Солнечные коллекторы. Какие они бывают?

Классический солнечный коллектор представляет собой металлические пластины черного цвета, установленные на крыше дома. Цвет и положение коллектора предполагает максимальное поглощение и накапливание солнечной энергии. Эти металлические пластины помещаются в корпус, изготовленный из стекла или пластмассы. Наклон к южной стороне, при установке позволит увеличить количество поглощаемой радиации. Проще говоря, солнечный коллектор – это миниатюрная теплица, которая накапливает солнечную энергию под стеклянной панелью. Солнечная радиация распределяется по поверхности равномерно, по этому, чем больше площадь коллектора, тем больше энергии будет поглощено.

На сегодняшний день солнечная энергетика развита достаточно обширно, это дает возможность устанавливать солнечные панели различных комплектаций и размеров. Этот аспект позволяет солнечным коллекторам обеспечивать хозяйственные нужды человека, такие как отопление и снабжение горячей водой.

К примеру, существует несколько отдельных видов солнечных коллекторов, которые различаются, в зависимости от температуры, до которой они способны достигать:

• Коллекторы низких температур. Такие коллекторы дают достаточно низкие температуры – не выше 50 С. Такие коллекторы, широко применяются для подогрева воды в бассейнах, и в других случаях, когда не требуется слишком высокая температура воды.
• Коллекторы средних температур. Такой тип коллекторов способен нагревать воду от 50 до 80 С. Зачастую, такой коллектор представляет собой плоскую остекленную пластину, в которой с помощью жидкости происходит теплопередача или же это коллекторы-концентраторы. В последних тепло концентрируется и может использоваться для нагрева воды в жилых секторах.Представлен коллектор-концентратор, в большинстве случаев, вакуумированным трубчатым коллектором
• Коллектор высоких температур. Зачастую имеют форму параболических тарелок. Такое устройство, в большинстве случаев используется большими предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей

Интегрированный коллектор

Накопительный интегрированный коллектор

На данный момент одним из самых простых видов солнечных коллектором является емкостной коллектор, который еще называются термосифонным коллектором. Такое название, данный генератор получил за счет того, что он одновременно может и аккумулировать тепло и хранить определенное, уже нагретое, количество воды. Такие коллекторы, зачастую используются для начального нагрева воды, которая впоследствии нагревается до необходимой температуры стандартными установками (газовыми, электрическими колонками и т.д.). Такой метод позволяет экономить на потреблении электричества, за счет того, что в бак котла поступает уже подогретая вода.

Рассмотрим основные плюсы такого вида коллекторов. Первое – это, конечно же, экономия на электричестве. Второе – это возможность использовать достаточно дешевую альтернативу солнечной водонагревательной системе. Третьим плюсом стоит отметить простоту использования коллектора – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего).

Такие коллекторы бывают также "Integrated Collector and Storage", или, проще говоря, интегрированными коллекторами-накопителями. Такой вид коллектора, зачастую представлен одним или несколькими баками, которые заполнены водой. Эти баки помещаются в теплоизоляционный ящик и накрываются стеклянной крышкой. Порою, в этот же ящик помещаются прибор-рефлектор, который позволяет увеличивать солнечное излучение. Принцип действия данного устройства достаточно прост – солнечный свет, проходя через стекло, нагревает воду. Такая простота функционирования обуславливает достаточно не большую цену самого устройства. Однако стоит помнить, что в холодное время года, воду стоит защищать от замерзания, или же сливать.

Плоские коллекторы

Такие коллекторы, пожалуй, самые популярные для использования в бытовых условиях, для нагрева воды и в отопительных системах. Внешне, такое устройство выглядит как обычный металлический ящик. Однако внутри него находиться черная платина, которая поглощает солнечный свет. Крышка у этого ящика должна быть в обязательном порядке, стеклянной или пластмассовой, дабы лучше пропускать солнечную энергию.

Остекление плоского солнечного коллектора может быть прозрачным или матовым. Зачастую, все же, отдается предпочтение матовому остеклению, поскольку такое стекло позволяет пропускать только свет. А также, содержание железа в стекле должно быть очень низким, что бы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор. Принцип действия заключается в том, что солнечный свет, попадая на пластину, тепловоспринимающую пластину, которая и вырабатывает тепло. Стекло служит теплоизоляцией, а для повышения КПД коллектора, его стенки прокладывают теплоизолятором. Такая конструкция, позволяет снизить тепловые потери до минимума.

Пластина абсорбента, или же пластина, поглощающая солнечный свет, зачастую окрашена в черный цвет, дабы увеличить количество поглощаемой солнечной энергии, ведь тот факт, то темные тела притягивают ее больше – ни для кого не секрет. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, чтобы продолжить процесс, полученное тепло передается тепловому носителю. Тепловым носителем может выступать воздух или жидкость, которые циркулируют в трубах. К сожалению, даже полностью черные поверхности, способны отражать около 10% солнечной радиации, падающей на нее. Дабы избежать этого, абсорбирующие пластины покрываются дополнительно специальным покрытием, которое призвано удерживать солнечный свет попадающие на пластину. Такое покрытие служит дольше обычной краски и позволяет повысить КПД коллектора. В состав такого селективного покрытия входит слой аморфного полупроводника, который наноситься на металлическое основание пластины.

Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло. Высокий уровень теплопроводности металла позволит уменьшить теплопотери при передаче переработанной энергии теплоносителю. К списку таких металлов можно причислить медь и алюминий. Разница между ними заключается в том, что медная пластина способна лучше проводить тепло, и более устойчива к коррозиям, в отличии от алюминиевой пластины.

Плоские солнечные коллекторы бывают жидкостными или воздушными. А в зависимости от наличия остекления, и тот и другой вид бывает как остекленным, так и не остекленным.

Жидкостные коллекторы

В солнечных коллекторах этого типа, теплоносителем выступает жидкость. Солнечная энергия, перерабатывается в поглощающей пластине в тепло, и передается жидкости, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине. Эти трубы могут идти параллельно друг другу, но на каждой, в обязательном порядке должно быть входное и выходное отверстие. Существует возможность расположение труб в виде змеевика. Такое положение уменьшает количество соединительных отверстий, что, в свою очередь, снижает вероятность протекания. Таким образом, змеевидное расположение обеспечивает более равномерный поток жидкости-теплоносителя. Однако, могут возникать сложности при спуске жидкости перед похолоданием, поскольку в изгибах трубы может остаться жидкость.

Простые системы жидкостных солнечных коллекторов предполагают использование обычной воды, которая сразу же, нагреваясь в коллекторе, поступает пользователю. Такие модели называют «разомкнутыми» или «прямыми» системами. Однако применение таких коллекторов неудобно в регионах с низким температурным режимом. Поскольку, при снижении температуры ниже точки замерзания – необходимо сливать воду. В этот период систему использовать невозможно. Альтернативой является использование незамерзающих жидкостей вместо воды. Этот вид системы жидкостных солнечных коллекторов использует жидкие теплоноситель, который, поглощая тепло, направляется в теплообменник. Зачастую теплообменником является водяной бак, конструкция которого предполагает передачу тепла воде. Такую систему называют «замкнутой» или «непрямой».

Остекление жидкостных коллекторов позволяет нагревать воду для бытовых нужд, и для отопления дома, поскольку их КПД выше, чем у неостекленных аналогов. Неостекленные коллекторы, зачастую используют для нагрева воды в бассейнах. В последних приборах не требуется нагревать температуру до высоких температур. Это позволяет использовать менее дорогие материалы, такие как пластмасса и резина.

Воздушные коллекторы

Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а он не замерзает и не кипит, в отличие от воды. Этот факт позволяет избежать проблем, которым подвержены жидкостные коллекторы. К тому же, утечка в системе воздушных коллекторов приносит намного меньше трудностей, хотя, конечно же, обнаружить ее достаточно сложно. Стоит помнить, что перед материалами, используемыми в воздушных солнечных коллекторах, не стоят особо сложные эксплуатационные задачи. По этому, в воздушных системах возможно использование более дешевых материалов.

Конструкция воздушных коллекторов, представляет собой сочетание плоских коллекторов. Такой прибор используется в основном для просушки сельскохозяйственной продукции, или же для отопления помещений. Металлические панели и многослойные неметаллические экраны могут послужить поглощающими пластинами в конструкции воздушных коллекторов. Теплоноситель проходит через стенки поглотителя с помощью естественной конвекции, или с помощью специального вентилятора.

Теплопроводимость воздуха, на порядок хуже, чем проводимость тепла, жидкостью. По этому, поглотитель получает значительно меньше тепла от воздуха, чем от жидкости. Вентилятор, присоединенный к поглощающей пластине, позволяет увеличить поток воздуха, таким образом, улучшая теплоотдачу. Однако и в этой конструкции есть свои недостатки. Для работы вентиляторов, необходимо дополнительно использовать электроэнергию, а это, в свою очередь увеличивает затраты на работу системы. В условиях холодного климата, необходимо направлять воздух между поглощающей пластиной и утепленной стенкой коллектора, это позволяет избежать потерь тепла. Но не стоит применять такою циркуляцию, если, все же, воздух в помещении, нагревается на 17 С больше, чем воздух на улице. В этом случае, воздух может спокойно циркулировать без потерь эффективности.

Поговорим о достоинствах воздушных коллекторов. В первую очередь – это простота и надежность. Воздушные коллекторы имеют достаточно простое устройство, благодаря этому снижается уровень необходимости технического обслуживания, при этом увеличивая их безусловную надежность. При достойных условиях эксплуатации, срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. За счет того, что теплоносителем выступает воздух, исключается необходимость использования теплообменника и термоизоляции в холодное время года.

Однако не все так красочно, в сфере солнечных воздухонагревателей. Все дело в том, что применение таких установок распространено исключительно для отопления помещений и просушки сельскохозяйственной продукции, причем, в основном, в развивающих странах. Причиной этому стало то, что существуют некоторые ограничения, для использования в промышленных условиях. Начнем с того, что по сравнению с жидкостными, воздушные коллекторы занимают достаточно большую площадь, за счет низкого уровня удельной теплоемкости. К тому же, требуется оборудовать длинный воздуховод для эффективной работы коллектора. И самая главная трудность – это необходимость использования электроэнергии для прогонки воздуха через функциональные части коллектора. Еще иногда встречаются сложности с аккумулированием самой теплоты. Все эти проблемы, даже в регионах с достаточным количеством солнечных дней, приводит к значительному увеличению стоимости на эксплуатацию и установку воздушных коллекторов.

Принцип действия солнечных коллекторов

Элементарный воздушный коллектор

Воздушные солнечные коллекторы делятся на две группы, в зависимости от способа циркуляции воздуха. В самом простейшем случае, поток теплоносителя (воздуха) в коллекторе проходит как раз под поглотителем. Таким образом, данный коллектор позволяет повысить температуру воздуха, не больше чем на 3-5 С. Причиной такого низкого КПД является потери тепла на конвекцию и излучение.

Любой прозрачный материал, с низкой проводимостью инфракрасного излучения, позволяет снижать уровень теплопотерь, при накрывании им поглотителя. Все дело в том, что поток воздуха, образовывается или под поглотителем, или между поглотителем и данным прозрачным покрытием. Прозрачная крышка (из особого стекла или пластмассы) позволяет не на много снижать уровень излучения тепла с поглотителя. Однако, это снижение конвективных тепловых потерь, может позволить увеличить температуру до 20-50 С. Но и этот параметр будет зависеть от интенсивности солнечной энергии попадающей в коллектор и качества воздушного потока. Как плюс к этому всему, наблюдается, также снижение тепловых потерь на излучение, за счет снижения температуры поглотителя. Но стоит помнит, что при этом происходит еще и снижение возможности абсорбента поглощать энергию, за счет его запыления, в том случае, если поток воздуха проходит с обеих сторон.

Накрытый поглотитель в воздушном коллекторе

Отказ от остекления металлического ящика и теплоизоляции, в некоторых случаях, позволяет существенно снижать затраты. Дело в том, что изготовляется такой коллектор из перфорированного металла черно цвета. Такой материал позволяет улучшать качество теплообмена. Принцип этого процесса заключается в том, что этот металл нагревается достаточно быстро, а вмонтированный вентилятор втягивает теплый воздух, через отверстия в металлических листах. Коллекторы такого типа, достаточно часто используются в жилых домах. Зачастую размеры такого прибора составляют 2,4 м?0,8 м, при этом скорость нагрева воздуха составляет 0,002 м3/с. Даже в солнечный зимний день, температура воздуха, который нагревается в коллекторе, может достигать разницы в 28 ?С по сравнению с наружным. К тому же, стоит учесть, что в значительной мере улучшается качество воздуха, поскольку нагревается непосредственно воздух, поступающий снаружи.

Одним из главных плюсов подобных коллекторов, является тот факт, что они достаточно эффективны. КПД некоторых промышленных моделей может достигать 70%. А их стоимость снижается, за счет уменьшается количество используемых материалов.

Вакуумированный солнечный коллектор

Плоские солнечные коллекторы, изначально создавались для использования в местах с большим количеством солнечной энергии. При плохой погоде, их эффективность достаточно не значительна. Холодная, ветреная, пасмурная погода – не позволяют работать таким коллекторам в полную мощь. Но и это не все – повышенная влажность в значительной мере неблагоприятно сказывается на состоянии внутренних деталей такого коллектора. А это влечет за собой уменьшение срока службы коллектора, а также ухудшение эффективности его работы. Дабы устранить такие недостатки были созданы вакуумированные солнечные коллекторы.

Современные вакуумированные солнечные коллекторы способны нагревать воду, для обеспечения хозяйственных нужд. Принцип действия такого прибора заключается в следующем: солнечная энергия, проходя через наружную трубку, попадает в поглощающую трубку, где и происходит превращение солнечной энергии в тепло. А далее, переработанное тепло передается теплоносителю (жидкости). Сам коллектор представляет собой сочетание определенного количества параллельных рядов стеклянных трубок. К каждой из этих трубок прикрепляется трубчатый поглотитель с селективным покрытием (аналог пластины-поглатителя в вышеописанных плоских коллекторах). Нагретая в коллекторе жидкость поступает в бак накопитель, и уже там отдает все полученное тепло воде.

Трубки в вакуумированном коллекторе можно менять. Добавлять или даже убирать, в зависимости от необходимости. Это позволяет называть такие коллекторы модульными. Но стоит помнить, что между трубками коллектора должен быть вакуум, что бы уменьшить потери тепла в процессе конвекции. Однако, радиационная потеря тепла остается. Уточним, что радиационная потеря тепла – это то тепло, которое идет на нагревание поверхностей рабочих частей коллектора. Но не стоит думать, что эти потери существенно повлияют на эффективность работы коллектора. Радиационная потеря достаточно мала, по этому можно уверенно считать, что рабочие характеристики вакуумированного коллектора достаточно велики.

На данный момент, создано большое количество вакуумированных коллекторов, которые имеют различные комплектации, а, следовательно, и разные эксплуатационные характеристики и особенности.

Создание вакуумированного коллектора – это достаточно сложный и трудоемкий процесс. Особенные трудности вызывает запайка оболочки коллектора. Проблема заключается в том, что по сей день не найдено достаточно эффективного метода создания эффективной высоковакуумной системы, при не больших затратах.

Стоит помнить, что такие вакуумированные коллекторы достаточно эффективны, по сравнению с обычными плоскими коллекторами. Все дело в том, что эффективность работы вакуумированного коллектора не зависит от качества радиации, т.е. как в условиях прямой, так и рассеянной радиации, данный коллектор работает одинаково эффективно. К тому же, вакуумное строение коллектора позволяет свести к минимуму потери тепла. Помимо всего вышесказанного, такие приборы достаточно долго и качественно служат, полностью обеспечивая все хозяйственные нужды человека.

Концентраторы

Фокусирующий солнечный коллектор

Концентраторы или же коллекторы отличаются от предыдущих описанных коллекторов тем, что их принцип действия заключается в концентрации солнечных лучей. Делается это за счет зеркальных поверхностей, которые направляют солнечную энергию конкретно на поглотители. Температура, которая обеспечивается концентраторами значительно выше, чем максимальная температура плоских коллекторов. Но стоит помнить, что концентраторы могут воспринимать исключительно прямую солнечную радиацию, по этому. В пасмурную погоду их использование не возможно. Такой тип коллекторов-концентраторов, особенно эффективен в регионах близких к экватору и в пустынных районах с большим количеством солнечных дней.

Для более эффективной работы концентратора, используется специальный прибор, который отслеживает направление солнечных лучей и поворачивает прибор к солнцу. В зависимости от оси, по которой может вращаться, такой коллектор различают одноосные и двуосные следящие устройства. Первые предполагают вращение устройства с востока на запад, а вторые, предполагают поворот устройства во все четыре стороны света, для того что бы точно отслеживать направление солнца в течение всего года. Данные коллекторы-концентраторы, в основном используются в промышленных условиях. Причиной этому стала достаточно большая стоимость этого устройства, а также необходимость постоянного технического обслуживания. Для бытового применения, они просто не приемлемы.

Солнечные печи и дистилляторы.

Солнечная печь

Помимо всех вышеописанных приборов, существуют также приборы, которые имеют достаточно простую структуру, и узкую сферу применения. К примеру, такие приборы могут выступать в роли солнечной печи, для приготовления пищи, или солнечного дистиллятора – прибора достаточно дешево очищающего воду любого состояния.

Поговорим про солнечные печи. Они достаточно просты, как при эксплуатации, таки при изготовлении. Солнечные печи представляют собой достаточно хорошо теплоизолированную коробку, которая покрыта материалом, отражающим свет (фольгой, например). Эта коробка накрывается стеклом и оборудована внешним отражателем. Кастрюля черного цвета послужит поглотителем, поскольку может намного быстрее нагреваться. Такие печи, можно использовать для стерилизации воды, при кипении.

Что касается солнечных дистилляторов, то они могут в результате своей работы предоставлять дистиллированную воду достаточно дешево, притом, что брать воду, можно практически из любого источника. Принцип работы солнечного дистиллятора лежит в основе процесса испарения, а сам прибор использует солнечную энергию, с целью ускорить этот процесс. За день работы, небольшой солнечный дистиллятор может произвести около 10 литров идеально чистой воды.

На данный момент солнечная энергия используется достаточно обширно. Одним из самых эффективных примеров его использования является метод нагрева воды солнечной энергией. Несколько миллионов жителей нашей планеты, уже достаточно долго и давно используют солнечные коллекторы для обеспечения своих нужд. Такие приборы достаточно эффективны, не требуют особых затрат на эксплуатацию, к тому же не приносят вреда окружающей среде.