Нагрев воды солнцем с помощью солнечных коллекторов, один из немногих экономичных способов получения альтернативной энергии. Однако, для обеспечения эффективности систем с солнечными нагревателями, необходимо знать реальные возможности различных конструкций солнечных коллекторов и систем на их основе при работе в разных режимах.

Реальный режим работы солнечного нагревательного коллектора несколько отличается от технических характеристик производителей и продавцов. Необходимо учитывать не только количество поступающей солнечной энергии, но и особенности конструкции и режим работы всей системы для нагрева воды.

Для анализа рассмотрим, как работает плоский солнечный коллектор. Количество получаемой солнечной энергии зависит не от общей площади, которую занимает солнечный коллектор, а от площади тепловоспринимающей поверхности. Если сделать коллектор из радиатора холодильника или из прямоугольных труб, то тепловоспринимающая поверхность будет равна площади поперечного сечения труб, перпендикулярного солнечным лучам. Для увеличения площади тепловоспринимающей поверхности, трубы для теплоносителя укладывают на металлические листы таким образом, чтобы был хороший тепловой контакт от нагреваемого солнцем листа к трубам. Некоторые конструкции солнечного коллектора имеют плоскую наружную поверхность, внутри которой находятся каналы для жидкости.

Тепловоспринимающая поверхность солнечного коллектора обязательно должна иметь тёмную, а лучше чёрную поверхность, которая хорошо поглощает и плохо отражает солнечные лучи. Такие поверхности поглощают примерно от 80 до 99 процентов падающего на них светового излучения. Часть солнечной энергии в виде тепла передаётся теплоносителю, а часть через передачу теплу воздуху, теплопроводность и в виде теплового излучения уходит в окружающую среду.

Для уменьшения тепловых потерь применяют теплоизолированный корпус и остекление верхней, освещаемой солнцем поверхности. Очень хорошую теплоизоляцию имеют вакуумные солнечные коллекторы. У них трубки с теплоносителем отделены от окружающего воздуха другими прозрачными трубками, а между трубками создают вакуум. Эти трубки занимают часть внутреннего объёма, поэтому вакуумный солнечный коллектор имеет значительно меньшую тепловоспринимающую поверхность, чем сплошной плоский солнечный коллектор, но и меньшие потери тепла.

Количество солнечной энергии, которое получает коллектор, зависит не только от интенсивности освещения, но и от угла, под которым падают лучи. Первые солнечные лучи несут немного энергии и если они падают на стеклянную поверхность солнечного коллектора под острым углом, то отражаются от гладкой поверхности. Максимальное количество солнечного тепла коллектор получает в том случае, когда коллектор расположен перпендикулярно солнечным лучам. Поэтому в средних широтах солнечный коллектор целесообразно ориентировать на южную сторону под углом примерно 45⁰ или немного больше.

По режимам работы. Считаем, что изначально рано утром температура жидкости в солнечном коллекторе и температура окружающего воздуха равны. Когда солнце поднимается выше, то лучи будут лучше освещать поверхность солнечного коллектора. Часть энергии будет отражаться стеклом, часть поглощаться и основная часть будет нагревать коллектор и теплоноситель. Если стекло чистое, то потери от стекла составят единицы процентов, а если загрязнённое, то десятки процентов. Поэтому при установке солнечного коллектора желательно предусмотреть доступ и возможности очистки покровного стекла. Стекло хорошо пропускает внутрь коллектора солнечные лучи и плохо пропускает наружу тепловые длинноволновые лучи. Некоторые производители упоминают про селективное стеклянное покрытие для своих солнечных коллекторов.

В первое время, пока температура солнечного коллектора небольшая, тепловые потери будут небольшими. Ближе к полдню величина солнечной энергии будет максимальной, и некоторое время меняется незначительно. В этот период температура теплоносителя повышается до некоторой конечной величины и больше не поднимается, не смотря на то, что интенсивность солнечного излучения близка к максимальной. В таком режиме работы КПД солнечного нагревателя постепенно уменьшается и становится равным нулю. Это происходит потому, что с ростом температуры увеличиваются и тепловые потери через теплопроводность, конвенцию и тепловое излучение. Величина тепловых потерь и конечная температура зависит от конструкции солнечного коллектора, качества изоляции, разности между достигнутой температурой и температурой окружающей среды, а также от силы ветра. Количество воды нагретой солнечным коллектором до максимальной температуры будет очень небольшим, хотя количество солнечной энергии, несколько часов падающей на коллектор было внушительным. Поэтому расчёты и утверждения, что с помощью солнечного коллектора можно получить высокую температуру с большим КПД, являются неверными. По мере опускания солнца интенсивность солнечного излучения уменьшается, снижается температура воздуха и температура теплоносителя у солнечного коллектора.

Чтобы получить максимальную производительность солнечного нагревателя, необходимо своевременно, по мере нагрева воды, отбирать из коллектора нагретую воду и обеспечить поступление холодной. Чем холоднее вода находится в коллекторе, тем лучше она воспринимает тепло и выше КПД системы нагрева воды. Чаще всего для обеспечения необходимого движения воды используют циркуляционные насосы и баки накопители. Но, без умной автоматики такие насосы перемешивают всю массу воды, поэтому не всегда можно получить достаточно высокую температуру воды. Если своевременно не выключить циркуляционный насос, то после захода солнца, циркулирующая по трубам и коллектору вода, быстро остынет. Поэтому я рекомендую при возможности устанавливать солнечный коллектор ниже бака накопителя. Тогда из-за различной плотности холодной и горячей воды, нагретая жидкость сама будет подниматься в накопительный бак, и собираться в его верхней части, откуда и следует отбирать нагретую воду. Так можно получить достаточно высокую температуру и при небольшом количестве солнечной энергии в осенний и весенний период. Если солнечный коллектор и бак накопитель имеют хорошую теплоизоляцию, то тёплой водой можно пользоваться круглосуточно.

Как это ни покажется странным, высокий КПД могут иметь солнечные нагреватели очень простой конструкции. Такую конструкцию имеют солнечные нагреватели для бассейнов. Обычно их изготавливают из чёрных пластмассовых труб без всякой теплоизоляции. Как правило, летом вода в бассейне холоднее воздуха. Поэтому прокачиваемая по трубам холодная вода нагревается не только солнечными лучами, но и тёплым воздухом. При таком режиме работы солнечный нагреватель для бассейна будет иметь КПД больше 100%.

Свои особенности в работе имеют и вакуумные солнечные коллекторы. У них трубки с теплоносителем изолированы от окружающей среды другими стеклянными трубками. Хорошая теплоизоляция позволяет летом нагреть воду солнцем, при отсутствии циркуляции, до температуры больше 100 ⁰С и жидкость может закипеть. Для предотвращения этого, нужно использовать циркуляцию достаточно большого объёма жидкости или дополнительное охлаждение. Если есть возможность регулировки по высоте, то можно увеличить угол наклона ближе к вертикальному положению. Такое положение солнечного коллектора несколько уменьшит общее количество тепла, но зато его поступление будет более равномерным в течение дня. Вакуумный коллектор позволяет получать достаточно высокую температуру даже зимой. Но, из-за низких потерь тепла снег на нём практически не тает и может закрыть доступ к солнечному теплу. Серьёзные недостатки вакуумного коллектора, это его высокая стоимость и со временем нарушается вакуум, который нужно восстанавливать.

Любой солнечный коллектор, предназначенный для работы при минусовой температуре нужно заполнять незамерзающей жидкостью, например, тосолом, а тепло нагреваемой воде передавать через теплообменник. У солнечных коллекторов, предназначенных для работы при плюсовой температуре, воду перед наступлением заморозков надо обязательно сливать, иначе замершая вода может нарушить герметичность коллектора.

Летом температура воды, как от вакуумных, так и плоских солнечных коллекторов, может быть слишком высокой и непригодной для непосредственного использования. Чтобы не получить случайные ожоги, нужно внимательнее контролировать температуру, а ещё лучше предусмотреть возможность смешивания или разбавления горячей воды.

Чаще всего корпуса плоских солнечных коллекторов изготавливают из чернёного алюминия, достаточно лёгкого и прочного металла. Чтобы получить ещё лучшие технические характеристики, коллектор изготавливают из меди, как лучшего проводника тепла, применяют специальные покрытия почти не отражающие солнечные лучи, а также селективное стеклянное покрытие. Производительность таких коллекторов на десятки процентов больше, а стоимость может вырасти в разы. Чтобы определить экономическую эффективность системы с солнечным нагревателем, нужно расчитать стоимость нагрева воды от различных источников энергии. А при желании можно сделать недорогие солнечные коллекторы своими руками.