Сонячні колектори. Які вони бувають?

1. інтегрований колектор
2. плоскі колектори
3. рідинні колектори
4. повітряні колектори
5. Принцип дії сонячних колекторів
6. Накритий поглинач в повітряному колекторі
7. Вакуумований сонячний колектор
8. концентратори
9. Сонячні печі і дистилятори.

Класичний сонячний колектор являє собою металеві пластини чорного кольору, встановлені на даху будинку. Колір і положення колектора передбачає максимальне поглинання і накопичення сонячної енергії. Ці металеві пластини поміщаються в корпус, виготовлений зі скла або пластмаси. Нахил до південної сторони, при установці дозволить збільшити кількість поглинається радіації. Простіше кажучи, сонячний колектор - це мініатюрна теплиця, яка накопичує сонячну енергію під скляною панеллю. Сонячна радіація розподіляється по поверхні рівномірно, по цьому, чим більше площа колектора, тим більше енергії буде поглинена.

На сьогоднішній день сонячна енергетика розвинена досить широко, це дає можливість встановлювати сонячні панелі різних комплектацій і розмірів. Цей аспект дозволяє сонячним колекторам забезпечувати господарські потреби людини, такі як опалення і постачання гарячої води.

Наприклад, існує кілька окремих видів сонячних колекторів, які різняться, в залежності від температури, до якої вони здатні досягати:

• Колектори низьких температур. Такі колектори дають досить низькі температури - не вище 50 С. Такі колектори, широко застосовуються для підігріву води в басейнах, і в інших випадках, коли не потрібно занадто висока температура води.
• Колектори середніх температур. Такий тип колекторів здатний нагрівати воду від 50 до 80 С. Найчастіше, такий колектор є плоскою засклену пластину, в якій за допомогою рідини відбувається теплопередача або ж це колектори-концентратори. В останніх тепло концентрується і може використовуватися для нагріву води в житлових секторах.Представлен колектор-концентратор, в більшості випадків, вакуумованим трубчастим колектором
• Колектор високих температур. Найчастіше мають форму параболічних тарілок. Такий пристрій, в більшості випадків використовується великими підприємствами, які генерують електрику і розподіляють його для міських електромереж

інтегрований колектор

Накопичувальний інтегрований колектор

На даний момент одним з найпростіших видів сонячних колектором є ємнісний колектор, який ще називаються термосифонним колектором. Таку назву, даний генератор отримав за рахунок того, що він одночасно може і акумулювати тепло і зберігати певний, вже нагріте, кількість води. Такі колектори, часто використовуються для початкового нагріву води, яка згодом нагрівається до необхідної температури стандартними установками (газовими, електричними колонками і т.д.). Такий метод дозволяє економити на споживанні електрики, за рахунок того, що в бак котла надходить уже підігріта вода.

Розглянемо основні плюси такого виду колекторів. Перше - це, звичайно ж, економія на електриці. Друге - це можливість використовувати досить дешеву альтернативу сонячної водонагрівальної системі. Третім плюсом варто відзначити простоту використання колектора - мінімум технічного обслуговування, за рахунок відсутності в ньому рухомих частин (насосів та іншого).

Такі колектори бувають також "Integrated Collector and Storage", або, простіше кажучи, інтегрованими колекторами-накопичувачами. Такий вид колектора, найчастіше представлений одним або кількома баками, які заповнені водою. Ці баки поміщаються в теплоізоляційний ящик і накриваються скляною кришкою. Часом, в цей же ящик поміщаються прилад-рефлектор, який дозволяє збільшувати сонячне випромінювання. Принцип дії даного пристрою досить проста - сонячне світло, проходячи через скло, нагріває воду. Така простота функціонування обумовлює досить не більшу ціну самого пристрою. Однак варто пам'ятати, що в холодну пору року, воду варто захищати від замерзання, або ж зливати.

