Солнечный коллектор

Принцип действия

Воздушные солнечные коллекторы можно  разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3-5 оC из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют  снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и  теплоизоляции. Такой коллектор  изготавливают из черных перфорированных  металлических листов, которые позволяют  достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает  нагретый воздух сквозь отверстия в  металле. Такие коллекторы разного  размера используются в частных  домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в  коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

Традиционные простые плоские  солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.

Вакуумированные коллекторы являются модульными, т.е. трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде. При изготовлении коллекторов этого типа из пространства между трубками высасывается воздух и образуется вакуум. Благодаря этому устраняются потери тепла, связанные с теплопроводностью воздуха и конвекцией, вызванной его циркуляцией. Остается радиационная потеря тепла (тепловая энергия движется от теплой к холодной поверхности, даже в условиях вакуума). Однако эта потеря мала и незначительна по сравнению с количеством тепла, передаваемого жидкости в трубке-поглотителе. Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора - снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат - отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

Существует множество различных  видов вакуумированных коллекторов. В некоторых внутри трубки-поглотителя проходит еще одна, третья стеклянная трубка; есть и другие конструкции теплопередающих ребер и жидкостных трубок. Существует вакуумный коллектор, который вмещает по 19 литров воды в каждой трубке, устраняя, таким образом, потребность в отдельном баке для хранения воды. Можно также разместить позади вакуумных трубок рефлекторы, чтобы дополнительно концентрировать на коллекторе солнечную радиацию.

Такие факторы, как атмосферное  давление и технические трудности, связанные с запайкой оболочки коллектора, делают его производство весьма трудоемким. Для преодоления колоссальной силы атмосферного давления необходимо укрепить прозрачную оболочку массой внутренних опор. До сих пор не решена проблема создания эффективной высоковакуумной  системы при умеренной себестоимости. Имеет смысл применять и адаптировать более совершенные технологии, разработанные  для ламповой промышленности с ее испытанным массовым производством. Вполне осуществимо на практике создание трубчатого вакуумированного коллектора и поддержание в нем высокого вакуума по аналогии с электролампами и трубками для телевизоров. Для снижения потерь тепла через внутреннюю газовую атмосферу (т.е. конвективных потерь) необходимо поддерживать идеальную вакуумную изоляцию коллектора в течение всего периода его службы.

В регионах с высокими перепадами температур эти коллекторы гораздо  эффективнее плоских по ряду причин. Во-первых, они хорошо работают в  условиях как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Эта особенность  в сочетании со свойством вакуума  сводить к минимуму потери тепла  наружу делает эти коллекторы незаменимыми в условиях холодной пасмурной зимы. Во-вторых, благодаря округлой форме  вакуумной трубки, солнечный свет падает перпендикулярно поглотителю  в течение большей части дня. Для сравнения, в неподвижно закрепленном плоском коллекторе солнечный свет падает перпендикулярно его поверхности  только в полдень. Вакуумированные коллекторы отличаются более высокой температурой воды и эффективностью, чем плоские, но при этом они и дороже.

Концентраторы

Фокусирующие  коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Концентраторы работают лучше всего  тогда, когда они обращены прямо  к Солнцу. Для этого используются следящие устройства, которые в течение  дня поворачивают коллектор "лицом" к Солнцу. Одноосные следящие устройства поворачиваются с востока на запад; двуосные - с востока на запад  и с севера на юг (чтобы следить  за движением Солнца по небу в течение  года). Концентраторы используются в основном в промышленных установках, так как они дороги, а следящие устройства нуждаются в постоянном уходе. В некоторых бытовых солнечных  энергосистемах используются параболические концентраторы. Эти установки применяются  для горячего водоснабжения, отопления  и очистки воды. В бытовых системах применяются в основном одноосные  следящие устройства - они дешевле  и проще двуосных. Больше информации о концентраторах вы найдете в  главе о солнечных тепловых электростанциях.

Солнечный коллектор работает следующим образом.

Солнечные лучи после прохождения прозрачного ограждения попадают на линзовые концентраторы и концентрируются на их фокальных плоскостях, совпадающих с выпукло-вогнутой тепловоспринимающей поверхностью, образованной ячейками. Размеры линзовых концентраторов выбираются в соответствии с углами поля зрения в сагиттальных и меридиональных плоскостях и исходя из условия защиты от теплового воздействия теплоприемника. Теплоноситель по проводам передает энергию к потребителю. Емкости  и  соединены энергопроводами, находящимися в контакте с тепловоспринимающей поверхностью.

Системы слежения за положением Солнца ограничивают мощность установки  и резко удорожают ее.

Место положения фокальной  точки для любого положения Солнца может быть рассчитано и изготовлено  в виде поверхности с пространственной кривой, совпадающей с кривой перемещения  фокуса линзы в зависимости от положения Солнца.

         Применение солнечных коллекторов

С помощью солнечных коллекторов потребитель получает тепло и горячую воду по «нулевому тарифу». Так как есть затраты на приобретение самого солнечного коллектора. Само же тепло коллектор выдает буквально по нулевому тарифу... При динамичном росте тарифов на энергоносители, который наблюдается последнее время, решение вопроса горячего водоснабжения и теплоснабжения практически любых объектов, независимо от их назначения и объема за счет преобразования энергии излучения солнца становится всё актуальнее. Появились новые термины и определения. Например, системы, преобразующие солнечную энергию в тепловую и электроэнергию получили название – солнечные гелиосистемы.

Энергия, излучаемая солнцем  и достигающая поверхности Земли - солнечный свет является самым  крупным энергетическим источником доступным на Земле. Количество тепла, поступающего за год на 1 кв. м поверхности  Земли, оценивается в 3,16х109 КДж. Другими  словами, количество солнечной энергии, доступное для использования, в 20 тыс. раз превышает все вместе взятые источники энергии, используемые человечеством. Эти факторы делают все более привлекательным применение солнечных коллекторов на самых  разных объектах.

Производство установок  для использования энергии солнца, за последние 4 года, увеличилось в  несколько раз. Специалисты, анализируя опыт использования солнечных коллекторов, предполагают, что к 2020 г. за счет солнечной энергии будут удовлетворяться 15 – 20% потребности людей в электроэнергии. На сегодняшний день вводится в эксплуатацию более 3 млн. гелиосистем в год.

Статистика получена не только за счет стран с теплым климатом. Опыт показывает, что свою эффективность  солнечные коллекторы доказали и  в климатических условиях Севера. Системы солнечных коллекторов имеют различные конструкции и подходят для всех типов климата. Современные системы подогрева воды на солнечных коллекторах имеют в своём составе контроллеры, которые автоматически поддерживают оптимальные параметры циркуляции теплоносителя, имеют режим антизамерзания и обеспечивают, например, заданную температуру в помещении или температуру воды для бытовых нужд. При отсутствии достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе. Стоимость контроллера может быть менее 10 долларов.

Производительность системы подогрева  воды на солнечных коллекторах зависит от параметров солнечного излучения в конкретном регионе. Интенсивность солнечной радиации нашего региона – средней полосы, где около 300 солнечных дней в году, позволяет обеспечивать высокую продуктивность солнечных коллекторов. 
Технико-экономические расчеты, основанные на опыте эксплуатации солнечных коллекторов, то есть по уже действующим системам на солнечных коллекторах, показывают, что при существующих ценах на органическое топливо, срок окупаемости гелиоустановок на солнечных коллекторах, с учетом эксплуатационных затрат, составляет от 2 до 5 лет при сроке службы 25-30 лет и более. Таким образом, после срока окупаемости, результат применения солнечных коллекторов - это 20 – 25 лет бесплатной, вырабатываемой солнечной установкой энергии! Кроме экономического эффекта можно отметить тот факт, что гелиоустановки являются экологически чистыми источниками энергии.

Область применения солнечных коллекторов обширна - это дачи, коттеджи, бассейны открытые и закрытые, небольшие автономные магазины, рестораны, кафе и другие пункты общественного питания, мобильные социально ориентированные пункты, теплицы и так далее – практически везде, где есть холодная вода и дневной свет.

Солнечные коллекторы - водонагреватели позволяют решать вопросы с обеспечением горячей водой для самых разных целей: 
- автономное горячее водоснабжение для бытовых целей; 
- поддержка полного или дежурного отопления для помещений; 
- оптимизация существующих систем горячего водоснабжения и отопления за счет энергосбережения; 
- подогрев – поддержка заданной температуры воды в закрытых или открытых бассейнах; 
-обогрев теплиц.  
 
Преимущества систем подогрева на солнечных коллекторах:

• существенное уменьшение затрат на горячее водоснабжение, обогрев дома или любого другого объекта
• уменьшение годовых затрат на нагрев воды - на 60%, на отопление - на 30% в год
• автономность источника энергии, которая преобразуется в тепло – энергии Солнца
• увеличение срока службы имеющейся отопительной системы - уже имеющегося бойлера или газового котла в 2 раза, за счет уменьшения его нагрузки до 97%
• легкая интеграция в существующую систему теплоснабжения и горячего водоснабжения
• экологичность
• безопасность здоровья людей за счет отсутствия загрязняющих компонент.