Выгодное географическое положение Украины вместе с благоприятными погодно-климатическими условиями позволяют успешно использовать гелиоустановки (от греческого helios — солнце) во вспомогательных целях практически по всей её территории. При этом эффективность систем обусловлена солнечной активностью в каждом конкретном регионе. Среднегодовое количество суммарной солнечной радиации, поступающей на 1 м² поверхности, в северной части страны составляет в среднем 450 кВт.год/м², в южных областях — до 1300 кВт.год/м².

Работая от бесплатного неиссякаемого источника энергии, современное гелиооборудование помогает экономить средства на создание условий для комфортного проживания в доме. К тому же оно удобно в эксплуатации и при правильном обслуживании прослужит не одно десятилетие.

Высокая стоимость и непродолжительный сезонный характер работы (в северных областях — с мая по сентябрь, в южных — с апреля по октябрь) несколько ослабляют интерес покупателей к подобным высокотехнологичным установкам. Поэтому солнечные системы остаются прерогативой сторонников нестандартных решений в вопросах отопления, горячего водоснабжения и выработки электроэнергии.

Солнечные установки — это сложные системы, состоящие из различных функциональных узлов: поглощающей батареи, бака-накопителя (или теплообменника), насосной группы с термодатчиками и аппаратурой безопасности. Основным элементом в ней служит гелиоколлектор, который поглощает инфракрасное излучение и преобразует его в тепловую энергию. От его качества зависит производительность всей системы. Чем ниже разница между температурой поверхности панели и окружающей среды, тем выше коэффициент полезного действия установки из-за понижения теплопотерь.

Солнечные системы бывают разных типов. По количеству контуров теполоносителя гелиосистемы делятся на одно- и двухконтурные. В первом случае в солнечный модуль поступает вода, расходуемая из бака-аккумулятора, чем достигается высокий КПД. Недостатками такого оборудования являются повышенная коррозия, образование отложений на стенках трубопровода, возможность замерзания воды в зимнее время.

Во втором — системы оборудованы специальным теплоносителем, в котором антизамерзающая жидкость двигается по замкнутому кругу. Её достоинства — повышенная надёжность, возможность безопасной работы при минусовых температурах. К слабым сторонам принадлежат меньшая производительность и необходимость периодической замены антифриза (один раз в 5-7 лет).

В зависимости от способа циркуляции теплоносителя гелиоустановки бывают с естественной (за счёт разности давлений) и принудительной циркуляцией (благодаря насосу).

Учитывая климатические условия Украины, а также свойства описанных систем, можно сделать вывод, что для бесперебойного и эффективного обеспечения дома теплом и горячей водой лучше всего использовать двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Современные солнечные коллекторы — это высокотехнологическое произведение инженерной мысли.

Кроме высокой эффективности, они характеризуются эргономичным дизайном и удобством в установке и эксплуатации. Благодаря прямоугольной форме, малой глубине и сравнительно небольшому весу (36-80 кг) гелиопанели подходят для монтажа на любой тип крыши. Соотношение сторон 1:2 позволяет экономно использовать пространство при параллельном подключении.

На украинском рынке широкое распространение получили модели таких производителей, как Buderus, Rehau, Viessmann, Vaillant, Wolf (все — Германия), ThermoSolar (Германия-Словакия), Chromagen (Израиль), Ferroli, Immergas (обе — Италия), Rucelf (Китай), Solver (Польша), «Аванте», «Атмосфера», «Итнелкон Украина» (бренд «Зелёная энергия»), «Синтэк» (SintSolar), «Техно-АС» (все — Украина).

Компании предлагают различные виды солнечных коллекторов, отличающихся по внешнему виду, внутреннему устройству, принципу преобразования солнечной энергии, специализации.

Солнечные коллектоы предназначены для обеспечения отопления, горячего водоснабжения и подогрева бассейнов. В зависимости от конструкции выделяют следующие типы коллекторов: открытые, плоские, трубчатые вакуумные. Все эти устройства работают по единому принципу, который сводится к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии при минимальных тепловых потерях.

