Основные типы солнечных коллекторов. Типы солнечных коллекторов

Основные типы солнечных коллекторов - Статьи об энергетике

Солнечные коллекторы представляют собой простую систему по сбору солнечного тепла и его преобразование в тепловую энергию, которую затем можно использовать для бытового назначения. Сразу стоит отметить, что солнечные коллекторы могут нагревать теплоноситель до температуры не более 60 градусов, поэтому подключать такие системы лучше всего к теплому полу, а не к радиаторам отопления.

Конструктивно любой солнечный коллектор состоит из солнечной панели, резервуара с теплоносителем и небольшого насоса для циркуляции воды в системе. В тех регионах, где количество солнечных дней недостаточно для эффективной работы системы в течение всего года, к резервуару с теплоносителем дополнительно подключают нагревательный прибор, который будет нагревать теплоноситель до необходимой температуры. Панели солнечных коллекторов могут выполняться различного исполнения: трубчатые, плоские или воздушные.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор представляет собой корпус с впускным и выпускным патрубками, внутри которого расположены термоизоляционный слой, теплосборник (адсорбирующая пластина) с теплообменными медными или алюминиевыми трубками. Для защиты лицевая панель коллектора прикрыта стеклом или прозрачным пластиком. Принцип действия плоского солнечного коллектора заключается в удержании солнечного тепла внутри корпуса коллектора, за счет которого нагреваются теплообменные трубки с теплоносителем.

Существуют определенные правила по установке плоских солнечных коллекторов. Во-первых, оптимальный угол падения солнечных лучей равен 90 градусам. Чем ближе угол падения солнечных лучей к оптимальному, тем выше эффективность коллектора. Из-за постоянного движения Солнца добиться оптимального угла в течение всего дня будет невозможно при статическом солнечном коллекторе. Поэтому нужно расположить панель коллектора таким образом, чтобы на нее как можно дольше падал солнечный свет. Во-вторых, для исключения зависимости от угла падения солнечных лучей, солнечные коллекторы необходимо устанавливать на подвижном основании или использовать системы слежения за Солнцем.

Трубчатые солнечные коллекторы

Существуют различные способы по сбору тепловой энергии. Однако в системах отопления не достаточно лишь собрать тепло, необходимо еще его сохранить, не допустив потерь. Для этого используются различные теплоизоляционные материалы, но лучшим вариантом для исключения потерь тепла является использование вакуума. Именно на использовании вакуумных трубок и основан принцип действия трубчатых солнечных коллекторов.

На сегодняшний день в трубчатых солнечных коллекторах применяются два вида тепловых трубок: коаксиальные и перьевые. Теплоноситель в системах с коаксиальными трубками нагревается от одной из стенок самой трубки. Нагрев воздуха внутри колбы происходит при поглощении тепловой энергии Солнца специальным поглощающим слоем, нанесенным на одну из стенок колбы. Солнечные коллекторы с коаксиальными трубками достаточно сложны и имеют невысокую производительность. Однако коаксиальные трубки могут нагревать теплоноситель даже при отрицательных температурах на улице.

Перьевая трубка для солнечного коллектора представляет собой колбу с пластиной из адсорбирующего материала. Для лучшего сохранения тепла внутри колбы делают вакуум. Тепловые каналы в перьевых трубках могут быть двух типов: Heat-pipe или U-type.

Тепловые трубки Heat-pipe при установке на панели солнечного коллектора соединяются через специальную шину. На каждой из трубок расположен массивный медный наконечник, который и передает тепловую энергию в систему. Внутри самой трубки в колбе перьевой трубки находится вещество, которое по мере увеличения температуры закипает и превращается в газ, поднимающийся в верхнюю часть трубки. Нагретый газ и передает тепло в систему с теплоносителем через медный наконечник.

Трубчатые коллекторы типа U-type (с прямоточным каналом) состоят из U-образных трубок, в которых движется теплоноситель. Недостатком подобных систем можно назвать необходимость замены всего коллектора в случае выхода из строя одной из трубок внутри корпуса.

Теплоноситель в солнечном коллекторе

Чаще всего в качестве теплоносителя в солнечных коллекторах используется вода или антифриз. Использовать воду можно в тех системах, которые не предполагают работу при отрицательных температурах. В любом случае лучшие показатели по эффективности показывают солнечные коллекторы, которые дополнительно имеют замкнутую систему циркуляции теплоносителя. Альтернативой солнечным коллекторам, в которых необходимо использовать теплоноситель, могут послужить воздушные солнечные коллекторы, которые можно использовать в комбинированных системах отопления.