плоскі колектори

Такі колектори, мабуть, найпопулярніші для використання в побутових умовах, для нагріву води і в опалювальних системах. Зовні, такий пристрій виглядає як звичайний металевий ящик. Однак всередині нього знаходитися чорна платина, яка поглинає сонячне світло. Кришка у цього ящика повинна бути в обов'язковому порядку, скляній або пластмасовій, щоб краще пропускати сонячну енергію.

Скління плоского сонячного колектора може бути прозорим або матовим. Найчастіше, все ж, віддається перевага матовому склінню, оскільки таке скло дозволяє пропускати тільки світло. А також, вміст заліза в склі має бути дуже низьким, що б дозволити пропускати більшу частину надходить світла, в колектор. Принцип дії полягає в тому, що сонячне світло, потрапляючи на пластину, теплосприймаючої пластину, яка і виробляє тепло. Скло служить теплоізоляцією, а для підвищення ККД колектора, його стінки прокладають теплоізолятором. Така конструкція, дозволяє знизити теплові втрати до мінімуму.

Пластина абсорбенту, або ж пластина, що поглинає сонячне світло, часто пофарбована в чорний колір, щоб збільшити кількість поглинається сонячної енергії, адже той факт, то темні тіла притягують її більше - ні для кого не секрет. Проходячи через скло, і потрапляючи на поглинаючу пластину, сонячна радіація перетворюється в теплову енергію. Далі, щоб продовжити процес, отримане тепло передається тепловому носія. Тепловим носієм може виступати повітря або рідина, які циркулюють в трубах. На жаль, навіть повністю чорні поверхні, здатні відображати близько 10% сонячної радіації, що падає на неї. Щоб уникнути цього, абсорбуючі пластини покриваються додатково спеціальним покриттям, яке покликане утримувати сонячне світло потрапляють на пластину. Таке покриття служить довше звичайної фарби і дозволяє підвищити ККД колектора. До складу такого селективного покриття входить шар аморфного напівпровідника, який наноситися на металеву основу пластини.

Абсорбуючі пластини виготовляються з металу, який найкращим чином проводить тепло. Високий рівень теплопровідності металу дозволить зменшити тепловтрати при передачі переробленої енергії теплоносію. До списку таких металів можна зарахувати мідь і алюміній. Різниця між ними полягає в тому, що мідна пластина здатна краще проводити тепло, і більш стійка до корозій, на відміну від алюмінієвої пластини.

Плоскі сонячні колектори бувають рідинними або повітряними. А в залежності від наявності скління, і той і інший вид буває як заскленим, так і не заскленим.

рідинні колектори

У сонячних колекторах цього типу, теплоносієм виступає рідина. Сонячна енергія, переробляється в поглинаючої пластині в тепло, і передається рідини, яка тече по трубах, прикріпленим до пластини. Ці труби можуть йти паралельно один одному, але на кожній, в обов'язковому порядку має бути вхідний і вихідний отвір. Існує можливість розташування труб у вигляді змійовика. Такий стан зменшує кількість з'єднувальних отворів, що, в свою чергу, знижує ймовірність протікання. Таким чином, змієподібне розташування забезпечує більш рівномірний потік рідини-теплоносія. Однак, можуть виникати складнощі при спуску рідини перед похолоданням, оскільки у вигинах труби може залишитися рідина.

Прості системи рідинних сонячних колекторів припускають використання звичайної води, яка відразу ж, нагріваючись в колекторі, надходить користувачеві. Такі моделі називають «розімкнутими» або «прямими» системами. Однак застосування таких колекторів незручно в регіонах з низьким температурним режимом. Оскільки, при зниженні температури нижче точки замерзання - необхідно зливати воду. У цей період систему використовувати неможливо. Альтернативою є використання незамерзаючих рідин замість води. Цей вид системи рідинних сонячних колекторів використовує рідкі теплоносій, який, поглинаючи тепло, направляється в теплообмінник. Найчастіше теплообмінником є ​​водяний бак, конструкція якого передбачає передачу тепла воді. Таку систему називають «замкнутої» або «непрямий».