Открытые гелиоколлекторы принадлежат к бюджетной серии и наряду с невысокой ценой характеризуются достаточно высоким КПД в пределах невысокой разницы температур между окружающей средой и теплоносителем. Они представляют собой плоскую поглощающую панель прямоугольной формы, выполненной из пластика (или резины), устойчивого к ультрафиолету. Внутри абсорбера смонтирована система распределяющих и собирающих трубок для движения теплоносителя (преимущественно воды). Благодаря незначительному весу (35-45 кг) это оборудование легко монтировать на крыше. Солнечные батареи открытого типа применяют в одноконтурных системах (где в качестве теплоносителя выступает расходуемая потребителем вода) для нагрева воды в бассейнах. Их слабые стороны — снижение КПД с увеличением разницы температур, большая зависимость от погодных условий, ограниченность применения, высокая чувствительность к низким температурам. На производстве открытых пластиковых солнечных батареях специализируются «Атмосфера», «Синтэк» (SintSolar).

Одним из самых распространенных видов гелиобатарей, применяемых в бытовых водонагревательных целях, является плоский солнечный коллектор. Он состоит из абсорбционного узла (пластины, соединённой с решёток медных трубок), помещённого в теплоизолированную светопрозрачную панель (размером (длина х ширина х высота) 200х100х10 см). Поглощающую плиту делают из металла с хорошей теплопроводностью (меди или алюминия). Верхняя крышка коллектора сделана из матового калёного стекла толщиной 4 мм с низким содержанием железа, способного выдерживать большинство случайных ударов. Для сведения теплопотерь к минимуму и увеличения эффективности системы дно и боковые стенки батареи покрывают специальным термоизоляционным материалом. Такие модели производят фирмы Chromagen, Immergas, Rehau, Solver, Viessmann, Wolf.

Кроме традиционной абсорбционной разновидности плоских коллекторов существуют высокоселективные батареи (Logasol SKN 4.0 (Buderus), Auro Therm Plus VFK 150 V (Vaillant), SintSolar CS-V3 («Синтэк»), ATM-F1-roof («Атмосфера»)). Их конструкционная особенность заключается в обработке поверхности поглотительной пластины специальным покрытием, абсорбирующим большее количество солнечной энергии. Его делают из тонкого и очень прочного слоя аморфного полупроводника. Для более высокой эффективности высокоселективные коллекторы дополнительно вакуумируют (откачивают воздух из пространства между стеклом и поглощающей пластиной). Плоские вакуумные коллекторы присутствуют в ассортименте ThermoSolar (TS 400V).

Оригинальным инженерным решением, позволяющим максимально эффективно использовать энергию солнца с минимальным значением тепловой эмиссии, является применение вакуумных коллекторов. Чтобы поддерживать разряжённую среду на необходимом уровне в течение всего срока эксплуатации рабочие секции делают трубчатой формы, которая позволяет равномерно распределить нагрузку на поверхность корпуса, обезопасить его от деформации. Их выпускают Wolf, Vaillant, Rucelf, Viessmann.

В конструкцию таких солнечных батарей входят прямоугольная термоизолированная панель и абсорбирующий модуль и прикреплённый к нему участок трубопровода. Поглощающая секция состоит из ряда (до 10) стеклянных цилиндрических колб, внутреннее устройство которых может быть разным. В зависимости от этого существуют разные типы вакуумных батарей. Наиболее распространённый вид коллекторов этого типа — Heat Pipe. Тепловая трубка выполнена из двух вставленных друг в друга стеклянных колб, пространство между которыми вакуумировано. На внутренней поверхности цилиндра меньшего диаметра нанесено поглощающее покрытие. Нагреваясь, оно посредством алюминиевой фольги передаёт энергию запаянной с двух сторон медной трубке с теплоносителем, расположенной в центре колбы. Вследствие низкого давления жидкость начинает кипеть. Образовавшийся пар поднимается вверх и выпадает в осадок, отдавая тепло посредством диффузии потоку воды. Для этого участок верхнюю часть трубки помещают в трубопровод, по которому протекает специальный теплоноситель или непосредственно предназначенная для нагрева вода. Тепловые трубки Heat Pipe удобны в применении. В случае поломки одной из них повреждённый участок можно заменить без остановки всей системы.

Трубки вакуумных батарей Super Heat Pipe состоят из одной стеклянной колбы, наглухо запаянной сверху. Разрежённая среда находится непосредственно внутри самого цилиндра. В каждой трубке расположены медные трубки с теплотрансферного агента, лучепоглощающие пластины из чёрного хрома и отражатели (выполненные из диоксида индия). Также отражательная поверхность может быть расположена под стеклянной оболочкой на незначительном расстоянии от неё. Принцип монтажа и условия эксплуатации этой тепловой трубки такие же, как и выше указанной.

В коллекторах U-pipe вакуумированные колбы надеты на U-образные медные трубки, по которым протекает теплоноситель или предназначенная для потребления вода. Такие батареи являются неразборными. К их достоинству принадлежит возможность монтажа на крыше с любым уклоном.

Новая разработка, представленная на отечественном рынке, — коллектор типа Direct Glass Heat Pipe. Его особенность в том, что корпус внутренней стеклянной колбы используют в качестве тепловой трубы. Благодаря прямому нагреву легкоиспаряемой жидкости достигается быстрая передача тепла от вакуумного цилиндра к теплообменнику. Батареи этого типа имеют самую высокую производительность среди классических устройств типа Heat Pipe, быструю реакцию на изменение солнечной инсоляции. Однако при их установке нужно быть предельно осторожным, чтобы не повредить трубы. Гелиопанели класса Direct Glass Heat Pipe предлагает «Атмосфера» (СВК-DG-HP20, цена от 8500 грн).

От чего зависит эффективность солнечных батарей

Приобретение и установка солнечных коллекторов — дело достаточно затратное. К тому же их производительность обусловлена множеством нюансов. Чтобы вложенные средства не пропали зря, нужно ещё на стадии покупки искомого продукта детально ознакомиться с особенностями монтажа и условиями эксплуатации.

Ключевым фактором при выборе гелиоколлекторов служит климатическая обстановка в регионе. При этом следует учитывать возможную температуру воздуха в самый холодный период года и количество ясных дней. Например, в северных областях предпочтение лучше отдать вакуумным коллекторам, способным работать при температуре до -35°С, а в южных районах вполне можно обойтись плоскими  моделями.

На эффективность коллекторов влияет показатель притока солнечной радиации на единицу площади (чем он выше, тем больше тепла вырабатывает коллектор), который в свою очередь зависит от географической широты местности, где установлена гелиосистема, высоты над уровнем моря (чем выше, тем больше солнечной радиации), облачности.

Общие правила проектировки и размещения

Качество работы гелиосистем, кроме погодных условий, во многом зависит и от правильно подобранного количества солнечных модулей и грамотного их размещения. Поэтому монтаж гелиоколлекторов и разработку всего проекта лучше всего доверить квалифицированным специалистам.

На первом этапе установки определяют возможность расположения солнечных модулей. При этом важную роль играет ориентация батарей относительно сторон света. Наиболее рациональным вариантом будет монтаж гелиопанелей строго на юг. В этом случае происходит максимальное поглощение излучаемой тепловой энергии. При размещении коллекторов на юго-запад или юго-восток производительность модулей снижается всего на 10-15% по отношению к оптимальному значению.

Большое значение при проектировании имеет также угол наклона батарей к горизонту. Для каждого объекта его подбирают индивидуально, в зависимости от поставленных задач, широты местности, в которой расположена система, и длительности работы (сезонное или круглогодичное использование). Изменение угла наклона позволяет увеличить или уменьшить выработку коллектора в тот или иной период времени. Если нет возможности корректировать положение солнечных модулей относительно горизонта, то их лучше всего установить под углом 45°, идеальным для летнего и зимнего времени.

Далее выбирают поверхность для монтажа гелиопанелей. Традиционным и наиболее подходящим местом является крыша. Кроме этого их размещают на стенах, балконах или просто на земле, если позволяет место.

После тщательного изучения объекта на предмет возможности установки коллекторов и их ориентации, готовят непосредственный теплотехнический расчет, позволяющий определить необходимое количество гелиобатарей для решения поставленной задачи.