Що таке сонячний колектор | Види і принцип роботи

З цієї статті Ви дізнаєтеся:

• Що таке сонячний колектор
• Види сонячних колекторів
• Принцип роботи сонячного колектора
• Будова сонячного колектора
• Ефективність (ККД) - нюанси
• Плюси і мінуси сонячних колекторів
• Висновок + джерела

Сонячний колектор – це пристрій, який перетворює сонячну енергію в теплову. На практиці це означає використання безкоштовної енергії сонячного випромінювання для нагріву води або теплоносія (у випадках, коли нагріває не воду для ГВП, а систему опалення). Така система, також відома як геліосистема для нагріву води, в народі отримала назву "сонячний водонагрівач".

1. Плоскі сонячні колектори: найбільш поширений тип. Вони прості в установці та обслуговуванні, ефективні в помірному кліматі.
2. Вакуумні трубчасті колектори: більш ефективні, особливо в холодному кліматі, але і більш дорогі. Вони здатні працювати навіть при негативних температурах.
3. Гібридні сонячні колектори: комбінують функції колекторів і фотоелектричних панелей, виробляючи одночасно тепло і електрику. Підвищують загальну ефективність використання сонячної енергії і економлять місце на даху.
4. Термосифонні системи: це пасивні сонячні колектори, що працюють без циркуляційного насоса. Вони використовують природну конвекцію для циркуляції води. Ці системи можуть бути реалізовані як з плоскими, так і з вакуумними колекторами. Термосифонні системи прості, надійні і не вимагають електроенергії для роботи, але менш ефективні в холодному кліматі.
5. Сонячні колектори для басейну: спеціально розроблений тип для підігріву води в басейнах. Ефективно підтримують комфортну температуру води, використовуючи енергію сонця. Дозволяють значно продовжити сезон використання відкритих басейнів і знизити витрати на їх обігрів.
6. Балконні сонячні колектори: компактні системи, розроблені для встановлення на балконах або лоджіях. Вони дозволяють використовувати сонячну енергію для нагріву води, навіть в квартирних умовах. Зазвичай мають невелику потужність і об'єм, але можуть значно знизити витрати на гаряче водопостачання в квартирі.
7. Повітряні сонячні колектори: нагрівають повітря замість рідини, використовуються в основному для опалення приміщень.

1. Уловлювання сонячного світла: сонячний колектор встановлюється так, щоб на нього потрапляло якомога більше сонячного світла. Зазвичай його розміщують на даху.
2. Поглинання енергії: колектор має темну поверхню (абсорбер), зазвичай розташовану під прозорим покриттям. Ця поверхня ефективно поглинає сонячні промені і нагрівається під їх впливом.
3. Передача тепла: абсорбер з'єднаний з системою трубок, по яких циркулює теплоносій (зазвичай це спеціальний антифриз). Нагрітий абсорбер передає тепло рідині, підвищуючи її температуру.
4. Циркуляція теплоносія: нагріта рідина циркулює по системі труб. Вона рухається або природним чином (через різницю густин холодної і гарячої води), або за допомогою насоса.
5. Зберігання тепла: гарячий теплоносій надходить в теплообмінник, розташований всередині бойлера або теплоакумулятора. Тут тепло передається воді в баку, яка потім використовується для побутових потреб або опалення.
6. Повторення циклу: охолоджена рідина повертається назад в колектор, де знову нагрівається, і цикл повторюється.

Також, говорячи про принцип роботи, не можна не згадати про те, що циркуляція теплоносія в системі сонячного колектора може бути організована двома основними способами:

1. Природна циркуляція (термосифонна)
   • Проста система, не вимагає насоса.
   • Теплоносій (зазвичай вода) рухається за рахунок різниці густин гарячої і холодної рідини.
   • Використовується тільки в регіонах, де немає ризику замерзання, або сезонно.
2. Примусова циркуляція
   • Використовує насос для циркуляції теплоносія.
   • Найчастіше використовується з незамерзаючою рідиною (антифризом).

Будова плоского сонячного колектора:

1. Прозоре покриття: зазвичай це загартоване скло з низьким вмістом заліза, яке пропускає сонячні промені, але затримує вихідне теплове випромінювання.
2. Абсорбер: це ключовий елемент колектора – металева пластина (зазвичай з міді або алюмінію) з селективним покриттям, яка поглинає сонячну енергію і перетворює її в тепло.
3. Теплопровідні трубки: прикріплені до абсорбера трубки, по яких циркулює теплоносій.
4. Теплоізоляція: шар ізоляційного матеріалу (наприклад, мінеральна вата), який мінімізує втрати тепла через задню і бічні стінки колектора.
5. Корпус: зазвичай алюмінієвий, захищає внутрішні компоненти від впливу навколишнього середовища.