Скління рідинних колекторів дозволяє нагрівати воду для побутових потреб, і для опалення будинку, оскільки їх ККД вище, ніж у незаскленому аналогів. Незаскленому колектори, часто використовують для нагріву води в басейнах. В останніх приладах не потрібно нагрівати температуру до високих температур. Це дозволяє використовувати менш дорогі матеріали, такі як пластмаса та гума.

повітряні колектори

Теплоносієм в повітряних колекторах виступає повітря, а він не замерзає і не кипить, на відміну від води. Цей факт дозволяє уникнути проблем, до яких схильні рідинні колектори. До того ж, витік в системі повітряних колекторів приносить набагато менше труднощів, хоча, звичайно ж, виявити її досить складно. Варто пам'ятати, що перед матеріалами, використовуваними в повітряних сонячних колекторах, не стоять особливо складні експлуатаційні завдання. З цього, в повітряних системах можливе використання більш дешевих матеріалів.

Конструкція повітряних колекторів, являє собою поєднання плоских колекторів. Такий прилад використовується в основному для просушки сільськогосподарської продукції, або ж для опалення приміщень. Металеві панелі і багатошарові неметалічні екрани можуть послужити поглинаючими пластинами в конструкції повітряних колекторів. Теплоносій проходить через стінки поглинача за допомогою природної конвекції, або за допомогою спеціального вентилятора.

Теплопровідність повітря, на порядок гірше, ніж провідність тепла, рідиною. З цього, поглинач отримує значно менше тепла від повітря, ніж від рідини. Вентилятор, приєднаний до поглинаючої пластині, дозволяє збільшити потік повітря, таким чином, покращуючи тепловіддачу. Однак і в цій конструкції є свої недоліки. Для роботи вентиляторів, необхідно додатково використовувати електроенергію, а це, в свою чергу збільшує витрати на роботу системи. В умовах холодного клімату, необхідно направляти повітря між поглинає пластиною і утепленій стінкою колектора, це дозволяє уникнути втрат тепла. Але не варто застосовувати такою циркуляцію, якщо, все ж, повітря в приміщенні, нагрівається на 17 С більше, ніж повітря на вулиці. В цьому випадку, повітря може спокійно циркулювати без втрат ефективності.

Поговоримо про достоїнства повітряних колекторів. В першу чергу - це простота і надійність. Повітряні колектори мають досить простий пристрій, завдяки цьому знижується рівень необхідності технічного обслуговування, при цьому збільшуючи їх безумовну надійність. При гідних умовах експлуатації, термін служби якісного повітряного колектора коливається від 10 до 20 років. За рахунок того, що теплоносієм виступає повітря, виключається необхідність використання теплообмінника і термоізоляції в холодну пору року.

Однак не все так барвисто, у сфері сонячних повітронагрівачів. Вся справа в тому, що застосування таких установок поширене виключно для опалення приміщень і просушування сільськогосподарської продукції, причому, в основному, в розвиваючих країнах. Причиною цього стало те, що існують деякі обмеження, для використання в промислових умовах. Почнемо з того, що в порівнянні з рідинними, повітряні колектори займають досить велику площу, за рахунок низького рівня питомої теплоємності. До того ж, потрібно обладнати довгий воздуховод для ефективної роботи колектора. І найголовніша проблема - це необхідність використання електроенергії для прогону повітря через функціональні частини колектора. Ще іноді зустрічаються труднощі з акумулюванням самої теплоти. Всі ці проблеми, навіть в регіонах з достатньою кількістю сонячних днів, призводить до значного збільшення вартості на експлуатацію і установку повітряних колекторів.

Принцип дії сонячних колекторів

Елементарний повітряний колектор

Повітряні сонячні колектори діляться на дві групи, в залежності від способу циркуляції повітря. У самому простому випадку, потік теплоносія (повітря) в колекторі проходить якраз під поглиначем. Таким чином, даний колектор дозволяє підвищити температуру повітря, але лише на 3-5 С. Причиною такого низького ККД є втрати тепла на конвекцію і випромінювання.

Будь прозорий матеріал, з низькою провідністю інфрачервоного випромінювання, дозволяє знижувати рівень тепловтрат, при накриванні їм поглинача. Вся справа в тому, що потік повітря, утворюється або під поглиначем, або між поглиначем і даними прозорим покриттям. Прозора кришка (з особливого скла або пластмаси) дозволяє не на багато знижувати рівень випромінювання тепла з поглинача. Однак, це зниження конвективних теплових втрат, може дозволити збільшити температуру до 20-50 С. Але і цей параметр буде залежати від інтенсивності сонячної енергії потрапляє в колектор і якості повітряного потоку. Як плюс до цього всього, спостерігається, також зниження теплових втрат на випромінювання, за рахунок зниження температури поглинача. Але варто пам'ятає, що при цьому відбувається ще й зниження можливості абсорбенту поглинати енергію, за рахунок його запилення, в тому випадку, якщо потік повітря проходить з обох сторін.

Накритий поглинач в повітряному колекторі

Відмова від скління металевого ящика і теплоізоляції, в деяких випадках, дозволяє істотно знижувати витрати. Справа в тому, що виготовляється такий колектор з перфорованого металу чорно кольору. Такий матеріал дозволяє покращувати якість теплообміну. Принцип цього процесу полягає в тому, що цей метал нагрівається досить швидко, а вмонтований вентилятор втягує тепле повітря, через отвори в металевих листах. Колектори такого типу, досить часто використовуються в житлових будинках. Найчастіше розміри такого приладу складають 2,4 м? 0,8 м, при цьому швидкість нагріву повітря становить 0,002 м3 / с. Навіть в сонячний зимовий день, температура повітря, яке нагрівається в колекторі, може досягати різниці в 28? С в порівнянні з зовнішнім. До того ж, варто врахувати, що в значній мірі покращується якість повітря, оскільки нагрівається безпосередньо повітря, що надходить зовні.

Одним з головних плюсів подібних колекторів, є той факт, що вони досить ефективні. ККД деяких промислових моделей може досягати 70%. А їх вартість знижується, за рахунок зменшується кількість використовуваних матеріалів.

Вакуумований сонячний колектор

Плоскі сонячні колектори, спочатку створювалися для використання в місцях з великою кількістю сонячної енергії. При поганій погоді, їх ефективність досить не значна. Холодна, вітряна, похмура погода - не дозволяють працювати таким колекторам на повну потужність. Але і це не все - підвищена вологість в значній мірі несприятливо позначається на стані внутрішніх деталей такого колектора. А це тягне за собою зменшення терміну служби колектора, а також погіршення ефективності його роботи. Щоб усунути такі недоліки були створені вакуумовані сонячні колектори.

Сучасні вакуумовані сонячні колектори здатні нагрівати воду, для забезпечення господарських потреб. Принцип дії такого приладу полягає в наступному: сонячна енергія, проходячи через зовнішню трубку, потрапляє в поглинає трубку, де і відбувається перетворення сонячної енергії в тепло. А далі, перероблене тепло передається теплоносію (рідині). Сам колектор являє собою поєднання певної кількості паралельних рядів скляних трубок. До кожної з цих трубок прикріплюється трубчастий поглинач з селективним покриттям (аналог пластини-поглатітеля в вищеописаних плоских колекторах). Нагріта в колекторі рідина надходить в бак накопичувач, і вже там віддає все отримане тепло воді.

Трубки в вакуумованому колекторі можна міняти. Додавати або навіть прибирати, в залежності від необхідності. Це дозволяє називати такі колектори модульними. Але варто пам'ятати, що між трубками колектора повинен бути вакуум, що б зменшити втрати тепла в процесі конвекції. Однак, радіаційна втрата тепла залишається. Уточнимо, що радіаційна втрата тепла - це те тепло, яке йде на нагрівання поверхонь робочих частин колектора. Але не варто думати, що ці втрати істотно вплинуть на ефективність роботи колектора. Радіаційна втрата досить мала, з цього можна впевнено вважати, що робочі характеристики вакуумованого колектора досить великі.

