Виды солнечных коллекторов: от простейших до вакуумных

С древнейших времен человечество стремилось обуздать энергию Солнца. Легенды об Архимеде, сжигавшем вражеский флот с помощью зеркал, и первые «горячие ящики» швейцарского ученого Ораса де Соссюра в XVIII веке — все это вехи на пути к современным гелиосистемам. Сегодня, в эпоху повышенного внимания к энергоэффективности и экологии, солнечные тепловые коллекторы переживают ренессанс, предлагая эффективные решения для горячего водоснабжения (ГВС) и поддержки систем отопления.

Однако рынок предлагает огромное разнообразие конструкций, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Неправильный выбор коллектора может привести к разочарованию и напрасным тратам. Цель данного материала — предоставить исчерпывающий, экспертный анализ всех основных типов солнечных коллекторов, от самых простых до высокотехнологичных вакуумных систем, чтобы вы могли сделать осознанный и технически грамотный выбор.

1. Безнапорные (открытые) солнечные коллекторы: простота и сезонность

Открытые солнечные коллекторы (СК) — это родоначальники бытовых гелиосистем. Их ключевая особенность, определившая название, заключается в полном отсутствии какой-либо изоляции или защитного остекления. Поверхность, поглощающая солнечное излучение (абсорбер), напрямую контактирует с окружающей средой. Конструктивно они делятся на два основных типа:

• Трубчатые: Представляют собой систему из последовательно соединенных трубок, обычно из полимерных материалов или металла, по которым циркулирует теплоноситель.
• Объемные (накопительные): Фактически это емкость (например, бак или бочка), окрашенная в темный цвет, в которой вода нагревается статически. Классический пример — летний дачный душ.

В качестве теплоносителя в таких системах чаще всего используется вода, реже — незамерзающие жидкости (антифризы), если есть риск кратковременных ночных заморозков. Сфера применения таких устройств ограничена сезонными задачами в теплое время года: подогрев воды для летних душей, наполнение открытых детских бассейнов, а также для хозяйственных нужд на приусадебных участках.

Рис. 1. Некоторые примеры исполнения простейших водяных и воздушных тепловых солнечных коллекторов

Промышленные решения и их особенности

На рынке существуют и промышленные модели открытых коллекторов. Как правило, это маты из черного, устойчивого к ультрафиолету пластика (например, EPDM-резины) с интегрированными каналами для циркуляции воды. Солнце нагревает поверхность мата, который, в свою очередь, передает тепло воде. Такие системы популярны для подогрева больших сезонных бассейнов, позволяя продлить купальный сезон.

Рис. 2. Солнечные тепловые коллекторы открытого типа промышленного изготовления для бассейнов

Анализ преимуществ и недостатков

Главное и, по сути, единственное преимущество таких устройств — исключительная дешевизна и простота конструкции, что позволяет изготавливать их самостоятельно из подручных материалов.

Однако список недостатков гораздо шире и напрямую вытекает из их конструкции:

• Критически низкая эффективность: Отсутствие изоляции приводит к колоссальным теплопотерям. Абсорбер одновременно нагревается солнцем и интенсивно охлаждается окружающим воздухом (конвективные потери), ветром и излучает тепло обратно в атмосферу (радиационные потери).
• Сильная зависимость от погодных условий: Эффективный нагрев возможен только в ясный, солнечный и безветренный день. Появление облаков или усиление ветра практически мгновенно прекращает процесс нагрева и запускает процесс быстрого остывания.
• Ограниченный температурный напор: Система способна обеспечить лишь небольшой нагрев воды, с перепадом температуры относительно окружающего воздуха не более 15-20 °С. Этого достаточно для летнего душа, но абсолютно неприемлемо для ГВС или отопления.
• Строго сезонное использование: Применение возможно только в летний период в регионах с устойчивой теплой погодой.

Попытки улучшить конструкцию, например, путем добавления теплоизоляции с тыльной стороны или установки прозрачного экрана спереди, неизбежно превращают открытый коллектор в устройство следующего, более сложного класса — плоский закрытый коллектор.