Будова вакуумного трубчастого колектора:

1. Скляні трубки: кожна трубка представляє собою подвійну скляну трубку з вакуумом між стінками для кращої теплоізоляції.
2. Абсорбер: розташований всередині кожної трубки і має селективне покриття.
3. Теплова трубка: всередині кожної вакуумної трубки знаходиться мідна теплова трубка, заповнена легковипаровуваною рідиною.
4. Колекторна трубка: з'єднує всі теплові трубки і передає тепло теплоносію системи.

Фактори, що впливають на ефективність:

1. Інтенсивність сонячного випромінювання: тут все зрозуміло – в ясний день колектор працює ефективніше, ніж в хмарний.
2. Орієнтація колектора: правильний кут нахилу і напрямок максимізують отримувану енергію. А оскільки сонце в різні сезони року має різний нахил, то єдиної правильної орієнтації не існує. Зазвичай вибирають компромісний варіант, що забезпечує найкращу середньорічну ефективність. В деяких просунутих системах використовуються трекери, які автоматично повертають колектор, стежачи за рухом сонця, але це збільшує вартість і складність системи.
3. Температурний фактор: ефективність колектора залежить від різниці температур між самим колектором і навколишнім середовищем. В холодну погоду ця різниця збільшується, що призводить до більших тепловтрат і зниження ефективності. Чим вище ця різниця, тим складніше колектору утримувати зібране тепло, що зменшує загальну ефективність системи.
4. Тип колектора: вакуумні трубчасті колектори зазвичай ефективніші за плоскі, особливо при низьких температурах.

Сезонність використання сонячних колекторів:

• Максимальна ефективність досягається влітку.
• Весною і восени продуктивність знижується, але залишається значною.
• Взимку ефективність мінімальна, особливо в регіонах з частою хмарністю.

Плюси сонячних колекторів:

1. Економічність: сонячні колектори можуть забезпечити до 60-70% річної потреби в гарячій воді, використовуючи безкоштовну енергію сонця, що значно знижує витрати на електроенергію. До того ж після встановлення вони вимагають мінімального обслуговування.
2. Екологічність: використання сонячної енергії не виробляє викидів CO₂ та інших забруднюючих речовин.
3. Довговічність: якісні сонячні колектори можуть служити 20-30 років при правильній експлуатації.
4. Універсальність: можуть використовуватися для нагріву води і в системі опалення (для підтримки, а не як основне опалення). При бажанні теплоносій з сонячного колектора можна запускати в теплоакумулятор, з якого одночасно буде розподіл і на ГВП, і на систему опалення.
5. Незалежність від зростання цін на енергоносії: сонячна енергія безкоштовна і не залежить від коливань цін на паливо.

Мінуси сонячних колекторів:

1. Високі початкові витрати: вартість встановлення сонячної системи значно дорожче встановлення електробойлера або іншого обладнання для нагріву гарячої води.
2. Залежність від погодних умов: ефективність знижується в похмурі дні і взимку, коли потреба в гарячій воді і опаленні найбільш висока.
3. Необхідність додаткового обладнання: самого колектора недостатньо – потрібен ще накопичувальний бак, в який буде "стікатися" тепло. Крім того, система зазвичай включає насос для циркуляції теплоносія, розширювальний бак і автоматику управління.
4. Обмеження по розміщенню: потрібна достатня площа на даху або ділянці з хорошою освітленістю.
5. Труднощі при підключенні до наявної системи: може знадобитися суттєва модифікація існуючої системи ГВП та опалення.
6. Ризик перегріву: в літні місяці, при низькому споживанні гарячої води, може виникнути проблема перегріву системи. Якщо у Вашому регіоні жаркий клімат, потрібно заздалегідь передбачити вирішення цього питання.

⏩ Перейшовши в категорію Сонячні колектори, Ви можете побачити весь асортимент магазину, а за допомогою фільтра можна підібрати необхідні параметри (тип, літраж, комплектацію з баком тощо).

Джерела:

1. Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) - "Сонячне опалення та охолодження". https://www.iea.org/reports/solar-heating-and-cooling
2. Європейська асоціація сонячної термальної промисловості (ESTIF) - "Сонячне тепло для Європи". https://www.estif.org/publications/
3. Soteris A. Kalogirou. "Сонячні енергетичні системи: Термічні та фотоелектричні системи". https://www.sciencedirect.com/book/9780123972705/solar-energy-engineering
4. Національна лабораторія відновлюваної енергії США (NREL) - "Основи сонячних водонагрівальних систем". https://www.nrel.gov/docs/fy04osti/36831.pdf
5. Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (IRENA) - "Сонячне тепло для промислових процесів". https://www.irena.org/publications/2015/Jan/Solar-Heat-for-Industrial-Processes