Солнечные коллекторы являются одними из наиболее эффективных альтернативных источников энергии, поскольку, минуя фазу преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию, вырабатывают тепло в “чистом виде”.
Структуру стандартной нагревающей системы на базе солнечного коллектора можно представить схематически следующим образом:
Электромагнитное излучение солнца облучает поверхность поглощающего устройства (собственно коллектора) установленного на крыше здания. Внутри коллектора, под воздействием излучения, происходит нагрев циркулирующего теплового носителя (антифриза или, реже, воды). Далее теплоноситель попадает в теплообменник бака-накопителя, где передает полученную тепловую энергию воде. Отдав тепло, тепловой носитель возвращается в коллектор. Циркуляция теплоносителя, обеспечиваемая насосом будет осуществляться до тех пор, пока температура воды в баке-накопителе не достигнет нужного значения. Контроллер солнечной тепловой системы регулирует все необходимые параметры воды. В случае низкой солнечной активности в данной местности или для обеспечения бесперебойного функционирования в холодное время года, к баку-накопителю может параллельно подключаться малогабаритный электрический котел.
По способу поглощения энергии электромагнитного излучения солнечные коллекторы делятся на:
Рассмотрим подробнее каждый из видов.
Плоские солнечные коллекторы.
Стоит отметить, что данный вид солнечных коллекторов является наиболее распространенным и чаще других используется в системах отопления и подогрева воды. Ниже приведен рисунок, иллюстрирующий устройство плоского солнечного коллектора.
Конструктивно плоский солнечный коллектор представляет собой панель прямоугольной формы. Корпус коллектора выполняется из алюминия и имеет два патрубка для подвода и вывода жидкого теплового носителя. Дно и боковые стенки корпуса плоского солнечного коллектора покрываются слоем теплоизоляционного материала (толщиной порядка 5см.), что способствует существенному снижению потерь тепла. Элементом, непосредственно поглощающим энергию солнечного излучения (абсорбером), является пластина изготовленная их металла с высоким показателем теплопроводимости. Чаще всего светопоглощающие пластины делают из меди (значительно реже из алюминия или стали). Для улучшения поглощающей способности, пластины дополнительно покрываются тонким слоем аморфного полупроводника – высокоселективным покрытием с крайне низким коэффициентом излучения в инфракрасном диапазоне спектра. Поглощающий элемент спаян с теплопроводящей системой – параллельными медными трубками, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Нагреваясь, абсорбер передает тепло трубкам. Сверху поглощающий энергию элемент покрывается листом матового стекла, пропускающим солнечное излучение внутрь коллектора и практически не выпускающим его назад. Это также повышает эффективность солнечного коллектора, снижая уровень тепловых потерь.
К основным достоинствам плоских солнечных коллекторов несомненно можно отнести простоту конструкции, высокую надежность в эксплуатации, невысокую стоимость.
Вакуумные солнечные коллекторы.
Невзирая на очевидные достоинства, плоские солнечные коллекторы обладают одним существенным недостатком, – в холодное время года или в затянувшийся период облачности их теплопроизводительность резко снижается. Этот недостаток устранен в вакуумных солнечных коллекторах. Рисунок, приведенный ниже, иллюстрирует устройство вакуумного солнечного коллектора.
Конструктивно вакуумный коллектор представляет собой открытый несущий корпус-платформу, на котором неподвижно закреплены элементы поглощающие энергию электромагнитного излучения солнца – абсорберы. Каждый из абсорберов – это двойная трубка. По внутренней полости трубки меньшего диаметра протекает жидкость-теплоноситель, которая, циркулируя через теплообменник, нагревает воду бака-накопителя. Внутренняя же полость трубки большего диаметра герметизирована и из нее полностью выкачан воздух. Созданный вакуум служит лучшим термоизолятором, поскольку он исключает потери тела, которые обуславливаются конвекцией и теплопроводимостью воздуха. Кроме того, наружная трубка защищает внутреннюю трубку-абсорбер от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Как внешняя, так и внутренняя трубы сделаны из высокопрочного боросиликатного стекла, с тем лишь различием, что внешняя труба – прозрачная, а внутренняя покрыта селективным покрытием с минимальным коэффициентом отражения. Помимо отличных энергосберегающих показателей вакуумные солнечные коллекторы обладают еще одним важным эксплуатационным достоинством – модульной структурой, т.е. коллекторы этого типа позволяют добавлять или убирать нужное количество вакуумных трубок.
Единственным недостатком вакуумных солнечных коллекторов является достаточно высокая, в сравнении с плоскими коллекторами, стоимость.
Расчет эффективности солнечных коллекторов
Для оценки эффективности работы солнечных коллекторов (как плоских панельных так и вакуумных), можно провести следующие, достаточно простые, расчеты, учитывающие, тем не менее, географическое положение солнечной установки и время года.
В начале определим среднюю дневную тепловую энергия, вырабатываемую коллектором (Ек., кВт/день). Для этого из таблицы среднего месячного уровня солнечной радиации в некоторых городах Украины (таблица приводилась в главе “Солнечные батареи”) берем интересующее нас значение (Ес., кВч/м2/день) и затем умножаем его на рабочую площадь солнечного коллектора (Sр., м2) и его коэффициент полезного действия (η) (принимается равным 0.8).
Ек.= Ес.* Sр.* η (кВт/день)
Затем необходимо определить какой объем воды (Vдн., л.), нагреваемой коллектором, будет использоваться в течении дня. Эта величина зависит от индивидуальных запросов и выбирается самостоятельно (например 50 или 100 литров).
Известно, что теплоемкость воды (с, Вт /кг*град) равна 4200 Дж/кг*град 1,16 Вт /кг*град (т.к. 1 Ватт = 3600 Дж.), т.е. для того, чтобы нагреть 1 кг воды на один градус необходимо затратить порядка 1,16 Вт (0,00116 кВт) мощности.
Поделив значение средней дневной тепловой энергии на объем теплой воды, который затрачивается за день, и теплоемкость воды, получаем значение температуры, на которую в заданных условиях солнечный коллектор указанной рабочей площади сможет нагреть требуемый объем воды.
Тк.= Ек./ (Vдн.* с) (ºС)
Если в результате расчета выясняется, что температура нагрева недостаточно высока, то стоит изменить рабочую площадь коллектора – установить дополнительные панели или вакуумные трубки.
