• СМКД
• Биогаз
• Обследования
• Ветряная энергетика
• Малая гидроэнергетика
• Солнечные батареи
• Солнечные коллекторы
• Тепловые насосы

Солнечный коллектор - устройство, предназначенное для поглощения солнечной энергии, которую выделяет видимое и ближнее инфракрасное излучение, для последующего преобразования ее в пригодную для использования людьми тепловую энергию.

Солнечные коллекторы в основном нужны для приготовления горячей воды, так же эти устройства можно использовать в отопительных системах. Экономия при использовании солнечных коллекторов составляет до 30% в год.

Обычно солнечные коллекторы устанавливают неподвижно, а угол наклона выбирают в зависимости от основного назначения устройства. При установке коллектор стараются ориентировать в сторону юга, обязательно учитывая рельеф местности. Рекомендуют отклоняться от ориентации на юг не более чем на 10° - тогда и количество выработанного тепла будет в пределах нормы. Солнечные коллекторы будут максимально эффективными, если угол падения солнечных лучей составит 90°.

Но в течение дня Солнце описывает над нами дугу, а в разные времена года - еще и поднимается на разную высоту. Поэтому идеальным был бы вариант, когда солнцеприемное устройство вращалось бы вслед за движением Солнца, чтобы его лучи падали постоянно под прямым углом. Технически это вполне возможно, и такие системы производят, но стоимость такой конструкции очень высока и окупится она не скоро.

Солнечные коллекторы применяют для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используют теплую и горячую воду (30-90° C), - в пищевой и текстильной промышленности, которые, таким образом, имеют высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

К примеру, существует несколько отдельных видов солнечных коллекторов, которые различаются, в зависимости от температуры, до которой они способны достигать:

• Коллекторы низких температур. Такие коллекторы дают достаточно низкие температуры – не выше 50 С. Такие коллекторы, широко применяются для подогрева воды в бассейнах, и в других случаях, когда не требуется слишком высокая температура воды;
• Коллекторы средних температур. Такой тип коллекторов способен нагревать воду от 50 до 80 С. Зачастую, такой коллектор представляет собой плоскую остекленную пластину, в которой с помощью жидкости происходит теплопередача или же это коллекторы-концентраторы. В последних тепло концентрируется и может использоваться для нагрева воды в жилых секторах;
• Коллектор высоких температур. Зачастую имеют форму параболических тарелок. Такое устройство, в большинстве случаев используется большими предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей

Все солнечные коллекторы условно делят на плоские (плоскопанельные) и вакуумные. Кроме того, есть еще такие типы солнечных коллекторов: солнечные коллекторы-концентраторы, солнечные башни, параболические концентраторы, но для домашних условий они не годятся из-за высокой стоимости.

Плоские солнечные коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, которые используются в бытовых водонагревательных и отопительных системах.

Обычно это теплоизолированные металлические ящики со стеклянной или пластмассовой крышкой, в которых помещена пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным или матовым. В плоских солнечных коллекторах обычно используют матовое стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть солнечного света, поступающего на коллектор).

Солнечный свет попадает на теплопринимальную пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что дополнительно снижает тепловые потери. Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет (темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые).

Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает около 10% радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатывают специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска.

Селективное покрытие, которое используется в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическую основу. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Поглощающие пластины обычно изготавливают из металла, хорошо проводящего тепло (например, меди или алюминия).

Медь дороже, но лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина-поглотитель солнечного коллектора должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские солнечные коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида солнечных коллекторов бывают остекленными или не застекленными.

В солнечных коллекторах этого типа, теплоносителем выступает жидкость. Солнечная энергия, перерабатывается в поглощающей пластине в тепло, и передается жидкости, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине. Эти трубы могут идти параллельно друг другу, но на каждой, в обязательном порядке должно быть входное и выходное отверстие. Существует возможность расположение труб в виде змеевика. Такое положение уменьшает количество соединительных отверстий, что, в свою очередь, снижает вероятность протекания. Таким образом, змеевидное расположение обеспечивает более равномерный поток жидкости-теплоносителя. Однако, могут возникать сложности при спуске жидкости перед похолоданием, поскольку в изгибах трубы может остаться жидкость.

Остекление жидкостных коллекторов позволяет нагревать воду для бытовых нужд, и для отопления дома, поскольку их КПД выше, чем у неостекленных аналогов. Неостекленные коллекторы, зачастую используют для нагрева воды в бассейнах. В последних приборах не требуется нагревать температуру до высоких температур. Это позволяет использовать менее дорогие материалы, такие как пластмасса и резина.

Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а он не замерзает и не кипит, в отличие от воды. Этот факт позволяет избежать проблем, которым подвержены жидкостные коллекторы. К тому же, утечка в системе воздушных коллекторов приносит намного меньше трудностей, хотя, конечно же, обнаружить ее достаточно сложно. Стоит помнить, что перед материалами, используемыми в воздушных солнечных коллекторах, не стоят особо сложные эксплуатационные задачи. По этому, в воздушных системах возможно использование более дешевых материалов.

Конструкция воздушных коллекторов, представляет собой сочетание плоских коллекторов. Такой прибор используется в основном для просушки сельскохозяйственной продукции, или же для отопления помещений. Металлические панели и многослойные неметаллические экраны могут послужить поглощающими пластинами в конструкции воздушных коллекторов. Теплоноситель проходит через стенки поглотителя с помощью естественной конвекции, или с помощью специального вентилятора.

Теплопроводимость воздуха, на порядок хуже, чем проводимость тепла, жидкостью. По этому, поглотитель получает значительно меньше тепла от воздуха, чем от жидкости. Вентилятор, присоединенный к поглощающей пластине, позволяет увеличить поток воздуха, таким образом, улучшая теплоотдачу. Однако и в этой конструкции есть свои недостатки. Для работы вентиляторов, необходимо дополнительно использовать электроэнергию, а это, в свою очередь увеличивает затраты на работу системы. В условиях холодного климата, необходимо направлять воздух между поглощающей пластиной и утепленной стенкой коллектора, это позволяет избежать потерь тепла. Но не стоит применять такою циркуляцию, если, все же, воздух в помещении, нагревается на 17° С больше, чем воздух на улице. В этом случае, воздух может спокойно циркулировать без потерь эффективности.

Поговорим о достоинствах воздушных коллекторов. В первую очередь – это простота и надежность. Воздушные коллекторы имеют достаточно простое устройство, благодаря этому снижается уровень необходимости технического обслуживания, при этом увеличивая их безусловную надежность. При достойных условиях эксплуатации, срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. За счет того, что теплоносителем выступает воздух, исключается необходимость использования теплообменника и термоизоляции в холодное время года.

Однако не все так красочно, в сфере солнечных воздухонагревателей. Все дело в том, что применение таких установок распространено исключительно для отопления помещений и просушки сельскохозяйственной продукции, причем, в основном, в развивающих странах. Причиной этому стало то, что существуют некоторые ограничения, для использования в промышленных условиях. Начнем с того, что по сравнению с жидкостными, воздушные коллекторы занимают достаточно большую площадь, за счет низкого уровня удельной теплоемкости. К тому же, требуется оборудовать длинный воздуховод для эффективной работы коллектора. И самая главная трудность – это необходимость использования электроэнергии для прогонки воздуха через функциональные части коллектора. Еще иногда встречаются сложности с аккумулированием самой теплоты. Все эти проблемы, даже в регионах с достаточным количеством солнечных дней, приводит к значительному увеличению стоимости на эксплуатацию и установку воздушных коллекторов.

• Возможность использования системы как основного (для регионов с достаточной солнечной активности) и дополнительного источника энергии для отопления;
• Эффективны для умеренного и холодного климата, работающих при температуре до -50°С и низкой интенсивности потока солнечной радиации;
• Большое количество схем подключения для удовлетворения различных потребностей;
• Их легко встроить в существующие системы горячего водоснабжения и отопления;
• Расположение бака и оборудования не требует больших площадей;
• Большая производительность.

• Высокие теплопотери;
• Низкая работоспособность в холодное время года;
• Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора;
• Высокая парусность.

Вакуумные коллекторы нагревают воду до 300° благодаря уменьшению потерь тепла, которое сохраняется благодаря многослойному стеклянному покрытию, герметизации и созданию вакуума непосредственно в самом коллекторе.

Фактически солнечная тепловая труба имеет строение, аналогичное бытовому термосу. Только внешняя часть трубы прозрачная, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, которое улавливает солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой - вакуум. Именно вакуумный слой дает возможность сохранить около 95% полученной тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах применяют тепловые трубки, которые выполняют роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пар поднимается в верхнюю часть трубки (конденсатор), где, конденсируясь, передает тепло коллектору. Использование такой схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагреть воду до температуры кипения даже при минусовой окружающей температуре.

Системы, построенные на вакуумных солнечных коллекторах, могут обеспечить населению до трети энергии, необходимой для теплоснабжения осенью или весной и до 60% удовлетворить потребность в горячей воде.

Покрытие вакуумных трубок селективно абсорбирует солнечную энергию и преобразует ее в тепло. Теплопередача осуществляется опосредованно - от теплообменного стержня через гильзу теплообменника к воде в одном резервуаре. Комплект содержит вакуумные трубки, внешний бойлер, контроллер и устойчивый монтаж.

