Окружающая среда все с большим трудом справляется с продуктами, которые выделяются при сжигании топлива. Количество токсических выбросов возрастает ежегодно из-за увеличения потребности в энергии. В свою очередь, постоянно возрастающие цены на топливные ресурсы заставляют ученых и инженеров двигаться в направлении экологически не опасных и возобновляемых энергоносителей.
Одним из экологически чистых источников энергии являются солнечные коллекторы. С их помощью можно получать энергию в достаточно больших количествах для нагрева воды и для отопления. Хотя на сегодняшний день такие системы достаточно дорогие, но инвестиции в их производство и монтаж, несомненно, оправданы.
Использование полученного тепла
Наибольшая интенсивность излучения солнца в наших широтах приходится на период март – октябрь, когда необходимости отапливать дом нет. Из-за этого коллекторы, в основном, используют в системе ГВС для нагрева воды и в бассейнах, хотя какое-то непродолжительное время они могут служить и как вспомогательный источник тепла для обогрева дома.
Теоретически тепловой энергией, которую мы получаем летом от солнечного коллектора, можно обогревать дом и после начала отопительного сезона, но для этого её нужно аккумулировать в больших заполненных водой хранилищах, с толстым слоем теплоизоляции, а это экономически невыгодно.
Плоские коллекторы
Основу плоского коллектора составляет абсорбер (поглотитель) солнечного излучения и находящиеся с ним в хорошем контакте медные трубки. Тепло поглощенное абсорбером передается жидкости, циркулирующей по трубкам, соответственно температура жидкости увеличивается. Чтобы увеличить эффективность поглощения лучей абсорбер красят в черный цвет. Устройство выглядит как плоский герметичный теплоизолированный корпус, сверху закрытый ударостойким стеклом.
Чтобы уменьшить теплопотери коллекторы делают не с одним, а с двумя и даже с тремя слоями остекления. В процессе эксплуатации плоского коллектора рекомендуется, чтобы температура теплоносителя не повышалась выше 100°C, иначе может произойти его закипание.
Плоские коллекторы имеют плохую теплоизоляцию, поэтому быстро теряют тепло, то есть у них довольно низкая эффективность, правда они намного дешевле, чем сделанные по современным технологиям трубчатые коллекторы.
Вакуумные трубчатые коллекторы
Трубчатый коллектор состоит из определенного числа (от одного до нескольких десятков) труб изготовленных из стекла. Для уменьшения теплопотерь в трубках создается вакуум, который делает трубчатые коллекторы значительно эффективнее плоских. В продаже можно встретить две разновидности трубчатых коллекторов. Первая – с непосредственной циркуляцией теплоносителя и вторая – с тепловой трубкой.
В моделях с непосредственной циркуляцией в трубу коллектора встроен абсорбер высокой эффективности, а к нему подсоединен коаксиальный («труба в трубе») прямоточный теплообменник. В результате, процесс идет по следующей схеме: отдав теплоту в накопительном баке, теплоноситель переходит в теплообменник через внутреннюю трубку, где нагревается, и далее по внешней трубке – возвращается обратно в накопительный бак. Часто в трубах делают зеркальное покрытие, которое фокусирует свет на абсорбер. Этот прием способствует намного более эффективному использованию энергии солнца.
Солнечный коллектор с тепловыми трубками напоминает трубчатый с непосредственной циркуляцией, но в его конструкции используется другой принцип передачи тепловой энергии. Тепловую трубку – закрытую трубку (обычно, сделанную из меди) частично наполняют легко испаряющейся жидкостью. Один конец ее контактирует с абсорбером, второй (конденсатор) – с теплообменником контура теплоносителя. Тепло, поступающее от абсорбера, воздействует на жидкость и она, испаряясь, поднимаясь в конденсатор. Там она нагревает теплоноситель, и, отдав тепло, конденсируется стекая вниз. Чтобы коллектор можно было установить с минимальным уклоном, поверхность трубки изнутри покрывают пористым материалом. Из-за этого возникают капиллярные силы, которые возвращают конденсат в абсорбер.
Когда коллектор начинает работать
Коллекторами поглощаются прямые и рассеянные лучи, качество и количество которых меняется в зависимости от метеорологических условий, расположения солнца в течение дня и времени года.
Преобразование коллектором солнечной энергии в тепловую начинается после того, как будет превышено пороговое значение излучения. Этот показатель зависит от конструкции установки. Для коллекторов с абсорбером без покрытия он составляет примерно 210 Вт/м2, для коллекторов со стеклянным покрытием – в пределах от 70 до 90 Вт/м2. Наиболее низкое и эффективное пороговое значение у вакуумных коллекторов – порядка 20 Вт/м2.
Если говорить о временных рамках в разрезе дня, то солнечные коллекторы начинают работать в 9-10 часов утра и, при достаточном уровне освещения, способны нагревать за 4-6 часов до 200 литров воды до температуры 40-60°С. Самый эффективный КПД коллектора приходится на период с апреля по октябрь.
Для чего нужен накопительный бак?
Вторая половина дня – период, когда эффективность коллектора самая высокая, в это время в накопительном баке аккумулируется горячая вода для последующего использования, когда солнце спрячется за горизонтом или наступят пасмурные дни. Неплохо также обеспечить возможность нагрева теплоносителя и альтернативными способами, например, электрическими ТЭНами или газовым котлом.
Теплоносители
Для того, чтобы передать из коллектора тепловую энергию (полученную из солнечного излучения) системе ЦО или ГВС необходим теплоноситель. Самыми простыми теплоносителями являются вода или воздух. У воздуха очень низкая эффективность теплообмена, поэтому в солнечных коллекторах в качестве теплоносителя чаще используют воду или другие незамерзающие жидкости.
Недостатком использования воды является то, что она замерзает при 0°C, поэтому подходит лишь для тех систем, которые эксплуатируются исключительно в летнее время (например, на дачном участке), а перед наступлением заморозков теплоноситель с них сливают.
Что касается незамерзающих жидкостей, которые имеют необходимую концентрацию, то они могут использоваться даже в период очень сильных морозов. Но эти продукты намного дороже воды и способствуют коррозии металлических частей оборудования. Особенно этим отличается водный раствор гликоля. В добавок к этому, необходимо учитывать повышенную вязкость этих веществ, что влечет за собой увеличение диаметра труб или же увеличения давления в системе при помощи насоса.
Лучше всего, в качестве теплоносителей, подходят готовые спецрастворы гликоля, которые содержат в своем составе ингибиторы коррозии, а также биоциды – вещества блокирующие размножение водорослей и бактерий в системе.
Как теплоноситель в системе солнечного коллектора используют также вещества с точкой затвердевания от – 40°C и до –100°C и с температурой кипения от 220 до 350°C, к которым относятся масла. В связи с тем, что вязкость масел в десять раз и более выше вязкости воды, в этом случае требуется использование насосов, которые создают больший напор.
Как подобрать размер коллектор
Считается, что солнечные коллекторы должны обеспечивать примерно 60 – 70% от общей потребности в тепловой энергии, которая необходима, чтобы нагреть воду для системы ГВС. В этом случае на каждого из жильцов дома приходится 1 – 1,5 м2 площади коллектора. Чтобы обеспечить 100% необходимой тепловой энергии, площадь коллекторов придётся значительно увеличить. Это в свою очередь неоправданно увеличит капиталовложения, ведь вакуумный коллектор площадью 1,5 м2 с накопительным баком 150-200 литров и установкой будет стоить приблизительно от 2000-3000$ , а плоский коллектор — от 1000$. При изменении площади коллектора, его эффективности и объема накопительного бака, цена также меняется.
