Сонячні колектори: види, принцип роботи, влаштування системи

Сонячні геліоколектори, в певному розумінні, представляють собою унікальні пристрої, які здатні збирати енергію безпосередньо від сонця. Щоб завтра мати змогу ефективно та абсолютно безкоштовно підігрівати воду для ГВП або опалювати власний будинок, сьогодні варто взяти на себе витрати на придбання сонячних колекторів.

Однак, враховуючи значну вартість такого обладнання, критично уникнути помилок при виборі. Тому важливо заздалегідь отримати загальне уявлення про характеристики геліоколекторів і вивчити нюанси їх роботи. Отримання достатньої інформації перед покупкою допоможе зробити обдуманий вибір і максимально використовувати потенціал сонячної енергії.

Специфіка використання сонячних колекторів

Головною особливістю геліоколекторів, що відрізняє їх від теплогенераторів інших типів, є циклічність їх роботи. Немає сонця – немає і теплової енергії. Як наслідок, в нічний час подібні установки пасивні.

Середньодобове вироблення тепла безпосередньо залежить від тривалості світлового дня. Остання ж визначається, по-перше, географічною широтою місцевості, і по-друге, порою року. У літній період, на який в північній півкулі припадає пік інсоляції, колектор буде працювати з максимальною віддачею. Зимою ж його продуктивність падає, досягаючи мінімуму в грудні-січні.

Ще один фактор, який може вплинути на продуктивність сонячного колектора, – кліматичні особливості регіону. У похмуру погоду продуктивність геліоколектора не падає до нуля, оскільки він здатний уловлювати розсіяні сонячні промені, але істотно знижується.

Принцип роботи і види сонячних колекторів

Настала пора сказати кілька слів про будову і принцип роботи сонячного колектора. Основним елементом конструкції є адсорбер, що представляє собою мідну пластину з привареною до неї трубою. Поглинаючи тепло падаючих на неї сонячних променів, пластина (а разом з нею і труба) швидко нагрівається. Це тепло передається циркулюючому по трубі рідкому теплоносію, а той в свою чергу транспортує його далі по системі.

Здатність фізичного тіла поглинати або відображати сонячні промені залежить, перш за все, від характеру його поверхні. Наприклад, дзеркальна поверхня відмінно відбиває світло і тепло, а ось чорна, навпаки, поглинає. Саме тому на мідну пластину адсорбера наноситься чорне покриття (найпростіший варіант – чорна фарба).

ПРИНЦИП РОБОТИ СОНЯЧНОГО КОЛЕКТОРА

Збільшити кількість одержуваного від сонця тепла можна і шляхом правильного підбору скла, що прикриває адсорбер. Звичайне скло недостатньо прозоре. Крім того, воно відблискує, відображаючи частину падаючого на нього сонячного світла.

У геліоколекторах, як правило, намагаються використовувати спеціальне скло зі зниженим вмістом заліза, що підвищує його прозорість. Для зниження частки відбитого поверхнею світла на скло наносять покриття антивідблиску. А щоб всередину колектора не потрапляли пил і волога, які теж знижують пропускну здатність скла, корпус роблять герметичним, а іноді навіть заповнюють інертним газом.

Незважаючи на всі ці хитрощі, ККД сонячних колекторів все ж далекий від 100%, що пов’язано з недосконалістю їх конструкції. Частина отриманого тепла нагріта пластина адсорбера випромінює в навколишнє середовище, нагріваючи контактуюче з нею повітря.

Плоскі сонячні колектори

Конструкція плоского сонячного колектора гранично проста: це металевий короб, покритий зверху склом. Для теплоізоляції дна і стінок корпусу, як правило, використовується мінеральна вата. Варіант цей далеко не ідеальний, оскільки не виключене перенесення тепла від адсорбера до скла за допомогою повітря, що знаходиться всередині короба.

