Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы служат для превращения солнечной энергии в тепло и его передаче определенному теплоносителю (например, воде, воздуху). Так солнечное тепло можно использовать для нагрева горячей воды, работы системы отопления или подогрева воды в бассейне.

Использование солнечного тепла

Сердцем солнечного коллектора является абсорбер, который чаще всего состоит из большого количества тонких металлических полос. Вещество теплоноситель поставляется по специальным трубкам непосредственно к металлическим полосам.

При листовом абсорбере два листа сваривают вместе так, чтобы между ними могло проходить вещество теплоноситель. Обычно в качестве материала для абсорбера служат медь и алюминий.Однако абсорбер для бассейнов, как правило, делают из искусственных материалов (полипропилена, полиэтилена), так как требование к термостойкости в этом случае ниже.

Существуют коллекторы – накопители, где две эти функции соединены в одном приборе. Таким установкам не требуются циркуляционные насосы и регулирующие устройства, так как питьевая вода нагревается непосредственно в коллекторе.

Высокоэффективные абсорбирующие поверхности

Обычно абсорбер черного цвета, так как именно этот цвет обладает высоким коэффициентом поглощения. Коэффициент поглощения показывает, сколько коротковолнового солнечного излучения поглощено, сколько отражено. А то, что при этом абсорбер нагревается и его температура становится выше, чем у окружающей среды, показывает, что он отдает большую часть принятой солнечной энергии в виде длинноволнового солнечного излучения. Данные об этом показывает коэффициент излучения.

Чтобы минимизировать потери тепла, применяются абсорберы с ограниченным покрытием. Они позволяют получать наибольшее количество тепла из солнечных лучей и переводить его в тепло. При этом они сокращают эмиссию теплового излучения.

Обычные покрытия располагают, как правило, коэффициентом абсорбции 90%. Специальный лак, который наносится на поверхность абсорбера механически, не покрывает ее полностью, только частично, так как обладает высоким уровнем эмиссии. Выполненные из черного хрома, черного никеля или окрашенного никелем оксида алюминия элементы указывают на частичное покрытие слоев. Относительно новым является использования слоя из титана – нитрида – оксида, который напыляют в вакуумном коллекторе. Этот слой показывает не только низкий уровень эмиссии, но и иногда полное ее отсутствие.

Плоский коллектор

Плоские коллекторы состоят из абсорбера, прозрачного покрытия, корпуса и теплоизоляции. В качестве прозрачного покрытия очень часто используется безосколочное стекло, которое обладает высоким коэффициентом пропускания коротковолнового излучения. В то же время сокращается отражение с поверхности стеклянного покрытия (парниковый эффект). К тому же прозрачное покрытие предотвращает отход тепла из абсорбера через конвекцию. Совместно с корпусом прозрачное покрытие защищает абсорбер от неблагоприятных природных и погодных условий. Обычно для корпуса используют алюминий и оцинкованную сталь, правда, иногда и синтетические материалы.

Благодаря теплоизоляции на обратной стороне абсорбера и боковых стенках сокращаются потери тепла из-за теплопроводности. В качестве изоляционного материала в основном используется полиуретановая пена или минеральная вата, в отдельных случаях используется минеральное волокно: стекловата, минеральная вата, стекловолокно, стеклопластик. Плоские коллекторы отличает хорошее соотношение цены и мощности, а также большой выбор возможностей монтажа (встроенное в крышу, расположенное на крыше, отдельно стоящее). Чтобы сократить потери от конвекции внутри короба коллектора, существует ряд возможностей, например, выкачивать находящийся в коллекторе воздух во внутренние помещения. Такие коллекторы называются вакуумными плоскими коллекторами. Каждые год – три их необходимо вакуумировать.

Вакуумные коллекторы из труб

В этом виде вакуумных коллекторов полосы абсорбера находятся в вакуумных ударопрочных стеклянных трубках. Жидкость - теплоноситель протекает через непосредственно абсорбер по трубе U-образной формы, или по прилегающей трубе в системе труба в трубе. Солнечный коллектор в этом случае состоит из множества маленьких соединенных друг с другом труб. В «теплом трубопроводе» коллектора, состоящего из труб, жидкость начинает испаряться уже при низких температурах, находясь в тепловой трубе. При нагреве жидкость испаряется. Пар поднимается по тепловой трубе и отдает большое количество тепла через теплообменник в сборную трубу, и жидкость – теплоноситель стекает вниз. Конденсированная жидкость затем течет обратно в тепловую трубу.

Для того чтобы подобный процесс испарения – конденсирования происходил, необходимо расположить трубки под небольшим углом к поверхности. Различают два типа подсоединения коллектора к солнечному циклу. Либо это происходит в теплообменнике, к которому подведены все трубы (так называемое сырое соединение), либо проходит по сборной трубе (сухое соединение). Сухое соединение позволяет проводить процесс в части труб, не задействуя солнечный цикл на полную мощность. Преимуществом вакуумных коллекторов является то, что они могут работать с хорошим КПД при высокой температуре абсорбера и низком уровне излучения. И при этом они работают до достижения высоких температур (для подогрева воды, парообразования и кондиционирования воздуха).

Сколько энергии поставляет солнечный коллектор?

КПД солнечного коллектора представляет собой соотношение полезной термической энергии и получаемой солнечной энергии. Кроме тепловых потерь встречаются оптические потери. Коэффициент превращения или оптический КПД показывают, какой процент солнечного излучения попадает через прозрачное покрытие на коллектор и принимается абсорбером.

Тепловые потери показывает фактор термических потерь. Он показывает потерю энергии в ваттах на метр квадратный площади солнечного коллектора и разницу температур между абсорбером и окружающей средой. Чем больше разница температур, тем больше тепловые потери. В определенный момент тепловые потери равны объему производимой коллектором энергии, таким образом, энергия для солнечного цикла перестает поступать.

Качественный коллектор обладает хорошим коэффициентом превращения и низким фактором потерь. 

Как правильно подобрать коллектор?

Для выбора подходящего типа коллектора, прежде всего надо ориентироваться на температурную зону. Так незакрытый коллектор не подходит для производства тепла.

В отдельных случаях надо учитывать и особенности положения здания (показатели излучения, метеорологические условия, местность), это также влияет на тип коллектора.