Сейчас, Створена велика Кількість вакуумованих колекторів , Які мають різні комплектації, а, отже, і різні експлуатаційні характеристики і особливості.

Створення вакуумованого колектора - це досить складний і трудомісткий процес. Особливі труднощі викликає запаювання оболонки колектора. Проблема полягає в тому, що до цих пір не знайдено досить ефективного методу створення ефективної високовакуумної системи, при не великих витратах.

Варто пам'ятати, що такі вакуумовані колектори досить ефективні, в порівнянні зі звичайними плоскими колекторами. Вся справа в тому, що ефективність роботи вакуумованого колектора не залежить від якості радіації, тобто як в умовах прямої, так і розсіяної радіації, даний колектор працює однаково ефективно. До того ж, вакуумне будова колектора дозволяє звести до мінімуму втрати тепла. Крім усього вищесказаного, такі прилади досить довго і якісно служать, повністю забезпечуючи все господарські потреби людини.

концентратори

Фокусує сонячний колектор

Концентратори або ж колектори відрізняються від попередніх описаних колекторів тим, що їх принцип дії полягає в концентрації сонячних променів. Робиться це за рахунок дзеркальних поверхонь, які направляють сонячну енергію конкретно на поглиначі. Температура, яка забезпечується концентраторами значно вище, ніж максимальна температура плоских колекторів. Але варто пам'ятати, що концентратори можуть сприймати виключно пряму сонячну радіацію, з цього. У похмуру погоду їх використання не можливо. Такий тип колекторів-концентраторів, особливо ефективний в регіонах близьких до екватора і в пустельних районах з великою кількістю сонячних днів.

Для більш ефективної роботи концентратора, використовується спеціальний прилад, який відстежує напрям сонячних променів і повертає прилад до сонця. Залежно від осі, по якій може обертатися, такий колектор розрізняють одновісні і двоосні стежать пристрої. Перші припускають обертання пристрою зі сходу на захід, а другі, припускають поворот пристрою в усі чотири сторони світу, для того що б точно відслідковувати напрямок сонця протягом всього року. Дані колектори-концентратори, в основному використовуються в промислових умовах. Причиною цього стала досить велика вартість цього пристрою, а також необхідність постійного технічного обслуговування. Для побутового застосування, вони просто не прийнятні.

Сонячні печі і дистилятори.

сонячна піч

Крім всіх вищеописаних приладів, існують також прилади, які мають досить просту структуру, і вузьку сферу застосування. Наприклад, такі прилади можуть виступати в ролі сонячної печі, для приготування їжі, або сонячного дистилятора - приладу досить дешево очищає воду будь-якого стану.

Поговоримо про сонячні печі. Вони досить прості, як при експлуатації, таки при виготовленні. Сонячні печі являють собою досить добре теплоизолированную коробку, яка покрита матеріалом, що відображає світло (фольгою, наприклад). Ця коробка накривається склом і обладнана зовнішнім відбивачем. Каструля чорного кольору послужить поглиначем, оскільки може набагато швидше нагріватися. Такі печі, можна використовувати для стерилізації води, при кипінні.

Що стосується сонячних дистиляторів, то вони можуть в результаті своєї роботи надавати дистильовану воду досить дешево, до того ж, що брати воду, можна практично з будь-якого джерела. Принцип роботи сонячного дистилятора лежить в основі процесу випаровування, а сам прилад використовує сонячну енергію, з метою прискорити цей процес. За день роботи, невеликий сонячний дистилятор може виробити близько 10 літрів ідеально чистої води.

На даний момент сонячна енергія використовується досить широко. Одним з найбільш ефективних прикладів його використання є метод нагріву води сонячною енергією. Кілька мільйонів жителів нашої планети, вже досить довго і давно використовують сонячні колектори для забезпечення своїх потреб. Такі прилади досить ефективні, не вимагають особливих витрат на експлуатацію, до того ж не приносять шкоди навколишньому середовищу.