Солнечный коллектор — это установка , собирающая солнечную энергию с последующим ее преобразованием в тепло.
Солнечные коллекторы используются летом для снабжения дома горячей водой, а так же подогрева воды в бассейнах. А в зимнее время — для отопления совместно с твердо-топливным, жидкотопливным или электрическим отоплением. Использование солнечных коллекторов позволяет сократить расходы на отопление на пятьдесят и более процентов. Несмотря на то, что в нашей климатической зоне количество пасмурных дней значительно, даже в это время коллектор продолжает работать, но для полной функциональности системы ГВС или отопления в этом случае необходим дополнительный источник энергии . На территории Беларуси существует возможность ежегодно получать в общем 1000- 1150 кВт/м^-2, что составляет около половины радиационного баланса Южной Европы и Ближнего Востока
При правильно спроектированной и смонтированной системе вы не будете испытывать проблем с эксплуатацией в будущем на протяжении долгих лет.
Свою стоимость солнечный коллектор окупает примерно в течение первых пяти лет эксплуатации. Поэтому последующие 25-30 лет гелиосистема позволит сократить энергозатраты.

Существующие виды солнечных коллекторов и принцип их работы:

1.Плоский солнечный коллектор — является самым распространенным , чаще всего используется в ГВС и отопительных системах частных домов. Плоский коллектор это изолированная панель, внутри которой расположен поглотитель в виде пластины. Пластина изготавливается из металла и является хорошим теплопроводником. В качестве металла обычно используют медь, которая меньше всего подвержена коррозии. Поверхность пластины специально обрабатывают высокоселективным покрытием, которое может удерживать солнечную энергию. Стекло в плоских коллекторах применяется специальное солярное ,оно не содержит большого количество железа, такое стекло резко снижает потерю тепла. Корпус солнечного коллектора предназначен для соединения в одно целое всех частей коллектора, надёжной их защиты от неблагоприятных природных явлений и присоединения коллектора к конструкции дома. Чаще всего его выполняют из анодированного алюминия в виде рамки.
Солнечный лучи проходя через стекло, попадают на пластину поглотителя, которая разогревается и превращает ультрафиолет в тепло. Далее тепло переходит к теплоносителю, а оттуда к антифризу или воде, которые циркулируют в коллекторе. Теплоноситель прогревается и передает тепло воде в теплообменнике. Здесь вода находится в горячем состоянии до момента, когда она потребуется потребителю. Плоские коллекторы обладают простотой и надёжностью, срок их эксплуатации достигает 50 лет.

2. Вакуумный солнечный прямоточный коллектор — имеет специальные трубы, в которые встроен медный поглотитель со специальным покрытием, что гарантирует поглощение солнечной энергии даже при малом количестве лучей. Каждая медная трубка вставлена в запаянный по концам стеклянный сосуд цилиндрической формы и имеет свою собственную изоляцию. Теплоизолирующим материалом в таком коллекторе служит вакуум. Теплоноситель, протекая через коллектор, отдает ему свое тепло, преимущество данного коллектора заключается в том, что здесь значительно сокращены потери тепла из-за этого теплоноситель здесь может прогреваться до +160°С.
Солнечные лучи проходят через стеклянную трубу с вакуумом и попадают на поглотитель тепла, здесь они преобразуются в тепло. Энергия тепла передается жидкости, которая протекает по трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая из трубок подключена к накопительному баку двумя медными трубами, одна труба подводит горячую воду к баку, вторая выводит охлажденную воду, и процесс прогрева заново повторяется. Вакуумные коллекторы отличаются прежде всего длиной и диаметром стеклянных трубок. Чем меньше и тоньше трубка — тем меньше энергии может давать такой коллектор. Длина варьируется от 1.2 до 2.1 м. Наиболее распространенный диаметр — 58 мм.

3. Приблизительный расчет солнечных коллекторов

При использовании солнечных коллекторов в системе ГВС необходимо правильно определить их количество или площадь: от этого зависит производительность. Расчет солнечного коллектора любого типа базируется на потребностях, которые известны заранее.

3.1.Расчет плоского солнечного коллектора

Практика показывает, что на квадратный метр поверхности, установленной перпендикулярно ярким солнечным лучам, приходится в среднем 900 Вт тепловой энергии (при безоблачном небе). Расчет СК будем производить на основе модели площадью 1 м². Лицевая сторона – матовая, черная (обладает близким к 100% поглощением тепловой энергии). Тыльная сторона утеплена 10 см слоем пенополистирола.
Требуется рассчитать теплопотери, которые происходят на обратной, теневой стороне. Коэффициент теплоизоляции пенополистирола – 0,05 Вт/м × град. Зная толщину и предположив, что разница температур на противоположных сторонах материала – в пределах 50 градусов, высчитаем теплопотери:

0,05/0,1 × 50 = 25 Вт.

