В данной статье рассматриваются различные виды солнечных коллекторов для теплоснабжения и горячего водоснабжения частного дома, а так же подобран наиболее оптимальный вид солнечных коллекторов для использования в условиях Краснодарского края.
Ключевые слова: плоский солнечный коллектор, вакуумный солнечный коллектор, открытый солнечный коллектор, солнечное теплоснабжение, солнечное горячее водоснабжение.
В настоящее время важным направлением развития энергетики является повышение эффективности преобразования и использования первичной энергии. Сейчас Российская Федерация практически не представлена на мировом рынке возобновляемой энергетики, но РФ не останется в стороне от развития этого перспективного направления энергетики. Россия обладает огромным потенциалом возобновляемых источников энергии. Огромная территория позволяет использовать все виды возобновляемых источников энергии. Научно-технические разработки и международное сотрудничество увеличит вклад Российской Федерации в мировой рынок возобновляемой энергетики. Современное состояние развитие альтернативной энергетики позволяет создавать эффективные и конкурентоспособные установки для получения тепловой энергии. Особенно это актуально в энергодефицитных и слабогазифицированных регионах. Краснодарский край является энергодефицитным регионом, но имеет большие перспективы в развитии солнечной энергетики. Использование солнечных коллекторов может снизить нагрузку на энергосистему и сберечь традиционные ресурсы. [1,2]
Для обеспечения теплоснабжения и горячего водоснабжения частного жилого дома могут подойти плоские солнечные коллекторы, открытые коллекторы и солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок. [3] КПД этих коллекторов рассчитывается по формуле:
(1)
где 
— оптический коэффициент полезного действия солнечного коллектора;
— коэффициент тепловых потерь, Вт/(К*м2);
— коэффициент тепловых потерь, Вт/(К*м2);
— разность температур между теплоносителем и окружающей средой, К;
— интенсивность солнечного излучения, Вт/м2.
Для менее точных расчётов используется формула:
(2)
Некоторые производители солнечных коллекторов указывают в паспортных данных только коэффициент тепловых потерь — k, а большинство производителей указывают в паспортных данных коэффициенты тепловых потерь k1 и k2. Поэтому можно оценить зависимость КПД солнечного коллектора от разности температуры теплоносителя и наружного воздуха и получить характеристические графики более точно, сравнив коллекторы тех производителей, которые в паспортных данных указывают коэффициенты k1 и k2. Современные производители солнечных коллекторов получают коэффициенты k1 и k2 путем эксперимента для каждого солнечного коллектора.
Проанализировав ассортимент солнечных коллекторов мировых авторитетных производителей: Vaillant Group, Roth, Suntask, Wolf, Nibe, VMtec, Buderus, Stiebel — можно сделать вывод, что в среднем для плоских солнечных коллекторов 
, k1=5 Вт/(К*м2), k2=0,01 Вт/(К*м2);для вакуумных солнечных коллекторов 
, k1=1,9 Вт/(К*м2), k2=0,001 Вт/(К*м2); для открытых солнечных коллекторов 
, k1=15 Вт/(К*м2), k2=0,01 Вт/(К*м2).
На рис.1 изображён характерный график зависимости КПД солнечных коллекторов от разности температур теплоносителя и окружающей среды при интенсивности солнечного излучения 
1000 Вт/м2.
Рис. 1. Характерный график зависимости КПД солнечных коллекторов от разности температур теплоносителя и окружающей среды при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/м2. 1- СК на основе вакуумных трубок; 2- Плоский СК; 3- Открытый СК
Температура окружающей среды в течение года является определяющим фактором при выборе типа солнечного коллектора. На рис.2 приведён годовой график температура в г. Сочи Краснодарского края. [4]
Рис. 2. График температур в г. Сочи в течение года
Если происходит использование солнечных коллекторов в зимний период для теплоснабжения и горячего водоснабжения, то открытые солнечные коллекторы не подойдут. Они не имеют утепление, поэтому при уменьшении температуры окружающего воздуха их КПД значительно снизится. Открытые солнечные коллекторы являются самыми дешёвыми среди вышесказанных коллекторов. Их будет целесообразно использовать для горячего водоснабжения частного жилого дома в летний период и для подогрева бассейна. Целесообразно использовать открытые солнечные коллекторы, когда разница температур между теплоносителем и окружающей средой составляет не более 25
.
Солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок значительно дороже плоских солнечных коллекторов. Одним из ключевых факторов в ценообразовании является то, что в России нет собственного производства вакуумных трубок для солнечных коллекторов, а падение курса рубля по отношению к доллару значительно отразилось на цене. Равный по площади плоскому коллектору вакуумный коллектор, как правило, в два раза дороже.
Вакуумные солнечные коллекторы имеют хорошую теплоизоляцию. Это создаёт возможность использования их в холодном климате. Цилиндрическая форма позволяет улавливать в значительной степени больше по сравнению с плоским солнечным коллектором. Благодаря установке параболического концентратора с задней стороны они могут работать эффективно от восхода до заката. Солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок работают эффективно до температуры -35. В регионах с суровым климатом рентабельно использовать вакуумные солнечные коллекторы. Они обладают высокой надежностью. Трубки изготовлены из прочного стекла, которое способно выдерживать град довольно крупного размера. Вакуумные трубки имеют низкую парусность, поэтому нет шансов срывания вакуумного солнечного коллектора при воздействии сильного ветра. Солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок по сравнению с другими видами коллекторов способны генерировать тепловую энергию более высокого потенциала. Высокопотенциальная энергия может подойти для технологических нужд, а так же это позволяет уничтожить болезнетворные микробы, вирусы и многие другие возбудители заболевания.
Плоские солнечные коллекторы имеют наилучший параметр «цена/качество», так как имеют оптимальную стоимость и теплопроизводительность. Они имеют простое конструктивное исполнение. Самым высокотехнологическим элементом является абсорбер, так как на него должно быть нанесено селективное покрытие. Плоские солнечные коллекторы способны улавливать прямое и рассеянное солнечное излучение. Производством плоских коллекторов в России занимается несколько фирм, что обеспечивает защиту от конъектуры внешних воздействий. Плоские солнечные коллекторы при разнице температур между теплоносителем и наружным воздухом приблизительно в 35 градусов оказываются эффективнее солнечных коллекторов на основе вакуумных трубок. Но при разнице температур наружного воздуха и теплоносителя свыше 40 градусов их КПД становится ниже, чем у вакуумного коллектора.
Таким образом, для климатических условий Краснодарского края рентабельнее всего использовать плоские солнечные коллекторы. Солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок подойдут для суровых климатических условий, например, в тех регионах РФ, где возникают отрицательные температуры наружного воздуха. Открытые солнечные коллекторы целесообразно использовать в условиях Краснодарского края в летнее время для нужд горячего водоснабжения и подогрева бассейна.
Литература:
- Сельницын А. С. Мониторинг отклонения напряжения и частоты для определения качества электрической энергии // Молодой ученый. — 2015. — № 20. — С. 76–79.
- Сельницын А.С, Сельницын С. А. Структура ветровой энергоустановки с накопителями энергии на основе водородного электрохимического цикла //Роль инноваций в трансформации современной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции (20 ноября 2015 г., г. Казань). / В 3 ч. Ч.2 — Уфа: АЭТЕРНА, 2015. — С.62–64.
- Алмаев А. Ю., Лушкин И. А. Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов солнечной энергии//Вестник НГИЭИ. 2015. № 6 (49). С. 16–20.
- Научно-прикладной справочник «Климат России» [Электронный ресурс]. URL: http://aisori.meteo.ru/ClspR (дата обращения:25.12.2015).