При великій різниці температур всередині колектора і зовні втрати тепла бувають досить істотними. В результаті плоский геліоколектор, прекрасно функціонує навесні і влітку, а взимку стає вкрай неефективним.

БУДОВА ПЛОСКОГО СОНЯЧНОГО КОЛЕКТОРА

Трубчасті вакуумні сонячні колектори

Вакуумний сонячний колектор являє собою панель, що складається з великої кількості порівняно тонких скляних трубок. Усередині кожної з них розташований адсорбер. Щоб виключити перенесення тепла газом (повітрям), трубки вакуумовані.

Саме завдяки відсутності газу поблизу адсорберів, вакуумні колектори відрізняються низькими тепловтратами навіть в морозну погоду.

БУДОВА ВАКУУМНОГО КОЛЕКТОРА

Області застосування сонячних колекторів

Головне призначення сонячних колекторів, як і будь-яких інших теплогенераторів, – опалення будівель і підготовка води для системи гарячого водопостачання. Залишилося з’ясувати, який саме тип геліоколекторів краще підходить для виконання тієї чи іншої функції.

Плоскі сонячні колектори, як ми з’ясували, відрізняються хорошою продуктивністю у весняно-літній період, але малоефективні взимку. З цього випливає, що використовувати їх для опалення, потреба в якому з’являється саме з настанням холодів, недоцільно. Це, однак, не означає, що для даного обладнання зовсім не знайдеться справи.

У плоских колекторів є одна незаперечна перевага – вони істотно дешевші вакуумних моделей, тому в тих випадках, коли планується використовувати сонячну енергію виключно влітку, має сенс купувати саме їх. Плоскі колектори прекрасно справляються із завданням підготовки води для ГВП в літній період. Ще частіше їх використовують для підігріву до комфортної температури води у відкритих басейнах.

Розташування сонячних колекторів

Ефективність колектора безпосередньо залежить від кількості сонячного світла, що потрапляє на адсорбер. З цього випливає, що колектор повинен розташовуватися на відкритому просторі, куди ніколи (або, принаймні, максимально довго) не падає тінь від сусідніх будівель, дерев, розташованих поблизу гір і т. д.

Велике значення має не тільки розташування колектора, але і його орієнтація. Самою “сонячною” стороною в нашій північній півкулі є Південна, а значить, в ідеалі “дзеркала” колектора повинні бути розгорнуті строго на південь. Якщо технічно зробити цього неможливо, то слід вибрати напрямок, максимально наближений до Південного, – південний захід або південний схід.

Не слід випускати з уваги і такий параметр, як кут нахилу геліоколектора. Величина кута залежить від відхилення положення Сонця від зеніту, яке в свою чергу визначається географічною широтою місцевості, в якій буде експлуатуватися обладнання. Якщо кут нахилу буде виставлений неправильно, то істотно зростуть оптичні втрати енергії, оскільки значна частина сонячного світла буде відбиватися від скла колектора і, отже, не досягне абсорбера.

Як підібрати сонячний колектор потрібної потужності

Якщо ви хочете, щоб система опалення вашого будинку справлялася із завданням підтримки комфортної температури в приміщеннях, а з кранів текла гаряча, а не ледь тепла вода, і при цьому плануєте використовувати в якості генератора тепла сонячний колектор, потрібно заздалегідь обчислити необхідну потужність обладнання. При цьому потрібно врахувати досить велику кількість параметрів, в тому числі призначення колектора (ГВП, опалення або їх комбінація), потреби об’єкта в теплі (сумарна площа приміщень, що обігріваються або середня добова витрата гарячої води), кліматичні особливості регіону, особливості установки колектора.

В принципі, зробити подібні розрахунки не так вже й складно. Продуктивність кожної моделі відома, а значить, ви без зусиль оціните кількість колекторів, необхідну для забезпечення будинку теплом. Компанії, що займаються випуском сонячних колекторів, володіють інформацією (і можуть надати їх споживачеві) про зміну потужності устаткування в залежності від географічної широти місцевості, кута нахилу «дзеркал», відхилення їх орієнтації від південного напрямку і т. д., що дозволяє внести необхідні поправки при розрахунку продуктивності колектора.