Такие же приблизительно потери ожидаются со стороны торцов и труб, то есть суммарное количество составит 50 Вт.
Безоблачным небо бывает редко, кроме того следует учитывать влияние налета грязи на коллекторе. Поэтому снизим количество тепловой энергии, приходящейся на 1 м², до 800 Вт. Вода, используемая в качестве теплоносителя в плоских СК, обладает теплоемкостью, равной 4200 Дж/кг × град или 1,16 Вт/ кг × град. Это означает, что для того, чтобы повысить температуру одного литра воды на один градус, потребуется затратить 1,16 Вт энергии.
Учитывая эти расчеты, получаем следующую величину для нашей модели солнечного коллектора 1 м² площади:

800/1,16 = 689,65.

Округляем для удобства до 700 /кг × град. Это выражение обозначает количество воды, которое можно нагреть в коллекторе (модель площадью 1 м²) в течение часа. При этом не учитываются потери тепла с лицевой стороны, которые будут возрастать по мере разогрева. Эти потери будут ограничивать разогрев теплоносителя в солнечном коллекторе в пределах 70-90 градусов. В связи с этим, величина 700 может быть применена к низким температурам (от 10 до 60 градусов).
Расчет солнечного коллектора показывает, что система площадью 1 м² способна нагреть 10 литров воды на 70 градусов, что вполне достаточно для обеспечения дома горячей водой. Можно уменьшить время нагревания воды за счет уменьшения объема солнечного коллектора при сохранении его площади. Если же количество проживающих в доме требует большего объема воды – следует применить несколько коллекторов такой площади, которые соединяют в одну систему.
Для того, чтобы солнечный свет воздействовал на радиатор максимально эффективно, коллектор необходимо ориентировать под углом к линии горизонта, равным широте местности.
В среднем, для обеспечения жизнедеятельности одного человека необходимо 50 л горячей воды. Учитывая, что вода до подогрева имеет температуру около 10 °С, разница температур составляет 70 – 10 = 60 °С. Количество тепла для подогрева воды необходимо следующее:

W=Q × V × Tp = 1,16 × 50× 60 = 3,48 кВт энергии.

Разделив W на количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м² поверхности в данной местности (данные гидрометеоцентров), получим площадь коллектора.
Расчет солнечного коллектора для отопления производится аналогично. Но объем воды (теплоносителя) необходим больший, что зависит от объема обогреваемого помещения. Можно сделать вывод, что улучшения эффективности водонагревательной системы такого типа возможно достичь методом уменьшения объема и одновременном увеличении площади.

3.2. Расчет вакуумного солнечного коллектора

Проектирование системы должно проводиться с учетом:

• особенностей климата в данной местности;

• объема отапливаемого помещения и этажности здания;

• количества проживающих (работающих) людей;

• типа установленных отопительных приборов;

• коэффициента теплопроводности стен (определяется исходя из толщины и материала);

• места размещения теплообменника и т.п.

Проектные работы выполняются в два этапа. Первый предполагает расчет солнечного коллектора для отопления, а именно определение их количества, необходимого для отопления. Второй этап – привязка полученных результатов к существующей системе отопления.
Подробнее о первом этапе: определяем количество энергии, которое вырабатывается коллектором за день. Для этого следует использовать данные о среднемесячном уровне солнечного излучения (сведения из гидрометеоцентра) в данной местности. Умножив это значение на площадь коллектора и его КПД (примем равным 0,8), получим:

Ек= Ес.× Sр.× 0,8 (кВт/день)

Затем определяем количество расходуемой воды (Vдн, л.), которая нагреется коллектором в течение дня. Это зависит от параметров отопительной системы.
Известно, что для повышения температуры 1л воды на 1 градус требуется затратить 1,16 Вт мощности. Разделив числовое значение количества вырабатываемой энергии за день на теплоемкость воды, получим температуру, до которой солнечный коллектор данной модели может нагреть теплоноситель.

Тк= Ек./ (Vдн.× с), °С

Если расчеты показывают, что полученная температура является недостаточно высокой, для ее увеличения необходимо изменить площадь СК: установить дополнительные вакуумные трубки или панели.

Установка солнечного коллектора

Качество работы солнечного коллектора, а точнее количество вырабатываемой энергии может зависеть от многих факторов. Но некоторые факторы можно учесть при установке коллектора, например, сюда относятся угол наклона и ориентация установки, за критерий ориентации в данном случае необходимо брать азимут.
Углом наклона принято считать угол между батареей и горизонтом. Во время монтажа коллектора на скатной кровле, за угол уклона берется сам скат . Как показывает практика идеальным углом наклона принято считать угол от 30 до 45 градусов.
Азимут покажет отклонение коллектора по отношению к югу, если его плоскость ориентирована на юг, то он должен быть равен нулю. В нашей широте принято считать, что отклонение на юг может быть равно 45 градусам к юго-западу или юго-востоку.