Вони є екологічно чистими джерелами енергії, яку можна безкоштовно отримувати у великих кількостях і використовувати як для нагріву води, так і для опалення. І хоча такі системи ще не дешеві, інвестиція себе виправдовує і вони все частіше з'являються на дахах будинків. Навколишньому середовищі все складніше справлятися з продуктами спалювання палива, кількість яких зростає з року в рік, через постійно зростаючої потреби в енергії. Викид в атмосферу великої кількості вуглекислого газу, діоксиду сірки та оксидів азоту не залишається без наслідків і виявляється у вигляді кислотних дощів і потепління клімату.
Крім того, високі і постійно зростаючі ціни на паливо змушують шукати екологічно чисті (поновлювані) джерела енергії та нові технічні рішення, що дозволяють знизити споживання енергії на опалення. Політика Євросоюзу також сприяє розвитку цього напрямку. В Австрії, в результаті введення подібної програми, з'явилося 42 000 систем, оснащених сонячними колекторами. У Європі є такі місця - наприклад, в середземноморських країнах - де навіть у холодні місяці можна отримати таку кількість сонячної енергії, що його достатньо для повного задоволення потреби в тепловій енергії. У цьому регіоні сонце не закрите хмарами, туманом або серпанком приблизно протягом 4000 годин на рік (для порівняння на території України - 1400-1900 годин). Тому, в першу чергу в цих областях використання сонячної енергії є дуже рентабельним.
У наших широтах найбільша інтенсивність сонячного випромінювання спостерігається в період з березня по жовтень - в той час, коли відпадає необхідність в опаленні будинків (опалювальний сезон триває з жовтня по квітень). Тому колектори в основному використовують для нагріву води для системи ГВП і басейнів, рідше - як допоміжне джерело тепла для обігрівання будинків. Тепловою енергією, отриманої влітку сонячними колекторами, можна було б (принаймні, теоретично) обігріти будинки в опалювальний сезон, якби її можна було акумулювати, наприклад у величезних заповнених водою резервуарах, покритих дуже товстим шаром теплоізоляції. Але витрати на спорудження таких резервуарів були б дуже великими і тому економічно обгрунтованими.
Сонячні колектори
Для перенесення з колектора теплової енергії (отриманої з сонячного випромінювання) і передачі її системі ГВП або ЦО необхідний теплоносій. Цю функцію може виконувати повітря чи вода, але враховуючи дуже низьку ефективність теплообміну за допомогою повітря (значно нижче, ніж при використанні води) в системах сонячних колекторів в якості теплоносія використовуються вода та / або незамерзаючі рідини. Плоскі. Найбільш прості складаються з абсорбера (поглинача) сонячного випромінювання і перебувають у хорошому контакті з ним мідними трубками. Тепло з абсорбера передається рідини, що протікає по трубках, внаслідок чого температура рідини зростає. Для більшої ефективності поглинання сонячних променів абсорбер має чорний колір. Всі пристрій поміщено в плоскому герметичному теплоізольованому корпусі, зверху закритому ударостійким склом. Для зменшення тепловтрат колектори можуть мати один, два і навіть три шари скління. Таке рішення використовується в країнах, розташованих вище 40 ° географічної широти (з більш прохолодним кліматом). Завдяки «парниковому» ефекту, що виникає в результаті використання двох (або трьох) стекол, пластина може нагріватися до 100-190С.
Однак під час звичайної експлуатації плоских колекторів температура теплоносія, що відбирає тепло, не повинна перевищувати 100 ° С (щоб не відбулося його закипання). Плоскі колектори через погану теплоізоляцію швидко втрачають тепло і тому мають більш низькою ефективністю, але зате вони значно дешевше, ніж більш технічно досконалі вакуумні трубчасті колектори. Трубчасті. Трубчастий колектор складений з певної кількості (від десяти до декількох десятків) скляних труб. Для зменшення тепловтрат в скляних трубках створений вакуум. Саме вакуум робить трубчасті колектори більш ефективними в порівнянні з плоскими. На українському ринку представлено два види трубчастих колекторів - з безпосередньою циркуляцією теплоносія і з тепловою трубкою. У трубі колектора з безпосередньою циркуляцією теплоносія вбудований високоефективний абсорбер, до якого приєднаний коаксіальний («трубка в трубці») прямоточний теплообмінник.
Охолоджений (який віддав тепло в накопичувальному баці) теплоносій потрапляє в теплообмінник по внутрішній трубці, нагрівається, і за зовнішньою - повертається в накопичувальний бак. Іноді в трубах додатково наноситься дзеркальне покриття, фокусують світло на абсорбер, що дозволяє ще більш ефективно використовувати сонячну енергію. Сонячний колектор з тепловими трубками дуже схожий на трубчастий - з безпосередньою циркуляцією теплоносія, але у нього дещо інший принцип передачі тепла. Теплова трубка - закрита трубка (зазвичай мідна), частково наповнена легко випаровується рідиною. Одним кінцем вона контактує з абсорбером, другий (конденсатором) - з теплообмінником контуру теплоносія. Під впливом тепла, що надходить від абсорбера, рідина випаровується і піднімається в конденсатор. Тут вона, нагріваючи теплоносій, віддає тепло, конденсується і стікає вниз. Щоб колектор можна було встановлювати з мінімальним ухилом, внутрішня поверхня трубки покрита пористим матеріалом. Капілярні сили, що виникають в такому матеріалі, сприяють поверненню конденсату до абсорберу. Оскільки контур теплоносія відділений від трубок, то при пошкодженні однієї трубки колектор продовжує працювати. Трубку при необхідності можна дуже просто замінити.
Колектори поглинають пряме і розсіяне випромінювання, кількість і якість якого змінюються залежно від пори року і протягом дня. У грудні максимальна інтенсивність випромінювання становить близько 80 Вт / м у квітні та вересні - 350 Вт / м а в червні - 600 Вт / м. Частка прямого випромінювання в повній кількості випромінювання вище всього влітку - близько 54%, а найнижче взимку - 30%. Колектор починає перетворювати сонячну енергію в тепло після перевищення порогового значення випромінювання. Це значення залежить від його конструкції. У колекторах з абсорбером без покриття воно становить близько 210 Вт / м, в колекторах зі скляним покриттям - 70-90 Вт / м, в залежності від кількості стекол. Використання селективних оболонок на абсорбере дозволяє знизити цей поріг до 50 Вт / м Найнижче порогове значення (близько 20 Вт / м) мають вакуумні колектори. Порівняння порогових значень роботи колекторів із значенням випромінювання в конкретний місяць, в даному місці, дозволяє оцінити - принаймні, теоретично - чи буде колектор функціонувати в цей період.
Навіщо потрібен накопичувальний бак?
Бак призначений для акумулювання тепла у вигляді гарячої води, в системах сонячних колекторів, що нагрівають воду для ГВП, він необхідний, враховуючи зміщення у часі між періодом найвищої продуктивності колектора - з 9 до 15 годин - і часом, в яке потреба в гарячій воді максимальна :
• вранці (7-9) - для вмивання;
• у другій половині дня (13-16) - для приготування обіду і миття посуду;
• ввечері (19-22) - для прийняття ванни.
Оскільки тільки потреба у воді в другій половині дня припадає на період максимальної ефективності колектора, в накопичувальному баці необхідно акумулювати гарячу воду для пізнішого використання. На випадок, якщо будуть похмурі дні, потрібно також передбачити можливість нагріву води іншим способом, наприклад, за допомогою електричного Тена або газового котла. У системах для нагріву води для ГВП та підтримки роботи системи ЦО накопичувальний бак робить можливою спільну роботу котла, як основного джерела тепла, з сонячним колектором в якості допоміжного обладнання. Таким чином можна знизити витрати на опалення, зменшивши споживання палива, і одночасно повною мірою забезпечити будинок тепловою енергією в періоди, коли кількості сонячного випромінювання недостатньо, а потреба в теплі - найвища (взимку). Така система з сонячними колекторами в якості додаткового джерела тепла для системи ЦО є дуже хорошим, але дорогим капіталовкладенням.
Який теплоносій?
В якості теплоносія між сонячним колектором і накопичувальним баком можна використовувати воду, але, враховуючи те, що вона замерзає при температурі 0'С, вода підходить тільки для систем, які використовуються виключно влітку (наприклад, на дачі) і спорожняються перед настанням заморозків. Незамерзаючі рідини. Якщо такі рідини мають відповідну концентрацію, вони не замерзнуть навіть під час дуже суворої зими. Але крім того, що незамерзаючі рідини значно дорожче води, вони викликають корозію металевого обладнання (особливо це відноситься до водних розчинів гліколя). Враховуючи більш високу в'язкість, вони також вимагають збільшення діаметрів труб або створення насосом більшого напору. Крім того, необхідно також збільшення інтенсивності потоку теплоносія (рідина має меншу теплоємність, ніж вода). Найбільш придатними є готові спеціальні розчини гліколю, що містять інгібітори корозії і біоциди, що запобігають розмноженню бактерій і водоростей в системі.
Теплоносій повинен не тільки не замерзати, але він також повинен мати якомога вищу температуру кипіння, оскільки в час, коли колектор не використовується, температура в ньому може піднятися навіть до 190'С. Температура кипіння розчинів гліколя становить 100-115'С. Масла. В якості теплоносія в системах сонячних колекторів можуть використовуватися теплоносії з точкою затвердіння від -40 ° С до -100 ° С і температурою кипіння 220-350 ° С. Враховуючи те, що їх в'язкість більш ніж у десять разів перевищує в'язкість води, вони вимагають використання насосів, що створюють набагато більший натиск.
