Применение солнечных коллекторов

Юрий Степанович Почанин, 2019

В книге "Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии", том 2, рассмотрены основные элементы солнечных коллекторных систем для отопления и для горячего водоснабжения дома, производственных помещений. Описаны мероприятия по предотвращению стагнации гелиоколлекторных систем. Предложены оптимальные схемы подключения, монтажа и сервиса оборудования гелиоколлекторных систем. Рассмотрен монтаж и сервис гелиоколлекторов. Книга может представлять интерес для школьников, студентов и специалистов, занимающихся проектированием и установкой гелиоколлекторов.

Глава 1. Низкотемпературные гелиоколлекторы

Низкотемпературные гелиоколлекторы — это простейший вид солнечного коллектора. Они бывают плоские открытого и закрытого типа.

Гелиоколлектор открытого типа — это простейшие конструкции, у которых поверхность (абсорбер) непосредственно нагревается солнечными лучами. Элементы конструкции открытого теплообменника закрепляются на простейшей раме — каркасе и не защищены (открыты) от внешних воздействий окружающей среды. В качестве теплоносителя применяется вода, антифриз. Обычно, теплообменники открытого типа применяются на садовых и приусадебных участках для подогрева воды в летних открытых душевых и открытых детских бассейнах. Часто они изготавливаются самостоятельно из подручного материала. На рис.1 представлены несколько оригинальных конструкций ГК открытого типа. Существуют и промышленные солнечные коллекторы (СК) открытого типа. Некоторые из них представлены на рис.2. В большинстве случаев, промышленные солнечные коллекторы (СК) открытого типа — это поверхности из пластика черного цвета внутри которых размещены каналы с циркулирующей водой. Солнце нагревает поверхность такого коллектора, которая, в свою очередь, нагревает воду. Нагретая вода поступает в бассейн или резервуар летнего душа. Главное преимущество таких устройств дешевизна. Главный недостаток, определяющий название таких систем — отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает. Коллектор лежит на земле или на поверхности, затененной от солнца, следовательно, контактирует с холодной средой, минимум равной температуре воздуха в тени. Летом днем это примерно 20°С. Значит с одной стороны поверхность нагревается солнцем, а с другой стороны — охлаждается окружающей средой. Решение данной проблемы простое — изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой. Решение данной проблемы простое — изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой.

Рис.1 Некоторые примеры исполнения простейших тепловых солнечных коллекторов

Рис.2 Солнечные тепловые коллекторы открытого типа промышленного изготовления

Открытые гелиоколлекторы могут обеспечивать только небольшой перепад температур (до 20°С) между температурой теплоносителя и окружающей температурой воздуха. Это обусловлено тем, что коллекторы данного типа излучают очень много энергии в окружающую среду и имеют очень низкий коэффициент полезного действия.

Открытые СК не применяются в автономных системах отопления и подготовки горячего водоснабжения из-за низкой эффективности их работы.

Обычно, абсорберы СК открытого типа выполнены из стали, окрашенной в черный цвет или пластика. Если коллектор выполнен из труб, то важна плотность их навивки. При недостаточно плотной навивке, большая часть солнечной энергии проходит мимо и не нагревает трубы.

Если у коллектора абсорбер стальной лист, покрашенный простой черной краской, то простая черная масляная краска имеет плохой коэффициент поглощения, и значительная часть солнечной энергии отражается в атмосферу.

При отсутствии тепловой изоляции на задней поверхности коллектора происходят потери, преобразованной в тепло солнечной энергии на нагрев воздуха или поверхности грунта, если он находится на земле.

Определять точно КПД открытых солнечных коллекторов не имеет смысла, поскольку, в большинстве случаев, эти коллекторы делаются самостоятельно из подручного материала, а промышленные коллекторы этого типа, являются, в большей степени, декоративными или маркетинговыми решениями и греют воду очень плохо и реальный максимальный КПД таких систем не превышает 30–50 %.

Последнее время, ряд компаний стали выпускать новые конструкции солнечных коллекторов. Если закрыть коллектор прозрачным колпаком, то мы уменьшим тепло потери при понижении температуры воздуха, защитим от ветра, утеплим нижнюю теневую часть конструкции. Все это увеличит эффективность работы таких систем. Данный тип солнечных коллекторов, по-прежнему, относится к сезонным дачным установкам подогрева вода и цена таких конструкций невысокая. Делаются такие коллекторы из пластика методом вакуумного формования, который применяется для массового производства. Срок службы таких коллекторов до пяти лет. На рис. 3 показаны конструкции таких коллекторов. Закрытые объемные солнечные коллекторы предназначены для эксплуатации в теплый период времени года, когда продолжительность светового дня более 12 часов. Для увеличения времени освещенности солнечными лучами поверхности коллектора их производят в виде сфер, полуцилиндров, пирамид. Солнечные коллекторы данного типа размещают на крышах летних домиков и на площадках. Из-за использования пластмасс в качестве конструктивных материалов прозрачного защитного слоя и корпуса коллектора, данная конструкция дешева и применяется, в основном, для подготовки горячей воды на приусадебном хозяйстве, подогрева воды в детских бассейнах и летних душевых. Такие солнечные коллекторы обладают невысоким КПД, но они более защищены от влияния атмосферных факторов, чем коллекторы открытого типа и лишены ряда их недостатков. В отдельный вид можно выделить пластиковые солнечные коллекторы. В простейшем варианте это две панели из поликарбоната, которые закреплены на раме из алюминия.

Рис.3 Закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы

Между ними наварены или наплавлены ребра, создающие в панели лабиринт для тока воды. В верхней части панели расположено впускное отверстие, в нижней — выпускное. В верхнее заливается холодная вода, которая, проходя по лабиринту, нагревается и выходит с более высокой температурой через нижнее. Система применяется для нагрева воды в летний период, рис.4.

Рис.4 Пластиковые коллекторы

Из-за малого гидравлического сопротивления очень хорошо функционирует в самотечной системе. Такой вид солнечного водонагревателя — идеальный вариант снабжения горячей водой дачи в летний сезон. Также пластиковые коллекторы изготавливаются путём штамповки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Производительность пластиковых коллекторов достаточно сильно зависит от скорости ветра.

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. Не всегда есть возможность или желание устраивать полноценную систему отопления, частью которой являются все гелиосистемы. Но сэкономить на отоплении помещения можно без устройства системы. И помогут в этом воздушные коллекторы. Полностью заменить традиционное отопление они не в состоянии, но снизить расходы могут. В самом простом случае воздушный солнечный коллектор — это две пластины, между которыми устроен лабиринт, по которому проходит воздух. Наружная пластина имеет отверстия (перфорацию), в которые проходит холодный воздух. Проходя по лабиринту, он нагревается и затем через отверстие в стене дома попадает внутрь, рис.5.

Рис. 5 Воздушные гелиоколлекторы

Работать система может с использованием вентилятора (принудительная циркуляция) или без него. Все зависит от конфигурации. Устанавливается такой солнечный нагреватель воздуха чаще на южной стене (возможна естественная циркуляция за счет восходящих потоков теплого воздуха), но можно сделать и на крыше с вентилятором, рис.6.

Рис.6 Воздушный гелиоколлектор для крыши

Сильного нагрева вы в таких устройствах не получите: КПД у них совсем небольшой, но до 30–45°С в прохладные дни или до 50°С в жаркие дни воздух нагреть можно. Только для получения хорошего эффекта воздушные коллекторы должны иметь большие размеры. Для увеличения КПД вторую стенку делают из теплопоглощающего материала, который используется в плоских коллекторах. Также заднюю стенку утепляют, предупреждая рассеивание тепла. Но эффективность все равно остается низкой.

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 3–5ºС 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 тепло потерь можно достичь подъема температуры на 20–50ºС 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. 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.

Солнечный коллектор, который нагревает воздух, может служить дешевым источником тепла для сушки сельскохозяйственных культур — зерна, фруктов или овощей. Так как солнечные коллекторы с высокой эффективностью нагревают температуру воздуха в помещении на 5–10ºС (а сложные устройства — еще больше), они могут использоваться для кондиционирования воздуха на складах.