Солнечные коллекторы - какой тип выбрать?

Что такое солнечный тепловой коллектор?

Мы уже рассказыали о фотоэлектрических (PV) солнечных коллекторах, которые преобразует солнечное излучение в электричество. Солнечный тепловой коллектор, или гелиоколлектор (от слова helios —греч., солнце), намного проще. Это устройство, которое собирает тепло непосредственно из солнечного излучения. Его можно использовать, как основной источник тепла, так и вместе с другими, традиционными источниками, работающими на биологическом топливе или на электричестве.  В Интернете существует множество моделей солнечных панелей, изготовленных домашними мастерами, но есть и доступные заводские гелиоустановки, которые можно использовать для нагрева воды и обогрева помещений.
В теплом климате в тепловом солнечном коллекторе можно использовать воду, проходящую через его панели, но в холодном климате используется гликоль для предотвращения замерзания панелей.

Эффективность солнечных тепловых коллекторов:

Эффективность панели частично определяются скоростью поглощения солнечной радиации, а частично ее излучательной способностью; иначе говоря, не только сколько тепла она может поглотить, но и сколько она будет излучать (или терять), прежде чем теплая вода будет доставлена в пункт назначения.
Более ранние модели имели коэффициенты поглощения в диапазоне 90-95% (эффективность поглощения солнечного излучения), но у них также был высокий коэффициент потерь — в диапазоне 55-95%, поэтому большая часть накопленного тепла терялась, уже в самой панели.
Эти модели также использовали стандартную черную краску, тогда как современные панели делаются со специально разработаным покрытием для поглощения и удержания тепла.

Несмотря на то, что современное поколение гелиоколлекторов очень эффективно, их конкуренты —солнечные фотоэлектрические панели — эффективнее тепловых солнечных батарей, поэтому считаются более выгодной инвестицией. Это не означает, что качество и эффективность солнечных тепловых коллекторов низкая, просто есть мнение, что лучше потратить деньги на солнечные фотоэлектрические батареи, а затем использовать генерируемое электричество в обычном электрическом водонагревателе. Это связано с постоянно развивающимися технологиями и снижением издержек в фотоэлектрической промышленности, в то время как технология производства гелиоколлекторов и стоимость оставались довольно стабильными за тот же период. Они все еще хороши, проблема в том, что конкуренция продолжает усиливаться.
Предпосылка для этой философии заключается в том, что в периоды, когда горячая вода не нужна, тепловой коллектор не приносит никакой выгоды. Если солнечная установка была бы фотоэлектрической, а не тепловой, то солнечная радиация всегда поглощалась бы для выработки электричества, для питания других бытовых приборов, хранения в аккумуляторах или для возврата в системы электроснабжения, которая вскоре появится в России. Трудно отрицать эту логику; однако есть ситуации, когда тепловая солнечная энергия полезна, поэтому мы опишем варианты.

Трубчатые вакуумные коллекторы

Трубчатый вакуумный коллектор способен преобразовывать даже малое количество солнечной энергии в полезное тепло.

Трубчатые гелиоколлекторы ©Viessmann

Это самый распространенный тип солнечного теплового коллектора, который вы, вероятно, видели на крышах домов. Панель вакуумного коллектора чаще всего состоит из стеклянных труб, внутри которых находятся медные трубки, с затемненной пластиной, покрывающей трубку для поглощения тепла. Стеклянные трубки герметично запаяны и только часть медной арматуры остается открытой. Каждая трубка устанавливается в коллектор отдельно.
Это позволяет легко заменить трубу, если сломается вакуумное уплотнение. Также их проще монтировать — вместо того, чтобы поднимать одну тяжелую панель на крышу, ее можно разобрать на отдельные трубы, а затем собрать в панели.
Герметично закрытый воздух является отличным теплоизолятором, поэтому зимой на панель почти не влияет  температура наружного воздуха. А в жаркое лето можно дотронутья до труб голой рукой, несмотря на то, что внутренняя трубка могла бы обжечь.

Плоские гелиоколлекторы

Плоский гелиоколлектор собирает больше тепла, чем трубчатый коллектор

Конструкции, конечно, разные, но обычный плоский пластинчатый коллектор - это нечто большее, чем неглубокая коробка с медной трубкой, которая протянута сквозь нее, покрытая металлической пластиной поглотителя и прозрачной крышкой. Прохладная жидкость проходит по медным трубкам под поверхностью коллектора и в процессе прохождения нагревается.
И плоские, и трубчатые коллекторы используют в трубках смесь гликоля с водой, поэтому для нагрева воды нужен специальный резервуар, в котором проходит спираль теплообменника.

Что лучше плоский или вакуумный трубчатый коллектор?

У каждого типа солнечного коллектора есть преимущества и недостатки. Воздух внутри герметично закрытых стеклянных трубок в вакуумных коллекторах обеспечивает гораздо лучшую изоляцию, чем у плоских пластинчатыех коллекторов, но часть солнечной энергии теряется при прохождении через промежутки между трубами. 
В плоском пластинчатом коллекторе теряется больше тепла, чем в трубчатом, но он способен собирать больше энергии, так как вся его поверхность поглощает солнечные лучи.

Таким образом, при отсутствии других факторов, летом плоский гелиоколлектор будет производить больше энергии, чем вакуумный, поскольку у него большая площадь поверхности, а температура окружающего воздуха не является проблемой. 
И наоборот, зимой температура воздуха вызывает гораздо большие потери энергии в плоском гелиоколлекторе, чем в трубчатой солнечной панели, поэтому конструкция трубчатой вакуумной солнечной панели более эффективна.

Выбор конструкции, которая лучше подойдет для вашего дома, зависит от планируемого использования. Если вы хотите сократить расходы на нагревании воды в летний период на даче, то вы, вероятно, выиграете от плоского гелиоколлектора. Если вы намерены использовать его вместе с котлом для обогрева помещений и нагрева горячей воды зимой в доме для постоянного проживания, то вы выиграете больше от вакуумного теплового коллектора, поскольку он лучше работает зимой в сравнении с плоскими геоколлекторами.

Перенос тепла

Схема переноса тепла от солнечного теплового коллектора в дом.

В системах с гликолем вам нужен теплообменник для горячей воды, обогрева помещений или того и другого. Подогреваемая жидкость от солнечных коллекторов нагревает воду, когда она проходит через змеевик в резервуаре. Дополнительный змеевик в баке, нагреваемый газом или электричеством будет нагревать воду, если солнечный коллектор не сможет поддерживать желаемую температуру или не будет успевать за потреблением горячей воды.

Техническое обслуживание и долговечность

Солнечные коллекторы могут прослужить 20-25 лет, в зависимости от условий эксплуатации, и почти не требуют технического обслуживания. Существенным недостатком использования солнечных коллекторов в холодном климате будет использование смеси воды и этиленгликоля в равных долях. Зимой этиленгликоль необходим, чтобы жидкость в трубках не замерзала. 50% смесь этиленгликоля не замерзает до -35°С.  Летом температура плоского коллектора может достигать 200°С, а трубчатого гелиоколлектора 295°C. При нагреве свыше 150 °С начинается термическое разложение этиленгликоля, что способствует образованию коррозии и накипи. Поэтому важно, чтобы в панелях использовался какой-нибудь компонент охлаждения, включенный в конструкцию, будь то ручной или автоматический. Кроме этого этиленгликоль является токсичным веществом.

Насколько разумно использовать солнце для непосредственного нагрева воды?

Необходимость использования этиленгликоля в качестве жидкости для теплопередачи и проблемы, которые возникают вместе с этим, приводят к снижению популярности гелиоколлекторов в регионах с холодным климатом. Снижение стоимости фотоэлектрических солнечных батарей и гибкость их использования делает солнечные коллекторы менее конкурентными в качестве долгосрочных вложений.