Солнечные поглотители. Коллекторы, их разновидность

Солнечные поглотители – это самый простой вид солнечных коллекторов (Рис. 2). Они представляют собой поглощающие покрытия, отлитые из высококачественной резины вместе с распределяющими и собирающими трубками, внутри которых протекает жидкость (чаще всего вода). Покрытия должны быть эластичными и сохранять гибкость на холоде, быть стойкими к воздействию очищающих средств и температурам в диапазоне от -50 до +120 ^oС.

Солнечные поглотители могут устанавливаться на крышах и на поверхности земли, занимая при этом большие площади (как правило, конструкции могут перемещаться с места на место). Они служат для нагрева воды до температуры +50 ^oС. Обычно используемые для этой цели поглотители должны иметь площадь поверхности, составляющую приблизительно 50-80 % от поверхности нагрева.

Рис.2. Структура солнечного поглотителя

Поглотители не имеют никакой изоляции и поэтому работают только при доста­точной высокой наружной температуре. Срок их службы в несколько раз меньше, чем у других коллекторов, но при этом они имеют самую низкую цену.

Плоские солнечные коллекторы. Плоские коллекторы – самый распространенный вид солнечных коллекторов, ис­пользуемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Они  представляют собой теплоизолированные остекленные панели, в которые помещена окрашенная в чер­ный цвет пластина абсорбера (поглотителя), изготовленная из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия).

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающей радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатываются специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. 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.

Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Таким образом, сол­нечный свет проходит через остекление и попадает на тепловоспринимающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию, а благодаря остеклению сни­жаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные.

Жидкостные коллекторы. В жидкостных коллекторах солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине.

Трубки могут располагаться параллельно друг другу, причем на каждой имеются входное и выпускное отверстия, либо в виде змеевика (Рис.3). Змеевидное расположение трубок устраняет возможность протекания через соединительные отверстия и обеспечивает равномерный поток жидкости. С другой стороны, при спуске жидкости во избежание замерзания могут возникнуть трудности, так как в изогнутых трубках может местами оставаться вода.

Рис.3. Плоский жидкостной солнечный коллектор

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая нагревается прямо в коллекторе и используется для различных хозяйственных нужд (поступает в ванную, кухню и т.д.). Такие системы называются открытыми (или разомкнутыми) и популярны в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании. В регионах с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в холодное время года, когда температура опускается до точки замерзания; либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость (антифриз). В таких системах жидкий теплоноситель поглощает тепло, накопленное коллектором, и проходит через теплообменник. Теплообменником обычно служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде. Такие системы называются замкнутыми.

Воздушные коллекторы. Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а поглощающими пластинами служат металлические панели и многослойные неметаллические экраны. Конструкция данного вида плоского коллектора представлена на Рис.4.

Рис. 4. Плоский воздушный солнечный коллектор

Воздух проходит через стенки поглотителя благодаря естественной конвекции, но поскольку его теплопроводность на порядок хуже, чем теплопроводность жидкости, и, соответственно, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель, в некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединяются вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В условиях холодного климата воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утепленной задней стенкой коллектора, что позволяет избежать потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

К основным преимуществам воздушных солнечных коллекторов следует отнести, во-первых, что им несвойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку воздуха труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. Во-вторых, воздушные коллекторы отличаются простотой и надежностью конструкции, благодаря чему снижается уровень необходимости технического обслуживания. При достойных условиях эксплуатации срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. В-третьих, в воздушных системах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных (например, пластмассовое остекление), так как рабочая температура в них ниже.

Однако применение солнечных воздухонагревателей по-прежнему ограничивается отоплением помещений и сушкой сельскохозяйственной продукции, причем, в основном в развивающихся странах. Есть несколько факторов, ограничивающих их более широкое применение. Среди них большая площадь коллекторов из-за малой плотности и низкой удельной теплоемкости воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным; необходимость длинного воздуховода; высокая потребность в электроэнергии для прогонки воздуха через коллектор, а также трудности аккумулирования теплоты.

Вакуумированные солнечные коллекторы. Разновидности. 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 [12].

Существует множество различных видов вакуумированных коллекторов, наибольшее распространение из которых получили прямоточные вакуумированные трубчатые коллекторы и вакуумированные трубчатые коллекторы с тепловой трубкой.

Вакуумированный трубчатый коллектор с тепловой трубкой. Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса (Рис. 5): одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. 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, которая с помощью гибкого соединительного элемента подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа "труба в трубе". Соединение относится к так называемому "сухому" типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением.

 Рис. 5. Вакуумированные трубчатый коллектор с тепловой трубкой

Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30°С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45°С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).

Прямоточный вакуумированный трубчатый коллектор. В прямоточном вакуумированном трубчатом коллекторе (Рис. 6) в каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя.

Рис. 6. Прямоточный вакуумированный трубчатый коллектор

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 °С .

Солнечные коллекторы-концентраторы. Главное отличие солнечных коллекторов-концентраторов от обычных солнечных коллекторов - наличие рефлекторов (отражателей, зеркал), которые фокусируют солнечный свет с большой площади на светопоглощающем элементе, тем самым увеличивая мощность потока лучистой солнечной энергии на единицу его площади. Вследствие этого, достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение. Это приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду, поэтому такой тип коллекторов наиболее пригоден для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Для лучшей работы концентраторов используют следящие устройства, которые в течение дня поворачивают их "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 бытовых солнечных энергосистемах иногда используются параболические концентраторы  (для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды) и в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных.