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.
https://www.youtube.com/watch?v=svwhOAGGHKw
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.
https://www.youtube.com/watch?v=atn9-8Co1hg
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.
https://www.youtube.com/watch?v=FwTG5wuzPAE
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.
https://www.youtube.com/watch?v=eNkisRyHWJg