Воздушный солнечный коллектор

Воздушный солнечный коллектор можно достаточно легко собрать самостоятельно. Для этого необходимо в герметичном корпусе устроить лабиринт, проходя по которому холодный воздух будет нагреваться и попадать внутрь помещения. При этом циркуляция воздуха может быть как естественной, так и принудительной. Температура, до которой может нагреться воздух внутри воздушного коллектора, не будет превышать 50 градусов даже в самый жаркий день, однако и таких показателей будет достаточно для дополнительного обогрева помещений.

Статьи по теме:Солнечные батареи - экономия или деньги на ветерСолнечный коллектор: устройство, конструкция, монтажСолнечный коллектор своими рукамиВакуумный солнечный коллектор. Устройство и принцип действия

ukrelektrik.com

Типы солнечных коллекторов - ООО"АСАД"

ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода. Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе. Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

Наиболее используемыми на сегодняшний день являются два типа солнечных коллекторов - плоские и вакуумные трубчатые, однако существуют и другие их виды. Обо всех видах солнечных коллекторов будет рассказано ниже.

Интегрированные коллекторы

Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. К этому виду коллекторов принадлежат также "Integrated Collector and Storage" - интегрированные коллекторы-накопители. Они состоят из одного или нескольких черных баков, наполненных водой и помещенных в теплоизолированный ящик, накрытый стеклянной крышкой. Иногда в ящик помещают также рефлектор, усиливающий солнечное излучение. Свет проходит сквозь стекло и нагревает воду. Эти устройства совсем недороги, однако перед наступлением холодов воду из них необходимо слить либо защитить от замерзания.

Плоские коллекторы

Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). 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). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающей радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатываются специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. Селективное покрытие, используемое в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Поглощающие пластины обычно изготовлены из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Медь дороже, но лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина-поглотитель должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными.

Жидкостные плоские коллекторы

В жидкостных коллекторах солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости.

Трубки могут располагаться параллельно друг другу, причем на каждой имеются входное и выпускное отверстия, либо в виде змеевика. 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.

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню и т.п. Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. 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. 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. Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").

Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева бытовой воды, а также для отопления помещений. Неостекленные коллекторы обычно нагревают воду для бассейнов. Поскольку таким коллекторам не нужно выдерживать высокую температуру, в них применяются недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в защите от замерзания, так как используются в теплое время года.

Воздушные плоские коллекторы

Воздушные коллекторы имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. В воздушных системах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных, например, пластмассовое остекление, потому, что рабочая температура в них ниже.

Воздушные коллекторы представляют собой простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Поглощающими пластинами в воздушных коллекторах служат металлические панели, многослойные экраны, в том числе и из неметаллических материалов. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены 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 холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утепленной задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 оС выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Однако применение солнечных воздухонагревателей по-прежнему ограничивается отоплением помещений и сушкой сельскохозяйственной продукции, в основном в развивающихся странах. Есть несколько факторов, ограничивающих более широкое применение воздушных коллекторов в промышленном масштабе. 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. В регионах с относительно низким поступлением солнечной радиации и долгими периодами неблагоприятной погоды требуется дополнительное тепло; в результате стоимость капиталовложений настолько возрастает, что это ограничивает конкурентоспособность солнечных коллекторов по сравнению с традиционными отопительными системами. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов.

Принцип действия

Воздушные солнечные коллекторы можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3-5 оC из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2, 4 на 0, 8 метра может нагревать 0, 002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

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.

Существует множество различных видов вакуумированных коллекторов. В некоторых внутри трубки-поглотителя проходит еще одна, третья стеклянная трубка; есть и другие конструкции теплопередающих ребер и жидкостных трубок. Существует вакуумный коллектор, который вмещает по 19 литров воды в каждой трубке, устраняя, таким образом, потребность в отдельном баке для хранения воды. Можно также разместить позади вакуумных трубок рефлекторы, чтобы дополнительно концентрировать на коллекторе солнечную радиацию.

