Что такое солнечный коллектор и для чего он нужен? Разбираемся с экспертами

Во многих странах солнечные коллекторы уже давно широко распространены, но у нас они вплоть до последних лет оставались экзотикой. Теперь всё стремительно меняется: технологии шагают вперёд, так что эффективность таких систем растёт, а стоимость падает, в результате и в России всё больше домовладельцев начинает их использовать.

Хотя затраты на приобретение солнечных коллекторов всё ещё довольно высоки, в южных регионах, где солнечных дней больше, они могут полностью обеспечить потребность в горячей воде, и наполовину – в отоплении. Это существенно снижает расходы, так что в долгосрочной перспективе коллекторы себя окупают. И даже в регионах средней полосы, где их эффективность не так высока, в некоторых случаях она достаточна, чтобы всерьёз задуматься об установке. Рассказываем подробнее о принципе работы, разновидностях и эффективности коллекторов, разбираем с экспертами основные причины для покупки и проблемы, с которыми придётся столкнуться.

Принцип работы и разновидности

Коллекторы улавливают инфракрасную энергию и превращают в тепловую – попросту говоря, солнце нагревает их поверхность. Затем эта энергия передаётся теплоносителю. Это основа, так функционирует любой солнечный коллектор, а тонкости уже будут зависеть от его вида. Разделяют их в первую очередь по типу конструкции, на плоские и вакуумные.

Сразу бросающаяся в глаза часть плоского коллектора – панель, поглощающая свет. Она находится под защитным покрытием и может быть выкрашена чёрной краской, часто на её поверхность наносят составы, повышающие эффективность работы. Ещё одна важная часть, спрятанная от глаз – система трубок для теплоносителя.

Конструкция плоского коллектора довольно проста, так что он надёжен и неприхотлив, при этом относительно недорог – стоимость в разы снизилась в последние 5-7 лет. Из-за этого чаще всего предпочтение отдают именно ему. Такие коллекторы могут работать весь год, но, если летом превосходят вакуумные по производительности, то в холодное время начинают уступать.

Вакуумный коллектор сложнее по конструкции. Это ряд вакуумных трубок, внутри которых расположены тепловые трубки. Свет проходит сквозь прозрачную поверхность верхних трубок, а вакуум, которым они заполнены, сокращает теплопотери на 95-97%. Внутренние трубки покрыты специальным составом для более эффективного улавливания энергии. Теплоноситель при нагревании превращается в газ, поднимается в верхнюю часть трубки и отдаёт тепло, после чего конденсируется и возвращается вниз, вновь нагревается, становится газом – и так далее.

В сравнении с плоским коллектором вакуумный уступает по КПД, при этом превосходя его по габаритам и весу, зато гораздо лучше показывает себя в холодное время года. Для него не станут помехой ни плохая освещённость, ни низкие температуры. Это делает вакуумные коллекторы очень полезными для сложных климатических условий, но они существенно дороже плоских.

Сферы применения и расчёт мощности

Коллекторы применяются для нагрева воды и отопления. Последнее требуется зимой, когда плоские коллекторы неэффективны, так что для отопления целесообразно применять только вакуумные, но они куда дороже. Плоские же хороши в тех случаях, когда потребность в энергии возникает летом, потому их активно применяют в летних загородных домах. Так, с их помощью можно подогревать воду в открытом бассейне до комфортной температуры.

Перед установкой солнечного коллектора следует всё тщательно рассчитать, чтобы вложения в него были оправданными. При расчёте есть немало значимых факторов: расход горячей воды, форма крыши дома и его расположение, материал стен – и тому подобные. Если не углубляться в сложные расчёты, для обеспечения одного человека горячей водой в южных районах России понадобится 0,8 квадратных метров площади вакуумного коллектора и вдвое больше в случае с плоским. Для районов севернее необходимо сделать поправку, поскольку энергии коллекторы будут получать меньше.

Если солнечный коллектор приобретается и для отопления, полученную цифру нужно умножить в 2,5 раза – это позволит обеспечить половину необходимой энергии. Но нужно учесть, что температура теплоносителя будет невысокой – 40-45 °C, то есть потребуются низкотемпературные системы отопления, кроме того, летом лишнее тепло потребуется утилизировать. Из-за всех этих проблем для отопления коллекторы применяют довольно редко.

Для более точных расчётов может потребоваться информация от производителя приобретаемой модели относительно того, как меняется её производительность в зависимости от угла наклона зеркал, отклонения направления и прочих подобных факторов. Но идеальная точность расчётов обычно и не нужна: достаточно примерных значений, тем более, что выработка энергии всё равно будет зависеть от погодных условий.

Конечно, лучше всего, если её всегда ровно столько, сколько нужно, но в действительности добиться этого нельзя. Потому есть два подхода: устанавливать коллектор меньшей мощности, чем потребность в энергии, либо, наоборот, с существенным запасом по мощности.

В первом случае расчёт необходимой мощности ведут по самому тёплому месяцу года. Энергии при таком подходе никогда не будет слишком много, так что не придётся решать проблему с её избытком (а она существенна), но понадобятся и другие источники тепла. При втором подходе необходимую мощность рассчитывают по самому холодному месяцу. В таком случае недостатка в тепле не возникнет, но потребуется избавляться от его излишков.

Распространение и эффективность

Солнечные коллекторы активно используют в Европе и Америке, Китай очень активно увеличивает производство и наращивает общую площадь. За ним подтягивается и Россия, ведь именно из Китая завозят всё больше недорогих моделей солнечных коллекторов. Но до лидеров ещё очень далеко – по оценкам экспертов, в расчёте на 1000 человек у нас 0,2-0,3 квадратных метра площади коллектора. Например, в странах Северной Европы 150-300 квадратных метров, а на Кипре 800.

Впрочем, даже по этим цифрам заметно, что климат – важный фактор, от которого зависит распространённость солнечных коллекторов. В солнечных странах, вроде Кипра или Израиля, ими пользуются очень многие, иногда существенно больше половины всего населения. В Северной Европе же этот показатель в разы ниже. Потому возникают вопросы насчёт того, насколько вообще эффективны коллекторы в российских условиях.

Расчёты отечественных учёных из Института высоких температур РАН показывают, что их эффективность достаточно высока, но важна и рентабельность – пока они стоили дорого, срок окупаемости был слишком долгим для массовой установки. Теперь, когда они стремительно дешевеют, всё большее количество домовладельцев начинает ими обзаводиться. В особенности это относится к южным районам страны.

Максимальной эффективности может достичь коллектор, ориентированный на юг. Отклонение не должно превышать 40°, при этом выработка энергии может упасть на 20%. Оптимальный угол наклона – 35-45°, иначе оптические потери энергии значительно возрастут, так как её будет отражать защитное стекло. При этом коллектор должен находиться на открытом пространстве, как можно реже находящемся в тени, так что рядом не должны располагаться возвышенности, здания такой же или большей высоты, деревья.

Из-за таких требований лучше всего, если ещё при проектировании жилища предусматривается, что на нём будет установлен коллектор, так можно будет добиться от него максимальной производительности в тех пределах, которые позволяет климат местности. Срок окупаемости – примерно 8 лет, но может сильно отличаться в зависимости от особенностей конструкции, стоимости, природных условий.

Плюсы и минусы

Коллекторы имеют немало как достоинств, так и недостатков – многие из них уже были разобраны, но стоит кратко подытожить сказанное. Начнём с достоинств:

• Сокращение потребления энергии из других источников, а значит одновременно сокращение расходов и увеличение автономности дома.
• Смонтировать коллектор на крыше несложно, сделать это можно даже своими силами.
• Длительный срок службы: работать устройство может десятилетиями, так что окупит своё приобретение несколько раз.
• Простота эксплуатации – не нужно постоянно контролировать работу коллектора, достаточно обращать на него внимание изредка.
• В случае поломки почти всегда повреждённый элемент можно заменить быстро и недорого.
• Экологичность и безопасность – солнечные коллекторы не загрязняют окружающую среду.

Недостатки коллекторов:

• Довольно высокая стоимость и длительный срок окупаемости. В последнее время цены на коллекторы падают, так что эта проблема становится всё менее актуальной.
• Зависимость от погоды и времени года, необходимость ориентироваться или на летнюю, или на зимнюю производительность. Как следствие, значительную часть года энергии будет либо слишком много, либо слишком мало, и обе проблемы придётся решать.
• Требовательность к расположению, ориентации и углу наклона – не на каждом доме коллектор можно разместить так, чтобы он выдавал близкую к заявленной производительность.