Солнечную энергию можно использовать двояко:  посредством фотоэлектрических модулей производить электричество, а при помощи солнечных коллекторов - нагревать воду.  Последние бывают двух типов: с вакуумными трубками и плоские. Благодаря меньшей цене и более простой эксплуатации более популярны плоские солнечные коллекторы.

Плоский солнечный коллектор

Конструкция коллекторов у всех производителей похожа, различаются обычно материалы, используемые в их производстве, качество работы и технологическое оборудование.  Внешняя, видимая часть коллектора абсорбирует и передает в систему солнечную энергию. Другие, невидимые, части системы - это резервуар для нагрева горячей воды, контроллер,  циркуляционный насос, расширительный сосуд и трубы, обеспечивающие циркуляцию жидкости. 

Выбор типа солнечного  коллектора и его конструкция

Коэффициент использования солнечной энергии коллекторов с вакуумными трубами (рис. 1) выше, но они реже используются, поскольку их эксплуатация сложнее, а изначальная цена - выше.

1. Медная трубка с жидкостью 2. Вакуум 3. Стекло

 

 

 

 

 

 

Наибольшая проблема вакуумных коллекторов -  потеря вакуума, требующая частой замены недешевых деталей. Кроме того, нагревающаяся до большей температуры жидкость быстрее, чем в плоских коллекторах, теряет необходимые свойства, поэтому ее приходится менять, а без специального оборудования это сделать практически невозможно. Попадание  в коллектор градин диаметром более 2,5 см может вызвать серьезные проблемы.

Конструкция плоского солнечного коллектора проще, к тому же он дешевле. Солнечную энергию абсорбирует специальный черный материал - абсорбер.  Например, абсорбер плоского коллектора «Schuco» поглощает до 95 процентов попадающей на его поверхность солнечной энергии.  Абсорбер отдает превращенную в тепло солнечную энергию металлической пластине, которая, в свою очередь,  передает тепло в заполненные жидкостью циркуляционные трубы.  Контакт между металлической пластиной и циркуляционными трубами особо важен,  поскольку от него зависит эффективность передачи тепла. Контакты бывают нескольких типов.

1. Медная пластинка. 2. Медная трубка. 3. Сварное крепление. 4. Паяное крепление. 5. Алюминиевая пластинка. 6. Плоская медная трубка. 7. Прилегающая алюминиевая пластинка

По мнению специалистов, наиболее эффективна плоская медная трубка, поскольку у нее больше поверхность соприкосновения с металлической пластиной. В системах «Schuco» используются алюминиевые пластины.

При выборе плоского коллектора всегда важно обратить внимание на то, насколько легко его монтировать.  Значительная площадь довольно тяжелого коллектора будут подвергаться воздействию природных явлений, его должно быть удобно транспортировать и прикреплять. Например, компания «Schuco» нашла очень простое и эффективное решение, сделав 8-миллиметровую канавку вдоль рамы для ручек, необходимых при переноске, и закрепления крепежных элементов.

Крепежное соединение коллектора и несущей конструкции

Расчет мощности коллектора

Можно ли надеяться на то, что после установки подобной системы вся необходимая для отопления жилья и нагрева горячей воды энергия будет получена исключительно от солнца? Вряд ли...

Производители систем по использованию энергии солнца установили, что  эти системы окупаются в том случае, если они правильно согласованы с потребностями конкретного потребителя. Здесь действуют иные правила, нежели при проектировании обычной системы отопления. Поскольку системы для использования энергии солнца сочетаются с обычными, они рассчитываются с учетом средней потребности в горячей воде летом.  При планировании системы солнечных коллекторов, предназначенной для производства горячей воды для небольших потребителей (жилого дома на одну или две семьи), предполагается, что получаемая от солнца энергия создаст 50-65 проц. необходимой энергии в год. Нужно избегать чересчур больших систем. В их случае солнце, конечно, произвело бы большую часть энергии, однако ее тратилось бы значительно меньше, возросла бы цена оборудования.

X - месяцы Y - Потребность в энергии и получение ее от солнца 1 - Количество тепла, необходимое для отопления зданий старой постройки 2 - Количество тепла, необходимое для отопления зданий новой постройки 3 - Получение энергии от коллектора с площадью поверхности 30 кв.м  4 - Получение энергии от коллектора с площадью поверхности 6 кв.м 5 - Количество энергии, требуемое для нагрева горячей воды

Если требуется, чтобы солнце производило около 60 проц. всей энергии, необходимой для нагрева воды, в расчет берется необходимая полезная площадь солнечного коллектора на одного человека - около 1,3 м². Таким образом, для семьи из 4 человек понадобится 5-6 м², или как минимум, два коллектора.

Для того, чтобы солнечная энергия использовалась и для отопления, при расчете нужно исходить из того, что она должна составлять 15-25 проц. от общего количества энергии, необходимой для отопления и нагрева воды. В таком случае площадь коллекторов определяется из расчета 0,8 м² - 1,1 м² на десять метров жилой площади. Можно подсчитать и иначе - увеличить площадь коллекторов, предназначенных для подготовки горячей воды, в 2 или 3 раза. В обоих случаях получаем сходный результат - понадобится 4-5 коллекторов, в зависимости от их размера.

Соблазнительная возможность - летом использовать энергию солнца для подогрева воды в бассейне. Если бассейн находится на улице, а солнечные коллекторы будут применяться только для этой цели, площадь коллекторов должна составлять 0,6-1 площади бассейна в зависимости от того, накрываемый это бассейн или нет.

Солнечный коллектор - важная, но не единственная часть систем, использующих энергию солнца. Солнце нагревает жидкость, циркулирующую по трубкам коллектора, циркуляционный насос по трубам гонит жидкость в резервуар для горячей воды.

Резервуары для горячей воды в системах, использующих энергию солнца, большего размера, чем обычные. Они забирают у солнца столько тепла, сколько его могут абсорбировать   солнечные коллекторы, и обеспечивают, чтобы вода, используемая в бытовых целях или для отопления, была нужной температуры. Солнечное тепло нагревает воду в нижней части резервуара. Используется вода нужной температуры из верхней части, при необходимости она подогревается при помощи воды из обычной нагревательной системы  или дополнительно оборудованного электрического нагревательного элемента.

Вся система управляется контроллером. Самый простой включает циркуляционный насос, когда температура нагретой солнцем жидкости по крайней мере на 6 градусов теплее, чем воды в нижней части резервуара, и выключает насос, если разница температур составляет менее 3 градусов. Более сложные контроллеры реагируют на большее число параметров, регулируют работу системы, обеспечивая ее максимальную производительность, и выдают информацию потребителю.

Основные особенности систем по использованию солнечной энергии «Schüco»:

Коллекторы

Плоские коллекторы бывают трех основных видов: Standard, Kompakt, Premium. Они различаются по размеру, цене, цвету и возможностям монтажа. У всех корпуса и задние стенки, выполненные из алюминия и абсорбера с высокой селективностью (впитывает до 95 проц.), отдают тепло незамерзающей жидкости, циркулирующей по извилистым трубкам - смеси пропиленгликоля и воды. По специальной технологии медная трубка на 360° окружена прилегающими теплоотводящими пластинами. Передача тепла проходит исключительно эффективно. Закаленное стекло увеличенной прозрачности толщиной 4 мм хорошо пропускает солнечные лучи и обладает градозащитными свойствами.  Рама коллектора оснащена резьбовым каналом, что облегчает монтаж и транспортировку коллекторов.

Резервуары для горячей воды изготавливаются из стали, эмалированной вакуумным методом, в них встроен магниевый или нерастворимый титановый анод - в качестве дополнительной защиты от коррозии. В зависимости от характера использования они бывают оснащены одним или двумя вмонтированными змеевиками, либо и змеевиком, и вмонтированной емкостью для теплой воды.  Резервуары большого диаметра делаются со съемной изоляцией - чтобы их можно было внести через узкую дверь.

Нагретая солнцем вода подается в резервуар для горячей воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В насосной устанавливается не только циркуляционный насос, измеритель потока, но и устройство для удаления воздуха, позволяющее выпускать воздух из системы там же, где находится резервуар с горячей водой (напр., в подвале), поэтому не требуется клапан для выпуска воздуха на крыше, возле коллектора.

Установка коллекторов

При монтаже коллекторов учитывается несколько факторов: наилучшие направление и угол освещения, нагрузка, создаваемая ветром. Наиболее эффективен угол 30-60 градусов. Зимой более эффективен больший угол наклона,  летом - меньший.  Обычно коллектор устанавливается под углом 45 градусов или, если крыша скатная,  параллельно уклону крыши (так меньше сопротивление ветру). При вертикальной установке на стене эффективность снижается приблизительно на 20 процентов. Наилучшее направление - южное, несколько хуже - восточное или западное.

Коллекторы сделаны таким образом, что они могут быть установлены на крыше любого типа.  На плоской крыше коллектор укладывается на треугольную алюминиевую раму, поддерживаемую блочками из бетона (скольку их понадобится, подсчитает инженер - продавец системы). Для других кровель чаще всего используются  предназначенные именнно для них крепежные элементы, соединяемые с обрешеткой или стропилами.

Коллекторы можно прикреплять как поверх кровельного покрытия, так и встраивая в него.

Крепежный элемент для монтажа солнечного коллектора на волнистом кровельном покрытии

Коллекторы разных производителей могут монтироваться по-разному. Например, «Schuco» Standart и Kompakt можно устанавливать на плоской и покатой крыше,  на поверхностях всех типов (и вертикальной, и фасадной) монтируется Premium. Коллекторы можно заглубить в кровельное покрытие, укладывать как цельное покрытие, они могут заменить козырек. Крепежные детали из алюминия или нержавеющей стали подбираются отдельно в с учетом типа кровельного покрытия и способа монтажа.

Коллекторы соединяются с водным резервуаром двойными медными трубками длиной 15-25 м или гофрированными трубками из нержавеющей стали с проводом для присоединеия датчика воды в коллекторах. Провода защищены устойчивым к воздействию атмосферных явлений теплоизоляционным покрытием.