Эффективность (КПД) открытых коллекторов

Говорить о высоком КПД для данных систем не приходится. Хотя некоторые источники указывают теоретический максимальный оптический КПД на уровне 90% (равный поглощающей способности черной краски), реальные эксплуатационные показатели dramatically ниже. Из-за неплотной укладки труб (в трубчатых моделях) и значительных теплопотерь, реальный средний КПД редко превышает 30–50% даже в идеальных условиях. Точный расчет КПД для самодельных конструкций нецелесообразен, так как он зависит от множества неконтролируемых факторов.

2. Плоские (застекленные) солнечные коллекторы

Плоские коллекторы представляют собой следующий эволюционный шаг в развитии гелиотехники. Их ключевое отличие — наличие герметичного корпуса с прозрачным покрытием, который изолирует абсорбер от прямого воздействия окружающей среды, создавая внутри «парниковый эффект». Согласно ГОСТ Р 51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия», такая конструкция должна обеспечивать долговечность и стабильность характеристик.

Рис. 3. Детальная конструкция закрытого плоского трубчатого солнечного коллектора

Конструктивные элементы и принцип работы

Стандартный плоский коллектор состоит из следующих ключевых узлов:

• Корпус: Прочная рама (обычно из анодированного алюминия), обеспечивающая жесткость всей конструкции.
• Прозрачное покрытие: Закаленное стекло с низким содержанием железа (для максимальной светопропускаемости) толщиной 3-4 мм. Оно защищает абсорбер от осадков, ветра и механических повреждений.
• Абсорбер: Лист из теплопроводного металла (медь или алюминий) со специальным высокоселективным покрытием, которое максимально поглощает солнечное излучение (до 95%) и минимизирует обратное тепловое излучение.
• Трубопроводы теплоносителя: Медные трубки, приваренные или припаянные к листу абсорбера, по которым циркулирует теплоноситель (вода или пропиленгликолевая смесь).
• Теплоизоляция: Слой минеральной ваты или пенополиуретана толщиной 35-50 мм на задней и боковых стенках корпуса для минимизации теплопотерь.

Принцип работы прост: солнечные лучи проходят через стекло и нагревают абсорбер. Тепло от абсорбера передается трубкам, а затем — циркулирующему в них теплоносителю. Нагретый теплоноситель поступает в бак-накопитель, где отдает тепло воде для ГВС или системы отопления.

Рис. 4. Некоторые конструкции плоских солнечных коллекторов и варианты их размещения на крышах зданий

Типы абсорберов и гидравлических схем

Абсорберы бывают двух основных видов: цельнолистовые и перьевые. В перьевых абсорберах трубка приваривается к отдельным узким пластинам, что несколько снижает эффективность теплопередачи по сравнению с цельнолистовыми, где трубки интегрированы с цельным листом металла.

Рис. 5. Перьевые и цельнолистовые абсорберы плоских коллекторов

Гидравлическая схема соединения трубок также различается:

• «Арфа» (коллекторный тип): Параллельные трубки соединяются двумя горизонтальными коллекторами большего диаметра. Эта схема имеет низкое гидравлическое сопротивление, но требует точной балансировки для равномерного распределения потока.
• «Меандр» (змеевик): Одна длинная изогнутая трубка. Обеспечивает равномерный прогрев, но создает высокое гидравлическое сопротивление, требуя более мощного циркуляционного насоса.

Рис. 6. Варианты соединения трубок в плоских коллекторах: «меандр» и «арфа»

Преимущества и недостатки плоских коллекторов

Преимущества:

• Высокая эффективность в летний период: Благодаря большой площади сплошного поглощения (апертурной площади) они отлично улавливают прямую солнечную радиацию.
• Оптимальное соотношение цена/производительность: Для сезонного использования (весна-осень) в умеренном климате это наиболее сбалансированное решение.
• Функция принудительного оттаивания: В отличие от вакуумных систем, в плоский коллектор можно подать теплый теплоноситель в обратном направлении, чтобы растопить снег или иней на стекле. Однако это требует затрат дополнительной энергии.

