CC BY
253
SCIENCE TIME
ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ
Матвеев Сергей Фёдорович, Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск
E-mail: [email protected]
Машукова Анастасия Ивановна, Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск
Научный руководитель: Дорофеева Наталья Леонидовна,
E-mail: [email protected]
Аннотация. Данная статья посвящена типам солнечных коллекторов. В ней рассматривается конструкция солнечных коллекторов в зависимости от их типа.
Ключевые слова: солнечный коллектор, альтернативные источники энергии, тепловая энергия, солнечная энергетика, плоский солнечный коллектор, трубчатый солнечный коллектор.
Попытки использования солнечной энергии для отопления и подогрева воды известны с давних времен. Одна из дошедших до наших дней — плоский солнечный коллектор швейцарца Горацио де Соссюра конца XVIII века. Уже тогда с его помощью можно было приготовить пищу [1].
Накопитель солнечной энергии можно сделать и своими руками из подручных средств. Например, даже ведро с водой, выставленное на солнце, тоже является солнечным коллектором. Но для практического применения и высокого КПД необходимы гораздо более совершенные конструкции.
Современный солнечный коллектор — это сложный поглотитель (абсорбер) солнечной энергии со встроенным в него трубопроводом для теплоносителя. Абсорбер размещен в герметичном корпусе, открытом солнцу только с одной стороны. Тыльная сторона закрыта и утеплена слоем минеральной ваты или другим утеплителем. Таким образом коллектор — это своеобразная высокотехнологичная миниатюрная теплица.
Чем больше солнечной энергии передаётся теплоносителю в коллекторе,
SCIENCE TIME
тем выше его эффективность. Это требует применения специальных материалов. Один из них — медь, обладающая очень высокой теплопроводностью. Повышают поглощение и специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном диапазоне. Это многослойное селективное напыление уникального сапфирового цвета, улавливающее солнечное излучение в очень широком спектре — гораздо шире видимого человеком [2].
В наше время наиболее распространены два типа коллекторов — плоский и трубчатый (вакуумный).
Плоский коллектор (рис.1) - 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.
Рис. 1 Плоский коллектор
Принцип действия плоского солнечного коллектора заключается в том, что, солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую
SCIENCE TIME
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 трубчатый электрический нагреватель, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она нагревала воду до заданной температуры.
Вакуумные коллекторы были изобретены в конце 1970х - начале 1980х годов. К моменту, когда можно было начать их массовое производство, энергетический кризис миновал и спрос на солнечные коллекторы был низким. Основные инвестиции в эту отрасль начали производиться в Китае со второй половины 1990х годов и с тех пор наблюдается непрерывный и возрастающий рост производства вакуумных солнечных коллекторов. В вакуумном коллекторе вместо одной покрытой стеклом коробки используется ряд больших полых стеклянных трубок. Внутри каждой из них находится еще одна (или более) в которой содержится абсорбер тепла, нагревающий теплоноситель. Между внешней и внутренней трубкой находится вакуум, который служит теплоизолятором.
Вакуумные солнечные коллекторы делятся на два типа: прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор (рис.2) и вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой (рис. 3). Отличаются они лишь тем, что в первом, теплоноситель протекает в самих вакуумных трубках, а во втором, в закрытых тепловых трубках с небольшим содержанием легкокипящей жидкости, которая при закипании испаряется и передаёт своё тепло теплоносителю.
медные трубки с стеклянные трубки с сеж
Рис. 2 Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор
SCIENCE TIME
Рис. 3 Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой
Вакуумные солнечные коллекторы более удобны в монтаже и обслуживании, так как при повреждении одной из трубок, достаточно заменить только ее. Поскольку вакуум является идеальным теплоизолятором, трубчатые коллекторы практически независимы от окружающей среды и значительно более чувствительны к минимальному солнечному излучению. Благодаря этим технологиям, вакуумные коллекторы нашли широкое применение в составе круглогодичной, дополнительной энергосистемы для отопления и подогрева воды [3].
Помимо деления на трубчатые (вакуумные) и плоские есть еще градация коллекторов внутри этих категорий. Плоские коллекторы обычно различаются по размеру, особенностям сборки, качеству стекла и специальных покрытий, а вакуумные коллекторы отличаются прежде всего длиной и диаметром стеклянных трубок.
Литература:
1. Солнечная энергетика / Г. Я. Умаров, А. А. Ершов// М., Знание, 1974. - 63 с.
2. Солнечные элементы / А. Фаренбрух, Р. Бьюб // М., Энергофтомиздат, 1987. — 282 с.
3. Сооружение солнечных коллекторов для горячей воды / Р. Дрексель, Р. Гамисония / Мишск^СЕ, 2012. - 31 с
