.
Экономия может составлять до 100% в теплое врем года.
Солнечные коллекторы работают круглый год.
Системы коллекторов просты в обслуживании, монтаже.
Работа установки не зависит от повышения цен на газ.
Срок службы около 30 лет.

Даже недорогие модели коллекторов не каждый может себе купить.
Работа гелиосистемы полностью зависит от погоды.
При установке нужно правильно рассчитать место монтажа системы и установить ее под правильном углом для правильной работы. Исключить попадания на поглощающую панель тени деревьев и зданий.

Несмотря на недостатки, эффективность работы гелиосистем перевешивает. Многие переходят на альтернативный источник энергии если не полностью, то частично.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Лидером по использованию солнечных коллекторов в Европе является Германия, Австрия, Греция. Около 15% частного сектора установили гелиосистемы для нагрева воды или отопления дома. Коллекторы используют в школах, магазинах, больницах, на предприятиях.

В некоторых европейских странах при строительстве новых домов, установка гелиоколлектора обязательна.

В России солнечные коллекторы установил небольшой процент населения. В первую очередь это связано с недостатком информации о таком способе добычи энергии. Роль играет их стоимость, поэтому не каждый может купить такую установку.

Одна из важнейших проблем связанная с экологией — это проблема с энергоресурсами, влияние на изменение климата. Поэтому использование гелиоустановок — это хороший способ не только экономии, но и вклад в защиту экологии планеты.

Принцип работы солнечного коллектора

Солнце является практически неисчерпаемым источником энергии для Земли. Однако человек используют лишь незначительную ее часть. Сегодня вопрос энергосбережения стоит особенно актуально.

Алгоритм функционирования солнечного коллектора основывается на трансформации энергии солнечного излучения в тепловую. Осуществляется это с помощью нагревающегося в коллекторе теплоносителя, который передает накопленную энергию в систему отопления или горячего водоснабжения. Обычно таким теплоносителям является вода, в некоторых случаях также используют антифриз.

Поэтому все более активно внедряются в эксплуатацию специальные устройства, позволяющие направлять солнечную энергию на решение практических задач. Одним из таких устройств является солнечный коллектор. Его можно эффективно использовать для целей отопления или получения горячей воды.

Чтобы правильно подобрать гелиосистему и максимально эффективно использовать ее возможности, нужно понимать принцип работы солнечного коллектора для отопления дома и горячего водоснабжения.

Что такое солнечный коллектор

Солнечный коллектор — это устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую для нагрева теплоносителя. Нагретая вода может применяться для отопления или для ГВС.

Устройство солнечного коллектора отличается сравнительной простотой. Его основным элементом является адсорбер — медная пластина, которая соединяется с трубопроводом для циркуляции воды в системе. Адсорбер покрывается специальным черным покрытием для максимально эффективного поглощения солнечных лучей. При нагреве медной пластины от солнца происходит нагревание и воды в трубе. После этого она подается в систему отопления или горячего водоснабжения.

Адсорбер для защиты от внешних воздействий покрывается закаленным стеклом. Качественные характеристики стекла оказывают большое влияние на эффективность солнечного коллектора для нагрева воды. Обычное стекло оказывается недостаточно прозрачным, что приводит к увеличению потерь энергии. Кроме того, эти потери растут также за счет его бликования, в результате которого часть солнечного света отражается. Чтобы повысить КПД гелиоколлектора, для его оснащения применяют специальное стекло, состав которого отличается уменьшенным содержанием железа, что делает его более прозрачным. Также используются антибликовые покрытия. В некоторых случаях вместо стекла может использоваться поликарбонат.

Для эффективной работы солнечного коллектора он выполняется в герметичном корпусе. Это дает возможность предотвратить попадание в пространство между стеклом и пластиной адсорбера влаги и пыли, рассеивающей солнечный свет. Также в это пространство может закачиваться инертный газ, что позволяет снизить переход тепла от медной пластины к стеклу.

Принцип действия гелиосистемы

Принцип работы солнечного коллектора для дома, коммерческого или офисного здания заключается в нагревании им воды для нужд отопления или ГВС. Циркуляция воды может быть естественной или принудительной.

При естественной вентиляции гелиоколлектор устанавливается ниже уровня буферного бака. Часто его устанавливают непосредственно на грунте. Такая система отличается малой производительностью, что не позволяет его использовать для нужд капитальных зданий. Обычно коллекторы с естественной циркуляцией применяют для обслуживания временных сооружений.

Наиболее распространены гелиосистемы с принудительной циркуляцией, в состав которых входят следующие виды оборудования:

солнечный коллектор, который преобразует энергию солнечного излучения в тепло;
система трубопровода, соединяющая гелиоколлектор с теплообменником;
циркуляционный насос, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе;
контроллер, обеспечивающий автоматическое управление работой оборудования.

Принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды предусматривает, что передача тепловой энергии от нагретого теплоносителя контуру ГВС или отопления осуществляется в теплообменнике. Его зачастую дополнительно оборудуют ТЭНом для подогрева теплоносителя в периоды, когда солнечной энергии недостаточно для достижения требуемой температуры.