Такие факторы, как атмосферное давление и технические трудности, связанные с запайкой оболочки коллектора, делают его производство весьма трудоемким. Для преодоления колоссальной силы атмосферного давления необходимо укрепить прозрачную оболочку массой внутренних опор. До сих пор не решена проблема создания эффективной высоковакуумной системы при умеренной себестоимости. Имеет смысл применять и адаптировать более совершенные технологии, разработанные для ламповой промышленности с ее испытанным массовым производством. Вполне осуществимо на практике создание трубчатого вакуумированного коллектора и поддержание в нем высокого вакуума по аналогии с электролампами и трубками для телевизоров. Для снижения потерь тепла через внутреннюю газовую атмосферу (т.е. конвективных потерь) необходимо поддерживать идеальную вакуумную изоляцию коллектора в течение всего периода его службы.

В регионах с высокими перепадами температур эти коллекторы гораздо эффективнее плоских по ряду причин. Во-первых, они хорошо работают в условиях как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Эта особенность в сочетании со свойством вакуума сводить к минимуму потери тепла наружу делает эти коллекторы незаменимыми в условиях холодной пасмурной зимы. Во-вторых, благодаря округлой форме вакуумной трубки, солнечный свет падает перпендикулярно поглотителю в течение большей части дня. Для сравнения, в неподвижно закрепленном плоском коллекторе солнечный свет падает перпендикулярно его поверхности только в полдень. Вакуумированные коллекторы отличаются более высокой температурой воды и эффективностью, чем плоские, но при этом они и дороже.

Концентраторы

Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Концентраторы работают лучше всего тогда, когда они обращены прямо к Солнцу. Для этого используются следящие устройства, которые в течение дня поворачивают коллектор "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 некоторых бытовых солнечных энергосистемах используются параболические концентраторы. Эти установки применяются для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды. В бытовых системах применяются в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных. Больше информации о концентраторах вы найдете в главе о солнечных тепловых электростанциях.

СОЛНЕЧНЫЕ ПЕЧИ И ДИСТИЛЛЯТОРЫ

Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечные коллекторы узкого назначения - солнечные печи (для приготовления еды) и солнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого источника.

Солнечные печи дешевы и просты в изготовлении. Они состоят из просторной хорошо теплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (напимер, фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюля черного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда из алюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать для обеззараживания воды, если доводить ее до кипения.

Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причем источником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основе лежит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистиллятор использует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он из теплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с таким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальную емкость. Небольшой солнечный дистиллятор -- размером с кухонную плиту - в солнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

Примеры использования солнечной энергии

обеспечение горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий;
подогрев бассейнов;
отопление помещений;
сушка сельскохозяйственной продукции и др.;
охлаждение и кондиционирование воздуха;
очистка воды;
приготовление пищи.

Применяемые технологии являются полностью разработанными и экономически целесообразными.

Солнечные системы горячего водоснабжения

В настоящее время в нескольких миллионах жилых домов и предприятий пользуются солнечными системами нагрева воды. Это экономичный и надежный вид горячего водоснабжения. Нагрев воды для бытовых целей или отопления с помощью солнечной энергии - естественный и простой метод сбережения энергии и сохранения запасов ископаемого топлива. Хорошо спроектированная и правильно установленная солнечная система может, благодаря своему эстетичному виду, повысить стоимость дома. На новостройках такие системы включаются в общий план строительства, так что они практически незаметны со стороны, тогда как приспособить систему к старой постройке бывает зачастую нелегко.

Солнечный коллектор позволяет своему владельцу сэкономить деньги, не оказывая при этом вредного влияния на окружающую среду. Использование одного солнечного коллектора позволяет сократить выбросы в атмосферу углекислого газа на одну-две тонны в год. Переход на солнечную энергию предотвращает выбросы и других загрязнителей, таких как двуокись серы, угарный газ и закись азота.

Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования (см. главу ниже). В Южной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячей воды. Нагрев воды в помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

asad16.ru

видео-инструкция по установке своими руками, фото

Солнечные коллекторы являются на сегодняшний день наиболее эффективными устройствами, использующими энергию солнца. Для примера, коэффициент полезного действия фотоэлектрических панелей составляет всего около 14-18%, тогда как на солнечных коллекторах эффективно используется приблизительно 80-95% поглощенной солнечной энергии.

Рассмотрим, каков принцип действия солнечных коллекторов, какие их виды существуют и для каких целей используются.

Система отопления на основе солнечного коллектора вакуумного типа

Принцип работы солнечных коллекторов

Если кратко, то солнечные коллекторы направлены на захват тепловой солнечной энергии, ее концентрацию и последующее направление на человеческие нужды.

Рассмотрим, из чего состоит солнечный коллектор:

Коллекторная система состоит, собственно, из коллектора, контура для теплообмена и теплового аккумулятора (обычного водяного бака).
По солнечному коллектору происходит циркуляция теплоносителя (жидкости). В нем теплоноситель нагревается от солнечной энергии.Затем передают добытую энергию посредством теплообменника, вмонтированного в бак-аккумулятор, воде в баке.
Так выглядит простейшая схема устройства бытовых солнечных коллекторов

В баке нагретая вода хранится вплоть до ее использования, к примеру, на отопление дома солнечными коллекторами, а также другие хозяйственные нужды.Для более продолжительного сохранения воды в нагретом состоянии, бак должен обладать качественной теплоизоляцией.
Циркуляция воды в солнечном коллекторе может производиться как естественным, так и принудительным способом.
В бак-аккумулятор также может быть вмонтирован дублирующий электронагреватель, который при необходимости будет автоматически включаться, чтобы нагреть воду до заданной температуры при устоявшейся пасмурной погоде либо непродолжительном солнцестоянии в зимний период.

Виды солнечных коллекторов

Если вы планируете установить в своем доме солнечный коллектор для отопления своими руками, следует для начала определиться с подходящим типом конструкции.

Основных видов солнечных коллекторов существует два – вакуумные и плоские. Также имеется менее используемая альтернатива – воздушные коллекторы.

Особенности солнечных коллекторов различных типов

Рассмотрим особенности каждого вида более подробно:

Плоский коллектор наиболее схож по принципу действия с выше описанной моделью. Он представляет собой плоскую коробку, закрытую стеклом и содержащую особый слой, абсорбирующий тепло.Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя, в роли которого, как правило, выступает пропилен-гликоль.
Схема плоского солнечного коллектора

Вакуумный коллектор вместо одной коробки, покрытой стеклом, обладает рядом габаритных полых трубок, выполненных из стекла.Внутри них располагаются одна или несколько трубок меньших размеров, содержащих абсорбер тепловой энергии.Внутренние трубки сообщаются с магистралью теплоносителя, тогда как в пространстве между наружной и внутренними трубками находится вакуум, выступающий в роли теплоизолятора.
Схема вакуумного солнечного коллектора

Воздушный солнечный коллектор для отопления применяют реже, поскольку воздух в сравнении с жидкостями хуже проводит тепло, поэтому КПД таких коллекторов обычно ниже.Такой коллектор (батарея) для отопления дома чаще всего являет собой плоскую конструкцию, в которой воздух, контактируя с поглотителем солнечной энергии, нагревается и естественным образом либо при помощи вентилятора подается в отапливаемое помещение.
Схема воздушного солнечного коллектора

Совет!

При использовании систем с принудительной подачей воздуха потребность в энергии на работу вентилятора понизит эффективность воздушных коллекторов еще больше.

Какой солнечный коллектор лучше выбрать

Однозначного ответа на данный вопрос нет, поскольку каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками:

Например, плоские коллекторы считают более прочными и надежными благодаря более простой конструкции, тогда вакуумные солнечные коллекторы для отопления потенциально более хрупки.
Несмотря на то, что воздушный коллектор обладает меньшим КПД, он более прост в управлении и не боится проблем, связанных с замерзанием теплоносителя и воды.
Если плоский коллектор выходит из строя, то замене подлежит вся абсорбирующая система. При повреждении коллектора вакуумного типа, необходимо заменить лишь вышедшие из строя трубки.

Отопление солнечными коллекторами зачастую имеет следующую принципиальную схему работы

Эффективность плоских коллекторов выше при необходимости нагрева воды на 20-40 градусов свыше температуры наружного воздуха, тогда как вакуумные коллекторы эффективней справляются с задачей нагрева до более высоких температур, что весьма актуально, если преимущественно используется солнечный коллектор зимой для отопления.
Также вакуумные коллекторы вырабатывают больше энергии при пасмурной погоде и меньше ее теряют в зимний период от контактов с холодным окружающим воздухом.
Если средний срок службы коллекторов составляет около 15-30лет, то этот показатель отдельно для вакуумных систем несколько ниже.

