Энергия солнца является одним из наиболее доступных и перспективных возобновляемых источников энергии. Рост интереса к использованию именно этого вида энергии обусловлен, с одной стороны, постоянным ростом цен на органическое топливо, в частности, на природ-ный газ и нефть, с другой - постоянно набирающим силу движением за охрану окружающей среды. Немаловажным фактором является и, своего рода, мода в мире на использование возобновляемых источников энергии, которая, как можно констатировать, дошла и до Украины.

Рассмотрим использование тепловой энергии для получения полезной теплоты, что обеспечивается установками, называемыми у нас солнечными коллекторами.

 

 

Основные типы солнечных коллекторов

 

Открытые коллекторы

Открытые солнечные коллекторы представляют собой поверхность, выполненную из резины или пластика с высокими значениями коэффициента поглощения солнечных лучей и высокой стойкос-тью к действию ультрафиолетового излучения. Как следует из названия, в таких коллекторах теп-лопоглощающий слой не покрывается стеклом. Применяются почти исключительно в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах.

Открытые солнечные коллекторы представляют собой поверхность, выполненную из резины или пластика с высокими значениями коэффициента поглощения солнечных лучей и высокой стойкос-тью к действию ультрафиолетового излучения. Как следует из названия, в таких коллекторах теп-лопоглощающий слой не покрывается стеклом. Применяются почти исключительно в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах.

Преимущества	Недостатки
возможность достижения высоких значений КПД; незначительная масса; простота конструкции; относительная дешевизна; простота монтажа.	большая зависимость КПД от разности температур; уязвимость к отрицательным температурам; ограниченное применение (только для бассейнов); высокая зависимость от облачности и ветра; пониженный срок эксплуатации.

Географически применение, как правило, ограничивается странами с теплым и солнечным клима-том. Применительно к климатическим условиям Украины, использование таких систем ограничи-вается преимущественно южным и юго-восточным регионами. Как правило, в отечественной прак-тике для обогрева бассейна используется отдельный котельный агрегат, в основном навесного типа, работающий на газе. Использование системы с открытым солнечным коллектором позволит, с одной стороны, пользоваться открытым бассейном уже с конца марта, с другой – на 50 - 75 % уменьшить расход газа на подогрев бассейна.

Вакуумные коллекторы

Рис. 2 Вакуумный солнечный коллектор, внешний вид

Особенностью вакуумных коллекторов (см. рис. 2) является использование в качестве эффектив-ного теплоизолятора вакуума. Вакуум поддерживается между наружным покрытием из стекла и теплопоглощающим слоем. Благодаря вакууму минимизируются тепловые потери и резко снижа-ется зависимость КПД коллектора от разности температур между температурой коллектора и тем-пературой наружного воздуха. Конструктивно вакуумные коллекторы могут выполняться трубча-тыми, из отдельных герметичных труб, и плоскими, в этом случае вакуум поддерживается при по-мощи специальных насосов. Наиболее распространенными являются трубчатые вакуумные кол-лекторы.

Рис. 3 Конструкция трубчатого вакуумного солнечного коллектора

Рис. 4 Зеркальный эффект

На рисунке 3 представлена конструкция трубчатого солнечного коллектора.

Для данных коллекторов характерен так называемый зеркальный эффект, благодаря которому уменьшается зависимость теплоотдачи коллектора от высоты солнца (см. рис. 4). Это способствует выравниванию тепловой мощности коллектора как в течение дня, так и в течение всего года, что является существенным преимуществом такого типа коллекторов.

Многие европейские производители имеют в своем модельном ряде вакуумные коллекторы с так называемой тепловой трубкой. При использовании данной конструкции на поглотителе устанавли-вается тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. Данная тепловая труба подсоеди-няется к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Тепло передается поглотителем тепловой трубке, что приводит к испарению жидкости. Образующийся пар поступа-ет в конденсатор. Так как нет связи между внешним контуром и испаряющейся жидкостью, то возможно производить замену одной или нескольких трубок при заполненной установке, что су-щественно облегчает ремонт и эксплуатацию данного вида солнечных коллекторов.

Преимущества	Недостатки
высокий КПД в течение всего года; максимальный КПД в зимний период	более высокая стоимость; больший вес и габаритные размеры в сравнении с другими типами коллекторов; пониженная эффективность работы в зимний период в климатических условиях Украины вследствие возможного образования инея и выпадения снега. низкая надежность: высокая подверженность градобитию, постепенное исчезновение вакуума в некоторых из трубок.

Вакуумные солнечные коллекторы являются высокотехнологичным и интересным в техническом отношении видом данной продукции. К сожалению, климатические условия нашей страны не всегда в полной мере позволяют реализовать их потенциал. Это касается негативного влияния сне-га и инея. Здесь следует иметь в виду, что вследствие отличных теплоизоляционных свойств ваку-ума как снег, так и иней могут держаться на коллекторах очень долго, длительное время после того, как крыша здания полностью очистилась. Очевидно, что в эти периоды энергоотдача коллекторов практически снижается до нуля. Что касается уязвимости трубчатых коллекторов к граду, данная проблема имеет место, в первую очередь, в вакуумных коллекторах китайского производ-ства, не всегда имеющих должное качество. То же можно сказать и о потере вакуума в трубках коллекторов. Можно рассчитывать на то, что со временем, по мере отработки технологии производства продукции, данные проблемы потеряют свою актуальность.

