Солнечный коллектор

Энергия для тепловых насосов поступает из грунта, воды или воздуха, которые согревает солнцем. Тепло для котлов образуется вследствие сгорания, которое также представляет собой продукт преобразования солнечной энергии в ходе длительной эволюции Земли. А вот гелиоколлекторы можно назвать уникальными: они получают энергию прямо от солнца.
Чтобы получить возможность полностью бесплатно греть воду для ГВС или получать тепло для отапливания дома, можно приобрести солнечный коллектор. Учитывая немалую стоимость такого оборудования, очень важно правильно выбрать это устройство.

Особенности солнечных коллекторов

Основная особенность таких коллекторов, которая отличает их от теплогенераторов других видов, заключается в цикличности их работы. Отсутствует солнце – отсутствует и тепловая энергия. Следовательно, ночью подобные установки не активны.
Среднесуточное количество тепла непосредственно зависит от длительности светового дня, которая зависит от географической широты местности, а также от времени года. К примеру, летом на территории северного полушария приходится пик инсоляции, и коллектор будет работать с максимальной отдачей. Тогда как зимой уровень его продуктивности снижается. А самый минимум наблюдается в декабре-январе.
Стоит отметить, что зимой эффективность гелиоколлекторов падает еще и вследствие изменения угла падения солнечных лучей. Изменения производительности солнечного коллектора на протяжении года необходимо принимать во внимание в процессе расчетов его вклада в систему теплоснабжения.

Работа солнечных коллекторов

Главный элемент такого устройства - адсорбер, который представляет собой пластину из меди, с приваренной к ней трубой. Во время поглощения тепла попадающих на нее солнечных лучей, пластина вместе трубой быстро нагреваются. Далее тепло поступает в циркулирующий по трубе жидкий теплоноситель, который передает тепло далее по системе.
То, насколько сильно физическое тело может поглощать или отражать солнечные лучи зависит, главным образом, от структуры его поверхности. К примеру, зеркальная поверхность прекрасно отражает свет и тепло, тогда как черная, наоборот, поглощает. По этой причине медная пластина адсорбера должна быть покрыта черной краской.
Принцип работы:

1. солнечный коллектор
2. буферный бак
3. горячая вода
4. холодная вода
5. котроллер
6. теплообменник
7. помпа
8. горячий поток
9. холодный поток.

Повысить объем получаемого солнечного тепла можно при помощи грамотного выбора стекла, которое будет прикрывать адсорбер. Простое стекло не имеет нужного уровня прозрачности. Помимо того, ему свойственно отражать определенную часть попадающего на него солнечного света. При создании гелиоколлекторов, чаще всего, применяется особый вид стекла, имеющий низкое процентное количество железа, вследствие чего увеличивается уровень его прозрачности. Чтобы снизить количество отраженного поверхностью света стекло покрывают антибликовым покрытием. А для предотвращения попадания внутрь коллектора пыли и влаги, снижающих пропускную возможность стекла, корпус должен быть полностью герметичным. В некоторых видах коллекторов корпус заполнен инертным газом.
Несмотря на все вышеперечисленное, солнечные тепловые коллекторы, все же не могут похвастаться КПД на уровне 100%. Некоторую часть полученного тепла нагретая пластина адсорбера отдает окружающей среде, вследствие чего нагревается воздух. Для минимизирования уровня теплопотерь, адсорбер должен быть изолирован. В поиске наиболее эффективного метода теплоизоляции адсорбера инженеры разработали несколько разных видов солнечных коллекторов.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский коллектор солнечной энергии имеет довольно простую конструкцию. Он состоит из металлического короба, покрытого сверху стеклом. В роли теплоизолирующего материала для дна и стенок корпуса, применяют минеральную вату. Этот вариант далек от идеального, потому что тепло переносится от адсорбера к стеклу через воздух, находящийся внутри короба. Если температура внутри коллектора и снаружи сильно отличаются, то наблюдаются серьезные потери тепла. Таким образом, плоский гелиоколлектор лучше использовать в летнее время. Плоский коллектор состоит из следующих компонентов:

1. впускной патрубок
2. защитное стекло
3. абсорбционный слой
4. алюминиевая рама
5. медные трубки
6. теплоизолятор
7. выпускной патрубок. 

Вакуумный солнечный коллектор

Устройство солнечного коллектора такого типа представлено панелью, которая состоит из большого количества довольно тонких трубок из стекла. Каждая трубка заполнена адсорбером. Для предотвращения переноса тепла газом (воздухом), трубки вакуумируют. Таким образом, вследствие отсутствия газа около адсорберов, вакуумные коллекторы характеризуются незначительными теплопотерями даже при условии морозной погоды. Такая система солнечных коллекторов состоит из:

1. теплоизоляции
2. корпуса теплообменника
3. теплообменника (коллектора)
4. герметичной пробки
5. вакуумной трубки
6. конденсатора
7. поглощающей пластины
8. тепловой трубки с рабочей жидкостью. 

Использование солнечных коллекторов

Основным назначением солнечных коллекторов, как и любых других теплогенераторов, является отопление домой и подготовка воды для системы горячего водоснабжения. Нужно сделать правильный расчет солнечного коллектора.
Плоские модели демонстрируют высокую производительность только в весенне-летний период. Следовательно, подключение солнечных коллектором такого типа для отопления дома зимой, попросту нецелесообразно. Но, и ему найдется применение. Главное их достоинство – это доступная стоимость, ведь они намного дешевле вакуумных моделей. Таким образом, если вы планируете использовать солнечную энергию только летом, то стоит купить именно плоский коллектор. Они прекрасно подходят для подогрева до комфортной температуры воды в открытом бассейне.
Трубчатые вакуумные коллекторы можно назвать более универсальными. Их можно активно использовать круглый год. Поэтому они подходят как для горячего водоснабжения, так и для системы отопления.
Стоит отметить, что коллектор необходимо располагать на открытом пространстве, куда не падает тень от соседних построек, деревьев, и прочих объектов. Наиболее солнечной стороной в нашем северном полушарии является южная, следовательно, «зеркала» коллектора нужно размещать строго на юг. Если же по техническим причинам это невозможно, нужно выбрать направление, которое максимально приближено к южному, – юго-западное или юго-восточное.
Также не забывайте про угол наклона гелиоколлектора. Величина угла находится в зависимости от отклонения положения Солнца от зенита, определяемого географической широтой той местности, где будет установлено оборудование. При неправильном выборе угла наклона, значительно возрастают оптические потери энергии, потому что большая часть солнечных лучей будет отражаться от стекла коллектора и, не попадет на абсорбер.

Как выбрать солнечный коллектор?

Чего мы ждем от солнечного коллектора? Чтобы отопительная система коттеджа справлялась с задачей поддержания в комнатах комфортной температуры, а из кранов текла горячая, а не чуть теплая вода. Для полноценного использования солнечного коллектора, необходимо до покупки рассчитать требуемую мощность оборудования. Стоит обязательно принять во внимание:

• назначение коллектора (ГВС, отопление или их комбинация)
• потребность здания в тепле (общий размер обогреваемых помещений или среднесуточные затраты горячей воды)
• климатические особенности региона
• особенности монтажа коллектора.

Производство солнечных коллекторов не обходится без маркировки на них конкретного уровня производительности. Компании, которые занимаются изготовлением солнечных коллекторов, предоставят вам более полную информацию об изменении мощности оборудования в зависимости от географической широты населенного пункта, угла наклона «зеркал», отклонения их ориентации от южного направления и другие.
В процессе выбора уровня мощности коллектора очень важно достичь баланса между недостатком и избытком накапливаемого тепла. Эксперты советуют отталкиваться от максимально возможной мощности коллектора, т. е. пользоваться во время расчетов самым продуктивным летним сезоном. Однако, этот вариант противоположен мнению среднестатистического пользователя о том, что нужно покупать оборудование с запасом (т. е. вести расчеты по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватило и в менее солнечные осенние и зимние дни.
Но, если идти таким путем, то на пике его производительности, т. е. в летом, у вас возникнет серьезная проблема: тепла будет генерироваться больше, чем использоваться. Все это может стать причиной перегрева контура и других неприятностей. Есть два варианта решения этакой проблемы:

• установка маломощного солнечного коллектора с подключением в зимние месяцы резервных источников тепла
• покупка модели с большим запасом по мощности и предусмотрением варианта сброса избыточного тепла в теплое время года.

Другие компоненты системы

Мало просто собрать отдаваемое солнцем тепло. Необходимо его передать, накопить, доставить потребителям, необходим контроль за всеми этими процессами. Следовательно, кроме находящихся на крыше коллекторов в системе присутствует большое количество других компонентов, которые менее заметны, но не менее важны. Рассмотрим наиболее значимые из них: 

• теплоноситель. Роль теплоносителя в контуре коллектора выполняет или вода, или незамерзающая жидкость. При этом, предпочтительнее покупать модели именно с незамерзающей жидкостью. При отрицательных температурах она не застывает. Тогда как вода, застывшая в трубах, приведет к разрыву контура. Кроме этого, недостаточно высокая температура кипения воды поводом частых стагнаций в летнее время. «Незамерзайку» нужно только предохранять от чрезмерного перегрева
• насос, адаптированный для гелиосистем. Чтобы гарантировать принудительную циркуляцию теплоносителя по контуру коллектора понадобится насос, адаптированный для гелиосистем
• теплообменник для ГВС. Передача тепла от контура гелиоколлектора к воде, находящейся в ГВС, или к теплоносителю системы отопления происходит при помощи теплообменника. Чаще всего, чтобы накопить горячую воду устанавливают резервуар большого объема, в комплекте с которым идет теплообменник. Более рациональным является использование баков с двумя и более теплообменниками. Таким образом, вы сможете забирать тепло не только у солнечного коллектора, но и у других источников, к примеру, у газового или электрического котла, теплового насоса
• автоматика. Такая сложная система не может существовать без автоматики, которая контролирует все стадии процесса. Контроллер дает возможность автоматически осуществлять анализ температуры в контуре и накопительном резервуаре, управлять насосом и клапанами, которые отвечают за движение теплоносителя по контуру. В случае перегрева теплоносителя в контуре и воды в баке контроллер подаст сигнал к сбросу тепла в дополнительный теплоприемник – еще один бак с водой или уличный воздушный теплообменник. Когда вечером температура воды в накопительной емкости превышает температуру теплоносителя в контуре коллектора, то автоматика останавливает циркуляцию теплоносителя по контуру, чтобы предотвратить выброс накопленного тепла в атмосферу через сам коллектор. Новейшие технологии позволяют удаленно контролировать работу системы и при необходимости вносить корректировки.

Конечно, можно самостоятельно подобрать все компоненты системы. Вполне реально создать полноценную систему из купленных по отдельности элементов. Но, существуют и готовые решения - комплекты, в составе которых есть коллектор, насосы, накопительные резервуары, управляющая автоматика и т. д. Покупка готового комплекта – это не только экономия вашего времени, но и гарантия правильной работы системы.