Дополнительные особенности выбора вакуумных коллекторов

Необходимо знать, что величины трубок вакуумных коллекторов напрямую влияют на показатель выработки энергии. Так, чем они тоньше и меньше, тем меньше тепловой энергии сможет приносить такая система. Нормальным считается диаметр трубок в 58 мм при длине 1,2-2,1 м.

Кроме того, такие коллекторы могут быть с обычными медными нагревательными трубками, передающими тепло, и с U-образными трубками, образующими миниконтуры передачи тепла в внутри каждой стеклянной трубки. Именно последние считаются наиболее продвинутыми в технологическом плане на сегодняшний день.

U-образная трубка вакуумного коллектора

Совет!

Установить солнечный коллектор своими руками для отопления достаточно сложно, однако намного дешевле, чем с привлечением сторонних специалистов.

Обычно при покупке комплекта оборудования прилагается подробная инструкция по монтажу системы и по выбору места монтажа.

Подробное следование инструкции несколько упростит задачу.

Мы рассмотрели особенности различных видов солнечных коллекторов отопления и надеемся, что наши рекомендации позволят вам существенно сэкономить на использовании природных теплоносителей. Смело используйте альтернативные источники энергии, поскольку именно за ними наше будущее.

Но если Вы сторонник традиционных систем отопления. то см. газовые котлы отопления для частного дома.

otoplenie-gid.ru

ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ — Мегаобучалка

· Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.

· Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

· Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

Интегрированный коллектор

Плоские коллекторы

Жидкостные коллекторы

Воздушные коллекторы

Принцип действия

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

megaobuchalka.ru

Солнечные коллекторы для дома

Как выбрать солнечный коллектор для своего дома, дачи. Типы солнечных коллекторов. Принцип работы солнечного коллектора.

Солнечный коллектор (гелиоустановка) – установка, использующая солнечную энергию для нагрева теплоносителя, который в свою очередь нагревает воду для обеспечения горячего водоснабжения, а также отопления помещений. Гелиоустановка позволяет значительно снизить расходы на подогрев воды, что немаловажно при нынешних ценах на энергоносители.

Какой солнечный коллектор выбрать для дома

Типы солнечных коллекторов.

Существует несколько типов солнечных коллекторов, но для бытового использования наиболее подходят плоские и вакуумные коллекторы.

Плоские коллекторы.

Коллектор представляет собой плоский ящик с прозрачной верхней крышкой из закалённого матового или глянцевого стекла или рифлёного поликарбоната.

плоский солнечный коллектор

Нижняя часть ящика состоит из адсорбера – пластины из метала с хорошей теплопроводностью (медь, алюминий) окрашенной в чёрный цвет для наибольшего поглощения солнечной энергии. Чтобы повысить поглощение солнечной энергии пластины дополнительно покрывают селективным покрытием, которое состоит из слоя аморфного полупроводника.

устройство солнечного плоского коллектора

Пластина адсорбер связана с теплопроводящей системой, которая представляет собой трубы в виде змеевика из меди, по которым циркулирует теплоноситель. В зависимости от конструкции коллектора теплоносителем может быть вода, антифриз, масло и даже воздух. Задняя, и боковые части ящика коллектора покрыты теплоизоляционным материалом.

Солнечный коллектор подсоединяется трубами к теплообменнику, размещённому в баке с водой. В зависимости от конструкции в систему можно подключить циркуляционный насос, датчики температуры, контроллер, бытовую насосную станцию для подкачки воды в систему.

Принцип работы солнечного коллектора.

Солнечные лучи проходят через прозрачную крышку корпуса коллектора, попадают на пластину адсорбер и нагревают её. Адсорбер нагревается и передаёт тепловую энергию жидкости циркулирующей по трубам.

Самая простая конструкция теплообменника так называемый летний вариант, это прямая система — труба в виде змеевика по которой, циркулирует вода, которая нагревается и поступает в накопительный бак, а потом уже прямо на кран в кухню, в ванную, душевую.

Но такая система эффективна только в теплое время года, при первых заморозках вода в системе просто замёрзнет, поэтому коллектор с прямой системой используют только в летний период для подогрева воды, на зиму воду из труб нужно сливать.

Всесезонная система замкнутого типа.

При замкнутой системе в трубах теплоносителя находится не вода, а незамерзающая жидкость, которая нагревается в трубах и передаёт накопленную тепловую энергию через теплообменник в бак с водой.

Солнечные коллекторы для дома

Замкнутую систему можно использовать круглый год, в зимний период эффективность системы заметно снижается, но при наличии солнца система работает и при минусовых температурах. Наиболее эффективной системой для всесезонного использования считаются трубные вакуумные коллекторы.

Трубный вакуумный коллектор.

Основное преимущество вакуумных коллекторов в том, что их можно эффективно использовать круглый год и даже при минусовых температурах.

трубные вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумный коллектор состоит из нескольких труб термосов, каждая такая труба термос имеет конструкцию из наружной прозрачной трубы и внутренней трубки, которая покрыта селективным покрытием, которое улавливает солнечную энергию. Пространство между трубами заполнено вакуумом. Вакуум сохраняет тепловую энергию на 95%.

Принцип работы вакуумного коллектора.

Солнечные лучи проходят сквозь внешнюю прозрачную трубу и попадают на поверхность внутренних трубок и абсорбируются. Во внутренней медной трубке жидкость нагревается и поднимается в верхнюю часть трубки подключённой к теплообменнику.

Принцип работы вакуумного солнечноо коллектора

Охлаждённая часть жидкости опускается в нижнюю часть медной трубки и цикл повторяется.

Вакуум между наружной и внутренней трубками значительно снижает потери тепла.

Какой солнечный коллектор выбрать для дома?

Плоские коллекторы менее эффективны, но цена на них в несколько раз ниже вакуумных, к тому же плоский коллектор можно изготовить самостоятельно. Если говорить о подогреве воды в летний период для дачи или летнего дома, то плоского коллектора будет вполне достаточно что бы обеспечить потребности в горячей воде.

Для обеспечения дома горячей водой круглый год, лучше установить вакуумный солнечный коллектор. Стоимость такого коллектора, конечно, будет больше, но его можно использовать круглый год. В зимний период его эффективность, конечно, снижается, но коллектор способен нагревать воду в солнечный день даже при минусовой температуре воздуха.

Солнечные коллекторы для дома.

Популярные самоделки из этой рубрики

Солнечный коллектор своими руками из конденсаторов...

Самодельный солнечный коллектор своими руками...

Самодельный солнечный коллектор...

Как подключить солнечную батарею...

Солнечный водонагреватель своими руками...

Солнечное зарядное устройство для телефона своими ...

Солнечный коллектор из банок: чертежи, фото...

Солнечный коллектор своими руками: 19 фото изготов...

Ветрогенератор из мотор колеса: фото с описанием...

Гидроэлектростанция своими руками на приусадебном ...

Бензогенератор своими руками...

Мачта для ветрогенератора

sam-stroitel.com

Солнечный коллектор Википедия

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.[1]

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.

При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C[источник не указан 444 дня].

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Вакуумные

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.[1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые Плоские высокоселективные

Преимущества	Преимущества
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до −30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Недостатки	Недостатки
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
	Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.

В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают 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.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Применение

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[2]

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[3]

Солнечные башни

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы.

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту[4].

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[5].

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Параболические концентраторы

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга[6].

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %[7].

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Линзы Френеля

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

Распространение

В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт[8]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.[9]

См. также

Примечания

Литература

А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
Солнечный душ // Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 № 1, стр 131
Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990

Ссылки

wikiredia.ru

Типы солнечных коллекторов, водонагревателей

Солнечные коллекторы и их типы

Солнечный коллектор представляет собой систему, преобразовывающую лучи солнца в необходимое нам тепло. Это может быть бочка из стали, которая окрашивается черной краской для купания на даче; шланги для полива растянутые по территории огорода; бутылки из пластика, наполненное водой, греющейся в солнечном месте. К солнечному коллектору смело можно также отнести обычное ведро, наполненное водой, нагревающееся солнечным излучением.

Открытый солнечный коллектор

Рассматривать подробно варианты установок-самоделок мы не будем, а поговорим конкретнее об открытых коллекторах, которые не имеют специальных покрытий и остекления.

Как правило, это прямоугольные емкости, окрашенные в черный цвет из пластика. Достаточно недорогое устройство. Дешевле можно сделать только собственными руками. Но данное устройство имеет множество недостатков, среди которых:

низкий коэффициент полезного действия коллектора;
они работают только, если температура воздуха на улице выше нуля;
дают положительный результат при незначительных перепадах температуры;
срок эксплуатации чаще всего не более одного сезона.

Имея указанные недостатки, данные системы могут найти применение дляподогрева воды для душевой кабинки или бассейна.

