Солнечный коллектор: открытый, вакуумный, плоский. Принцип работы

Солнечный коллектор – это искусственное сооружение или устройство, предназначенное для поглощения солнечной радиации и преобразование ее в тепловую энергию, которую применяют для подогрева бытовой воды (система горячего водоснабжения).

Слово коллектор (англ. сollect) переводится, в данном смысле как — собирать, собиратель.

В общем конструкция установки, которая включает в себя солнечный коллектор является сложной и состоит из:

• датчика фиксации температуры в накопительном баке и солнечном коллекторе;
• накопительного или расширительного бака;
• циркуляционного насоса;
• датчики температуры для подогрева воды при условии недостаточности нагрева от солнечного коллектора;
• солнечный регулятор.

Данная установка должна иметь подключения к системе холодного и горячего водоснабжения (или к системе отопления), фото 1.

Существуют разные виды солнечных коллекторов:

1. Открытые солнечные коллекторы.
2. Вакуумные солнечные коллекторы.
3. Плоские солнечные коллекторы.

Открытые солнечные коллекторы

Открытые коллекторы – оснащены поверхностью из резины или пластика, которые имеют высокий коэффициент поглощения солнечных и световых лучей. В данном коллекторе его поверхность не покрывается стеклом, фото 2.

Применяется в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах и позволяет снизить расход газа на обогрев до 50…70%, что в наше время весьма существенно.

Коллектор открытого типа целесообразно использовать в теплых странах. В Украине рекомендуется применять только в южных регионах страны.

Плюсы открытого коллектора:

• легкое оборудование;
• простая конструкция и ее монтаж;
• относительно низкая стоимость.

Минусы открытого коллектора:

• прямая зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и от погоды (облачности, ветра);
• применяется только для нагрева воды бассейнов и для летних душевых;
• малый срок эксплуатации (1…3 года).
• низкий КПД системы.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумный коллектор – является усовершенствуемым вариантом коллектора открытого типа, фото 3. Особенностью данного коллектора является использования вакуума, как высокоэффективного теплоизолятора. Вакуум находится между внешним стеклом и теплопоглощающей поверхностью коллектора. Такая конструкция позволяет существенно снизить теплопотери и снизить зависимость производительности коллектора от температуры окружающей среды и погоды (ветер, осадки, облачность). Повышение эффективности вакуумного коллектора связано также с его работай по принципу зеркального эффекта (фото 4), который заключается в выравнивании тепловой мощности коллектора в зависимости от высоты солнца.

Вакуумные коллекторы производятся следующих видов:

• трубчатые – представляют собой герметичные вакуумные трубы;
• плоские – представляют собой пластины, вакуум в которых поддерживается насосами.

Трубчатые вакуумные коллекторы

Трубчатые коллекторы состоят из следующих элементов:

• корпус-рама;
• корпус теплообменника;
• стеклянные вакуумные трубки.

В зависимости от конструкции теплового канала и стеклянных трубок трубчатые вакуумные коллекторы разделяются по следующим конструктивным особенностям:

• по виду стеклянной трубки: коаксиальная или перьевая;
• по виду теплового канала (производится с тепловой трубкой «нeat pipe» (термотрубка) и с прямоточной тепловой трубкой);

Коаксиальная стеклянная трубка сделана по типу термоса – две трубки различного диаметра вставленные друг в друга, между ними выкачан воздух и создан вакуум, фото 5.

Перьевая вакуумная стеклянная трубка – трубка с одной стенкой, а внутри трубки в среде вакуума установлена часть теплового канала и абсорбера, фото 6.

Трубчатые вакуумные коллекторы по виду похожи на термос, и состоят из трубки в которую помещена трубка меньшего диаметра. Воздух между поверхностями трубок выкачан, т.е. создается вакуум, который является термоизолятором для минимизации теплопотерь. Внутренняя поверхность внутренней трубки покрыта высокоселективным слоем, от которого с помощью алюминиевых пластин происходит сбор количества принятого тепла и передача его медной U-образной или коаксиальной трубке с подогреваемой жидкостью.

Из фото 7 видно, что внутри алюминиевой пластины проходят две трубки: одна с нагретой жидкостью, а вторая – с холодной жидкостью. Все трубки с жидкостью (теплоносительные трубки) объедены в целую гидравлическую систему, фото 8.

Цилиндрическая форма трубок позволяет по максимуму собирать солнечные лучи, которые в любое время дня и года принимают солнечные лучи перпендикулярно к оси трубки – это значительно повышает эффективность работы всей системы и позволяет даже при очень слабом солнечном освещении нагревать воду в системе горячего водоснабжения.

Выпускаются трубчатые вакуумные коллекторы различной конструкции. Кратко рассмотрим самые распространенные виды вакуумных трубчатых коллекторов:

• вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система);
• вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником;
• вакуумный коллектор с термотрубками.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (термосифонная система)

Система коллекторных трубок соединена с накопительным баком, через который поступает вода непосредственно к вакуумным трубкам, фото 9, что является большим преимуществом, так как минимизируются теплопотери. Вода в трубках нагревается и поступает в теплообменник по принципу естественной конвекции, поэтому системный бак всегда располагается выше коллекторных трубок. Вода в баке, которая отдала тепло и охладилась, она естественным путем течет вниз в трубки.

Особенностью термосифонной системы является не только возможность аккумулировать определенное количество тепла, но и сохранять в баке определенное количество горячей воды некоторое время. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде широко применяется для начального нагрева воды, а затем основными системами вода подогревается до требуемой температуры.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде считается дешевым и отличается простой конструкцией.

Недостатки вакуумного коллектора с прямой теплопередачей воде:

1. Нерационально использовать солнечные коллекторы такого типа в тех регионах, где есть отрицательные температуры.
2. Не допускается в системе коллекторов давления более чем 0,2 атм, так как теплоноситель имеет прямой контакт с трубкой. Таким образом, данный коллектор не может работать в под высоким давлением.
3. Коллектор эффективно работает только при положительной температуре окружающей среды.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным в бак теплообменником

Прямоточный канал позволяет снизить потери нагретой жидкости на пути к теплообменнику, фото 10, т.е. непосредственная передача тепла теплообменнику (воде) без «посредников». При действии на трубку солнечных лучей жидкость закипает или просто нагревается, превращается в пар и переносит к теплообменнику тепловую энергию, который непосредственно находится в трубке. В теплообменнике пар конденсируется и возвращается обратно в каждую трубку коллектора. Такая система высокоэффективна и позволяет работать коллектору в экстремальных условиях, даже при температуре наружного воздуха -35°С.

Вакуумный коллектор с термотрубками

Коллектор оснащен вместо обычных вакуумных трубок более усовершенствованными термотрубками, которые представляют собой трубку из тонкостенной меди заполненную легкокипящей жидкостью. Коллектор состоит из набора термотрубок, – при попадании солнечного света на трубки происходит кипение легкокипящей жидкости (например, иноргатик) до температуры 250…380°С, ее пары поднимаясь в верхнюю часть трубки, которая является конденсатором отдают тепло и охлаждается до превращения в жидкость, а затем поступает снова в нижнюю часть термотрубок. Принцип работы представлен на фото 11.

Плоские вакуумные коллекторы

Вакуумный плоский коллектор отличается от обычного плоского коллектора наличием в середине системы вакуума для снижения теплопотерь, фото 12. Плоский вакуумный коллектор имеют высокую производительность по сравнению с другими плоскими коллекторами, но его распространение ограничивает то, что он очень дорогой. Также такой коллектор очень сложно устанавливать и эксплуатировать.

