Сонячний колектор – це пристрій, що призначений для поглинання сонячної енергії, яку виділяє видиме і ближнє інфрачервоне випромінювання, для подальшого перетворення її на придатну для використання людьми теплову енергію. Багато умільці з елементарними інженерними навичками можуть спробувати створити сонячний колектор своїми руками для побутових потреб.

Використання колекторів

Сонячні колектори здебільшого потрібні для приготування гарячої води, так само ці пристрої можна використовувати в опалювальних системах. Економія при використанні сонячних колекторів становить до 30% на рік.

Зазвичай сонячні колектори встановлюють нерухомо, а кут нахилу вибирають залежно від основного призначення пристрою. При встановленні колектор намагаються орієнтувати в бік півдня, обов'язково зважаючи на рельєф місцевості. Рекомендують відхилятися від орієнтації на південь не більше ніж на 30° – тоді і кількість виробленого тепла буде в межах норми.

Сонячні колектори будуть максимально ефективними, якщо кут падіння сонячних променів становитиме 90°.

Але протягом дня Сонце описує над нами дугу, а в різні пори року – ще й піднімається на різну висоту. Тому ідеальним був би варіант, коли сонцеприймальний пристрій повертався б услід за рухом Сонця, щоб його промені падали постійно під прямим кутом. Технічно це цілком можливо, і такі системи виготовляють, але вартість такої конструкції дуже висока і окупиться вона не скоро.

Найпопулярніші сонячні колектори виготовляють такі фірми: «Buderus», «Vaillant», «Viessmann» тощо.

Сонячні колектори застосовують для опалювання промислових і побутових приміщень, для гарячого водопостачання виробничих процесів і побутових потреб. Найбільша кількість виробничих процесів, в яких використовують теплу і гарячу воду (30–90° C), – у харчовій і текстильній промисловості, які, таким чином, мають найвищий потенціал для використання сонячних колекторів.

Переваги сонячних колекторів:

• висока надійність в системах опалення;
• максимальне використання кожного сонячного променя;
• здатність знезаражувати воду;
• збереження високої працездатності взимку;
• швидке повернення в робочий стан при обмерзанні, покритті снігом або інеєм;
• змінні модулі, легкість установлення;
• антикорозійний мідний теплозбірник;
• високі теплоізоляційні характеристики теплозбірника;
• рама і кожух теплопроводу виготовлені з високоякісної нержавіючої сталі;
• витримують високий тиск теплоносія.

Плоскі сонячні колектори

Плоскі сонячні колектори – найпоширеніший вид сонячних колекторів, які використовують у побутових водонагрівальних і опалювальних системах.

Зазвичай це теплоізольовані металеві ящики зі скляною або пластмасовою кришкою, в яких уміщена пластина абсорбера (поглинача). Скління може бути прозорим або матовим. У плоских сонячних колекторах зазвичай використовують матове скло з низьким вмістом заліза (воно пропускає значну частину сонячного світла, яке надходить на колектор).

Сонячне світло потрапляє на теплосприймальну пластину, а завдяки склінню знижуються втрати тепла. Дно і бокові стінки сонячного колектора покривають теплоізоляційним матеріалом, що додатково знижує теплові втрати. Пластину абсорбера зазвичай фарбують у чорний колір (темні поверхні поглинають більше сонячної енергії, ніж світлі).

Сонячне світло проходить через скління і потрапляє на поглинальну пластину, яка нагрівається, перетворюючи сонячну радіацію на теплову енергію. Це тепло передається теплоносію – повітрю або рідині, що циркулює по трубках. Оскільки більшість чорних поверхонь все ж таки відбиває близько 10% радіації, деякі пластини-поглиначі обробляють спеціальним селективним покриттям, яке краще утримує поглинене сонячне світло і слугує довше, ніж звичайна чорна фарба.

Селективне покриття, яке використовують у колекторах, складається з дуже міцного тонкого шару аморфного напівпровідника, нанесеного на металеву основу. Селективні покриття відрізняються високою поглинальною здатністю у видимій ділянці спектра і низьким коефіцієнтом випромінювання в довгохвильовій інфрачервоній ділянці. Поглинальні пластини зазвичай виготовляють з металу, що добре проводить тепло (наприклад, міді або алюмінію).

Мідь дорожча, але краще проводить тепло і менше схильна до корозії, ніж алюміній. Пластина-поглинач сонячного колектора повинна мати високу теплопровідність, щоб з мінімальними тепловтратами передавати воді накопичену енергію. Плоскі сонячні колектори поділяють на рідинні і повітряні. Обидва види сонячних колекторів бувають заскленими або незаскленими.

Теплоізоляція обмежує втрату тепла на сонячних колекторах і підвищує їхню ефективність. Товщина мінеральної ізоляції від 2 до 6 см залежно від моделі.

Плоскі сонячні колектори використовують для нагрівання води для побутових потреб, підігрівання води в басейні або опалення в будинку. Колектори дають змогу ефективно використовувати сонячну енергію навіть восени і взимку.

Система плоского сонячного колектора на даху

Деякі моделі плоских сонячних колекторів можна вбудовувати в дах будинку, створюючи єдину конструкцію з покрівельним покриттям.

Плоский сонячний колектор встановлюють на даху, а акумулювальний бак з водою встановлюють у приміщенні, зручному для розведення мережі гарячої води (котельня, санвузол тощо). Бак і колектор з'єднані трубами, циркуляцію забезпечує комплексна геліостанція, в баку можна встановити електричний нагрівач (моновалентний бак) або використати дублювальний нагрівальний контур (бівалентний бак) від наявного теплогенератора, за температурою води стежить електронний контролер. Сонячний колектор накопичує сонячне випромінювання в будь-яку погоду, незалежно від зовнішньої температури, коефіцієнт поглинання енергії становить 96%. Колектор монтують під кутом 30–50° безпосередньо на даху будівель так, щоб найефективніше використовувати площу даху для накопичення енергії.

Для підтримання опалення в системі застосовують буферний бак – автоматизовану систему перетворення, підтримання та збереження тепла, отриманого від енергії сонця, а також від інших джерел енергії (наприклад, традиційний котел, що працює на електриці, газі або дизпаливі), які підтримують систему при недостатній кількості сонячного випромінювання. Нагріту від доступних джерел теплу воду використовують як теплоносій для наявної системи опалення. Контролер автоматично підтримує найоптимальніші параметри циркуляції і забезпечує комфортну задану температуру. За відсутності достатньої сонячної активності або в нічний час автоматика системи забезпечує мінімально необхідне залучення додаткової енергії для підтримання заданої температури всередині приміщення. Система має малу інерційність, швидко виходить на робочий режим і дає змогу забезпечити середньорічну економію енергоносіїв до 50%.

Переваги плоских сонячних колекторів:

• можливість використання системи як основного (для регіонів з достатньою сонячною активністю) та додаткового джерела енергії для опалення;
• ефективні для помірного і холодного клімату, працюють при температурі до –50°С і низькій інтенсивності потоку сонячної радіації;
• велика кількість схем під’єднання для задоволення різних потреб;
• їх легко вбудувати в наявні системи гарячого водопостачання та опалення;
• розташування бака та обладнання не потребує великих площ;
• велика продуктивність.

Вакуумні колектори нагрівають воду до 300° завдяки зменшенню втрат тепла, яке зберігається завдяки багатошаровому скляному покриттю, герметизації і створенню вакууму безпосередньо в самому колекторі.

Фактично сонячна теплова труба має будову, аналогічну побутовим термосам. Тільки зовнішня частина труби прозора, а на внутрішній трубці нанесено високоселективне покриття, яке вловлює сонячну енергію. Між зовнішньою і внутрішньою скляною трубкою – вакуум. Саме вакуумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% отриманої теплової енергії.

Крім того, у вакуумних сонячних колекторах застосовують теплові трубки, що виконують роль провідника тепла. При опроміненні установки сонячним світлом рідина, що є в нижній частині трубки, нагріваючись, перетворюється на пару. Пара піднімається у верхню частину трубки (конденсатор), де, конденсуючись, передає тепло колектору. Використання такої схеми дає змогу досягти більшого ККД (порівняно з плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої освітленості.

Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду до температури кипіння навіть при мінусовій навколишній температурі.

Системи, побудовані на вакуумних сонячних колекторах, можуть забезпечити населенню до третини енергії, необхідної для теплопостачання восени або навесні і до 60% задовольнити потребу в гарячій воді.

Принцип роботи вакуумних сонячних колекторів

Покриття вакуумних трубок селективно абсорбує сонячну енергію і перетворює її на тепло. Теплопередача здійснюється опосередковано – від теплообмінного стрижня через гільзу теплообмінника до води у водному резервуарі. Комплект містить вакуумні трубки, зовнішній бойлер, контролер і стійку монтажу.

Сонячні системи – це системи з примусовою циркуляцією. Для забезпечення циркуляції між колекторним вузлом і водним резервуаром система оснащена насосною групою, керують якою за допомогою двосенсорного контролера. Тепло від вакуумної трубки передається теплопровідній рідині в колекторний трубопровід і циркулює в закритому колі, віддаючи тепло воді через серпантин, вбудований у водному резервуарі.

Сонячний водонагрівач з вакуумними трубами ефективно працює навіть у похмурі дні, тому що вакуумні труби здатні поглинати енергію інфрачервоних променів, які проходять крізь хмари.

За наявності сонячних променів (прямих, розсіяних) поглинання тепла відбувається в мідній трубці, яка розміщена всередині вакуумної труби. Завдяки ізоляційним властивостям вакууму, вплив вітру і низьких температур на роботу системи також незначний порівняно з плоским сонячним колектором. Система з вакуумним сонячним колектором добре працює при температурі до –35°С.

Вакуумні труби круглі, завдяки чому кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на сонячний колектор, залишається постійною з ранку до вечора. Саме тому загальна кількість сонячного випромінювання, яку поглинає вакуумний сонячний колектор, більша порівняно з плоским. Форма труб у сонячних системах опалення забезпечує хороший ступінь поглинання, оскільки сонячні промені завжди падають на її поверхню під прямим кутом, зводячи відбиття до мінімуму. Труби укладені в сонячному водонагрівачі паралельно, кут їх нахилу залежить від географічної широти місця встановлення системи опалення.

Сонячні колектори мають низькопрофільний дизайн, їх можна розміщувати близько до поверхні даху. Труби вакуумного сонячного водонагрівача чорного кольору і відмінно поєднуються з дахом будь-якого кольору. Теплопровід геліоколектора виготовлений з міді, він може мати з’єднувальні виходи ззаду і збоку. Теплопровід із заднім виходом дає змогу заховати труби за ним. Крім того, з'єднання ззаду дає змогу поставити впритул два і більше сонячних колектори. Бічне з'єднання частіше використовують у масштабних проектах з метою полегшити об'єднання колекторів в ряди і знизити перепад тиску в трубопроводі.

Орієнтовані з півночі на південь протягом дня трубки вакуумного сонячного колектора пасивно рухаються за сонцем. Вони майже не потребують експлуатаційного обслуговування. Вакуумні сонячні колектори повністю придатні для ремонту: у разі потреби трубку можна замінити без зупинки сонячного водонагрівача. За необхідності вакуумні трубки можна додавати (при нестачі тепла) або частково знімати (якщо є його надлишок), зменшуючи площу сонячного колектора.

Вакуумні сонячні колектори добре забезпечують будинок гарячою водою, опаленням, підігрівають воду в басейнах, опалюють теплиці, працюють у системах вентиляції, кондиціонування. Завдяки цьому робота геліосистеми проста як з точки зору експлуатації, так і обслуговування.

Висока вартість сонячних колекторів з тепловими трубами, донедавна була головною перешкодою для їх широкого застосування. Проте продаж сонячних колекторів постійно набирає обертів. Вакуумний сонячний колектор – це високоякісний, надійний в експлуатації сонячний водонагрівач, який має високу теплопровідність. Раціональна схема роботи сонячних колекторів і низькі витрати на їх виробництво зробили їх доступними з коротким терміном окупності.

Замкнутий і незамкнутий контури

У геліосистемах із замкнутим контуром, як правило, використовують теплообмінник, який може розміщуватися як всередині, так і ззовні бака-акумулятора гарячої води. Сонячний колектор з незамкнутим контуром часто використовують у теплих кліматичних зонах, де немає небезпеки замерзання. Вакуумні сонячні колектори годяться як для закритих, так і для відкритих систем, тому що виконують функції контролю тиску, температури, і захищають від замерзання.

Циркуляційний насос

Сонячний колектор не має вмонтованого бака-акумулятора, і теплопровід вміщує досить малу кількість теплоносія (близько 2 л для колектора на 30 вакуумних труб). Щоб теплоносій циркулював від геліоколектора до акумулювальної ємності і назад, необхідно використовувати циркуляційний насос. Циркуляційним насосом, як правило, керує сонячний контролер з датчиками. Швидкість потоку, яка необхідна для роботи більшості сонячних водонагрівачів, не перевищує 2 л/хв, тому достатньо встановити циркуляційний насос малої потужності. Потужніші циркуляційні насоси потрібні лише в разі об'єднання кількох сонячних колекторів в один контур, або коли циркуляційний насос має компенсувати втрати напору теплоносія. Перепад тиску при малій швидкості потоку незначний – усього 700 Па при швидкості 3,3 л/хв, тому це не є вагомим критерієм при виборі потужності циркуляційного насоса вакуумного сонячного водонагрівача.

Ефективність

Перевага сонячних колекторів полягає в тому, що їх внутрішня теплова трубка надійно захищена від втрат тепла. Це означає, що тепло відразу після поглинання надходить до антифриза теплозбірника і не виходить у навколишнє середовище. Такі теплоізоляційні властивості відрізняють їх від сонячних водонагрівачів з тепловими трубами і плоскими сонячними колекторами. А оскільки ефективність передавання тепла тепловими трубами дуже висока, то вакуумні трубчасті сонячні колектори, як показує розрахунок, мають високу теплопродуктивність увесь рік.

Андрій АНДРУШКО