Из наиболее долговечных солнечных коллекторов можно выделить следующие:

коллекторы плоские;
вакуумные трубчатые коллекторы.

Плоские солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы водонагреватели Основной составляющей плоского коллектора, без сомнения, является металлическая пластина (абсорбер), имеющая покрытие для поглощения и проточный трубопровод. Абсорбер расположен в корпусе, имеющем теплопроводящую прозрачную. Тыльная сторона коллектора утепляется минеральной ватой или другим утеплителем.

Расположение внутреннего трубопровода может быть разное. Можно выделить два основных вида:

Эффективности коллектора способствует нанесение на абсорбер специального селективного покрытия. Это поможет значительно увеличить производительность солнечного коллектора, однако и повысит его стоимость.

С целью уменьшения тепло потеризимой корпус коллектора герметизируют. Плоский солнечный коллектор наиболее эффективен на протяжении теплого сезона, и наоборот, зимой, в связи с высокими тепло потерями эффективность значительно меньше.

Также можно остановиться на вакуумном плоском коллекторе, теплоизоляция абсорбера которого не зависит от слоя изоляции, а достигается благодаря состоянию вакуума, созданного внутри коробки. Данный солнечный коллектор наиболее продуктивный из всех типов плоских коллекторов, что и повышает его стоимость.

Одно из главных достоинств плоских коллекторов – достаточно низкая цена и ощутимая эффективность летом.

Недостатки — низкая эффективность зимой и неудобство монтажа, связанное с тем, что плоский солнечный коллекторявляется цельным сооружением, которое не так просто поднять на крышу дома.

Вакуумные трубчатые коллекторы

Вакуумные трубчатые коллекторы Данные конструкции гораздо легче монтировать и устанавливать на наклонные поверхности.

Составляющими трубчатого солнечного коллектора являются рама и специальные крепления, теплообменник и трубки из стекла. Что позволяет монтировать конструкцию поэтапно.

Данный вид коллекторов в отличие от плоских конструкций значительно эффективен зимой и имеет низкую тепло потерю.

Вакуумные коаксиальные трубки с прямым нагревом

Коаксиальная вакуумная трубка heat-pipe с 1-трубным manifold’ом Благодаря контакту с теплопоглощающей стенкой внутри происходит нагрев теплоносителя. С целью увеличения поглощение тепла на внутреннюю стенку приспосабливает селективное покрытие.

Этот вид солнечных водонагревателей недорогой, но имеющий некоторые недостатки, среди которых можно выделить:

в связи с тем, что теплоноситель контактирует с трубкой, солнечный коллектор не способен работать при высоком давлении;
может функционировать только при теплой погоде.

Система heat-pipe в коаксиальных вакуумных трубках

Коаксиальная вакуумная трубка heat-pipe с 2-трубным manifold’ом

2-трубный

В состав системы heat-pipe входят теплообменник (специальная трубка), при помощи которого тепло переходит в теплообменник manifold’а. При помощи специального гнезда гильза теплообменникаheat-pipe соединена с теплообменникомmanifold’а. Гнездо можно впаять в теплообменник (однотрубный) или обогнуть двухтрубным теплообменником.

Данные трубки являются очень эффективными и удобными в процессе монтажа. Помимо этого, трубки и теплообменники могут в случае необходимости заменяться, не снимая коллектора с места его установки. Доступные по цене и отличающиеся высокой надежностью в процессе эксплуатации.

Система U-type в вакуумных коаксиальных трубках

Коаксиальная вакуумная трубка с системой U-type

Существует еще один вид трубчатых солнечных водонагревателей, имеющих теплообменник U- формы.

Данный вид системы отличается значительной эффективностью, однако он имеет недостаток. — цельность конструкции, что усложняет монтаж, что в свою очередь исключает возможность замены отдельных его составляющих. Среди недостатков следует также отметить высокую стоимость коллектора и наличие большего гидравлического сопротивления.

Вакуумные перьевые трубки

Данный вид солнечных коллекторов считается самым эффективным. Система heat-pipe в перьевых трубках закрепляется на абсорбере, имеющем селективное покрытие, который в свою очередь помещается в вакуум. Вакуумные перьевые трубки имеют большую эффективность, высокую стоимость. Недостатком можно указать сложность монтажа конструкции и невозможность замены частей, вышедших из строя.

Рекомендуем прочесть: