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 [11].

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 [12].

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 [13].