При підборі необхідної потужності колектора дуже важливо досягти балансу між нестачею і надлишком генерованого тепла. Фахівці рекомендують орієнтуватися на максимально можливу потужність колектора, тобто використовувати в розрахунках показник для самого продуктивного літнього сезону. Це йде в розріз з бажанням середньостатистичного користувача взяти обладнання з запасом (тобто порахувати по потужності самого холодного місяця), щоб тепла від колектора вистачало і в менш сонячні осінні та зимові дні.

Однак якщо ви підете по шляху вибору сонячного колектора підвищеної потужності, то на піку його продуктивності, тобто в теплу сонячну погоду, ви зіткнетеся з серйозною проблемою: тепла буде вироблятися більше, ніж споживатися, а це загрожує перегрівом контуру та іншими малоприємними наслідками. Існує два варіанти вирішення цієї задачі: або встановлювати малопотужний сонячний колектор і в зимовий період паралельно підключати резервні джерела тепла, або придбати модель з великим запасом по потужності і передбачити при цьому шляхи скидання надлишкового тепла у весняно-літній сезон.

Стагнація системи

Поговоримо трохи докладніше про проблеми, пов’язані з надлишком генерованого тепла. Отже, припустимо, що ви встановили досить потужний геліоколектор, здатний повністю забезпечити теплом опалювальну систему вашого будинку. Але настало літо, і потреба в опаленні відпала. Якщо у електричного котла можна відключити електроживлення, газового – перекрити подачу палива, то над сонцем ми не владні – «вимкнути» його, коли стало занадто жарко, нам не під силу.

Стагнація системи – одна з головних потенційних проблем сонячних колекторів. Якщо з контуру колектора забирається недостатньо тепла, відбувається перегрів теплоносія. У певний момент останній може закипіти, що призведе до припинення його циркуляції по контуру. Коли теплоносій охолоне і конденсується, робота системи відновиться. Однак далеко не всі види теплоносіїв спокійно переносять перехід з рідкого стану в газоподібний і назад. Деякі в результаті перегріву набувають желеподібну консистенцію, що унеможливлює подальшу експлуатацію контуру.

Уникнути стагнації допоможе лише стабільне відведення виробленого колектором тепла. Якщо розрахунок потужності обладнання зроблений правильно, ймовірність виникнення проблем практично нульова.

Однак навіть у цьому випадку не виключено виникнення форс-мажорних обставин, тому слід заздалегідь передбачити способи захисту від перегріву:

1. Установка резервної ємності для накопичення гарячої води. Якщо вода в основному баку системи гарячого водопостачання досягла встановленого максимуму, а колектор продовжує постачати тепло, автоматично відбудеться перемикання, і вода почне грітися вже в резервній ємності. Створений запас теплої води можна буде використовувати для побутових потреб пізніше, в похмуру погоду.

2. Підігрів води в басейні. У власників будинків з басейном (не важливо, критих чи розміщеним під відкритим небом) є прекрасна можливість відводити надлишки теплової енергії. Обсяг басейну незрівнянно більший обсягу будь-якого побутового накопичувача, з чого випливає, що вода в ньому не нагріється так сильно, що вже не зможе поглинати тепло.

3. Злив гарячої води. При відсутності можливості витрачати надлишок тепла з користю можна просто зливати невеликими порціями нагріту воду з накопичувального резервуара для води в каналізацію. Надходяча при цьому в ємність холодна вода буде знижувати температуру всього обсягу, що дозволить продовжувати відводити тепло від контуру.

4. Зовнішній теплообмінник з вентилятором. Якщо колектор володіє великою продуктивністю, надлишок тепла може бути теж дуже великий. В цьому випадку система обладнується додатковим контуром, заповненим холодоагентом. Цей додатковий контур пов’язаний з системою за допомогою теплообмінника, оснащеного вентилятором і монтується за межами будівлі. При виникненні ризику перегріву надмірне тепло надходить в Додатковий контур і через теплообмінник “викидається” в повітря.

5. Скидання тепла в грунт. Якщо крім сонячного колектора в будинку є грунтовий тепловий насос, надлишок тепла можна направити в свердловину. При цьому ви вирішуєте відразу два завдання: з одного боку, захищаєте контур колектора від перегріву, з іншого – відновлюєте виснажений за зиму запас тепла в ґрунті.

6. Ізоляція геліоколектора від прямих сонячних променів. Цей спосіб з технічної точки зору один з найпростіших. Звичайно, вилазити на дах і завішувати колектор вручну не варто – це важко і небезпечно. Набагато раціональніше встановити дистанційно керований заслін, на зразок рольставень. Можна навіть підключити блок управління заслоном до контролера – при небезпечному підвищенні температури в контурі колектор буде закриватися автоматично.

7. Злив теплоносія. Цей спосіб можна вважати кардинальним, але в той же час він досить простий. При виникненні ризику перегріву теплоносій з допомогою насоса зливається в спеціальну ємність, інтегровану в контур системи. Коли умови знову стануть сприятливими, насос поверне теплоносій в контур, і робота колектора буде відновлена.

Інші компоненти системи

Недостатньо просто зібрати випромінюване сонцем тепло. Потрібно його ще транспортувати, накопичити, передати споживачам, потрібно контролювати всі ці процеси і т. д. А це означає, що крім розташованих на даху коллекторів система містить безліч інших компонентів, може менш помітних, але при цьому не менш важливих. Зупинимо вашу увагу лише на деяких з них.

Теплоносій

Функцію теплоносія в контурі колектора може виконувати або вода або незамерзаюча рідина.

Незамерзаюча рідина на відміну від води володіє значно нижчою температурою замерзання і незрівнянно більш високою температурою кипіння, що підвищує зручність використання її в якості теплоносія. Однак при високих температурах «незамерзайка» може зазнати незворотні зміни, тому її слід оберігати від надмірного перегріву.

Насос адаптований для геліосистем

Для забезпечення примусової циркуляції теплоносія по контуру колектора необхідний насос, адаптований для геліосистем.

Теплообмінник для ГВП

Перенесення тепла від контуру геліоколектора до води, використовуваної в ГВП, або до теплоносія системи опалення здійснюється за допомогою теплообмінника. Як правило, для накопичення гарячої води використовують резервуар великого обсягу з вже вбудованим теплообмінником. Раціонально використовувати баки з двома теплообмінниками: це дозволить забирати тепло не тільки у сонячного колектора, але й у інших джерел (газовий або електричний котел, тепловий насос тощо).

Автоматика

Такій складній системі не обійтися без автоматики, яка здійснює контроль і управління процесом. Контролер дозволяє автоматизувати роботу колектора: він здійснює аналіз температури в контурі і накопичувальному резервуарі, управляє насосом і клапанами, відповідальними за рух теплоносія по контуру.

Якщо в кінці світлового дня температура води в накопичувальній ємності перевищить температуру теплоносія в контурі колектора, автоматика зупинить циркуляцію теплоносія по контуру, щоб накопичене тепло не викидалося в атмосферу через сам колектор. Сучасні контролери дають можливість віддалено стежити за роботою системи і при необхідності вносити коригування.

Сьогодні не важко буде знайти на ринку геліоколектор і будь-який з компонентів, необхідних для його роботи. Цілком реально зібрати систему з куплених окремо елементів. Однак виробники пропонують вже готові комплекти, які включають в себе колектор, насоси, накопичувальні резервуари, керуючу автоматику і т. д. Придбання такого комплекту – це не тільки економія вашого часу, але й гарантія працездатності системи.