Солнечный коллектор

ПЛАН:

1. Солнечный коллектор
2. Недостатки солнечного коллектора
3. Типы солнечных коллекторов

а) Температурные коллекторы

б) Интегрированный коллектор

в) Плоские коллекторы

г) жидкостные коллекторы

д) воздушные коллекторы

е) вакуумированные коллекторы

     4) Концентраторы

     5) Принцип  работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Изобретение относится к  области создания высокотемпературных  солнечных энергетических установок  с концентраторами солнечного излучения  и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется  тепловая энергия. Сущность изобретения  заключается в том, что в солнечном  коллекторе, содержащем теплоизолированный корпус, в верхней части которого размещена пластина из набора линзовых концентраторов, под которыми в фокальной  плоскости расположен теплоприемник, состоящий из тепловоспринимающей  поверхности, согласно изобретению  тепловоспринимающая поверхность  выполнена выпукло-вогнутой, состоящей  из вогнутых ячеек и повторяющей  пространственную кривую, описываемую  фокальной точкой. Корпус снабжен  установленным над линзами сферическим  светопрозрачным ограждением и вакуумирован или заполнен газом, у которого длина свободного пробега молекул минимальна. В коллекторе под тепловоспринимающей поверхностью теплоприемника может быть расположена полость для подачи и отвода высокотемпературного теплоносителя, забирающего энергию солнечного коллектора, а также возможно выполнение функции теплопроводника тепловоспринимающей поверхностью. Изобретение позволит обеспечить получение высоких температур теплоносителя без использования систем слежения за Солнцем.

Изобретение относится  к области создания высокотемпературных  солнечных энергетических установок  с концентраторами солнечного излучения  и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется  тепловая энергия, например, для получения  электрической энергии и холода с высоким КПД, а также в  бытовых установках.

Известен солнечный  коллектор, содержащий теплоизолированный корпус, концентратор которого выполнен в виде крышки, образованной расположенными в одной плоскости линзами, установленными над плоским теплоприемником  энергии. А энергоподвод выполнен в виде теплопроводящих металлических стержней по числу линз с выступающими над теплоприемником торцами, закрытыми оптически прозрачными колпачками с внутренним селективным покрытием для снижения потерь тепла излучением.

Известен высокотемпературный  солнечный коллектор, содержащий систему  линз в верхней части теплоизолированного  корпуса, расположенных двумя рядами друг над другом, нижний ряд которых имеет на верхней наружной поверхности селективный слой, и расположенный под ними теплоприемник с поглощающей лицевой стенкой в виде чередующихся воспринимающих излучение линейных полостных элементов с входными отверстиями и соединительными участками между ними, а фокальные линии линз расположены в зоне входных отверстий элементов.

Наиболее близким  к предложенному является солнечный коллектор, содержащий теплоизолированный корпус, в верхней части которого расположена пластина из набора трубчатых линз, под которыми в фокальной плоскости расположен теплоприемник, состоящий из тепловоспринимающей поверхности и трубчатого нагревателя.

Недостатком известного коллектора является невозможность максимального улавливания солнечной энергии в течение светового дня при перемещении Солнца по небесному небосводу и, как следствие этого, невозможность получить высокие температуры, сложность конструкции.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение высоких температур солнечным коллектором без использования  следящих за Солнцем устройств.

ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Типичный солнечный коллектор  накапливает солнечную энергию  в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических  пластин, окрашенных в черный цвет для  максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или  пластмассовый корпус и наклонены  к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор  представляет собой миниатюрную  теплицу, накапливающую тепло под  стеклянной панелью. Поскольку солнечная  радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую  площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций  в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство  горячей водой для стирки, мытья  и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей  коллекторов. Их можно разделить  на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

Низкотемпературные  коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.  
       Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.  
       Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

Интегрированный коллектор

Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный  коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим  баком, в котором нагревается  и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых  колонках. В условиях домашнего хозяйства  предварительно подогретая вода поступает  в бак-накопитель. Благодаря этому  снижается потребление энергии  на последующий ее нагрев. Такой  коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. К этому виду коллекторов принадлежат  также "Integrated Collector and Storage" - интегрированные коллекторы-накопители. Они состоят из одного или нескольких черных баков, наполненных водой и помещенных в теплоизолированный ящик, накрытый стеклянной крышкой. Иногда в ящик помещают также рефлектор, усиливающий солнечное излучение. Свет проходит сквозь стекло и нагревает воду. Эти устройства совсем недороги, однако перед наступлением холодов воду из них необходимо слить либо защитить от замерзания.