Учитывая, как работает солнечный коллектор, особые требования предъявляются к параметрам теплоносителя. Это должна быть нетоксичная жидкость с высокой морозостойкостью, не испаряющаяся при высоких температурах. Обычно для этой цели используют водогликолевые растворы (40%).

Автоматика обеспечивает управление циркуляционным насосом и при необходимости включает дополнительный ТЭН. Это позволяет поддерживать требуемый нагрев теплоносителя для поддержания заданной температуры горячей воды или температуры внутри помещений.

Виды солнечных коллекторов

В зависимости от устройства и принципа работы солнечных коллекторов различают три основных вида этого оборудования:

плоские гелиоколлекторы;
трубчатые (вакуумные) гелиоколлекторы;
коллекторы-концентраторы.

В российских условиях наиболее широкое применение получили плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов, помещенных в алюминиевый корпус:

медная пластина адсорбера на всю площадь корпуса;
защитное стекло или поликарбонат;
змеевик из медных трубок, расположенный под адсорбером.

Работает солнечный коллектор для нагрева воды этого типа очень просто. Адсорбер нагревается от солнца и отдает тепловую энергию змеевику, по которому циркулирует теплоноситель.

Благодаря простой конструкции плоский коллектор стоит относительно недорого и не требует сложного обслуживания. Однако его недостатком является достаточно высокий уровень тепловых потерь. Для их снижения применяется теплоизоляция задней поверхности. Для этой цели чаще всего используется минеральная вата или другие эффективные утеплители. Однако полностью решить проблему не удается. Наиболее высокие потери тепла наблюдаются при значительной разнице температуры внутри корпуса и снаружи. Это делает плоские коллекторы малоэффективными в холодное время года.

Принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Трубчатый (вакуумный) солнечный коллектор отличается более сложным устройством. Он выполняется в виде панели, состоящей из множества небольших стеклянных трубок. Внутри каждой стеклянной трубки располагается пластина адсорбера, поглощающая солнечное излучение, к которой подведена медная труба с теплоносителем. Из каждой стеклянной трубки откачивается воздух. Благодаря вакуумированию сохраняется до 97% тепловой энергии.

За счет более сложного устройства вакуумный солнечный коллектор стоит дороже. В процессе эксплуатации приходится чаще выполнять очистку сегментов панели от загрязнений и снега зимой. Однако при этом оборудование эффективно работает в северных широтах. Вакуумный коллектор поддерживает достаточно высокий уровень КПД даже при температуре воздуха ниже -37 °C и в условиях недостаточной освещенности (при условии правильной установки под определенным углом).

Особенности применения солнечных коллекторов

Учитывая, как работает солнечный коллектор для нагрева воды, максимальная эффективность оборудования достигается при условии интенсивного солнечного излучения. Лучше всего гелиоколлекторы работают в южных широтах. Однако и в средней полосе они демонстрируют высокую эффективность. Их применение позволяет экономить до 60% энергии на отопление и горячее водоснабжение объектов. При благоприятных же погодных условиях солнечные коллекторы обеспечивают работу системы отопления и ГВС в автономном режиме.

Плоские солнечные коллекторы демонстрируют высокую эффективность в теплое время года. С наступлением осенних холодов их эффективность уменьшается, а зимой — снижается кардинально. Однако при этом они значительно дешевле вакуумных моделей и являются намного более простыми в обслуживании. Поэтому гелиоколлекторы плоского типа оптимально подходят для объектов, на которых необходимость в получении горячей воды существует в течение теплого сезона. В том числе их применяют на дачах, на туристических объектах, используют для подогрева воды в открытых бассейнах и т.д.

Трубчатые вакуумные коллекторы могут использоваться круглый год. В зимний период их эффективность снижается намного меньше, что дает возможность применять их в качестве источников тепловой энергии для отопления помещений.

Важным условием для высокой эффективности солнечного коллектора является его правильная установка. Располагать оборудование необходимо таким образом, чтобы на него не падала тень от соседних строений, деревьев и других объектов. Кроме того, панель должна быть ориентирована лицевой поверхностью в сторону юга. Если это невозможно реализовать технически, то нужно задать максимально приближенное к югу направление.

Таким образом, при условии правильного выбора и установки гелиоколлектора он поможет с максимальной эффективностью использовать солнечную энергию и сократить затраты на отопление и горячее водоснабжение.

Солнечный коллектор

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений. [1]

Содержание

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком. [2]

При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение “запаса мощности” по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой) [источник не указан 51 день] Используется также аллюминиевый экран. [2]

Вакуумные

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.

В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.

В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак. [1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселлективные
+	+
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до -30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
–	–
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие тепло потери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы – это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы представляют собой чаще всего простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом, избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов. Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещенности и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции.

Применение

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды [3]

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 м²/1000 чел.

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости. [1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях. [4]

Солнечные башни

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг . Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту [5] .

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C [6] .

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Параболические концентраторы

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга [7] .

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 % [8] .

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Линзы Френеля

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

Распространение

В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт [9] . В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны. [10]