Что такое солнечный коллектор | Принцип работы

Из этой статьи Вы узнаете:

• Что такое солнечный коллектор
• Виды солнечных коллекторов
• Принцип работы солнечного коллектора
• Устройство солнечного коллектора
• Эффективность (КПД) - нюансы
• Плюсы и минусы солнечных коллекторов
• Заключение + источники

Солнечный коллектор – это устройство, которое преобразует солнечную энергию в тепловую. На практике это означает использование бесплатной энергии солнечного излучения для нагрева воды или теплоносителя (в случаях, когда нагревает не воду для ГВС, а систему отопления). Такая система, также известная как гелиоустановка для нагрева воды или просто гелиосистема, в народе получила название "солнечный бойлер".

1. Плоские солнечные коллекторы: наиболее распространенный тип. Они просты в установке и обслуживании, эффективны в умеренном климате.
2. Вакуумные трубчатые коллекторы: более эффективны, особенно в холодном климате, но и более дорогие. Они способны работать даже при отрицательных температурах.
3. Гибридные солнечные коллекторы: комбинируют функции коллекторов и фотоэлектрических панелей, производя одновременно тепло и электричество. Повышают общую эффективность использования солнечной энергии и экономят место на крыше.
4. Термосифонные системы: это пассивные солнечные коллекторы, работающие без циркуляционного насоса. Они используют естественную конвекцию для циркуляции воды. Эти системы могут быть реализованы как с плоскими, так и с вакуумными коллекторами. Термосифонные системы просты, надежны и не требуют электроэнергии для работы, но менее эффективны в холодном климате.
5. Солнечные коллекторы для бассейна: специально разработанный тип для нагрева воды в бассейнах. Эффективно поддерживают комфортную температуру воды, используя энергию солнца. Позволяют значительно продлить сезон использования открытых бассейнов и снизить затраты на их обогрев.
6. Балконные солнечные коллекторы: компактные системы, разработанные для установки на балконах или лоджиях. Они позволяют использовать солнечную энергию для нагрева воды, даже в квартирных условиях. Обычно имеют небольшую мощность и объем, но могут значительно снизить затраты на горячее водоснабжение в квартире.
7. Воздушные солнечные коллекторы: нагревают воздух вместо жидкости, используются в основном для отопления помещений.

1. Улавливание солнечного света: солнечный коллектор устанавливается так, чтобы на него попадало как можно больше солнечного света. Обычно его размещают на крыше.
2. Поглощение энергии: коллектор имеет темную поверхность (абсорбер), обычно расположенную под прозрачным покрытием. Эта поверхность эффективно поглощает солнечные лучи и нагревается под их воздействием.
3. Передача тепла: абсорбер соединен с системой трубок, по которым циркулирует теплоноситель (обычно это специальный антифриз). Нагретый абсорбер передает тепло жидкости, повышая ее температуру.
4. Циркуляция теплоносителя: нагретая жидкость циркулирует по системе труб. Она движется либо естественным образом (из-за разницы плотностей холодной и горячей воды), либо с помощью насоса.
5. Хранение тепла: горячий теплоноситель поступает в теплообменник, расположенный внутри бойлера или теплоаккумулятора. Здесь тепло передается воде в баке, которая затем используется для бытовых нужд или отопления.
6. Повторение цикла: охлажденная жидкость возвращается обратно в коллектор, где снова нагревается, и цикл повторяется.

Также, говоря о принципе работы, нельзя не упомянуть о том, что циркуляция теплоносителя в системе солнечного коллектора может быть организована двумя основными способами:

1. Естественная циркуляция (термосифонная)
   • Простая система, не требует насоса.
   • Теплоноситель (обычно вода) движется за счет разницы плотностей горячей и холодной жидкости.
   • Используется только в регионах, где нет риска замерзания, или сезонно.
2. Принудительная циркуляция
   • Использует насос для циркуляции теплоносителя.
   • Чаще всего используется с незамерзающей жидкостью (антифризом).

Устройство плоского солнечного коллектора

1. Прозрачное покрытие: обычно это закаленное стекло с низким содержанием железа, которое пропускает солнечные лучи, но задерживает уходящее тепловое излучение.
2. Абсорбер: это ключевой элемент коллектора – металлическая пластина (обычно из меди или алюминия) с селективным покрытием, которая поглощает солнечную энергию и преобразует ее в тепло.
3. Теплопроводящие трубки: прикрепленные к абсорберу трубки, по которым циркулирует теплоноситель.
4. Теплоизоляция: слой изоляционного материала (например, минеральная вата), который минимизирует потери тепла через заднюю и боковые стенки коллектора.
5. Корпус: обычно алюминиевый, защищает внутренние компоненты от воздействия окружающей среды.

Устройство вакуумного трубчатого коллектора

1. Стеклянные трубки: каждая трубка представляет собой двойную стеклянную трубку с вакуумом между стенками для лучшей теплоизоляции.
2. Абсорбер: расположен внутри каждой трубки и имеет селективное покрытие.
3. Тепловая трубка: внутри каждой вакуумной трубки находится медная тепловая трубка, заполненная легкоиспаряющейся жидкостью.
4. Коллекторная трубка: соединяет все тепловые трубки и передает тепло теплоносителю системы.

Факторы, влияющие на эффективность:

1. Интенсивность солнечного излучения: здесь всё понятно – в ясный день коллектор работает эффективнее, чем в пасмурный.
2. Ориентация коллектора: правильный угол наклона и направление максимизируют получаемую энергию. А так как солнце в разные сезоны года имеет разный наклон, то единой правильной ориентации не существует. Обычно выбирают компромиссный вариант, обеспечивающий наилучшую среднегодовую эффективность. В некоторых продвинутых системах используются трекеры, которые автоматически поворачивают коллектор, следя за движением солнца, но это увеличивает стоимость и сложность системы.
3. Температурный фактор: эффективность коллектора зависит от разницы температур между самим коллектором и окружающей средой. В холодную погоду эта разница увеличивается, что приводит к большим теплопотерям и снижению эффективности. Чем выше эта разница, тем сложнее коллектору удерживать собранное тепло, что уменьшает общую эффективность системы.
4. Тип коллектора: вакуумные трубчатые коллекторы обычно эффективнее плоских, особенно при низких температурах.

Сезонность использования солнечных коллекторов:

• Максимальная эффективность достигается летом.
• Весной и осенью производительность снижается, но остается значительной.
• Зимой эффективность минимальна, особенно в регионах с частой облачностью.

Плюсы солнечных коллекторов:

1. Экономичность: солнечные коллекторы могут обеспечить до 60-70% годовой потребности в горячей воде, используя бесплатную энергию солнца, что значительно снижает затраты на электроэнергию. К тому же после установки они требуют минимального обслуживания.
2. Экологичность: использование солнечной энергии не производит выбросов CO₂ и других загрязняющих веществ.
3. Долговечность: качественные солнечные коллекторы могут служить 20-30 лет при правильной эксплуатации.
4. Универсальность: могут использоваться для нагрева воды и в системе отопления (для поддержки, а не как основное отопление). При желании теплоноситель с солнечного коллектора можно запускать в теплоаккумулятор, с которого одновременно будет распределение и на ГВС, и на систему отопления.
5. Независимость от роста цен на энергоносители: солнечная энергия бесплатна и не зависит от колебаний цен на топливо.

Минусы солнечных коллекторов:

1. Высокие начальные затраты: стоимость установки солнечной системы значительно дороже установки электробойлера или другого оборудования для нагрева горячей воды.
2. Зависимость от погодных условий: эффективность снижается в пасмурные дни и зимой, когда потребность в горячей воде и отоплении наиболее высока.
3. Необходимость дополнительного оборудования: самого коллектора недостаточно – нужен еще накопительный бак, в который будет "стекаться" тепло. Кроме того, система обычно включает насос для циркуляции теплоносителя, расширительный бак и автоматику управления.
4. Ограничения по размещению: требуется достаточная площадь на крыше или участке с хорошей освещенностью.
5. Трудности при подключении к имеющейся системе: может потребоваться существенная модификация существующей системы ГВС и отопления.
6. Риск перегрева: в летние месяцы, при низком потреблении горячей воды, может возникнуть проблема перегрева системы. Если в Вашем регионе жаркий климат, нужно заранее предусмотреть решение данного вопроса.

⏩ Перейдя в категорию Солнечные коллекторы, Вы можете увидеть весь ассортимент магазина, а с помощью фильтра можно подобрать необходимые параметры (тип, литраж, комплектацию с баком и т.д.).

Источники:

1. Международное энергетическое агентство (МЭА) - "Солнечное отопление и охлаждение". https://www.iea.org/reports/solar-heating-and-cooling
2. Европейская ассоциация солнечной термальной промышленности (ESTIF) - "Солнечное тепло для Европы". https://www.estif.org/publications/
3. Soteris A. Kalogirou. "Солнечные энергетические системы: Термические и фотоэлектрические системы". https://www.sciencedirect.com/book/9780123972705/solar-energy-engineering
4. Национальная лаборатория возобновляемой энергии США (NREL) - "Основы солнечных водонагревательных систем". https://www.nrel.gov/docs/fy04osti/36831.pdf
5. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) - "Солнечное тепло для промышленных процессов". https://www.irena.org/publications/2015/Jan/Solar-Heat-for-Industrial-Processes