Плоские коллекторы

Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и  отопительных системах. Обычно этот коллектор  представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который  помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием  железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор  солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а  благодаря остеклению снижаются  потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает  тепловые потери.

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной  энергии, чем светлые. Солнечный  свет проходит через остекление и  попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая  солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей  по трубкам. Поскольку большинство  черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающей радиации, некоторые  пластины-поглотители обрабатываются специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный  солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. Селективное  покрытие, используемое в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого  слоя аморфного полупроводника, нанесенного  на металлическое основание. Селективные  покрытия отличаются высокой поглощающей  способностью в видимой области  спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Поглощающие пластины обычно изготовлены  из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Медь дороже, но лучше проводит тепло  и меньше подвержена коррозии, чем  алюминий. Пластина-поглотитель должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными.

Жидкостные коллекторы

В жидкостных коллекторах солнечная  энергия нагревает жидкость, текущую  по трубкам, прикрепленным к поглощающей  пластине. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости.

Трубки могут располагаться  параллельно друг другу, причем на каждой имеются входное и выпускное  отверстия, либо в виде змеевика. Змеевидное расположение трубок устраняет возможность  протекания через соединительные отверстия  и обеспечивает равномерный поток  жидкости. С другой стороны, при спуске жидкости во избежание замерзания могут  возникнуть трудности, так как в  изогнутых трубках может местами  оставаться вода.

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая  нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню  и т.п. Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. В регионах с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в холодное время года, когда температура  опускается до точки замерзания; либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. В таких  системах жидкий теплоноситель поглощает  тепло, накопленное коллектором, и  проходит через теплообменник. Теплообменником  обычно служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде. Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").

Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева бытовой воды, а  также для отопления помещений. Неостекленные коллекторы обычно нагревают  воду для бассейнов. Поскольку таким  коллекторам не нужно выдерживать  высокую температуру, в них применяются  недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в защите от замерзания, так как используются в теплое время года.

Воздушные коллекторы

Воздушные коллекторы имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых  порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в  воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. В воздушных системах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных, например, пластмассовое остекление, потому, что рабочая температура в них ниже.

Воздушные коллекторы представляют собой  простые плоские коллекторы и  используются в основном для отопления  помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Поглощающими пластинами в  воздушных коллекторах служат металлические  панели, многослойные экраны, в том  числе и из неметаллических материалов. Воздух проходит через поглотитель  благодаря естественной конвекции  или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю  меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях  к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают  турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции  в том, что она расходует энергию  на работу вентиляторов, таким образом  увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между  пластиной-поглотителем и утепленной задней стенкой коллектора: таким  образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 оС выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных  коллекторов являются их простота и  надежность. Такие коллекторы имеют  простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может  прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Однако применение солнечных воздухонагревателей  по-прежнему ограничивается отоплением помещений и сушкой сельскохозяйственной продукции, в основном в развивающихся  странах. Есть несколько факторов, ограничивающих более широкое применение воздушных  коллекторов в промышленном масштабе. Среди них большая площадь  коллекторов из-за малой плотности  и низкой удельной теплоемкости воздушного теплоносителя по сравнению с  жидкостным; необходимость длинного воздуховода; высокая потребность в электроэнергии для прогонки воздуха через коллектор, а также трудности аккумулирования теплоты. В регионах с относительно низким поступлением солнечной радиации и долгими периодами неблагоприятной погоды требуется дополнительное тепло; в результате стоимость капиталовложений настолько возрастает, что это ограничивает конкурентоспособность солнечных коллекторов по сравнению с традиционными отопительными системами. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов.