Возникает вопрос: почему же, если все так ясно и просто, солнечные установки не наблюдаются на каждом доме, ведь энергия при этом, как говорится, достается даром? Попробуем разобраться с этим вопросом.

Возможных конкретных воплощений гелиоустановок много: есть автономные мини-установки (рис. 7.19), есть даже компактные отопительные системы (рис. 7.20), кто-то предлагает контур на водопроводных трубах, кто-то рекомендует использовать (для коллекторов в частности) тонкостенные стальные или медные трубы (и в этом есть резон). Одних только коллекторов существует великое множество – от простейших – с применением шланга (поз. 1, 2, 3 на рис. 7.21) до изготовленных с использованием сложнейших технологий (поз. 7, 8). Но сложились и решения, буквально кочующие из описания в описание. Больше всего это относится к самым сложным узлам – коллекторам. Традиционно это плоский ящик с остекленной верхней гранью. В нем находится нагреватель теплоносителя: чаще всего трубчатый – либо змеевик, либо подводящий и отводящий патрубки, соединенные системой параллельных трубок. Внутренняя поверхность ящика, как правило, зачернена, а боковые стенки и днище – теплоизолированы.

Рис. 7.18. Типичная схема гелиоустановки: 1 – днище корпуса коллектора; 2 – рама корпуса коллектора; 3 – теплоизоляция; 4 – трубчатый коллектор; 5 – зачерненная поверхность; 6 – стекло; 7 – штапики

Рис. 7.19. Автономная мини-водогрейка: 1 – бак; 2 – рама корпуса коллектора; 3 – теплоизоляция; 4 – трубчатый змеевик; 5 – крепежный лист; 6 – стекло

Рис. 7.20. Компактная отопительная установка

Рассмотрим назначение всех элементов конструкции. Ящик – это корпус узла, которого без корпуса вроде бы и нет. Стекло закрывает внутреннюю полость корпуса от атмосферных влияний и пропускает в коллектор лучистую энергию, ради поглощения которой все и делается. А можно ли без стекла? В принципе можно, но что станет с конструкцией, если ее будет заливать дождевая вода? Кроме того, стекло выполняет еще одну роль: оно снижает потери тепла коллектором за счет охлаждения его наружным воздухом (вспомним парник). Черное покрытие внутри ящика служит для повышения поглощательной способности коллектора – увеличения «усвоения» пришедшей на данную площадь лучистой энергии. Теплоизоляция снижает теплопотери с незастекленной части корпуса коллектора.

Рис. 7.21. Различные солнечные коллекторы: 1-е использованием резинового шланга; 2-е использованием шланга на гофрированной кровле; 3-е использованием шланга на металлической кровле; 4 – трубчатый коллектор; 5 – панельный коллектор; 6 – плоский коллектор; 7 – коллектор на тепловых трубах; 8 – высокоэффективный трубчатый коллектор

И повышение поглощательной способности, и снижение теплопотерь коллектора повышают его «равновесную» температуру. Что это такое? Поскольку на освещенную солнцем поверхность падает поток лучистой энергии[1] , часть которой этой поверхностью поглощается, температура ее должна расти. Вопрос: до какого значения? Если бы энергия только поглощалась, то до бесконечности. Однако этого не происходит потому, что идет не только поглощение энергии, но и ее сброс. В нашем случае энергия тратится частично с пользой – греется вода, а частично бесполезно рассеивается в окружающую среду (теплопотери). Сброс тепла с поверхности тем больше, чем выше ее температура. Если поглощение энергии больше, чем ее сброс, температура поверхности растет. Но тогда растет и сброс – до тех пор, пока не сравняется с поглощением при температуре, которая и называется «равновесной». Попросту говоря, это та температура любой реальной поверхности, до которой она нагреется на солнце.

Теплоноситель (воду) в контуре в принципе можно нагреть до равновесной температуры коллектора за вычетом некоторого температурного перепада, величина которого определяется совершенством конструкции гелиоустановки в целом. Чем выше качество коллектора, тем выше его равновесная температура, меньше достижимый температурный перепад и выше КПД – доля полезного тепла. Но именно достижение наилучших значений этих показателей и сопряжено с наибольшими затратами – хорошие коллекторы очень дороги, что и сдерживает их широкое распространение.

При желании же изготовить качественный коллектор также не удастся избежать значительных материальных и трудозатрат. Для их определения необходимо в первую очередь оценить параметры установки в целом. И тут главным, пожалуй, является вопрос о ее мощности, величина которой определяется хозяйственными нуждами, на удовлетворение которых нацелена гелиоустановка. Если отапливается дом, то какой: площадь ограждений, качество их теплоизоляции и т. п. Если потребляется подогретая вода – то ее температура и расход.

Мощность установки в первую очередь определяет потребную площадь коллектора, которая, кроме того, зависит еще от КПД установки в целом. Вопрос о КПД гелиоустановок довольно специальный и требует отдельного разговора, на что отвлекаться не будем. Отметим лишь, что для достижения его высоких значений (у коллекторов 85% и выше) промышленность использует специальные материалы и технологии, что недостижимо в условиях «домашнего» производства. Поэтому, если достичь КПД самодельной установки 50%, что очень хорошо, можно рассчитывать на получение полезных 400 – 500 Вт с 1 м2при самых благоприятных условиях. Это означает, что для получения мощности в 2 кВт (современный электрический чайник) нужно иметь 4 – 5 м2площади коллектора. Если учесть, что нынешние весьма экономичные коллекторы иностранного производства имеют конструкционную массу порядка 25 кг/м2, то легко представить себе, сколько же будет весить самодельный аналог, например, на водопроводных трубах.

Теперь посмотрим, что нам даст такая мощность установки. В случае с чайником все ясно: за несколько минут 1, 5 – 2 л воды доводятся до кипения. Но если не ставить перед гелиоустановкой такой задачи (из-за дороговизны ее решения), а задаться целью просто греть воду, что гораздо проще? Допустим, что мощность 2 кВт установка будет выдавать в течение 6 часов светового дня. Тогда запасенная энергия при всех наших допущениях составит 12 кВтч или 10 320 ккал. Если система заправлена 200 л воды, то эта энергия может поднять ее температуру на 51, 6 0С от исходного значения, при условии, конечно, что температура горячей воды не превзойдет равновесную температуру коллектора. Тем же теплом 300 л воды нагреются на 34, 4 0С, а 400 л – на 25, 8 0С. При этом понятно, что ухудшение рассмотренных нами параметров установки: площади и КПД коллектора, времени облучения и т. п. – приведет к снижению полученных результатов. Заметим также, что дешевле нагревать воду до более низких значений температуры, т. к. конструкция коллектора при этом проще.

Однако в любом случае она остается слишком сложной: тут и корпус, и герметичные соединения труб, и черная поверхность, и теплоизоляция, и остекление. Все это обеспечивается соответствующими наборами материалов и технологических операций. Хорошо бы было от всего этого отказаться, но из литературы следует – иначе нельзя. А так ли это?

Давно замечено, что кровля, из чего бы она ни была, в солнечные дни нагревается так, что именно от нее теплоизолируют мансардные помещения. Ясно, что кровля «в силу своего положения» уже является солнечным коллектором, поскольку хотим мы этого или не хотим, а лучистую энергию она поглощает. Кроме того, площадь кровли, как правило, несоизмерима с площадью промышленно изготавливаемых модулей коллекторов (1, 5 – 2 м2), которые объединяются в систему в зависимости от желаемой мощности.