Солнечный коллектор это установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Простейшим способом утилизации солнечной энергии является использование ее для нагрева. Все знают, как нагреваются на солнце различные предметы. И чем темнее поверхность, тем больше нагрев. Именно на этом и основан принцип работы солнечного коллектора. Солнечное тепло поглощается темной поверхностью (абсорбером) и передается теплоносителю. Далее полученное тепло либо накапливается в специальном теплоаккумуляторе, либо сразу используется для нагрева.
Солнечный коллектор для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию, устройство, принцип работы, разновидности солнечных коллекторов.
Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Солнечный коллектор — наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца. Они были разработаны около двухсот лет назад.
Самый известный из солнечных коллекторов, плоский, был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах XIX века.
Основные типы солнечных коллекторов.
Можно выделить несколько основных типов солнечных коллекторов.
Плоский солнечный коллектор.
В плоских солнечных коллекторах за плоским абсорбером (чаще всего это металлическая пластина с темным поглощающим покрытием) находится система трубок, по которым пропускается теплоноситель. Чтобы солнечный коллектор отдавал основную часть поглощенного тепла теплоносителю, его надо, по возможности, изолировать от окружающей среды.
Чтобы предотвратить потери энергии в окружающую среду обратная сторона и торцы такого коллектора закрываются теплоизолирующим материалом. Фронтальная часть накрывается стеклом. Солнечный свет практически беспрепятственно проходит через стекло, а вот инфракрасное излучение от нагретого абсорбера назад не проникает.
Тепло как бы запирается внутри коллектора, работает парниковый эффект. Фронтальное стекло также в некоторой степени препятствует охлаждению коллектора за счет тепловой конвекции воздуха. Изредка в плоских коллекторах применяют двойное остекление (как в оконных рамах), что еще больше увеличивает КПД (двойное остекление лучше «держит» тепло), но и несколько утяжеляет и удорожает конструкцию.
Самые качественные плоские солнечные коллекторы могут нагревать теплоноситель до температуры более 150 градусов, но в большинстве конструкций температура не поднимается выше точки кипения воды. Поэтому считается, что плоские коллекторы можно оставлять на долгое время без присмотра.
Вакуумный солнечный коллектор.
Вакуумные коллекторы обязаны своим названием способу накопления тепла. В них теплопоглощающие элементы запаяны в стеклянные трубки, в которых создан вакуум. Стекло препятствует выходу инфракрасного излучения от нагретых элементов, а вакуум идеальная среда для теплоизоляции. Так как в нем охлаждение из-за конвекции просто отсутствует.
Вакуумные коллекторы эффективно работают даже в сильные морозы и в пасмурную погоду, а на солнце они способны нагревать теплоноситель до 300 градусов. Именно из-за этого системы с вакуумным коллектором обычно гораздо сложнее. Они включают в себя специальные контроллеры и клапаны, обеспечивающие сброс избыточного тепла при перегреве.
Солнечный коллектор-концентратор.
Солнечные коллекторы-концентраторы представляют собой отдельный класс устройств, которые чаще всего используют, когда необходимо получить очень высокую температуру. Простейшим примером концентратора может служить обычная линза. Наверное, все мы, будучи детьми, выжигали с ее помощью узоры на лавочках во дворе. Правда, в современных концентраторах линзы практически не используются.
Там, в основном, применяют зеркала. Принцип тот же — солнечные лучи сводятся в одну точку параболическим зеркалом. В фокусе концентратора температура составляет несколько сотен градусов. Нагретый до такой высокой температуры теплоноситель используется для получения пара, который вырабатывает энергию уже в паровой турбине.
Плоский солнечный коллектор промышленного изготовления.
Плоский солнечный коллектор — самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия).
Чаще всего используют медь, т. к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.
Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.
Устройство плоского солнечного коллектора.
Рассмотрим принцип действия. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю — воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования.
Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.
Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор.
Рассмотрим устройство коллектора. В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя.
К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120—160 градусов.
Устройство прямоточного вакуумированного трубчатого солнечного коллектора.
Принцип действия таков. Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику.
Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым «коллектором» системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель. По другой — холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.
Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой.
Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса. Одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними — вакуум. На самом деле вакуум — отличный теплоизолятор, но не меняет излучающую способность нагретого тела, вакуум препятствует конвекционной передаче тепла. ИК-излучение задерживается стеклом трубки.
В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью.
С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Соединение относится к так называемому «сухому» типу. Это позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением.
Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30 градусов (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками). Или даже до -45 градусов (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).
Устройство вакуумированного трубчатого солнечного коллектора с тепловой трубкой.
Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой такой. Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка — это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки.
Пары поднимаются в верхнюю часть. Где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова.
Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, солнечный коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника.
По материалам книги «Альтернативные источники энергии и энергосбережение».
