Во многих странах солнечные коллекторы существуют уже некоторое время, но в нашей стране они оставались экзотикой еще несколько лет назад. Сейчас все стремительно меняется: технологии развиваются, поэтому эффективность таких систем растет, а стоимость снижается, в результате все больше домовладельцев начинают использовать их в России.
Хотя стоимость приобретения солнечных коллекторов все еще довольно высока, в южных регионах, где больше солнечных дней, они могут полностью покрыть потребность в горячей воде и наполовину в отоплении. Это значительно снижает затраты, так что коллекционеры окупаются в долгосрочной перспективе. И даже в районах средней полосы, где их эффективность не так высока, в некоторых случаях достаточно серьезно задуматься над установкой. Мы подробно расскажем о принципе работы, типах и эффективности коллекторов, обсудим со специалистами основные причины покупки и проблемы, с которыми вы столкнетесь.
Принцип работы и разновидности
Коллекторы улавливают инфракрасную энергию и преобразуют ее в тепло: короче говоря, солнце нагревает их поверхность. Затем эта энергия передается теплоносителю. Это основа, так работает любой солнечный коллектор, а тонкости уже будут зависеть от его типа. В основном они делятся по типу конструкции, в посуде и в вакуумной упаковке.
Сразу бросается в глаза светопоглощающая панель плоского коллектора. Он находится под защитным покрытием и может быть окрашен черной краской; на его поверхность часто наносят составы, повышающие эффективность работы. Другой важной частью, скрытой от глаз, является система трубопроводов хладагента.
Конструкция плоского коллектора достаточно проста, поэтому он надежен и неприхотлив, при этом относительно недорог — стоимость значительно снизилась за последние 5-7 лет. По этой причине очень часто ему отдают предпочтение. Такие коллекторы могут работать круглый год, но если летом по производительности превосходят вакуумные, то в холодную погоду начинают выходить из строя.
Вакуумный коллектор имеет более сложную конструкцию. Это серия вакуумных трубок, содержащих тепловые трубки. Свет проходит через прозрачную поверхность верхних трубок, а вакуум, которым они заполнены, снижает тепловые потери на 95-97%. Воздушные камеры покрыты специальным составом для более эффективного захвата энергии. При нагревании теплоноситель превращается в газ, поднимается к верху трубы и отдает тепло, после чего конденсируется и возвращается вниз, снова нагревается, становится газом и т.д.
По сравнению с пластинчатым коллектором вакуумный коллектор имеет меньший КПД, при этом превосходит его по габаритам и весу, но гораздо лучше показывает себя в холодное время года. Ему не помешают ни слабое освещение, ни низкие температуры. Это делает вакуумные коллекторы очень полезными для сложных климатических условий, но они значительно дороже плоских.
Сферы применения и расчёт мощности
Коллекторы используются для нагрева воды и для отопления. Последнее требуется зимой, когда плоские коллекторы малоэффективны, поэтому для отопления желательно использовать только вакуумные, но они намного дороже. Плоские хороши в тех случаях, когда потребность в энергии возникает летом, поэтому их активно используют на дачных участках. Так, с их помощью можно нагреть воду в открытом бассейне до комфортной температуры.
Перед установкой солнечного коллектора следует все тщательно рассчитать, чтобы вложения в него были оправданы. При расчете учитывается множество значимых факторов: расход горячей воды, форма крыши дома и ее расположение, материал стен и тому подобное. Если не вникать в сложные расчеты, для обеспечения человека горячей водой в южных регионах России потребуется 0,8 квадратных метра площади вакуумного коллектора, а в случае плоского — вдвое. Для районов к северу необходимо внести изменения, поскольку коллекторы будут получать меньше энергии.
Если для отопления приобретается солнечный коллектор, то полученную цифру нужно умножить в 2,5 раза — это даст половину необходимой энергии. Но нужно учитывать, что температура теплоносителя будет невысокой — 40-45 ° С, то есть потребуются низкотемпературные системы отопления, к тому же летом нужно будет утилизировать излишки нагревать. Из-за всех этих проблем коллекторы для отопления используются редко.
Для более точных расчетов вам может потребоваться информация от производителя купленной модели о том, как ее характеристики меняются в зависимости от угла наклона зеркал, отклонения направления и других подобных факторов. Но идеальная точность расчетов обычно не требуется: приблизительных значений достаточно, тем более что выработка энергии все равно будет зависеть от погодных условий.
Конечно, лучше, чтобы всегда была именно та сумма, которая нужна, но в реальности этого не достичь. Поэтому есть два подхода: установить коллектор с меньшей потребляемой мощностью или, наоборот, со значительным запасом мощности.
В первом случае расчет необходимой мощности производится исходя из самого жаркого месяца в году. При таком подходе энергии никогда не будет слишком много, поэтому вам не придется решать проблему с ее избытком (а это необходимо), но потребуются и другие источники тепла. При втором подходе необходимая мощность рассчитывается для самого холодного месяца. В этом случае недостатка в тепле не будет, а вот избавиться от его избытка придется.
Распространение и эффективность
Солнечные коллекторы активно используются в Европе и Америке, Китай активно наращивает производство и увеличивает общую площадь. Россия тоже догоняет, потому что именно из Китая импортируются все более дешевые модели солнечных коллекторов. Но до лидеров еще далеко: по оценкам экспертов, на 1000 человек приходится 0,2-0,3 кв. М площади сбора. Например, в странах Северной Европы 150–300 квадратных метров, а на Кипре 800.
Однако даже из этих данных видно, что климат является важным фактором, от которого зависит распространенность солнечных коллекторов. В солнечных странах, таких как Кипр или Израиль, ими пользуется много людей, иногда значительно больше половины всего населения. В Северной Европе этот показатель в несколько раз ниже. Поэтому возникают вопросы о том, насколько эффективны коллекционеры в целом в российских условиях.
Расчеты отечественных ученых из Института высоких температур РАН показывают, что их эффективность достаточно высока, но важна и рентабельность: хоть они и были дорогими, срок окупаемости был слишком долгим для массовой установки. Теперь, когда они стремительно падают в цене, все больше домовладельцев начинают их покупать. Особенно это касается южных регионов страны.
Коллектор, обращенный на юг, может обеспечить максимальную эффективность. Отклонение не должно превышать 40 °, при этом выработка электроэнергии может снизиться на 20%. Оптимальный угол наклона 35-45 °, в противном случае потери оптической энергии значительно увеличатся, так как она будет отражаться защитным стеклом. При этом коллектор следует размещать на открытом пространстве, как можно реже в тени, чтобы рядом не было холмов, построек такой же или большей высоты, деревьев.
В связи с этими потребностями хорошо, что даже на этапе проектирования дома предусматривается установка коллектора на нем, чтобы получить максимальную эффективность в пределах, допускаемых местным климатом. Срок окупаемости составляет около 8 лет, но он может значительно варьироваться в зависимости от характеристик проекта, стоимости, природных условий.
Плюсы и минусы
У коллекционеров много достоинств и недостатков: многие из них уже разобраны, но стоит вкратце резюмировать сказанное. Начнем с достоинств:
- Уменьшите потребление энергии из других источников, что означает одновременное снижение затрат и повышение автономности дома.
- Смонтировать коллектор на крышу несложно, можно сделать и своими руками.
- Длительный срок службы: устройство может работать десятилетиями, поэтому окупится в несколько раз.
- Удобство использования: нет необходимости постоянно следить за работой коллектора, просто нужно время от времени обращать внимание.
- В случае выхода из строя поврежденный элемент практически всегда можно заменить быстро и экономично.
- Экологичность и безопасность: солнечные коллекторы не загрязняют окружающую среду.
Недостатки коллекторов:
- Достаточно высокая стоимость и длительный срок окупаемости. В последнее время цены на коллекционеры упали, поэтому эта проблема становится все менее актуальной.
- Зависимость от погоды и времени года, необходимость ориентироваться на летние или зимние характеристики. Следовательно, в течение значительной части года энергии будет слишком много или слишком мало, и необходимо будет решать обе проблемы.
- Требователен к положению, ориентации и углу наклона: не во всех домах коллектор можно разместить таким образом, чтобы он давал характеристики, близкие к заявленным.