Недостатки:

• Значительное снижение эффективности зимой: Воздушная прослойка между стеклом и абсорбером является слабым теплоизолятором. В холодную и ветреную погоду теплопотери в атмосферу очень велики, что резко снижает производительность.
• Большие габариты и вес: Конструкция громоздкая и тяжелая, что усложняет транспортировку и монтаж, часто требуя привлечения спецтехники.
• Высокая парусность: При установке на рамах на плоских крышах требуют очень надежного и прочного крепления для противостояния ветровым нагрузкам.
• Сложность в ремонте: Повреждение стекла или другого элемента обычно требует демонтажа и замены всего коллектора целиком.

Анализ КПД плоских коллекторов

Мгновенный КПД плоского коллектора описывается формулой, учитывающей как оптические характеристики, так и теплопотери:

η = η_opt – k₁·(T_c – T_a)/I_s – k₂·(T_c – T_a)²/I_s

где:

• η — мгновенный КПД коллектора.
• η_opt — оптический КПД (доля излучения, достигшая абсорбера), для лучших моделей 0.80–0.85.
• k₁, k₂ — коэффициенты тепловых потерь, Вт/(м²·°С). Чем они ниже, тем лучше коллектор работает в холодную погоду.
• T_c — средняя температура теплоносителя в коллекторе, °C.
• T_a — температура окружающего воздуха, °C.
• I_s — интенсивность солнечного излучения, Вт/м².

Из формулы видно, что эффективность падает с ростом разницы температур между коллектором и окружающей средой (ΔT = T_c – T_a) и со снижением интенсивности солнечного излучения.

Рис. 7. Зависимость КПД плоского коллектора от разности температур и интенсивности солнечного излучения

На графике (Рис. 7) наглядно показано, что при высокой инсоляции (1000 Вт/м²) и небольшой разнице температур коллектор очень эффективен (КПД > 70%). Однако в пасмурную погоду (300 Вт/м²) он едва способен нагреть теплоноситель на 20-25 °С выше температуры воздуха, что делает его малопригодным для круглогодичной эксплуатации в большинстве регионов России.

3. Вакуумные трубчатые коллекторы

Вакуумные коллекторы — наиболее технологически совершенный и эффективный тип солнечных коллекторов, предназначенный для круглогодичной эксплуатации. Их основной элемент — стеклянные вакуумные трубки, работающие по принципу термоса (сосуда Дьюара).

3.1. Конструкция вакуумных трубок

Вакуум является идеальным теплоизолятором, практически полностью исключающим конвективные и кондуктивные теплопотери. В гелиосистемах применяют два основных типа трубок:

• Коаксиальные (двустенные): Две стеклянные трубки, одна вставлена в другую. Из пространства между ними откачан воздух, а на наружную поверхность внутренней трубки нанесено высокоселективное многослойное покрытие.
• Одностенные с перьевым абсорбером: Внутри одностенной вакуумной колбы размещается медная или алюминиевая пластина-абсорбер, к которой прикреплена тепловая трубка.

Рис. 8. Конструкция тонкостенной коаксиальной вакуумной трубки солнечного коллектора

Трубки изготавливаются из прочного боросиликатного стекла, способного выдерживать удары града диаметром до 35 мм. Для контроля герметичности на нижнем конце трубки наносится бариевый геттер — индикатор, который при разгерметизации (попадании воздуха) меняет свой цвет с серебристого на белый.

Рис. 9. Индикация уровня вакуума: серебристый цвет (слева) — норма, белый (справа) — потеря вакуума

3.2. Механизмы передачи тепла

Тепло, поглощенное абсорбером внутри трубки, передается основному теплоносителю системы двумя способами:

1. Прямой поток (Direct Flow): Через трубку проходит U-образный медный канал, по которому непосредственно циркулирует теплоноситель системы. Эта схема проста, но при повреждении одной трубки требует слива всей системы для ее замены.
2. Тепловая трубка (Heat Pipe): Наиболее распространенная и совершенная технология. Внутри запаянной медной трубки находится небольшое количество легкокипящей жидкости (например, вода под низким давлением). Под действием солнечного тепла жидкость внизу испаряется, пар поднимается в верхнюю часть трубки (конденсатор), которая вставлена в теплообменник манифолда (горизонтального коллектора). Там пар конденсируется, отдавая тепло теплоносителю системы, и в виде жидкости стекает вниз. Этот процесс повторяется непрерывно.

Рис. 10. Схема работы тепловой трубки «Heat Pipe»: испарение, конденсация и передача тепла

Ключевое преимущество технологии Heat Pipe — эффект «теплового диода»: тепло передается только в одном направлении, от трубки к манифолду. Кроме того, замена поврежденной трубки может производиться без остановки и слива всей системы.

3.3. Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов

Преимущества:

• Высочайшая эффективность круглый год: Благодаря вакуумной изоляции они эффективно работают даже при отрицательных температурах и в пасмурную погоду, улавливая рассеянное излучение.
• Высокая температура нагрева: Способны нагревать теплоноситель до 100 °С и выше, что позволяет использовать их не только для ГВС, но и для полноценной поддержки систем отопления.
• Долговечность и надежность: Срок службы качественных систем превышает 15-20 лет.
• Низкая парусность и ремонтопригодность: Конструкция из отдельных трубок менее подвержена ветровым нагрузкам, а замена трубок (особенно в системах Heat Pipe) проста.
• Эффективное использование площади: Цилиндрическая форма абсорбера позволяет эффективно поглощать солнечное излучение в течение всего дня, а не только в полдень.

Недостатки:

• Более высокая стоимость: Технологически сложные, они стоят дороже плоских аналогов, хотя массовое производство постепенно снижает эту разницу.
• Невозможность принудительного оттаивания: Из-за вакуумной изоляции растопить снег на трубках путем подачи теплоносителя невозможно. Однако на гладких круглых трубках снег и иней задерживаются хуже, чем на плоской поверхности.
• Меньшая апертурная площадь на габаритный м²: Из-за зазоров между трубками площадь поглощающей поверхности на единицу общей площади коллектора меньше, чем у плоских моделей. Этот недостаток компенсируется более высокой эффективностью и способностью работать в широком диапазоне углов падения солнечных лучей.

Рис. 11. Цилиндрическая форма трубок позволяет эффективно работать при разных углах падения солнечных лучей

4. Сравнительный анализ и рекомендации по выбору

Выбор конкретного типа солнечного коллектора должен основываться на четком понимании поставленных задач, климатических условий региона и бюджета. Ниже представлена сравнительная таблица для наглядности.

Ключевые выводы для потребителя:

• Для сезонной дачи или подогрева бассейна в южном регионе нет смысла переплачивать — идеально подойдет открытый или плоский коллектор.
• Для обеспечения горячей водой частного дома с весны по осень в средней полосе оптимальным выбором по соотношению цена/качество будет плоский коллектор.
• Если цель — максимальная автономия, круглогодичное ГВС и существенная экономия на отоплении даже в условиях суровой зимы, единственным верным решением является вакуумный трубчатый коллектор.

Заключение

Солнечная тепловая энергетика прошла долгий путь развития, и сегодня предлагает надежные и эффективные технологии для каждого. Понимание фундаментальных различий в конструкции, принципах работы и эксплуатационных характеристиках открытых, плоских и вакуумных коллекторов является ключом к успешной реализации гелиосистемы. Как показывает мировой опыт, наибольшую долю рынка занимают именно вакуумные и плоские коллекторы как наиболее универсальные и эффективные решения.

Рис. 12. Доли различных солнечных тепловых коллекторов, используемых в мире [4]

Инвестиции в правильно подобранную солнечную систему — это не только вклад в снижение счетов за коммунальные услуги, но и шаг к энергетической независимости и сохранению окружающей среды для будущих поколений.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 51595-2000: Коллекторы солнечные. Общие технические условия.
2. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
3. 2017 Institute for Solar Technology Oberseestrasse 10 CH- 8640 Rapperswil Tel. +41 55 222 48 21 info@spf.ch Impressum GTC.
4. Бутузов В.А. Обзор мирового рынка солнечных систем теплоснабжения // Журнал С.О.К., № 12/2013.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в Современные технологии производства

Старший инженер по обслуживанию транспорта с 25 летним стажем

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Диагностика электронных систем автомобиля: этапы, оборудование и расшифровка кодов ошибок - 06.09.2023
• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023
• Арамидные волокна — кевлар и композиты на их основе: свойства, производство, применение - 16.07.2022