Типи колекторів

1. Плоский сонячний колектор

Плоский колектор - найпоширеніший вид сонячних колекторів, що використовуються в побутових водонагрівальних та опалювальних системах.

Цей колектор є теплоізольованою заскленою панеллю, в яку вміщено пластина поглинача. Пластина поглинача виготовлена з металу, що добре проводить тепло (наприклад міді або алюмінію). Найчастіше використовують мідь, оскільки вона краще проводить тепло і менше схильна до корозії, ніж алюміній. Пластина поглинача оброблена спеціальним високоселективним покриттям, яке краще утримує поглинене сонячне світло. Це покриття складається з дуже міцного тонкого шару аморфного напівпровідника, нанесеного на металеву основу, і відрізняється високою здатністю що поглинає у видимій області спектра і низьким коефіцієнтом випромінювання в довгохвильовій інфрачервоній області. Завдяки склінню (в плоских колекторах зазвичай використовується матове, пропускає тільки світло, скло з низьким вмістом заліза) знижуються втрати тепла. Дно і бічні стінки колектора покривають теплоізолюючим матеріалом, що ще більше скорочує теплові втрати.

Рисунок 2.4 Будова плоского сонячного колектора

Чим більше падаючої енергії передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальні оптичні покриття, не випромінюючі тепло в інфрачервоному спектрі. Стандартним рішенням підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбера з листової міді із-за її високої теплопровідності.

Рисунок 2.5 Зовнішній вигляд плоского сонячного колектора

2. Вакуумований трубчастий сонячний колектор

Можливе підвищення температур теплоносія аж до 250—300 °C у режимі обмеження відбору тепла. Добитися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат в результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму.

У кожну вакумовану трубку вбудований мідний поглинач з геліотітановим покриттям, що гарантує високий рівень поглинання сонячної енергії і малу емісію теплового випромінювання. Вакумований простір дозволяє практично повністю усунути втрати тепла. На поглиначі встановлений коаксіальний трубчастий прямоточний теплообмінник, що виходить в колектор. Протікаючи через нього, теплоносій забирає тепло від поглинача. До переваг цієї системи можна віднести безпосередню передачу тепла воді, що дозволяє скоротити втрати тепла. Так як повний коефіцієнт втрат у вакуумному колекторі малий, теплоносій у ньому можна нагріти до температур 120-160°С.

Рисунок 2.6 Принцип роботи вакумованого трубчастого сонячного колектора

Сонячна радіація проходить крізь вакуумовану скляну трубку, потрапляє на поглинач і перетворюється на теплову енергію. Тепло передається рідині, що протікає по коаксіальному трубчастому прямоточному теплообміннику. Кожна трубка теплообмінника сполучена з накопичувальним баком так званим "колектором" - системою з 2 мідних труб. За однією з них нагріта вода передається в бак-накопичувач, за іншою - холодна вода з бака-накопичувача надходить на нагрів в вакуумовану трубку.

Рисунок 2.7 Вакумований трубчастий сонячний колектор

3. Вакуумований трубчастий сонячний колектор з тепловою трубкою

Конструкція вакуумованого трубчастого колектора з тепловою трубкою схожа на конструкцію термоса: один скляний / металева трубка вставлена в іншу більшого діаметра. Між ними - вакуум, який є відмінною теплоізоляцією. Завдяки йому втрати на випромінювання, особливо помітні при підвищених температурах води, що нагрівається, дуже низькі. У кожну вакуумовану трубку вбудована мідна пластина поглинача з геліотітановим покриттям, що гарантує високий рівень поглинання сонячної енергії і малу емісію теплового випромінювання. Під поглиначем встановлена теплова труба, заповнена рідиною, що випаровується. За допомогою гнучкого сполучного елемента теплова труба приєднана до конденсатора, що знаходиться в теплообміннику типу "труба в трубі". З’єднання відноситься до так званого "сухого" типу, що дозволяє повертати або замінювати трубки і при заповненій установці, що знаходиться під тиском. Найбільш важлива перевага вакуумованого колектора з тепловою трубкою полягає в тому, що він здатний працювати при температурах до -30°С (колектори зі скляними тепловими трубками) або навіть до -45°С (колектори з металевими тепловими трубками).

Рисунок 2.8 Вакумований трубчастий сонячний колектор з тепловою трубкою

Це більш складний і дорожчий тип колектора. Теплова трубка – це закрита мідна / скляна трубка з невеликим вмістом легкозаймистої рідини. Під впливом тепла рідина випаровується і забирає тепло вакуумної трубки. Пари піднімаються у верхню частину, де конденсуються і передають тепло теплоносія основному контуру водоспоживання або незамерзаючої рідини опалювального контуру. Конденсат стікає вниз, і все повторюється знову. Приймач сонячного колектора мідний з теплоізоляцією. Передача тепла відбувається через мідну "гільзу" приймача, завдяки цьому опалювальний контур відділений від трубок, і при пошкодженні однієї трубки колектор продовжує працювати. Окрему трубку можна замінити в разі необхідності, колектор при цьому продовжує функціонувати. Процедура заміни трубок дуже проста, при цьому немає необхідності зливати незамерзаючу рідину з контуру теплообмінника.

Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду аж до температури кипіння навіть при негативній навколишній температурі.

Таблиця 2.1 Порівняльна таблиця трубчастих і плоских колекторів

Сонячні колектори-концентратори

Підвищення експлуатаційних температур до 120—250 °C можливо шляхом введення в сонячні колектори концентраторів за допомогою параболоциліндричних| відбивачів, прокладених під поглинаючими елементами. Для отримання вищих експлуатаційних температур потрібні пристрої стеження за сонцем.

Сонячні повітряні колектори

Сонячні повітряні колектори – це прилади, що працюють на енергії Сонця і нагрівають повітря. Сонячні повітряні колектори є найчастіше простими плоскими колекторами і використовуються в основному для опалювання приміщень, сушки сільськогосподарської продукції. Повітря проходить через поглинач завдяки природній конвекції або під впливом вентилятора. Оскільки повітря гірше проводить тепло, чим рідина, він передає поглиначу менше тепла, чим рідкий теплоносій. У деяких сонячних повітронагрівачах| до поглинаючої пластини приєднані вентилятори, які збільшують турбулентність повітря і покращують теплопередачу. Недолік цієї конструкції в тому, що вона витрачає енергію на роботу вентиляторів, таким чином збільшуючи витрати на експлуатацію системи. У холодному кліматі повітря прямує в проміжок між пластиною-поглиначем і утепленою задньою стінкою колектора: таким чином, уникають втрат тепла крізь скління. Проте, якщо повітря нагрівається не більш, ніж на 17^оС вище за температуру зовнішнього повітря, теплоносій може циркулювати по обидві сторони від пластини-поглинача без великих втрат ефективності. Основними достоїнствами повітряних колекторів є їх простота і надійність.

Рисунок 2.9 Приклад використання повітряних колекторів

Такі колектори мають простий пристрій. При належній експлуатації якісний колектор може прослужити 10–20 років, а управління ним вельми нескладне. Теплообмінник не потрібний, оскільки повітря не замерзає. Потенційним способом зниження вартості колекторів є їх інтеграція в стіни або дахи будівель, а також створення колекторів, які можна буде збирати з готових збірних компонентів. Колектори призначені для обігріву приміщень в умовах достатньої сонячної освітленості і за відсутності (або паралельно з ними) інших джерел енергії (таких як газ, електрика, рідке і тверде паливо). Колектори не можуть бути основною системою опалювання, оскільки не забезпечують постійних характеристик, як протягом доби, так і при зміні сезонів року. Проте система може бути інтегрована в будь-яку існуючу систему опалювання і вентиляції.

Пристрій сонячної установки

Принципова схема типової сонячної установки для отримання гарячої води представлена на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 Принципова схема типової сонячної установки для отримання гарячої води

Як видно, крім сонячного колектора в системі присутні додаткові компоненти, що забезпечують нормальну роботу системи. Найбільш важливим з них (і найбільш громіздким) є бак-акумулятор, який служить безпосередньо для «збору» тепла і «зберігання» гарячої води. Обсяг бака визначається середньодобової потребою гарячої води.

Так само до складу сонячної установки зазвичай входять (проте не є обов'язковими для деяких типів установок) циркуляційний насос, який забезпечує циркуляцію теплоносія через сонячний колектор, і контролер, який підтримує температурний режим установки в цілому.

Застосування сонячних колекторів

Існує багато схем по впровадженню сонячних систем, що як окремо функціонують, так і таких які приєднуються до існуючої системи гарячого водопостачання і опалювання. У кожному конкретному випадку необхідно провести аналіз існуючої системи і отримати консультації фахівців.

Рисунок 2.11 – Схема системи гарячого водопостачання / опалювання з примусовою циркуляцією реалізована на базі вакуумного сонячного колектора: 1) Сонячні промені; 2) Сонячний колектор; 3) Датчик температури №1; 4) Расширительный бак; 5) Насосна станція; 6) Контролер; 7) Електронагрівач (ТЕН); 8) Датчик температури №2; 9) Замочний клапан; 10) Вхідний отвір (холодна вода); 11) Вихідний отвір (гаряча вода); 12) Накопичувальний резервуар (бойлер) з одним / двома мідними теплообмінниками; 13) Основна система опалювання на основі газового, електричного або твердопаливного казана