Типы солнечных коллекторов и их эффективность

На сегодняшний день по самым скромным подсчетам в мире используются солнечные коллекторы общей мощностью 200 ГВт. И их число растет ежегодно, примерно, на 20-30 ГВт. Если учесть пластиковые коллекторы для подогрева воды в бассейнах, а также воздушные коллекторы, то суммарное количество энергии возрастет в несколько раз. Чемпионами по количеству солнечных коллекторов являются в основном южные страны, такие как Турция, Кипр, Греция, Барбадос. Но практика показала, что энергию солнца можно получать и севернее, например, в Австрии. Причем в этой стране получают солнечной энергии даже больше, чем на Барбадосе. Лидером по производству гелиоколлекторов является Китай. В мире только каждый пятый гелиоколлектор не китайского производства.

Не так давно многие, в том числе и мы, писали, что в России заметную отдачу от гелиоколлекторов можно получить только в южных регионах. Но сегодня технологии в сфере солнечной энергетики уже позволяют подняться на несколько десятков градусов вверх по мередиану. Среди множества конструкций солнечных коллекторов есть и такие, которые вполне эффективно работают даже зимой.

При расчете рентабельности любой домашней системы в первую очередь ориентируются на срок окупаемости. Он не должен быть слишком длинным, иначе потраченные деньги не принесут экономической выгоды. Однако в последнее время наблюдается интересная тенденция – люди хотят получить автономию, пусть даже экономически не обоснованную. Кого-то тревожит постоянный рост теплоносителей, других беспокоит окружающая среда, а третьи просто не имеют доступа к магистрали природного газа.

Но гелиоколлекторы могут дать не только автономию. Они действительно способны снизить счета за основные энергоносители, учитывая вложенные инвестиции.

Устройство солнечных коллекторов

По сути, солнечные коллекторы являются теплообменниками, в которых энергия солнца превращается в тепло и отдает его теплоносителю. Разница с традиционными системами отопления и ГВС лишь в том, что источник тепла абсолютно бесплатен.

Гелиоколлекторы различаются по типу используемого теплоносителя на жидкостные и воздушные. Низкотемпературные жидкостные коллекторы чаще всего используются жилыми домами. Но также встречаются высоко- и среднетемпературные.

Главным элементом гелиоколлектора является абсорбер. Он может быть выполнен в виде пластины, с лицевой стороны покрытый черной медью, никелем или иным веществом с высоким коэффициентом поглощения лучистой энергии и низким тепловым излучением. К абсорберу крепятся трубки, являющиеся каналами циркуляции теплоносителя. Такие абсорберы называются селективными.

В сендвич-абсорберах проточные каналы выполнены иначе. Они располагаются между двумя листами металла. Каналы образуют рисунок, который может отличаться в зависимости от модели. Снизу и с боков абсорбер покрыт слоем теплоизоляции и заключен в металлический корпус со стеклянной или пластиковой крышкой. Между поверхностью абсорбера и крышкой имеется зазор, который также выполняет функцию теплоизоляции.

Типы солнечных коллекторов

Кроме плоских коллекторов, устройство которых было описано выше, существуют и другие конструкции.

Вакуумные коллекторы состоят из трубок или выполнены в виде прямоугольного закрытого корпуса, внутри которых находится безвоздушное пространство. Абсорберы соответственно располагаются либо внутри трубок, либо внутри полого корпуса. При низкой наружной температуре их энергетическая эффективность возрастает за счет меньших теплопотерь, чем у плоских коллекторов. Поэтому они собирают много тепла зимой. Но есть и недостатки: высокая стоимость и оптическая чувствительность.

Коллекторы с тепловыми трубками – это наиболее технологичные и дорогостоящие устройства. Внутри них имеется специальный теплоноситель со специально подобранной температурой кипения. Когда лучистая энергия нагревает трубку, теплоноситель в нижней ее части испаряется и передает тепло в верхней части, после чего конденсируется и стекает вниз. В процессе этого цикла происходит передача тепла циркулирующей жидкости. Преимущество тепловой трубки в том, что она способна передавать тепло даже при небольшой разнице в температурах окружающей среды и абсорбера. Самыми дорогими и эффективными в холодное время года являются вакуумные коллекторы с тепловыми трубками.

Пластиковые коллекторы (с пластиковым абсорбером) имеют наиболее простую конструкцию среди низкотемпературных устройств. Нередко это одни лишь пластиковые трубки или маты без теплоизоляции и внешней защиты. Они неээфективны при высоких значениях редуцированной температуры, но отлично подходят для подогрева воды в теплый сезон, например, для открытого плавательного бассейна. Производители этих устройств стараются всячески их усовершенствовать. Пластиковые коллекторы становятся более компактными, эстетичными и защищенными. Сегодня они могут использоваться и для нагрева воды для бытовых нужд. Но в таком случае очень важно правильно подобрать устройство. Для эффективной работы пластикового коллектора потребуется учесть множество факторов: сезонность работы, емкость накопительного бака, объем потребления горячей воды или вид системы отопления.

Тепловые характеристики гелиоколлекторов

Конструкция солнечного коллектора и используемые в ней материалы влияют на его эффективность. КПД коллектора определяется отношением полезной энергии, принимаемой теплоносителем, к лучистой энергии, воздействующей на отведенную площадь. Упрощенно КПД коллектора можно представить уравнением: η=η0-k•ΔT/G, где η0 – оптический КПД коллектора при нормальных условиях; k – коэффициенты зависящие от конструкции коллектора; ΔT – разность средней температуры теплоносителя в коллекторе и температурой воздуха (°С); G – плотность потока лучистой энергии, достигающей поверхности коллектора (Вт/м²). Отношение ΔT/G показывает редуцированную температуру, т.е. характеризует условия эксплуатации коллектора, влияющие на КПД коллектора.

Производители обычно указывают характеристики коллектора в виде диаграмм; реже – в виде уравнений.

Для подогрева воды в бассейнах обычно используют коллекторы с пластиковыми абсорберами. Они имеют более высокий КПД, чем с остеклением. Пластиковые абсорберы лучше поглощают лучистую энергию и меньше теряют тепла за счет меньшей разницы температур (низкотемпературный коллектор). К тому же они дешевле стеклянных, и тем более вакуумных.

У коллекторов, используемых в системах ГВС, тепловые характеристики сильно зависят от сезона, поскольку они используются практически круглогодично. Зимой, когда плотность лучистой энергии и наружная температура очень низкие, возникают значительные теплопотери. Поэтому плоские коллекторы, диаграммы которых имеют большой наклон линии КПД, в системах ГВС лучше не использовать. Гораздо меньшие теплопотери имеют вакуумные коллекторы, однако стоят недешево. Если же коллекторы используются только в теплое время года, то их теплопотери могут быть выше. В уравнениях это видно как увеличение коэффициента k.

Многие считают, что вакуумные коллекторы, благодаря низким теплопотерям, являются самыми эффективными. Однако характеристики, которые указывают их производители, верны для условий, когда лучи падают на коллектор под прямым углом. На практике момент падения лучей перпендикулярно коллектору если и случается, то задерживается не надолго. А при других положениях параметры устройства уже выглядят иначе и не так привлекательно. Тем временем абсорберы плоских коллекторов в тех же условиях могут собирать не меньше лучистой энергии, а иногда и больше. Но надо понимать, что в холодное время года их теплопотери могут стать критическими, что также вытекает из уравнения.

В более высоких широтах, где холодные зимы, для ГВС и отопления чаще всего используют вакуумные трубчатые коллекторы. И хотя они имеют невысокий КПД, но за счет низких теплопотерь только они могут обеспечить подогрев теплоносителя холодной зимой. Сегодня такие коллекторы можно увидеть на крышах коттеджей даже в Швеции. Зимой они эффективнее плоских.

Анализируя годовую производительность вакуумных и плоских коллекторов, у первых она оказывается на несколько десятков процентов выше, в зависимости от географической широты и особенностей климата. Однако даже такие цифры не компенсируют высокую цену вакуумной технологии, если подходить к этому вопросу с позиции рентабельности. Кроме того, есть нюанс: на вакуумных коллекторах дольше лежит снег, т.к. они холоднее из-за меньших теплопотерь. Снег, конечно, можно убрать, но иногда это делать крайне неудобно.