Плоские солнечные коллекторы

                                                                                                                                                   Рис.5 Плоский солнечный коллектор, внешний вид

Плоские солнечные коллекторы (см. рис. 5) являются наиболее распространенным типом солнеч-ных коллекторов. Следует отметить, что в результате длительного совершенствования коллекторы данного типа, по всей видимости, практически достигли наиболее оптимальных показателей по эф-фективности, сроку эксплуатации и стоимости. Конструкция и схема работы плоского солнечного коллектора представлены на рисунках 6 и 7, соответственно.

                                                                                                                                              Рис.6 Конструкция плоского солнечного коллектора

                                                                                                                                         Рис.7 Схема работы плоского солнечного коллектора

Плоские солнечные коллекторы работают на основе парникового эффекта. Данный эффект основан  на  том, что  солнечное излучение,  падающее на  поверхность солнечного коллектора, практически полностью пропускается стеклом.

Рис.8 Относительная интенсивность излучения и степень пропускания излучения стеклом

Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спек-тральном интервале 0.4 мкм — 1.8 мкм (рис. 8, позиция - а), то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное или закаленное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% (рис. 8, позиция - б). Расположенное в нижней части коллектора теплопоглощающее покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения до 90%. Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которой находится в инфракрасном диапазоне (рис. 8, позиция - с). Как видно из рисунка, данный спектр излучения уже практически не пропускается стеклом. Таким образом, достигается аккумуляция солнечной энер-гии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструк-тивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляяется теплоносителем – водой или раствором незамерзающей жидкости. Кроме обычного стек-ла, в плоских солнечных коллекторах также может использоваться поликарбонат, стекло с низким содержание железа, хорошо пропускающее солнечные лучи, и ударопрочное стекло. Более наглядно схема парникового эффекта и потерь, имеющих место в плоском коллекторе, представ-лена на рисунке 9.

Рис.9 Схема парникового эффекта и тепловых потерь в плоском солнечном коллекторе

Важной характеристикой солнечных коллекторов является производство горячей воды с 1 м²поверхности. Для Украины в летний солнечный день производительность плоских коллекторов может достигать 50 литров воды, нагртой до 50 - 60°С с 1 м² в день.

Преимущества	Недостатки
высокая эффективность; относительная простота конструкции; надежность; возможность эффективной эксплуатации на протяжении всего года; длительный срок эксплуатации.	более низкий КПД в сравнении с вакуумными коллекторами в периоды с низким уровнем солнечного излучения и в холодную часть года

Плоский солнечный коллектор является технически достаточно простым устройством. Наиболее высокотехнологичным элементом в его конструкции является поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы коллектора необходимо, чтобы покрытие поглощало возможно большую часть энергии падающих солнечных лучей, а при нагреве излучало как можно меньшую часть поглощенной энергии в инфракрасном спектре.

Для оценки эффективности поглощающих покрытий применяются следующие показатели:

• коэффициент поглощения (абсорбации), а - обычно находится в пределах 0,8-0,98. Данный коэффициент представляет собой отношение поглощенной энергии к падающей;
• коэффициент излучения (эмиссии), e - обычно в пределах 0,95 — 0,02 для различных типов покрытий. Данный коэффициент представляет собой отношение излученной энергии к погло-щенной;
• коэффициент селективности, a/e , применяется для сравнения характеристик различных видов поглощающих поверхностей. Чем выше значение данного коэффициента, тем лучшими характеристиками обладает поглощающая поверхность.

Современные высокоселективные покрытия обладают очень высокими значениями коэффициента селективности, значительно повышая тем самым КПД солнечных коллекторов. К тому же, практически лишь коллекторы, оснащенные покрытиями такого типа, могут эффективно работать в холодный период года вследствие гораздо меньшей зависимости КПД от разницы температур.

С целью наглядного сравнения характеристик тепловой эффективности различных типов коллекторов, приведем график КПД для трех рассмотренных типов коллекторов при мощности солнечного излучения в  600 Вт/м²  (см. рис. 10).

Рис.10 Зависимость КПД солнечных коллекторов от разницы температур между коллектором и воздухом. Обозначения: 1 – вакуумный трубчатый коллектор; 2 – плоский коллектор с селективным покрытием; 3 – открытый коллектор.

В настоящий момент, наиболее перспективными в условиях Украины являются  плоские солнечные коллекторы горячего водоснабжения, вследствие всесезонности, простоты и надеж-ности конструкции при невысокой цене в этом сегменте оборудования. Однако необходимо помнить, что эти системы могут обеспечить требуемые функциональные задачи только  в  комбинации с традиционным оборудованием (работающим на электроэнергии,  газе, жидком или твердом топливе).