Захист колектора і системи
Температура теплоносія в системі змінюється в значних межах, що супроводжується зміною його обсягу. Щоб запобігти пошкодження системи, необхідно використовувати розширювальні баки з мембраною, що володіє стійкістю до дії води, гліколю або масла (вони повинні мати відповідні допуски). Крім того, система повинна бути обладнана запобіжним клапаном, щоб у разі закипання теплоносія і супроводжуючого його зростання тиску не відбулося пошкодження колектора. Колектор повинен мати міцний корпус, стійкий до різних атмосферних факторів (у тому числі, до граду) і бути надійно закріпленим, щоб його не зірвав сильний вітер.
Як підібрати розмір колектора?
Прийнято вважати, що система сонячних колекторів повинна покривати 60-70% потреби в тепловій енергії, необхідної для нагріву води для ГВП. Для цього на кожного мешканця будинку має припадати близько 1-1,5 м площі колектора. Для забезпечення 100% тепла площа колекторів повинна бути дуже великою. Це значно збільшить капіталовкладення, а використовувати отриману енергію повною мірою не вдасться. Системи сонячних колекторів, що працюють спільно з системою ЦО, повинні покривати 20-30% потреби будинку в тепловій енергії, що орієнтовно становить 0,3-0,5 м колектора на 1 м будинку. Площа колекторів для нагріву води в басейні повинна приблизно становити близько 40% площі дзеркала води для закритого басейну і близько 70% - для відкритого. Не можна розраховувати на те, що умови, в яких працюватиме колектор, завжди будуть сприятливими. Тому нагрівання води за допомогою колекторів слід сприймати як додаткове рішення, тим більше що повинна передбачатися можливість періодичного підвищення температури гарячої води в колекторі і системі ГВП мінімум до 70 ° С {щоб запобігти появі в системі бактерій легіонелли). Правда, в системах з сонячними колекторами можна досягти навіть більш високої температури, але тільки за сприятливих погодних умов. Для того щоб система ГВП відповідала вимогам нормативних документів, необхідно передбачити можливість підігріву води {іншим джерелом) у системі, що нагрівається колекторами.
Де і як встановити?
Де? Найчастіше колектори монтують на даху, хоча зазвичай виробники вказують, що місце монтажу є довільним. Не можна забувати, що, як і будь-яке інше пристрій, колектор вимагає періодичного техобслуговування, а в разі поломки - ремонту. Тому необхідно забезпечити до нього вільний доступ. Наповнений теплоносієм колектор є досить важким, отже, перед його установкою на даху необхідно перевірити її на міцність і, в разі необхідності (особливо при монтажі декількох колекторів), встановити додаткову опорну конструкцію.
Як? У першу чергу під кутом нахилу по відношенню до поверхні землі, що забезпечує максимальне поглинання сонячної енергії. Цілорічні колектори повинні встановлюватися під кутом b = а ± 15 'до горизонту (а - географічна широта). В Україні, яка знаходиться між 44 ° і 52 ° північної широти, цей кут може становити 29-67 °. Практика свідчить, що найбільш підходящим є кут 35-37 °. Якщо є можливість змінювати кут нахилу, влітку найбільш ефективним буде кут 25 °, а взимку - 55 °. Іноді колектори монтують на опорі з сервоприводом, який автоматично підбирає оптимальний кут нахилу. На продуктивність колектора також впливає точність його орієнтування на південь. При відхиленні, що перевищує ± 15 °, продуктивність колектора відчутно знижується. Тому плоскі і вакуумні колектори з тепловою трубкою слід встановлювати на схилі даху з південного боку або окремо стоять, зорієнтованими на південь. Трубчасті вакуумні колектори з безпосередньою циркуляцією теплоносія менш вимогливі до орієнтації на південь, їх можна монтувати скрізь - за умови забезпечення можливості їх нагрівання на сонці принаймні в перебігу шести годин в день. Кут нахилу абсорбера на протязі року може бути змінений.
Автоматика
Вона необхідна для узгодження роботи системи, що складається з колекторів і котла або електричного Тена. Коли не вистачає тепла, одержуваного з колектора, включається другий джерело тепла. У більш складних системах автоматики можуть бути встановлені декілька датчиків температури: води в накопичувальному баці, води в колекторі, а також на освітлюється сонцем поверхні. На підставі аналізу цих даних буде прийматися рішення про включення циркуляційного насоса або додаткового нагрівального обладнання. Це дозволить регулювати параметри роботи, такі як: температура води в накопичувальному баці, максимальна температура ГВП, обмеження роботи котла протягом дня, а також контролювати роботу системи. Проте використання більш складної автоматики підвищує вартість всієї системи. Більш витончені системи автоматики дозволяють управляти кутом нахилу колектора і змінювати орієнтацію його поверхні, відстежуючи рух сонця.
Коли окупиться
Експлуатаційні витрати системи з колекторами значно нижче, ніж систем з традиційними джерелами тепла, але термін окупності капіталовкладень - більше, ніж термін служби колекторів серійного виробництва. Тому в найближчі роки варто розраховувати на появу все більшої кількості систем, оснащених сонячними колекторами, виготовленими споживачами самостійно. Таке рішення дозволяє знизити капіталовкладення на 50-60%.