Плюсы вакуумного коллектора:

• высокий КПД системы на протяжении всего года, и даже зимой. По сравнению с другими типами коллекторов, трубчатый вакуумный коллектор на протяжении целого года производит на 30…40% количества тепла больше;
• возможность работать при отрицательных температурах (не все виды);
• некоторые производители выпускают трубчатые коллекторы с поверхностью из ударопрочного стекла, выдерживающего удар града или незначительного падения;
• низкая парусность конструкции позволяет более надежно закрепить оборудование с меньшими усилием и затратами.
• более ремонтопригодная система. При повреждении одной трубки ее относительно легко заменить, что совсем не возможно в плоских коллекторах;
• возможность нагрева воды до температуры 130…200°С.

Минусы вакуумного коллектора:

• более высокая стоимость; по подсчетам производителей окупаемость системы коллектора составляет 1…5 лет;
• большие габариты и тяжелый вес;
• в пределах Украины производительность вакуумного коллектора в зимний период может снижаться за счет осадков в виде снега и инея;
• низкий срок эксплуатации, система боится града (более свойственно продукции из Китая);
• одной из главных поломок системы – недержание вакуума в системе (более свойственно продукции из Китая).

Область применения. Вакуумные солнечные коллекторы применяют для подогрева бытовой воды или в системе отопления. Вакуумный коллектор позволяет летом получать полностью горячею бытовую воду в избытке, а зимой коллектор покрывает только до 60% всего расхода горячей воды. При заполнении теплоносителя, который не замерзает, свободно можно использовать коллектор для подогрева воды и в морозы при температуре -5…-10°С.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор – это один из самых распространенных видов солнечных коллекторов, которые работают по принципу парникового эффекта, а именно то, что сквозь стекло практически полностью все солнечные лучи проходят и попадают на поверхность солнечного коллектора (фото 13).

Для плоского солнечного коллектора применяется обычное или специальное закаленное стекло с коэффициентом пропускания спектрального интервала 0,4…1,8 мкм и достигает 95%, а в свою очередь в нижней части коллектора используется теплопоглощающее покрытие с эффективностью 90% (высокоселективное покрытие). Поверхность стекла применяют матовую, которая больше поглощает солнечных лучей, чем глянцевая поверхность.

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов:

• корпус;
• абсорбер и теплопоглощающее покрытие;
• прозрачное защитное покрытие (обычно стекло);
• термоизолирующее покрытие (обычно минеральная вата в комбинации со светоотражающей алюминиевой фольгой);
• элементы крепления оборудования.

Корпус плоского солнечного коллектора обычно изготовляют из листового или анодированного алюминия, и предназначенный для защиты главного оборудования от внешнего воздействия и крепления к основанию скатной кровли или реже к стене дома.

Абсорбер – основной элемент плоского коллектора. Абсорбер представляет собой обычно медную пластину с теплопоглощающим покрытием. К адсорберу припаян проточный трубопровод, для отвода тепла, который может располагаться по двум схемам: «меандр» и «арфа». Абсорбер помещается в стеклянный корпус. Одна поверхность, что покрыта теплопоглощающим слоем принимает солнечное излучение, а вторая сторона (противоположная) для снижения теплопотерь утепляется специальным материалом. Отвод теплоты от теплопоглощающего покрытия осуществляется через медный или алюминиевый теплообменник, внутри которого в качестве теплоносителя помещена вода или антифриз.

В разных моделях плоских солнечных коллекторах могут быть:

• абсорбер из меди лирообразной формы, поверхность которого покрыта высокоселективным черным хромом, что дает возможность к параллельному подключению коллекторов, фото 14а;
• абсорбер из меди, меандровый с высокоселективным покрытием «Sunselect», фото 14б;
• абсорбер из меди двойной лирообразной формы с высокоселективным покрытием «Eta plus», фото 14в.

В плоских солнечных коллекторах используют следующие виды стекол, фото 15:

• обычное стекло;
• специальное закаленное стекло. Особенностью является повышенная прочность на удар и высокая рассеянность.
• антирефлексное стекло – это стекло, на обеих поверхностях которого нанесен специальный слой элиминирующий отражение солнечного света и поэтому максимальное количество этого излучения попадает на абсорбер (до 96%);
• полярное стекло (самоочищающееся стекло); поверхность такого стекла покрыта специальным слоем диоксид титана, что приводит к выгоранию на солнце всего органического мусора, который оседает на поверхность коллектора, а дождь смывает его остатки, оставляя стекло чистым.

В более дорогих версиях плоского солнечного коллектора вместо обычного защитного стекла применяется стекло из поликарбоната, которое также хорошо пропускает солнечные лучи, но является более стойким к ударам.

Очень важно, чтобы плоские коллекторы имели хорошую теплоизоляцию, которая снижает потери тепла. Обычно теплоизоляция плоских коллекторов устанавливается толщиной 20…60 мм изготовленной из минеральной ваты и светоотражающей алюминиевой пленки.

Для нашего региона, летом в Украине максимальная производительность плоского солнечного коллектора составляет 50 л (температура 50…60°С) за 1 день с 1 м² коллектора.

Плюсы плоских солнечных коллекторов:

1. Высокая производительность (КПД более 50%).
2. Простая и надежная конструкция.
3. Высокая долговечность оборудования (более 50 лет; производитель обычно дает гарантию на 10 лет эксплуатации).
4. Возможность работы круглый год.
5. Эффективно работают при необходимости нагрева воды выше на 20…40°С от температуры окружающей среды.

Минусы плоских солнечных коллекторов:

1. Низкая производительность в зимнее время и в неблагоприятную для коллектора погоду (по сравнению с вакуумным коллектором).
2. Максимальна эффективность плоского коллектора достигается только при попадании солнечных лучей под прямым углом, т.е. в полдень.
3. Требует периодической очистки от пыли, грязи, снега.
4. При повреждении коллектора, необходимо проводить полную замену устройства, а не отдельного элемента, как это происходит в трубчатых вакуумных коллекторах.

Как уже выше отмечалось, что плоские коллекторы устанавливают обычно на кровлю или на стены домов. Оптимальным решение является установка солнечного коллектора на стадии строительства дома, что позволяет существенно снизить расход денежных средств на кровельные материалы.

В данном случае плоские коллекторы просто встраивают в каркас кровли, фото 16 и их можно использовать в комплексе с солнечными батареями и мансардными окнами (с далека трудно отличить это окно или коллектор). Такой конструкцией коллекторов, размер которых совпадает с основными типовыми размерами мансардных окон, занимаются такие производители как ROTO (Германия) и VELUX (Дания).

В табл. 1 приведены для сравнения самые главные преимущества и недостатки вакуумного и плоского коллекторов.

Таблица 1

Сравнительная таблица преимуществ и недостатков трубчатого вакуумного и плоского коллекторов

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселективные
Низкие теплопотери	Высокие теплопотери
Работоспособность в холодное время года до -30°С	Низкая работоспособность в холодное время года
Длительный период работы в течение суток	Высокая производительность летом
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и теплого климата
Удобство монтажа	Сложность монтажа, связанная с необходимостью подъема на кровлю собранного коллектора
Неспособность самоочистки от снега	Способность очищаться от снега и инея
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Меньшая начальная стоимость
Рабочий угол наклона не менее 20°	Возможность установки под любым углом
Низкая парусность	Высокая парусность
Способность генерировать высокие температуры теплоносителя	Не способен генерировать высокие температуры теплоносителя

На фото 17 представлен график сравнения тепловой эффективности разных солнечных коллекторов.

Параметры, по которым определяют эффективность работы теплопоглощающего покрытия:

а – коэффициент поглощения (адсорбции) – это отношение количества поглощающей энергии ко всей «приходящей» энергии. Нормальное значение коэффициента а лежит в пределах 0,8…0,98;

е – коэффициент излучения (эмиссии) – это отношения количества излученной энергии к поглощенной. Нормальное значение е лежит в пределах 0,95…1,02, что зависит от вида покрытия;

а/е – коэффициент селективности. Чем выше значение коэффициента селективности, тем лучшая поглощающая способность теплопоглощающей поверхности.

Публикацию подготовил – эксперт GIDproekt

Конев Александр Анатольевич