Солнечные системы - это системы с принудительной циркуляцией. Для обеспечения циркуляции между коллекторным узлом и водным резервуаром система оснащена насосной группой, руководят которой с помощью сенсорного контроллера. Тепло от вакуумной трубки передается теплопроводной жидкости в коллекторный трубопровод и циркулирует по закрытому контуру, отдавая тепло воде через змеевик, встроенный в водный резервуар (бойлер).

Солнечные системы - это системы с принудительной циркуляцией. Для обеспечения циркуляции между коллекторным узлом и водным резервуаром система оснащена насосной группой, руководят которой с помощью сенсорного контроллера. Тепло от вакуумной трубки передается теплопроводной жидкости в коллекторный трубопровод и циркулирует по закрытому контуру, отдавая тепло воде через змеевик, встроенный в водный резервуар (бойлер).

Солнечный водонагреватель с вакуумными трубами эффективно работает даже в пасмурные дни, потому что вакуумные трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят сквозь облака. При наличии солнечных лучей (прямых, рассеянных) поглощение тепла происходит в медной трубке, которая находится внутри вакуумной трубы. Благодаря изоляционным свойствам вакуума, влияние ветра и низких температур на работу системы также незначительно по сравнению с плоским солнечным коллектором. Система с вакуумным солнечным коллектором хорошо работает при температуре до -35° С.

Вакуумные трубы круглые, благодаря чему количество солнечного излучения, попадающего на коллектор, остается постоянным с утра до вечера. Именно поэтому общее количество солнечного излучения, поглощенного вакуумным солнечным коллектором, больше по сравнению с плоским. Форма труб в солнечных системах отопления обеспечивает хорошую степень поглощения, поскольку солнечные лучи всегда падают на ее поверхность под прямым углом, сводя отражение к минимуму. Трубы уложены в солнечном водонагревателе параллельно, угол их наклона зависит от географической широты места установки системы отопления.

Солнечные коллекторы имеют низкопрофильный дизайн, их можно размещать близко к поверхности крыши. Ориентированные с севера на юг в течение дня трубки вакуумного солнечного коллектора пассивно движутся за солнцем. При необходимости вакуумные трубки можно добавлять (при недостатке тепла) или частично снимать (если есть его избыток), уменьшая площадь коллектора.

Вакуумные солнечные коллекторы хорошо обеспечивают дом горячей водой, отоплением, подогревают воду в бассейнах, отапливают теплицы, работающих в системах вентиляции, кондиционирования. Благодаря этому работа гелиосистемы проста как с точки зрения эксплуатации, так и обслуживания.

• Низкие теплопотери;
• Работоспособность в холодное время года до -50° С.;
• Способность генерировать высокие температуры;
• Длительный период работы в течении суток;
• Удобство монтажа;
• Низкая парусность;
• Отличное соотношение цены / производительность для умеренных широт и холодного климата.

• Неспособность к самоочистке от снега;
• Относительно высокая начальная стоимость проекта;
• Рабочий угол наклона не менее 20 градусов

Использование солнечной энергии при помощи устройства гелиотехнологии, позволяет сократить затраты на энергоснабжение, теплоснабжения, за счет энергосбережения. Такое оборудование как солнечные коллекторы могут существенно уменьшить затраты на нагрев горячей воды и отопления. Солнечный коллектор является одним из самых популярных в мире и самых универсальных устройств альтернативной энергетики.

При всех преимуществах солнечных коллекторов их использование на территории России не находит широкого применения по следующим причинам:

• Солнечные коллекторы не могут на 100% обеспечить потребность в горячем водоснабжении в течении года, не говоря уже об отоплении. Они могут быть использованы только в качестве дополнительного источника тепла, а значит при строительстве здания будут затраты на основную систему теплоснабжения и дополнительную в виде солнечных коллекторов;
• Стоимость гелиосистем достаточно высока, к тому же в процессе эксплуатации будут затраты на их обслуживание;
• Большую роль в процессе эксплуатации играет запыленность. Исходя из практических наблюдений в течении года эффективность работы коллектора может упасть на 20-30% даже если коллекторы стоят не в самой пыльной местности;
• Также к негативным факторам можно отнести обледенение коллекторов в зимний период. Фактически после снегопада коллектор может не работать в течении недели, даже если не было новых осадков;
• Проблемой вакуумных солнечных коллекторов также является возможность выкипания рабочей жидкости при отсутствии отбора тепла. Последствиями выкипания может быть выход из строя коллектора.

В свете постоянного удорожания энергоресурсов и при повышении эффективности работы гелиосистем, а так же снижения их стоимости, можно сделать вывод, что солнечная энергетика будет находить все большее распространение и в будущем потеснит позиции традиционных источников теплоснабжения.